我国星际互联网与物联网一体化研究及发展建议

● 文|航天恒星科技有限公司 梁银川 魏民中国航天科技集团公司 郭建宁

我国星际互联网与物联网一体化研究及发展建议

● 文|航天恒星科技有限公司 梁银川 魏民中国航天科技集团公司 郭建宁

摘 要：物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域，随着物联网技术的快速发展以及航天任务的复杂性不断提高，产生了将互联网、物联网扩展到空间、建立一体化的星际互联网和地面物联网的强烈需求。本文介绍了国内外星际互联网和物联网的发展现状，分析了我国建立一体化的星际互联网和物联网的应用需求，梳理了我国星际互联网发展所涉及的关键技术并论述了攻克这些关键技术的可行性，提出了针对军民典型应用的星际互联网和地面物联网的总体方案、星间互联建议、天地通信类型和地面物联网应用方案，最后提出了发展建议。

关键词：星际互联网 地面物联网 一体化应用 发展建议

一、发展现状

国外在星际互联网领域的研究起步较早，关键技术的发展也相对较为成熟。美国自20世纪90年代起就开始研究星际互联网概念，研究如何将地面互联网延伸到空间。欧洲和日本在基础技术领域的发展也较为突出，借助中继卫星和试验卫星发展星间链路和星上交换技术，并在应用领域提出了许多前沿性概念。总体来看，目前国外航天大国已经在该领域拥有了领先的技术优势，基本完成前期的技术储备和原型验证工作，已通过科研攻关、技术试验验证等手段测试、验证并实现了空间互联网的基础能力。在应用方面，国外星际互联网在多个领域的应用已初具规模，具备了一定的技术基础和产业基础，应用的领域和水平也正在不断的深化。

国内近几年来航天发展迅速，天基资源不断丰富。地面测控网逐渐建设完备，为星际互联网的天地链路提供了坚实的基础。同时，随着“天链一号”3颗卫星的成功发射，我国也建立了较为完善的天基测控网，成为世界上为数不多的拥有数据中继卫星的国家。这一切都为进一步开展星际互联研究和实践奠定了坚实的技术基础和设施基础。在星间通信技术方面：首先，中继卫星提供了高码速率的星间链路，但资源极为有限，我国目前正常服务仍为计划驱动模式，未来即使实现了需求接入服务，其星间链路仍然是紧缺资源。其次，目前国内应用的星间链路通信主要是中继卫星通信，应用模式较为简单。还有，目前研制中的导航卫星星座是国内规模最大的星间互联网络，但其功能仍局限于本任务范围之内。因此，一方面我国在星际互联网星间通信技术等方面与国外还存在较大的差距，虽然在系统顶层论证、设计上开展了研究，但大多研究还停留在基础理论研究上，缺乏试验验证；但与此同时，随着我国天基资源不断丰富，同时建立了较为完善的天基测控网，为开展进一步的星际互联研究奠定了坚实的设施基础。并随着物联网技术及其应用的迅猛发展，具备了进一步深化论证星际互联和地面物联网融合应用的条件。

二、应用需求

我国已有和未来将要建成的卫星系统包括导航卫星系统、通信卫星系统（移动通信卫星和多媒体通信卫星）、遥感卫星系统（民用遥感卫星系统和军用遥感卫星系统）等。如果通过采用网络通信技术实现各种卫星系统之间的互连互通，构建星际互联网，将使各种卫星系统的效能实现本质的提升。星际互联网的应用需求主要体现在以下方面：

1．提升体系整体应用能力

在军事应用方面，提升体系作战能力已成为国防建设的核心任务。信息化条件下的战争样式已不再是单件兵器、单一军兵种、单方面作战能力的比拼，而是体系整体作战能力的对抗。在杀伤力、机动力、防护力、信息力等战争要素中信息力的作用越来越重要，而天基信息系统是其重要的组成部分。为达到这一目的，天基信息系统必须改变目前情报侦察、指挥控制、通信网络、导航定位、战场环境信息保障等部分独立运行、各自为战的状况，成为信息获取、传递、处理、存储、分发、应用一体化的综合电子信息系统的组成部分，发挥整体作战能力粘合剂和倍增器的作用。

在民用应用方面，整合通信、遥感、导航等各方面的能力和资源，提升正常情况下和极端情况下的航天应用能力和效率。

2．建立可重复利用和综合利用的航天基础设施

航天应用效益巨大，风险和投入也同样巨大。随着航天应用向深度和广度不断扩展，航天任务的数量和规模不断扩大，有必要建立可重复利用和综合利用的航天基础设施，以降低任务的成本和风险，提高反应速度，获取更大的效益。

