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天地一体化信息网络（Space Information Network，SIN）是包含空间平台（如同步卫星，中、低轨道卫星）、空中平台（平流层气球和有人、无人驾驶飞机等）、地面平台（地面站、地面通信网、地面基准站等）各类服务资源和天空地各类用户节点，并基于星间/星地/地面链路连接构建的多业务一体化信息网。该网络以广域天地空服务覆盖、信息资源高效利用、多业务高效协同为原则，基于统一的时空基准构建，具有智能化信息获取、存储、传输、处理、融合和分发能力，以及自主运行和智能管理能力 [1，4，24] ，其信息总体架构如图1-2所示。天地一体化信息网络可将目前以地面信息网络为主的网络边界大大扩张到太空、空中、海洋等自然空间，人类的网络空间将会跃升到一个新的高度。
图1-2 天地一体化信息网络信息总体架构
天地一体化信息网络将是网络强国的重要标志，是信息时代的战略性基础设施，是“国家利益到哪里，信息网络覆盖到哪里”的战略选择。
（1）北美移动卫星通信系统（MSAT）
MSAT是世界上第一个区域性卫星移动通信系统，可服务于公众通信，又可以服务于专用通信。MSAT基本组成如图1-3所示。
1983年，加拿大通信部和美国国家航空航天局达成协议，联合开发北美地区的卫星移动业务，由美国移动卫星通信公司（AMSC）和加拿大移动卫星通信公司（TMI）负责该系统的实施和运营。MSAT系统使用多个高增益点波束天线，覆盖加拿大和美国本土，以及夏威夷、墨西哥及加勒比群岛。信关站通过有线环路与市话本地网相连，移动用户和固定用户通过射频信道（由网络控制中心分配）和信关站、市话本地网互连之后进行通信。系统主要提供的业务有：移动电话业务、移动无线电业务、移动数据业务、航空及航海业务和终端可搬移的业务等。
图1-3 MSAT基本组成
（2）最初的天地一体化信息网络是基于星间链路由通信卫星作为节点所构建的星间网络，主要解决卫星通信系统的信息多跳传输问题
美国的铱星（Iridium）系统作为典型代表，是第一种具备全球覆盖能力的低轨卫星通信系统，也是第一种大规模部署星间链路的卫星系统。低轨星座和星间链路的结合，使其通信时延大幅度降低，具备了面向全球用户提供高质量移动通信服务的能力 [25-26] 。经过20余年的运行服务后，Iridium Next原计划于2007年由铱星公司提出。新一代的铱星系统采用了更高的信号带宽设计以及更为灵活的带宽分配策略，可以提供更强的通信服务能力，同时也计划提供包括导航增强（iGPS）、位置报告、全球航空/船舶安全监视等增强服务。Iridium Next主要卫星星座参数见表1-2 [26] 。首批10颗“Iridium Next”卫星于2017年5月成功发射并完成部署，第二批10颗卫星于2017年6月发射。整个“Iridium Next”卫星星座的75颗卫星在2018年年中完成部署。
表1-2 Iridium Next主要卫星星座参数
（2）以卫星导航系统为代表的多类非卫星通信系统也采用星间链路技术
随着星间链路技术的逐渐成熟，多类非卫星通信系统包括GPS、北斗、GRACE、“白云”系列监视卫星系统 [27] 等也开始采用星间链路技术实现了节点间信息的互传以及高精度测量，执行自主导航、空间物理实验以及多星协同目标监视等功能。
GPS是最早采用星间链路的卫星导航系统，目前其在轨运行的32颗卫星均装备了UHF（特高频）频段星间链路设备。最新的GPS III卫星采用Ka频段星间链路设计，进一步提高了星间链路的测量与通信能力，同时对于未来的激光星间链路也在开展相关的实验和论证。GPS星间链路型号与功能见表1-3。
表1-3 GPS星间链路型号与功能
（3）星间/星地/地面网络技术不断发展，天地一体化网络概念应运而生
