基于分布式星群的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

王敬超+于全

摘要：提出分布式星群網(wǎng)絡(luò)的概念，即利用共軌控制、組網(wǎng)協(xié)同技術(shù)，整合空間鄰近且獨(dú)立分布的衛(wèi)星資源，在同步軌道上將多顆小衛(wèi)星整合等效為一顆大衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)服務(wù)能力的增強(qiáng)。并提出基于分布式星群的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，通過多星共軌、星間高速互聯(lián)、分布式自主協(xié)同、資源虛擬化等關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)空間系統(tǒng)服務(wù)能力增強(qiáng)，多星合成覆蓋，在軌智能自愈，為構(gòu)建未來穩(wěn)定可靠的空間信息網(wǎng)絡(luò)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：分布式星群；空間信息網(wǎng)絡(luò)；體系架構(gòu)

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-6868 （2016） 04-0009-005

空間信息網(wǎng)絡(luò)是以空間平臺(tái)（如地球同步軌道（GEO）、地球非同步軌道（NGEO）、低軌道衛(wèi)星，高空平臺(tái)（HAPS，臨近空間無人機(jī)或飛艇等））為載體，通過一體化組網(wǎng)互聯(lián)，支持實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)體系化信息服務(wù)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。由于其獨(dú)特的空間位置優(yōu)勢，與地面網(wǎng)絡(luò)相比，空間信息網(wǎng)絡(luò)在對地觀測、應(yīng)急通信、航天測控、航空運(yùn)輸和國家戰(zhàn)略利益拓展等方面都有著不可替代的作用，已逐漸成為國家戰(zhàn)略利益的高邊疆[1]。

近年來，全球相關(guān)機(jī)構(gòu)和組織已投入大量的人力和物力開展空間信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括美國國家航空航天局（NASA）的空間傳感網(wǎng)、歐洲的哥白尼計(jì)劃、美國國家衛(wèi)生基金會(huì)（NSF）的國家生態(tài)觀測網(wǎng)絡(luò)以及中國自然科學(xué)基金空間信息網(wǎng)絡(luò)重大研究計(jì)劃和“十三五”規(guī)劃中的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)[1-4]等。從空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、全球建站受限等不同角度，對于中國空間信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本形成 “骨干網(wǎng)+接入網(wǎng)”的體系架構(gòu)共識[1]， [5-8]，其中骨干網(wǎng)由實(shí)現(xiàn)全球保障的高軌衛(wèi)星組成，接入網(wǎng)則包含了各類低軌衛(wèi)星及各類空基平臺(tái)。

針對骨干節(jié)點(diǎn)頻率軌位匱乏，衛(wèi)星平臺(tái)承載能力弱等問題，我們提出了分布式星群網(wǎng)絡(luò)的概念，即利用共軌控制、組網(wǎng)協(xié)同技術(shù)，整合空間鄰近且獨(dú)立分布的衛(wèi)星資源，在同步軌道上將多顆小衛(wèi)星整合等效為一顆大衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)服務(wù)能力的增強(qiáng)。文章在深入分析分布式星群的應(yīng)用需求、全球研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，給出基于分布式星群的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理，為后續(xù)有關(guān)技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

1 分布式星群網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求

（1）構(gòu)建分布式星群是緩解空間資源約束的重要手段

地球同步軌道以其獨(dú)特的空間位置，可以在地面站和衛(wèi)星之間建立穩(wěn)定長期的鏈路，可對同一地區(qū)進(jìn)行連續(xù)通信或觀測，是通信、氣象等衛(wèi)星的首選軌道位置。自1963年第一顆地球同步軌道衛(wèi)星發(fā)射以來，地球同步軌道衛(wèi)星的數(shù)量不斷增加。截至2015年12月，在國際電信聯(lián)盟登記在案[9]的同步軌道衛(wèi)星有490余顆，同步軌道衛(wèi)星的軌位資源越來越緊張，中國所能使用的軌道位置與美、俄等國家相去甚遠(yuǎn)。此外，C、Ku等頻率資源使用殆盡，在中國上空東經(jīng)70～130°范圍內(nèi)，使用C頻段的衛(wèi)星就有60余顆，Ku頻段70余顆。衛(wèi)星通信頻段向Ka、Q/V、W等高頻段逐步擴(kuò)展，衛(wèi)星全球頻率協(xié)調(diào)難度日益增加。