星际互联网是航天基础设施的重要组成部分。

3．提升航天任务系统自身的能力

通过航天器之间、航天器与地面系统之间的网络连接和信息交换，使任务系统自身的能力实现本质的提升。例如：下一代遥感卫星的发展趋势是缩短重访周期、面向公共用户、图像直传、用户交互操作、高附加值产品生产，其突出特点将体现在：①智能化—星载信息处理能力显著加强；②系统性—多种不同卫星组成系统；③面向用户的设计理念—以用户需求为设计的出发点。任何单一的卫星都难以完成如此复杂的任务，一种解决方案是由主星和成员星组成任务编组，通过网络连接和信息交换实现任务编组的自主任务规划和智能化运行。

导航卫星系统通过星间链路实现不依赖于地面运控系统的自主导航模式、境内观测条件下的全球星座精密定轨与时间同步、境内控制条件下的全球星座星历更新、上行注入通道备份和星座完好性监测等功能，实现系统性能的提升和扩展。

4．提高面向服务用户的服务质量

通过航天器之间、航天器与地面系统之间的网络连接和信息交换，简化服务用户的接入和访问过程，使用户有可能通过网络直接访问相关星载设备和装置；增加用户和空间任务设施的实时交互能力，使空间任务设施对于用户更加易用、好用和灵活方便；改善任务响应的实时性，使星载数据产品向用户更快地生产和分发。

三、总体方案

1．总体架构

星际互联网及其应用主要包括星间互联、星地通信和地面物联网应用三部分，如图1所示。

2．星间互联

星间互联是星际互联网的空间段系统部分，空间段网络包括空间骨干网和接入网。骨干网是星际互联网的核心基础结构，负责传送用户航天指令、注入数据、遥测信息及应用数据等，它由静止轨道和非静止轨道多层通信卫星（含中继卫星）星座组成。接入网指用于航天器和骨干网建立连接和信息交换的设备所构成的网络，在接入网端可以通过射频设备建立到骨干网端的节点星的星间链路。

根据我国目前现有的技术基础以及基础设施，我国星间互联的建设可以分三步走。建设完成的星间互联网络拓扑结构如图2所示。

第一步：建立地面演示验证系统，对星间互联网体系结构及协议进行仿真和验证。其组成包括骨干节点星模拟器、接入节点星模拟器、测试卫星模拟器、空间链路模拟器等。

第二步：以北斗二号全球星座和中继星为基础，其他卫星的数据可通过北斗二号全球星座的卫星或中继星进行中转，例如中转至地面或者其他需要通信的卫星。

第三步：建立骨干空间通信网络，采用专用的节点星作为空间路由节点，用于连通空间的各种网络，包括第二步建设中的北斗二号全球星座以及后续的其他卫星星座。节点星的建立分为骨干节点星以及接入节点星，骨干节点星采用GEO通信卫星以及中继卫星，接入节点星可采用LEO通信卫星星座。在前期骨干节点星可采用Ka宽带多媒体通信卫星，后期在激光通信技术成熟后，可采用激光通信作为空间链路传输媒介。

网络的基本结构包括低轨卫星星座网和高轨中继卫星网2层。前者由60～80颗卫星星座组成，实现全球覆盖，卫星间建立LEO-LEO星间链路，据路由协议，可在网络间选择最佳传输路径进行接力棒式传输。后者由最少3颗卫星组成，实现全球覆盖，网络为LEO通信网的辅助网络，通过信息在LEO-GEO间的传输，实现高负载时为LEO通信网扩容；网络卫星间建立GEO-GEO星间链路，依据路由协议，在中继卫星间进行链式传输。

地面物联网用户终端也可与LEO、GEO卫星通信终端建立星地通信链路，将地面信息接入卫星通信系统中，其承载平台可包括：地基、车辆等地面系统。因此通过星地通信链路，可实现全球任意两点间的高速实时通信。