近年来，天空地平台协同需求、星间/星地/地面网络技术的发展以及天地一体化网络概念的相继出现，促使广义的天地一体化信息网络将与空间节点进行协同工作的地面节点、临近空间以及大气层运动平台节点也纳入其中，形成涵盖天空地多类异构节点的天地一体化信息网络。
美国于2004年推出了转型通信卫星（TSAT）计划，目的是要建立一个类似于地面互联网的空间网络，利用卫星的广域覆盖特性，将天空地海的各个独立网络进行一体化整合，面向包括地面作战平台、大气层内飞行器以及空间武器平台提供统一且互联互通的信息支持和能力，实现美军通信能力的跨越式发展 [28] 。
TSAT计划采用了“天网地网”架构，其中天基骨干网络由5颗GEO卫星构成，采用IPv6协议以及X频段和Ku/Ka混合频段星间链路设计，实现与宽带全球卫星通信（WGS）、先进极高频通信卫星（AEHF）和移动用户目标系统（MUOS）卫星通信星座的连通。地面网络接入全球信息栅格（Global Information Grid，GIG），依托在全球设立的卫星通信区域中枢节点（RHN）实现全球网络互联，TSAT系统架构如图1-4所示。尽管该计划于2009年被取消，但TSAT计划的部分功能和设计由AEHF等其他卫星通信系统接替，相关技术仍处于快速发展中。
图1-4 TSAT系统架构方
欧盟在2007年年末也提出了自己的全球通信一体化空间架构（ISICOM）设计 [3] 。目标是建立一个基于IP的通信网络，结合微波和激光链路实现大容量空间信息传输，计划将包括通信卫星、伽利略导航卫星系统、对地观测卫星星座、高空平台、无人机以及地面网络融为一体 [29] 。ISICOM体系如图1-5所示。
欧洲航天局（ESA）开展的“通信系统预先研究”项目于2016年发布了《5G环境下的星地网络融合评估——新兴5G卫星通信商业技术白皮书》，其将卫星作为5G通信的一部分，提出了地面5G通信与空间网络互为补充，建设一个高可靠全方位覆盖星地融合5G网络的设想。
（4）近年来，卫星互联网概念的提出将天地一体化信息网络推入发展的快车道
截至2016年年底，全球范围内至少有6个大型低轨卫星星座项目向国际电信联盟（ITU）进行了登记。最具代表性的包括一网系统（OneWeb）、“低轨卫星”（Leosat）系统以及由SpaceX创始人埃隆·马斯克提出的STEAM互联网星座，3个系统的主要参数见表1-4。其中STEAM星座于2017年年底进行首次卫星网络模拟试验，并于2019年提供服务。
图1-5 全球通信一体化空间架构体系
表1-4 计划中的互联网卫星系统主要参数
“星链”计划是由美国SpaceX公司提出的低轨道卫星互联网星座系统。该系统由不同高度的卫星星座和若干地面站组成，系统建成后，将由4万多颗低轨卫星组成的星座为全球卫星覆盖区域提供高速的互联网接入服务。按最早的计划，SpaceX将大约1.2万颗星链卫星发射到近地轨道，构建由3层卫星构成的卫星网络，这3层卫星分别位于距离地面340km和550km的极低地球轨道（Very Low Earth Orbit，VLEO）（9102颗），以及1150km的LEO（2825颗）上。与地面互联网通信相比，“星链”计划通过数量庞大的低轨卫星组网，实现卫星及星间/星地无线链路为用户服务。该星座在航空、测控、远洋探测、海运等相关领域都将发挥巨大作用，未来将融入生活的方方面面。
截至2022年4月，SpaceX已发射了2441颗星链卫星（包括已退役或发生故障的卫星），其中约2100颗卫星已在轨道上运行。能够对全球区域形成96.61%～100%连续覆盖，平均瞬时覆盖率高达98%。而对北美地区能够形成实时的连续覆盖，且能够提供不间断的通信服务。“星链”作为天地一体化信息网络中重要的“天基网”，目前已经开始为美国和加拿大部分地区提供低成本的高速互联网接入服务。