同時(shí)，隨著平臺(tái)技術(shù)和測控技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星測定軌和軌位保持精度逐步提升，多星共軌技術(shù)從20世紀(jì)90年代開始得到廣泛應(yīng)用。以精確共軌技術(shù)為基礎(chǔ)的分布式星群網(wǎng)絡(luò)為緩解中國匱乏的空間頻率軌位資源提供了新思路。

（2）構(gòu)建分布式星群是實(shí)現(xiàn)空間信息骨干節(jié)點(diǎn)的重要基礎(chǔ)

目前，中國同步軌道衛(wèi)星以東方紅四號平臺(tái)為主，其有效載荷承載能力在700 kg左右，提供約8 000 W的功率，而在民用空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃中，未來10～20年將發(fā)射大量的對地觀測等各類衛(wèi)星。隨著信息獲取技術(shù)的提升，這些衛(wèi)星所要求的傳輸帶寬也越來越大，單顆東四平臺(tái)同步軌道衛(wèi)星已經(jīng)難以滿足空間信息網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)的吞吐量、處理能力等需求，必須采用有效手段解決骨干節(jié)點(diǎn)能力需求與衛(wèi)星平臺(tái)承載能力之間的矛盾。分布式星群通過采用多顆衛(wèi)星等效為一顆大衛(wèi)星提升服務(wù)能力為解決該問題提供了有效的技術(shù)途徑。

另一方面，空間信息網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)承載了大量業(yè)務(wù)的匯聚、處理、交換任務(wù)，其可靠性直接影響整個(gè)空間信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可用性。采用分布式星群網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建其核心節(jié)點(diǎn)，在單個(gè)衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)通過重組調(diào)度不會(huì)影響骨干節(jié)點(diǎn)的全部功能，從而可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在空間復(fù)雜環(huán)境下的高可靠性。

（3）構(gòu)建分布式星群是提升空間資源效益的有效途徑

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，中國衛(wèi)星種類和功能日臻完善，在通信、導(dǎo)航、廣播、氣象、地理信息、國防等領(lǐng)域得到了廣泛的使用，發(fā)揮了巨大作用。與此同時(shí)，衛(wèi)星系統(tǒng)之間自成體系、條塊分割的局面也日漸形成，不同用戶部門分別建設(shè)獨(dú)立的衛(wèi)星地面站，衛(wèi)星系統(tǒng)之間的信息無法及時(shí)共享和綜合利用，嚴(yán)重制約了空間信息的時(shí)效性及空間系統(tǒng)綜合效益的提升，空間信息一體融合與在軌高效處理成為未來的發(fā)展趨勢。

構(gòu)建基于多星協(xié)同的分布式星群網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各類衛(wèi)星系統(tǒng)之間資源和信息的統(tǒng)一管理、互聯(lián)互通和綜合利用，為天基信息的獲取、處理、存儲(chǔ)、傳輸與分發(fā)提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)平臺(tái)，可極大提高空間信息系統(tǒng)的建設(shè)效益，降低建設(shè)成本。

2 相關(guān)空間系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

日新月異的電子和信息技術(shù)對傳統(tǒng)大型航天器提出了更多挑戰(zhàn)，長研制周期和長壽命要求使得大型航天器研制成本高昂、技術(shù)固化，處理能力和快速響應(yīng)能力遠(yuǎn)落后于地面系統(tǒng)。為降低大型航天器研制和部署風(fēng)險(xiǎn)，美、歐等國家或地區(qū)的組織陸續(xù)開展了分布式空間信息系統(tǒng)的研究，最為典型的有美國F6計(jì)劃和天基群組（星簇）等計(jì)劃。

2.1 F6計(jì)劃

F6全稱為通過信息交換連接的“未來、快速、靈活、分離模塊、自由飛行航天器”，是2007年美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)的演示驗(yàn)證項(xiàng)目[10-11]。

