学术：基于中继卫星的天地一体化信息网络综合集成演示系统研究

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学术：基于中继卫星的天地一体化信息网络综合集成演示系统研究

Original 2016-10-14 ☞ 信息与电子前沿

今日荐文

今日荐文的作者为北京空间信息中继传输技术研究中心专家费立刚，范丹丹，寇保华，刘华峰，徐潇审。本篇节选自论文《基于中继卫星的天地一体化信息网络综合集成演示系统研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第5期。下面和小编一起开始学习吧~

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天地一体化信息网络是以空间平台(如卫星、平流层气球和飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统，目前已成为全球范围的研究热点。

中继卫星系统作为一个完整的在轨运行系统，在结构、功能和服务对象等方面与天地一体化信息网络具有一定的相似性，为天地一体化信息网络关键技术的综合集成演示提供了现实可行的手段。

本文基于中继卫星系统提出了天地一体化信息网络综合集成演示系统设计方案，充分利用中继卫星系统开放弹性的拓扑结构，完成小系统对大网络的演绎，为天地一体化信息网络未来发展提供可重构和可扩展的综合集成验证平台。

1.天地一体化信息网络体系架构

根据天地一体化信息网络传输需求和主要传输平台特点，拟构建“骨干+区域增强”双层体系结构的空间传输网络（如图1所示）。骨干层是空间传输网络的核心，需要具备全球覆盖、结构稳定、宽带承载、接入便捷，以及支持多类型业务接入和异构网络互联等方面的能力。区域增强层由具有通信功能的同步轨道/中低轨卫星、临近空间飞行器、飞机平台，以及相应的地面系统组成，主要用于增强局部区域的信息传输能力。用户作为空间传输网络的接入端，是空间信息传输业务的发起者，利用空间传输网络提供的信息传输通道实现信息的端到端传输，包括信息获取平台和信息应用平台，如各种信息获取类的航天器、飞机、运载火箭、舰船，以及对应的地面应用中心等。

图1 天地一体化信息网络体系架构示意图

基于骨干层和区域增强层双层结构的天地一体化信息网络具有开放式的体系架构，可兼容不同类型的接入子网，其骨干层由同步轨道卫星及其地面系统构成，具有结构稳定的优势，且可根据用户需求提供不同类型的应用模式。

天地一体化信息网络可提供的业务多种多样，从传输方式上可分为单用户宽带数据传输业务、单用户窄带数据传输业务、集群内多用户数据传输业务、集群间跨域数据传输业务；从业务类型上可分为高速业务（如遥感业务）、低速业务（如测控业务）、短消息业务；从用户运动特征上可分为运动轨迹可预知的业务（如航天器用户）和运动轨迹随机（如地面移动用户）的业务；从时延要求上可分为实时业务（如实时话音、视频通信）、非实时业务（如遥感数据事后回放）；从接入方式上可分为事先计划的业务、猝发业务；从交换方式上可分为电路交换业务、包交换业务。

2.天地一体化信息网络综合集成演示系统设计

天地一体化信息网络是非常庞大的系统，可为不同用户提供多种数据传输服务模式，在组网、协议、传输等各方面都有很多关键技术亟待突破，本文基于中继卫星系统设计的天地一体化信息网络综合集成演示系统，可作为各项关键技术的验证平台，为天地一体化信息网络研究提供技术基础。

中继卫星系统概况

中继卫星是地球同步轨道卫星，承担着天基测控和数据传输任务，可在全球范围内同时为多个高动态用户提供百兆甚至吉比特量级的数据传输服务，且可作为一种重要的补充手段，提供全球范围内的应急通信服务。同时，从体系结构上看，三颗地球静止轨道的同步骨干卫星在理论上可以实现全球覆盖，通过星间链路和星地链路分别与服务对象和地面站连接，在地面实现了不同服务对象的互通互联，体系结构已经具有部分网络化特点，如图2所示。从系统性能上看，中继卫星高动态跟踪和弯管式透明传输的特性，便于系统协议、技术体制等的再设计，有利于系统开放性、扩展性和可重构性的实现。从中继卫星的服务对象上看，既包括高动态、全球范围内高速运行的中低轨航天器，又包括全球范围内分布、运行速度较慢，但姿态和轨迹变化较频繁的各类航空器、浮空器、远洋船舶和多种便携通信平台等。

图2 中继卫星系统体系架构示意图

综上所述，中继卫星系统在体系结构、系统功能性能、服务对象等方面具有与空间信息网络一定的相似性，其准全球覆盖、高动态跟踪和大带宽传输的特点，以及应用于陆、海、空、天等多种平台和业务的成功经验，为空间信息网络关键技术的综合集成验证提供了现实可行的手段。然而通过比较天地一体化信息网络和目前中继卫星系统各自的业务特征，可以看出二者之间还存在一定的差异，主要表现在以下几个方面：

1）中继卫星系统采用专用传输协议，无法实现异构互联。在现有中继卫星系统的数据传输模式下，用户目标的数据传输只覆盖到数据链路层，中继卫星地面系统和用户中心需在应用层对前/返向数据进行封装、提取和分发，无法对天地间数据进行直接路由，无法实现空间目标与地面系统两个异构网络之间在网络层上的直接互联互通，且业务数据在传输期间要在应用层进行多次的协议转换，大大增加了处理时延和系统复杂度。

