1.3 空天地一体化信息网络

1.3.1 空天地一体化信息网络的定义和组成

1.空天地一体化信息网络的定义

对于空天地一体化信息网络，国内外尚无统一定义，本书依据1.2节提到的几个文件的相关内容提出如下空天地一体化信息网络的定义。

空天地一体化信息网络是以地基信息网络为基础，以天基信息网络为主体，深空信息网络可互联，由不同轨道、不同类型、不同性能的星座组成互联的骨干网/接入网并覆盖全球，通过星间链路和星地链路连接对应的海、陆、空及近地空间的各种地球站（通信导航遥感业务应用站、测控站和网管站等）、各种用户终端（业务收发终端、飞行器和航天器、编队小卫星等），以IP为信息承载方式，采用智能高速星上处理、交换和路由等技术，按照空间信息资源的最大有效综合利用原则，实施各种信息的实时获取、存储、传输、处理、融合和分发的一体化综合信息网络。

2.空天地一体化信息网络的组成

空天地一体化信息网络主要由天基信息网络（由信息获取、信息传输、信息处理、导航定位、航天测控、网络管理和安全防御等系统组成）和地基通信网络组成。其具体组成如下。

（1）信息获取系统：主要承担信息的收集任务，包括侦察卫星、预警卫星、气象卫星、资源卫星、地形测绘卫星、空间目标监视卫星等和相应的地面系统。

（2）信息传输系统：主要承担信息传输、处理、分发和中继任务，包括通信卫星（含广播卫星）、数据中继卫星和相应的地面系统。

（3）信息处理系统：主要完成卫星获取数据的预处理、二次处理及信息融合和综合分析等任务，包括各卫星装载的高性能信息处理机及相应的软件和数据库，以及专门的数据处理卫星和地面处理与应用系统。

（4）导航定位系统：由不同轨道的多颗导航卫星和相应的地面系统组成，为从地面到近地空间包括卫星在内的各种移动或静止载体提供导航、定位和授时服务。

（5）航天测控系统：主要由地面测控站、数据中继卫星和被测飞行器的测控单元组成，负责整个空间段从单星、星座到全网的测控管理。

（6）网络管理系统：由地面管理中心和包含数据中继卫星或信息处理卫星的计算机系统的天基管理中心共同组成，可分别独立或联合完成网络星座的运行监测、指挥与控制功能，以及信息交换的管理与控制功能。

（7）安全防御系统：负责天基信息网络的安全，必要时可采取攻击手段自卫，包括抗干扰装置、太空环境预报系统、诱饵卫星、电子干扰卫星、动能拦截卫星和天基聚能杀伤武器。

（8）地基通信网络：分为公用通信网和专用通信网两种，主要包括互联网（Internet）、公用电话交换网（PSTN）、公用地面移动通信网（PLMN）等网络。

1.3.2 空天地一体化信息网络的架构

空天地一体化信息网络可以根据不同需求构建不同的信息网络架构。

1.空天地一体化信息网络架构示例一

典型的空天地一体化信息网络架构如图1-4所示。在图1-4中，天基部分可分为空间段（含近地空间和临近空间）和地面段（含航空空间）两部分。地基部分即图1-4中的地面公用通信网，主要由有线互联网和移动互联网组成。天基综合信息网通过各地信关站与全球各种地面公用通信网互联互通，构成空天地一体化全球综合信息网络。

1）天基综合信息网的空间段

（1）近地空间层骨干网和接入网。它是由静止轨道和非静止轨道的通信卫星（含中继卫星）星座组成的全球全时覆盖的通信网。其中，静止轨道通信卫星星座主要用作骨干网，也可兼作接入网，还可向上延伸支持深空网络传输；非静止轨道通信卫星星座用作接入网，也可兼作骨干网。此外，非静止轨道通信卫星星座可以是中轨道（MEO）和低轨道（LEO）双层星座，也可以是单层中轨道星座或低轨道星座。该网络负责对来自近地空间层的各种用户航天器、临近空间层的各种用户飞行器和分布在全球不同地区的各种海陆空用户终端的各种信息进行传输、处理和分发；还负责对来自地面的各种测控与数传网站的各种信息进行传输、处理和分发，以及承担天基综合信息网网管系统相关的管理职能。它是天基综合信息网的核心基础结构。

（2）近地空间层用户航天器。它包括不同轨道、各种业务应用的卫星、飞船、空间站、探测器和小卫星群等。其中，各种对地观测卫星（也称为遥感卫星）在获取相关观测数据（可以是原始数据，也可以是经其处理后的有用信息）后直接向其视区内的地球站发送（原始数据发送给遥感信息综合与管理中心处理，有用信息发送给用户站使用）或当其视区内无地球站时通过中继卫星转发；载人飞船和空间站可直接（或通过中继卫星中转）与其地球站进行双向通信和数据传输；其他航天器的工作方式类似于上述方式。