如圖1所示，F(xiàn)6計(jì)劃的項(xiàng)目構(gòu)想是圍繞任務(wù)需求，把一個(gè)航天器的任務(wù)載荷、能源、通信、導(dǎo)航、計(jì)算處理等功能單元優(yōu)化分解為多個(gè)模塊，每個(gè)分離模塊從本質(zhì)上說仍然是一顆衛(wèi)星，攜帶與航天任務(wù)相關(guān)的不同功能或資源，采用物理分離、星群自由飛行、無線信息交換和無線能量交換方式，功能協(xié)同，資源共享，構(gòu)成一顆虛擬大衛(wèi)星來完成特定的任務(wù)。F6中提出的構(gòu)想與分布式星群的區(qū)別在于分布式星群中的組成衛(wèi)星是獨(dú)立全功能的，可以協(xié)作實(shí)現(xiàn)某一功能也可獨(dú)立擔(dān)負(fù)某項(xiàng)任務(wù)。

2.2 天基群組計(jì)劃

美國2007年公布的天基群組計(jì)劃重點(diǎn)用于提升同步軌道衛(wèi)星的及時(shí)響應(yīng)能力。天基群組中的每個(gè)衛(wèi)星具有自己特定的任務(wù)，各衛(wèi)星的功能不同，大型單個(gè)衛(wèi)星的功能在多個(gè)衛(wèi)星中進(jìn)行分解，在天基群組內(nèi)部具有專門提供服務(wù)的衛(wèi)星以及完成某種特定任務(wù)的衛(wèi)星。圖2所示為部署在地球同步軌道上的天基群組，主要包括路由衛(wèi)星、服務(wù)衛(wèi)星和任務(wù)衛(wèi)星3部分。其中路由衛(wèi)星為群組提供天地鏈路等核心服務(wù)，在軌服務(wù)衛(wèi)星為任務(wù)衛(wèi)星和系統(tǒng)重構(gòu)提供支持保障，路由衛(wèi)星和服務(wù)衛(wèi)星共同組成天基群組的基礎(chǔ)設(shè)施，保障任務(wù)衛(wèi)星執(zhí)行指定任務(wù)。

與F6計(jì)劃面向低軌的無中心分離式結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，天基群組重點(diǎn)面向同步軌道，且群組以路由衛(wèi)星為核心，實(shí)現(xiàn)空間資源的整合。天基群組的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：每顆子衛(wèi)星僅完成一項(xiàng)任務(wù)；部署多個(gè)路由衛(wèi)星形成全球網(wǎng)絡(luò)；軌道機(jī)動(dòng)，星簇重構(gòu)，從而可以降低單顆衛(wèi)星系統(tǒng)的復(fù)雜程度、發(fā)射和研制成本；新技術(shù)能夠快速在系統(tǒng)中應(yīng)用；對故障具有較高的冗余度，能夠根據(jù)任務(wù)快速響應(yīng)，重構(gòu)系統(tǒng)功能。

2.3 其他相關(guān)空間計(jì)劃

在單個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)中，美軍轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)（TSAT）以其先進(jìn)的技術(shù)理念、高昂的研制成本備受關(guān)注[12]。TSAT計(jì)劃最大特點(diǎn)是擴(kuò)展天基交換和傳輸帶寬，希望達(dá)到與地面光纜相當(dāng)?shù)膫鬏斈芰?；借鑒地面IP技術(shù)，由直接支持海、陸、空用戶向支持天基用戶擴(kuò)展，使得天基傳輸與分發(fā)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展為空間信息系統(tǒng)；利用5顆獨(dú)立組網(wǎng)、全球覆蓋的衛(wèi)星，TSAT可提供強(qiáng)大的、抗干擾的全球保密通信，作為太空路由器獨(dú)立運(yùn)行，對實(shí)現(xiàn)空間信息網(wǎng)絡(luò)起著關(guān)鍵作用。TSAT使用無線激光星間鏈路在太空建立起高速骨干通信網(wǎng)，星間傳輸速率達(dá)到20 Gbit/s，星地傳輸速率達(dá)到10 Gbit/s，并且支持衛(wèi)星之間全連通的無線激光拓?fù)洹?/p>

2007年3月，波音公司及其合作伙伴首次成功演示了TSAT無線激光通信系統(tǒng)的性能，分別以2.5、10和40 Gbit/s的數(shù)據(jù)速率完成了通信和捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)（ATP）性能試驗(yàn)。由于經(jīng)費(fèi)等原因，TSAT計(jì)劃已被暫時(shí)擱置，但是其全球化組網(wǎng)、構(gòu)建空間信息網(wǎng)絡(luò)的理念并沒有消失。