我国卫星互联网建设计划起步较晚，近年来先后启动了行云、虹云、鸿雁、天地一体化信息网络，以及中国卫星互联网工程等一系列星座计划，并在稳步推进中。
“行云工程”是由中国航天科工运载技术研究院旗下航天行云科技有限公司规划的，中国首个低轨窄带通信卫星星座，计划发射80颗行云小卫星，目的是打造一个覆盖全球的天基物联网。2017年“行云一号”首颗技术验证卫星成功发射。2020年5月，“行云二号01星”“行云二号02星”在中国酒泉卫星发射中心，通过快舟一号甲运载火箭，以“一箭双星”的方式成功发射。
“虹云工程”是由中国航天科工集团有限公司牵头研制的覆盖全球的低轨宽带通信卫星系统，通过搭建由156颗小卫星组成的卫星互联网系统，实现全球无死角的自由接入宽带互联网。2018年12月22日，“虹云工程”首发星即技术验证卫星被送入轨道，标志着我国低轨宽带通信卫星系统建设迈出实质性步伐。
“鸿雁”星座是由中国航天科技集团自主建设的低轨卫星通信系统，其目标也是在太空构建一条四通八达、覆盖全球的信息通路，计划用60颗核心骨干卫星和数百颗宽带通信卫星组成系统，实现全球任意地点的互联网接入。2018年12月29日，“鸿雁”星座首发星也成功发射并进入预定轨道。此外，银河航天、吉利集团、华为、北京九天微星公司等商业公司也先后加入低轨通信卫星建设行列，并设计和组建低轨通信星座。
天地一体化信息网络项目由科学技术部牵头，其方案论证与实施由中国电科牵头，是科技创新2030的重大工程项目，被列入国家“十三五”规划纲要以及《“十三五”国家科技创新规划》。该项目通过建立天基骨干网、天基接入网和地基节点网，实现与地面互联网和移动通信网互联互通，旨在建成“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系。天地一体化信息网络的建成，将使我国具备全球时空连续通信、高可靠安全通信、区域大容量通信和高机动全程信息传输等能力。
中国卫星互联网工程是由中国卫星网络集团有限公司牵头开展的卫星通信网络项目，旨在建成我国自主的卫星通信网络，加快解决各类星座的乱局，承担我国构建全球宽带卫星通信网络的重任。自2021年4月成立以来，中国卫星网络集团有限公司加速整合航天、通信、信息等产业优质资源，以推动中国卫星互联网建设，促进中国航天产业结构性升级，引领新一轮产业变革。以中国卫星互联网建设为支柱，紧密凝聚民营企业、高校等多方产学研主体，有望形成中国卫星互联网产业发展的新型举国体制，提升中国卫星互联网产业发展的国际核心竞争力。
一些商业航天公司也在布局卫星互联网。如吉利集团全资子公司时空道宇的“吉利未来出行星座”计划，将组建240颗低轨卫星的星座，构建天地一体化高精时空信息系统，并于2022年6月在西昌卫星发射中心以一箭九星方式成功发射首轨9星；火眼位置数智科技服务有限公司从事低地球轨道星基导航增强系统项目的建设与运营，并计划在2023年前后建设完成一个低成本、高精度、全球覆盖的低地球轨道导航增强卫星星座系统，实现全面、稳定、商业化的低地球轨道星基导航增强服务；氦星光联、若森智能等卫星互联网设备制造商，致力于低功耗小型化星载激光通信终端以及地面通信接收系统的研制等。
2020 年4月，卫星互联网被我国明确列入新型基础设施的范围，卫星互联网星座即将进入初期部署阶段。根据国际电信联盟的监管文件，我国将部署约1.3万颗低轨卫星，以提供覆盖全球的互联网连接。2022年7月，中国卫星应用大会——“5G+通导遥发展高峰论坛”指出，卫星网络作为地面网络的有效补充、延伸和增强，对于打造天地一体信息网络、打造空天信息实时智能服务、打造数字经济发展新的增长极意义重大。天地一体信息网络以地面网络为依托，以卫星通信网络为拓展，由星地网络相互融合而成。作为新一代信息技术演化生成的信息基础设施，从构想到发射组网，我国天地一体化信息网络的蓝图正一步步变为现实。