（3）临近空间层用户飞行器。它包括平流层飞艇、浮空气球、高空无人机、高超声速飞行器等各种飞行器。当它作为对地观测任务飞行器使用时，可将获取的观测数据直接向其地面用户站发送或通过中继卫星转发给地面相关用户站；作为通信中继任务飞行器使用时，可使其覆盖区内的各用户站间进行双向通信和数据传递，或者可通过中继卫星中转与其覆盖区外的用户站进行双向通信和数据传递。此外，临近空间层飞行器群还可组成接入网，为地面层用户终端提供信息中继服务。

（4）近地空间层时空基准导航卫星星座。该星座组成时空基准系统，为天基综合信息网提供时间和空间坐标基准。该基准可为各类航天器、临近空间层飞行器、导弹等飞行体提供精确的时间、位置和速度信息，为各类地球站（如遥感信息综合与管理中心、地面测控与数据管理网站、信关站、固定与便携用户站等）提供精确的时间和位置信息，也可为机载终端、船载终端、车载终端、手持终端等移动终端提供导航定位信息。

（5）防卫卫星群。它由防卫卫星组成，负责天基信息网络的安全，必要时可采取攻击手段自卫。防卫卫星包括地面和太空环境识别与预报卫星、诱饵卫星、电子干扰卫星、动能拦截卫星及天基聚能杀伤武器等。

2）天基综合信息网的地面段

（1）航天器用户站和飞行器用户站。如图1-4所示，图中有近地空间层用户航天器用的各种航天器用户站和临近空间层用户飞行器用的各种飞行器用户站。对于以对地观测飞行器（包含航天器）为服务对象的用户站来说，上述两种用户站的功能基本相同。各用户站可以根据需要直接接收有关飞行器发回的遥感原始数据，并将其发送给遥感信息综合与管理中心进行处理，也可直接接收有关飞行器发回的经其处理后的有用信息。若有必要，可直接控制飞行器向用户站直接发送原始数据，并在用户站设置自己部门所需的遥感信息处理设备，从而将直接接收到原始数据在本地生成有用信息。用户站也可通过地面网络或从数据中继卫星转播的来自遥感信息综合与管理中心的信息中获得自己所需要的综合信息及知识。

（2）通信卫星用户站。它即本书所说的地面层用户站，包括航空空间的各种机载用户站。整个地面层用户站（也称为用户终端）包括机载终端、船载终端、车载终端、手持终端、便携终端、固定终端等。各终端通过由通信卫星星座组成的全球全时覆盖网络可使网内任何用户在任何地点、任何时间与任何用户互通任何类型的信息。另外，供物联网用的数据采集终端，根据不同的应用场景，可分为微小终端、固定终端、移动终端、手持终端、拋撒终端等。

（3）导航卫星用户站。它包括天、空、地各种导航终端，如应用于航空、航天、船舶、气象、减灾、林业等行业的各类机/弹/车/船载及手持卫星接收机。

（4）各种航天器测控与数传网站。如图1-4所示，其包括通信卫星用的测控通信与数据中继网站、近地空间层用户航天器用的各种航天器测控与数传网站，以及临近空间层用户飞行器用的各种飞行器测控与数传网站，它们的任务是对在轨运行的飞行器实施测控、数据传输和管理，它们的基本功能相同：一是直接或通过中继卫星中继对飞行器进行遥测、遥控、跟踪测轨（或定位）和管理；二是通过飞行器与相关地球站进行双向数据传输。此外，其还包括导航卫星星座的测控管理站和防卫卫星群的测控管理站，主要用于对它们管辖的卫星进行测控和管理。

（5）各地信关站。信关站提供卫星通信网络与地面互联网、PSTN、PLMN等网络之间的接口，使得其用户能够呼叫全球各地的地面网络的用户。信关站的数量及其设置地点的选择取决于需设置地区的地面公用通信网用户与卫星通信网用户彼此通信的业务量。

（6）遥感信息综合与管理中心。该中心可接收近地空间层、临近空间层各遥感飞行器直接发送或通过中继卫星转发的原始数据，以及接收来自各用户站传送来的原始数据，并将这些原始数据进行处理、融合和解译，生成各级各类产品、综合信息和知识，通过地面网络传输到用户和决策部门。此外，该中心还可将处理和融合后的综合信息和知识上行发射到中继卫星后再转发广播给各用户站使用。遥感信息综合与管理中心还负责对相关卫星和地面设备进行统一协调管理，包括飞行器的测控管理、业务管理、运行管理及用户的服务管理等。

（7）测控管理中心。它负责对分布在各地的所有测控通信与数据中继网站（包括通信卫星用的、近地空间层用户航天器用的及临近空间层用户飞行器用的）进行测控指挥、协调和管理。

（8）网络管控中心。它与空间段骨干网卫星的相关管理功能结合，负责整个网络的运行、管理和控制，具有配置管理、性能管理、资源管理、用户管理、故障管理、计费管理等功能。

（9）天基综合信息网管理中心。它负责天基综合信息网全网的规划、建设、运行与管理等指挥和协调工作。

2.空天地一体化信息网络架构示例二

从通信网络角度提出的包括高、中、低轨通信卫星星座，地面固定通信网，机动通信网，以及统一的核心服务、各类应用和用户的空天地一体化信息网络架构如图1-5所示。该网络可延伸到深空信息网络，并强调了服务、应用的天地深度融合。