3 基于分布式星群的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)構(gòu)想

3.1 定義組成

基于分布式星群的空間信息網(wǎng)絡(luò)采用多星共軌組合、超高速空間組網(wǎng)、分布式協(xié)同處理等機(jī)制，構(gòu)建具有多種功能和用途的一體化綜合信息網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)一體化的信息傳輸、管理與共享，具備自適應(yīng)、自組織、柔性可重構(gòu)及抗毀能力。星群節(jié)點(diǎn)由各類不同功能的衛(wèi)星組成，可作為天基骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與其它平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)信息的中繼與高速回傳。在部分衛(wèi)星故障時(shí)，通過在軌快速自愈和與新入軌衛(wèi)星快速重構(gòu)的辦法，使得信息處理和網(wǎng)絡(luò)功能得以快速恢復(fù)。以下簡稱為分布式星群網(wǎng)絡(luò)。

空間段包括各種類型的航天器，主要有多星共軌的分布式星群，具備星間和星地鏈路的骨干通信衛(wèi)星，嫦娥、螢火等深空探測飛行器，對地觀測飛行器，以及空間站等。臨近空間段包括各類具備衛(wèi)星鏈路的飛行器，主要有編隊(duì)飛行的無人機(jī)群、平流層飛艇等升空平臺(tái)、干線民航客機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)等。地面段包括各類終端、接入站點(diǎn)和各類與航天活動(dòng)相關(guān)的地面設(shè)施，主要有車載、機(jī)載、船載、手持等衛(wèi)星通信或數(shù)據(jù)采集分發(fā)終端，各類衛(wèi)星固定接收站，衛(wèi)星測控系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)，以及其他與航天活動(dòng)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)或設(shè)施。基于分布式星群的空間信息網(wǎng)絡(luò)組成示意如圖3所示。

3.2 體系結(jié)構(gòu)

隨著地面以數(shù)據(jù)為核心的新型業(yè)務(wù)以及分組交換網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，分層化、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)框架得到了廣泛應(yīng)用和成功驗(yàn)證。結(jié)合衛(wèi)星應(yīng)用特點(diǎn)并借鑒地面網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)，基于分布式星群的空間信息網(wǎng)絡(luò)可分為骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)與運(yùn)維網(wǎng)3部分。

分布式星群網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)定位于同步軌道，由星群內(nèi)部路由、交換、信息處理、信息存儲(chǔ)、邊緣等節(jié)點(diǎn)以及獨(dú)立的單個(gè)交換、路由、邊緣節(jié)點(diǎn)型航天器組成。邊緣節(jié)點(diǎn)可為接入網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)或終端提供骨干網(wǎng)接入服務(wù)。星群內(nèi)部骨干節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星通過激光鏈路互聯(lián)互通，星群間骨干節(jié)點(diǎn)可直接通過激光或微波星間鏈路通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀互聯(lián)，有效載荷采用分布式、可重構(gòu)設(shè)計(jì)思想，采用多顆衛(wèi)星協(xié)同工作，共同完成骨干節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星的功能，星群內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)功能可以按需重構(gòu)，全面提升空間信息網(wǎng)的系統(tǒng)能力。

分布式星群網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)由接入用戶終端和接入信息系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)組成，接入用戶終端指深空探測航天器、對地觀測航天器等各類天基平臺(tái)，大型運(yùn)輸和無人機(jī)群等空基平臺(tái)以及地面寬帶用戶等接入骨干網(wǎng)的終端；接入信息系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)指承擔(dān)相應(yīng)信息系統(tǒng)接入骨干網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，如承擔(dān)骨干網(wǎng)與地面互聯(lián)網(wǎng)連接的地面關(guān)口站、骨干網(wǎng)與航空個(gè)人通信網(wǎng)互聯(lián)的大型民航客機(jī)等。