3．天地通信

天地传输的数据类型主要包括图像数据、语音数据和短报文信息以及航天测控数据（遥测数据）三大类。天地通信链路可以通过如下几种方式构建：

直接利用现有的航天测控网将测控数据下传至用户；

● 遥感卫星、中继卫星地面固定接收站；

● 遥感卫星移动接收站；

● 通信卫星关口站等；

● 用户终端；

● 地面光学站。

4．网络协议

目前在空间任务中研究和使用的协议主要分为三类：基于CCSDS 标准的空间通信协议，基于IP 协议标准的空间IP协议以及基于DTN 标准的网络协议。CCSDS协议为国际标准协议，专为空间链路设计，体系比较完善，同时也支持地面IP协议在空间的拓展，已经得到广泛的采纳和应用；DTN协议主要解决深空环境中的间断连接、长延时、非对称的数据速率以及误码率等问题。

CCSDS设计了非常完整的协议体系可供使用，建议我国星间互联网络可采用CCSDS的协议体系结构。

5．应急救灾指挥系统

基于星际互联网与地面物联网一体化的应急救灾系统，在地面物联网应用部分通过卫星、WiFi、GSM、CDMA、3G等无线网络并配合车载台、PDA、 平板电脑、3G手机等可移动无线终端形成一体化的物联网部署系统，建立起一套统一指挥、反应灵敏、协调有序、运转高效的政府应急指挥平台，可以为政府、金融、电力、交通、能源、水利、物流、石化、林业、港口、民航、军队、公安、应急救灾等诸多行业用户提供先进的应急指挥方案。

（1）星际互联架构

从图3可知，整个系统的信息流程是空间卫星平台上的有效载荷将获取的信息发送至数据中继卫星，后者通过星际链路传到通信卫星的宽带通道，或非静止轨道的星座系统，或直接传送到地面应急救灾信息指挥中心，然后通过物联网及便携移动终端接入灾害现场进行灾情信息的传输和开展救援。

图3 基于星际互联网的应急救灾系统架构图

通过星际互联网可以实现指挥与控制、通信、遥感、导航、定位等功能一体化，使信息的获取、传递、处理三大系统联成网络，有机协同运作。在紧急情况发生时实时或近实时地获取现场环境及关注目标的动态信息，进行及时有效的行动效果评估。从而可以更精确、风险更少、效率更高地运用各方力量；在紧急救援时就能及时获取应急现场的各类信息资源，各方配合，统一指挥，

（2）地面物联网应用

地面物联网建设的思路是基于政府部门的IP专网部署三级指挥中心（省应急指挥中心、市应急指挥中心、移动应急指挥中心）。在此网络中省政府应急指挥中心、市政府应急指挥中心、全市各级应急部门之间已经搭建好完善的政府专网，因此应急平台需完全基于政府专网部署，无需进行复杂、重复的布线，且所有软硬件设备均可安装在政府专网覆盖的任何地点，便于灵活扩展。此网络架构提供丰富的PSTN/GSM/CDMA/3G等各种中继接口连接各个运营商网络，便于指挥人员紧急调度各部门内线分机、公网座机、手机、小灵通等公网通信终端，同时便于领导通过手机、家庭座机实现对现场救援人员的远程指挥调度工作。

通过各级指挥中心的应急平台整合各级政府部门内部的办公通信系统、有线调度系统、集群对讲系统、扩音广播系统、视频监控系统、无线视频采集系统、政府专用业务系统等系统，通过应急指挥平台实现不同通信系统的集中接入、统一调度、互通交互。

四、关键技术

星际互联网与物联网一体化发展涉及星间、星地以及地面物联网等诸多关键技术。地面物联网技术相对较为成熟，因此，本文主要梳理星际互联网发展所涉及的关键技术并论述攻克这些关键技术的可行性。总体而言，建立我国空间互联网络尽管部分技术例如激光通信、路由交换、网络管理、安全防护技术等需要进一步研究，但需要的各层协议以及技术都有着大量的技术储备和基础，在技术上具备可行性。

1．组网结构设计技术

星间互联网是以通信卫星为核心，利用现代通信和网络技术，将位于地面、空中和太空中的多种移动节点连接在一起的一种新型空间通信网络，具有网络尺度大、时延长、拓扑动态、节点间关系复杂以及网络业务种类繁多等特点，这些特点使得星间互联网的组网结构设计不同于地面网络，需要针对卫星星座特点以及应用需求，展开面向星间互联网卫星星座组网结构设计研究。其重点是需考虑面向卫星节点的星座设计和星间链路设计。

国内已进行了星座网络的设计，具备一定的技术基础，国外在行星际因特网、铱星网络、伽利略星座网络等也有大量的设计可供借鉴。因此组网结构设计技术具备非常好的基础，后续需要针对我国星间互联网的结构进行系统设计，并可通过仿真与验证系统进行设计改进和完善。