運(yùn)維網(wǎng)指包含運(yùn)控管理系統(tǒng)和地面測控系統(tǒng)等，承擔(dān)分布式星群網(wǎng)絡(luò)天基節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)資源管理調(diào)度等功能。整個(gè)分布式星群網(wǎng)絡(luò)支持分級式的運(yùn)控管理，可以由運(yùn)控管理中心統(tǒng)一管控，也可以由各運(yùn)控管理子站分別負(fù)責(zé)個(gè)別衛(wèi)星資源的管控。

分布式星群網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)以及運(yùn)維網(wǎng)通過各種有線和無線鏈路構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，為空間信息的融合、共享等方面提供傳輸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

3.3 協(xié)議體系

分布式星群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要適應(yīng)深空、臨近空間、近地、海面、陸地等多種接入環(huán)境，其拓?fù)?、?guī)模、容量、通聯(lián)關(guān)系等均動(dòng)態(tài)可變。穩(wěn)定高效、擴(kuò)展性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系是確保分布式星群網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。

針對接入環(huán)境的特點(diǎn)，分布式星群網(wǎng)絡(luò)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可基本上劃分為星間和星地兩大類?？删唧w根據(jù)接入信道，細(xì)分為無線類和激光類協(xié)議。

目前，航天系統(tǒng)高層協(xié)議中常用的有基于空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）和基于IP兩類空間通信協(xié)議體系。CCSDS類協(xié)議專為空間通信設(shè)計(jì)，充分考慮了空間資源約束和空間環(huán)境特性，應(yīng)用較為成熟，協(xié)議效率較高，協(xié)議體系較為完善。然而CCSDS類協(xié)議開發(fā)、測試與維護(hù)成本相對IP類協(xié)議較高，且無法直接與地面基于IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互操作，對動(dòng)態(tài)路由支持能力較弱。IP over CCSDS可在CCSDS協(xié)議框架下提供IP數(shù)據(jù)報(bào)文傳遞服務(wù)，然而無法克服CCSDS協(xié)議自身不足?；贗P類的協(xié)議組網(wǎng)靈活性高，與地面現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性好，可以擴(kuò)展性強(qiáng)，但與CCSDS類協(xié)議相比，對星上處理能力要求較高，我們協(xié)議效率相對較低。

充分考慮開發(fā)成本、協(xié)議效率、互操作性及未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，構(gòu)建以IP為基礎(chǔ)、兼容面向鏈路應(yīng)用的分布式星群網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型在滿足組網(wǎng)靈活性的基礎(chǔ)上可以提供更高的擴(kuò)展能力，我們建議的協(xié)議模型如圖4所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

分布式星群網(wǎng)絡(luò)是涉及多軌道、多功能、多種應(yīng)用方向、多類服務(wù)對象和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)，存在激光、毫米波、微波等多種傳輸鏈路以及全光電路、射頻（RF）電路、IP分組等多種交換體制，其拓?fù)洹⒁?guī)模、容量、通聯(lián)關(guān)系等均動(dòng)態(tài)可變，需要適應(yīng)深空、臨近空間、近地、海面、陸地等多種接入環(huán)境。如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自組織，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自調(diào)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)傳輸自適應(yīng)，提升星群網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，需要結(jié)合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，開展體系結(jié)構(gòu)專題研究和攻關(guān)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)與優(yōu)化

分布式星群網(wǎng)絡(luò)由提供不同業(yè)務(wù)功能的應(yīng)用服務(wù)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，星群網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路速率高，時(shí)延變化范圍大，通斷頻繁及通聯(lián)關(guān)系動(dòng)態(tài)可變，星群用戶接入集中，突發(fā)業(yè)務(wù)量大，需要在綜合空間實(shí)現(xiàn)、成本與風(fēng)險(xiǎn)等約束條件下，開展與分布式星群網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型相適應(yīng)的高速傳輸、可靠路由、接入控制等協(xié)議研究，提升星群網(wǎng)絡(luò)資源利用率及業(yè)務(wù)支持能力；充分考慮地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢以及與地面通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通性，開展面向不同業(yè)務(wù)的空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)，通過仿真和樣機(jī)驗(yàn)證等手段，設(shè)計(jì)出適合中國空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，滿足各類用戶體驗(yàn)需求。

4.3 可信網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)

分布式星群面臨多尺度、多資源、異構(gòu)性的復(fù)雜服務(wù)需求，如何獲取有效而充分的星群資源，需要解決網(wǎng)絡(luò)管理體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化利用和服務(wù)資源協(xié)調(diào)管理的問題，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)效能最大化和應(yīng)用滿意度最大化。針對分布式星群網(wǎng)絡(luò)管理體系架構(gòu)和服務(wù)資源優(yōu)化問題，可基于面向服務(wù)的框架體系（SOA），采用基于企業(yè)服務(wù)總線（ESB）的服務(wù)資源發(fā)現(xiàn)、挖掘、注冊和管理方法，通過信息傳輸、格式轉(zhuǎn)換、服務(wù)資源接口標(biāo)準(zhǔn)化、資源協(xié)同調(diào)度等技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)服務(wù)的重復(fù)高效運(yùn)用，并采用復(fù)雜事件處理技術(shù)（CEP），采用模式匹配、事件序列分解、復(fù)雜語義檢測、關(guān)鍵序列標(biāo)定等方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)事件流分析和服務(wù)資源匹配優(yōu)化。針對星群網(wǎng)絡(luò)多維資源優(yōu)化問題，可面向分布式資源管理，采用凸優(yōu)化、魯棒性優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化理論，從多尺度下優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，包括帶寬、功率、波束、路由和轉(zhuǎn)發(fā)器等資源，最大化網(wǎng)絡(luò)容量，提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)效能。

4.4 高速激光組網(wǎng)技術(shù)

針對分布式星群群內(nèi)高速激光傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，需要探索全光交換機(jī)制在分布式星群高速激光組網(wǎng)中的應(yīng)用，構(gòu)建基于波長路由的分布式全光突發(fā)交換機(jī)制，并研究分布式路由算法，開展弱光信號條件下全光3R再生和格式透明、偏振不敏感、多鏈路同步切換全光波長變換相關(guān)理論問題的研究，開展數(shù)學(xué)仿真和原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，攻關(guān)分布式動(dòng)態(tài)可重構(gòu)光交換的物理實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)。另外，還需開展傳統(tǒng)光學(xué)天線理論、微波多波束天線和智能天線理論的交叉學(xué)科研究，從理論上研究并解決激光光波單向性與分布式星群網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)全向傳輸要求間矛盾的問題，運(yùn)用多種光通信新技術(shù)進(jìn)行綜合創(chuàng)新，推動(dòng)單鏈路、點(diǎn)對點(diǎn)衛(wèi)星激光信息傳輸技術(shù)，向動(dòng)態(tài)多鏈路集群通信體制發(fā)展。

4.5 寬帶高速接入技術(shù)

針對星群網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)空跨度、高動(dòng)態(tài)拓?fù)浜烷_發(fā)空間復(fù)雜干擾的特征，其高速接入和寬帶傳輸面臨鏈路傳輸速率與時(shí)變信道，動(dòng)態(tài)資源與突發(fā)業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)編碼容量與時(shí)變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的動(dòng)態(tài)適配等巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。通過研究空間高動(dòng)態(tài)寬帶接入傳輸中的時(shí)變信道大范圍速率自適應(yīng)傳輸，時(shí)變資源接入系統(tǒng)的時(shí)滯反饋控制，時(shí)變傳輸矩陣的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)編碼等問題，提高空間信息傳輸?shù)男屎涂煽啃?，空間數(shù)據(jù)和信息從源到用戶的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸服務(wù)的能力。

4.6 資源虛擬化及虛擬總線技術(shù)

為了將多顆小衛(wèi)星等效為一顆大衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)資源的靈活調(diào)度以及與任務(wù)的高度匹配，滿足分布式星群快速重構(gòu)應(yīng)用需求，可圍繞空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型多樣，能力差異大，技術(shù)體制不一，在軌硬件升級難度大等問題，通過開展各類空間信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源（如天線、功率、頻率、計(jì)算、存儲(chǔ)等）虛擬化研究，在網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間增加虛擬管理層，構(gòu)建屏蔽底層硬件差異全網(wǎng)統(tǒng)一的資源控制管理模型，做到根據(jù)不同任務(wù)構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)同，提高物理網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用靈活、功能可重構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程，相互隔離，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和安全性。通過資源虛擬化技術(shù)，可將分布式星群骨干節(jié)點(diǎn)與任務(wù)星群的概念統(tǒng)一。