2．星间链路技术

星间链路一般包括微波链路和激光链路。其中，微波链路已得到广泛应用。而激光链路相对于传统微波通信具有明显的优点，包括带宽大数据传输速率高、天线尺寸小、抗干扰保密性好等。激光通信能够以1%的微波天线面积获得高10～100倍的数据传输，预期能够实现高达数百Gbit/s的传输速率，完全满足将来星间互联网骨干网的要求，是空间活动必不可少的重要保障支撑技术，也是实现星际互联网的关键核心技术，各国正在大力开展研究。

3．路由交换技术

星间互联网中卫星节点的持续运动使得现有的网络路由技术难以直接用于卫星网络，需要建立专门针对星间互联网的新的动态路由协议体系。路由交换是星际互联网的网络节点进行信息传输的通道选择，通过网络节点路由选择使系统能够进行星间/星地的宽带通信、星间/星地不同区域间的快速切换、星上宽带数据交换及在数据传输中的质量服务保证（QoS）。为了保障这类具有QoS 要求的业务在网络中传输，需要设计和研制具有QoS保障能力的空天路由协议和算法。

目前，国内对星间互联网的路由算法作了大量的研究。按照路由的触发方式，将路由协议分为三类：先验式路由、反应式路由和混合式路由。先验式路由协议中的所有路由都是预先计算的，然后根据需要选用；反应式路由协议只在需要时才按需计算路由；混合式路由协议是两种方法的组合。按照路由的设计需求，将其分为两类：QoS路由、安全路由。QoS路由主要考虑保证服务质量问题，安全路由则更侧重于保证路由消息的安全性和网络的抗毁性。这些路由协议可以作为后续我国星间互联网路由协议的研究基础，根据需求进行选择或适应性改进。

4．网络协议技术

星际互联网空间段因为自身组成和运行特点与地面段网络的拓扑结构有很大不同。因此，星际互联网必定是一个由异构网络互连组成的网络，设计好网络管理模式和一个从物理层到应用层都合适的网络协议体系并保障协议的效率和安全性，是需要突破的一项主要关键技术。

5．网络管理技术

星间互联网空间子网或节点与地面网络的节点相比，空间系统设备功能迥异、繁简不一，既可以是简单的传感器，也可以是复杂的星载计算机系统。尽管通过地面的管理和控制可以实现功能强大的网络管理任务，但考虑到空间和天地间网络中的长延迟特性和管理规模，从管理的灵活、高效上，卫星本身需具有一定管理功能。在存在地基管理控制中心的前提下，如何有效实现星地管理一体化是网络传输协议和网络管理研究的难题。

目前，我国地面网络管理技术已相对成熟，其管理的经验可以作为星间互联网络管理的基础。北斗二号全球星座将对星间网络的管理作初步的探索，其应用和实施经验也将为后续星间互联网的建设提供借鉴。

6．安全防护技术

星际互联网是一个庞大的系统。系统越庞大，接入越方便、越开放，就越容易被攻击，加之星际互联网的空间段及天地间通信链路的暴露特性容易被攻击。因此，在系统建设时，必须重视安全保密与防护，必须研究和采取安全抗毁措施，研究安全方案和安全协议，提高系统和网络的生存能力。特别是对于军事应用网络，需有攻防手段。

为保证星际互联网的安全，需要提供信息完整性业务、认证业务、加密业务等信息安全机制。目前CCSDS在信息安全方面提供SCPS-SP协议，地面的IPsec安全协议也可以使用。后续可针对SCPS-SP以及IPsec的应用进行进一步研究。

五、发展建议

由于地面物联网技术相对较为成熟，根据我国现有基础以及总体方案，本文主要针对后续的星际互联网建设给出技术发展建议，其技术发展路线图如图4所示。

图4 技术发展路线图

在技术发展上，建议采用三步走的发展战略。

（1）第一步完成仿真及验证系统建设，具备模拟各种空间情况的能力，并能对组网结构、路由协议、网络协议等进行仿真验证。

（2）第二步完成以北斗二号全球星座以及中继星为核心的网络构建，并通过相关预研课题，对系统建设中的五大关键技术进行攻关，包括安全防护技术、网络管理技术、空间段网络协议技术、路由交换技术、组网结构设计技术。

（3）第三步突破星间高速激光通信技术，完成骨干网络和接入网络的建设，并与现有网络连成一体，形成星际互联网。

参考文献

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