4.7 仿真驗(yàn)證及評估技術(shù)

分布式星群網(wǎng)絡(luò)組成單元及相互通聯(lián)關(guān)系動(dòng)態(tài)復(fù)雜，涉及的關(guān)鍵技術(shù)和服務(wù)對象眾多，需要依托OPNET、NS2及STK平臺(tái)，構(gòu)建完善的仿真系統(tǒng)，建立不同衛(wèi)星通信體制模型、不同網(wǎng)系的網(wǎng)絡(luò)模型庫，開展鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)層等不同層面的仿真，對關(guān)鍵算法和系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)、互聯(lián)互通能力、資源利用率、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行能力和運(yùn)行情況仿真，對網(wǎng)絡(luò)的互通率、組網(wǎng)形式、網(wǎng)絡(luò)管理方式等進(jìn)行驗(yàn)證，為不同任務(wù)類型的通信體制的選取、性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)提供支撐。并針對不同任務(wù)類型，合理選取效能評估方法和評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建面向多任務(wù)的系統(tǒng)總體效能評價(jià)體系，與網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形成反饋迭代優(yōu)化。

4.8 其他關(guān)鍵技術(shù)

分布式星群網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開放的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中的核心節(jié)點(diǎn)在空間上暴露在外，容易受到非法用戶的惡意攻擊，因此必須開展安全機(jī)制和安全協(xié)議研究，提高系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的抗擾、抗毀能力。此外，隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高和波束成型等技術(shù)的使用，對天基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的測距精度和同步精度提出了更高的要求，有必要進(jìn)行高精度的毫米波或激光測距算法和全網(wǎng)定時(shí)同步算法研究；為提高核心節(jié)點(diǎn)的信號處理、傳輸和交換能力，還需要同步開展低復(fù)雜度信號處理技術(shù)和星載高速信號處理元器件研制等。

5 結(jié)束語

針對中國發(fā)展空間信息網(wǎng)絡(luò)空間頻率軌位資源匱乏、衛(wèi)星平臺(tái)能力較弱、空間系統(tǒng)高可靠性要求等現(xiàn)狀與需求，深入分析了分布式星群的應(yīng)用需求，提出了基于分布式星群的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，通過多星共軌、星間協(xié)同、資源虛擬化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空間系統(tǒng)服務(wù)能力的增強(qiáng)以及與任務(wù)的高度匹配，可為中國未來空間信息網(wǎng)絡(luò)研制建設(shè)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 于全， 王敬超. 空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通信， 2016， 12（3）：21-25

[2] 史西斌， 高堅(jiān)， 寇保華. 歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的未來發(fā)展[J]. 中國航天， 2009（10）： 29-33

[3] NASA Tracking and Data Relay Satellite System [EB/OL]. [2010.8.26]. http：//www.spacecomm.nasa.gov/spacecomm/tdrss/

[4] 盤點(diǎn)："十三五" 期間中國要上的100個(gè)大項(xiàng)目[EB/OL]. [2016.3.6] http：//news.china.com/2016lh/news/11176754/20160306/21713059.html

[5] 沈榮駿. 我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想[J]. 中國工程科學(xué)， 2006， 8（10）： 19-30

[6] 張乃通， 趙康， 劉功亮. 對建設(shè)我國“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”的思考[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)， 2015（10）： 223-230

[7] 閔士權(quán). 我國天基綜合信息網(wǎng)構(gòu)想[J]. 航天器工程， 2013， 22（5）：1-14

[8] 黃惠明， 常呈武. 天地一體化天基骨干網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究[J]. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)， 2015，10（5）：460-491

[9] UCS Satellite Database [EB/OL]. [2016.1.1]. http：//www.ucsusa.org

[10] 劉豪， 梁巍. 美國國防高級研究計(jì)劃局F6項(xiàng)目發(fā)展研究[J]. 航天器工程， 2010， 19（2）：92-98

[11] BROWN O， EREMENKO P. Value-Centric Design Methodologies for Fractionated Spacecraft： Progress Summary from Phase 1 of the DARPA System F6 Program[C]//AAIA Reinventing Space Conference， 2009（6540）：1-15

[12] 潘清， 胡欣杰， 張曉清. 網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)裝備體系[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2010