2）中继卫星系统采用预先规划的运行模式，无法适应快速接入的用户需求。由于中继卫星是多用户共用系统，目前中继卫星系统的运行模式是基于严格预先规划的，由中继卫星的运行管理部门统一进行资源分配和调整，用户需要提前与其进行使用申请和工作计划的交互，且工作计划一旦生成后，可供用户进行调整的灵活度不高，这样的运行模式与“即插即用”的网络运行模式有较大差距。

3）地面采用汇集分发方式，用户对数据应用不够灵活。目前用户经中继卫星传回地面的用户数据，均由中继卫星地面应用系统统一接收，完成协议转换后，再由地面应用系统集中进行实时或事后的分发，这种汇集分发方式对用户来说中间环节过多、不够灵活，且随着用户数量和传输数据量的增加，中继卫星地面应用作为汇集分发的节点，在可靠性、数据分发能力等方面的压力将越来越大。

因此，要以中继卫星系统为基础，瞄准天地一体化信息网络的业务特征，从减小系统差异出发，开展综合集成演示系统设计。

演示系统设计

要通过中继卫星这一小系统完成对天地一体化信息网络的演绎，需要在目前中继卫星系统基础上进行合理设计，以弥补上文中指出的差异，并且使构建的演示系统适应因不同领域、不同层次的理论和技术产生的概念、软件、硬件等多种形式的集成转换验证需求。本文针对传输协议、运行模式、数据分发方式三个方面存在的差异，提出了初步的系统设计方案，并设计了综合集成演示场景，以对各项关键技术进行验证。

1. 基于天地IP互联的数据中继传输系统

针对天地IP化互联的中继传输应用需求，提出基于天地IP互联的数据中继传输系统结构，系统由用户航天器、中继卫星、地面站、中继卫星运行中心，以及用户组成，其概念示意如下图所示。对于多IP地址用户目标，其内部带有子网，子网数据在经空间信道传输前，由网关系统完成子网数据链路层协议到针对空间信道设计的数据链路层协议（如CCSDS AOS数据链路层协议）的转换。数据经中继卫星信道传输到地面后，中继卫星地面站的网关系统从空间信道的数据链路层协议中提取IP报文，并完成空间信道的数据链路层协议到地面网络数据链路层协议的转换。转换完毕后，地面标准路由设备根据空间子网IP报文的目的地址直接将数据路由到最终用户。路由的路径可以经过控管中心，也可以不经过。基于IP的前向数据传输为上述过程的逆过程。单IP地址用户目标不带子网，所以用户目标内部不用进行链路层协议转换，可直接将IP报文封装到空间信道的数据链路层协议中，然后通过空间信道的发送。其他处理过程与多IP地址用户目标相同。

图3 基于天地IP互联的数据中继传输系统结构示意图

根据CCSDS空间数据链路协议的最新发展和国内外空间数据传输协议体系的研究成果，在基于中继卫星的天地一体化网络中采用IP与CCSDS相结合的协议体系，协议栈如图3所示。链路层地面段网络与航天器内部子网数据链路层协议采用以太网和802.11无线网数据链路层协议。空间信道上，采用CCSDS空间数据链路协议（SDLPs）。由于地面系统和空间系统采用不同的数据链路层协议，所以在经星间和星地信道传输前，需要完成以太网数据链路层协议与CCSDS空间数据链路协议之间的转换。网络层统一采用IP协议。传输层在使用标准的TCP/UDP协议的同时，针对要求可靠传输且保障传输性能的应用，采用TCP分段技术增强传输层性能，以克服链路传播时延长、网络带宽时延积大、链路差错率较高、链路带宽不对称等问题。应用层支持HTTP、SMTP、FTP和Telnet等标准协议，且用户可根据任务需求设计专门的应用层协议。

图4 基于中继卫星的天地一体化IP网络协议栈示意图

2. 任务驱动的运行模式

在目前仅能够由用户中心进行资源申请的基础上，设计了由任务驱动的运行模式，利用中继卫星S频段多址天线，构建全球覆盖的静态常驻波束，可实现全球范围内天空地用户随时随地接入，利用SMA前返向波束直接完成窄带信息的传输，使得用户平台可与中继卫星控制中心之间进行业务使用申请和工作计划的交互，提高了资源申请和调配的灵活性，并可根据用户业务需求动态调用宽波束协同完成高速数据的传输。

与现行预先规划的任务运行模式不同的是，任务驱动的运行模式在收到用户或用户平台使用申请后，可进行快速的动态资源自动调整，并使得新老资源调度方案的差异尽可能小，使得对其他用户的扰动最小。任务驱动的运行模式下，中继卫星资源动态调配流程如下图所示。首先，通过动态调配预处理，针对应急任务的需求，分析可以满足应急任务需求的中继卫星资源，根据中继卫星资源动态调配问题的特点和需求，采用动态插入任务启发式算法进行求解。

图5 资源自动快速调配流程

3. 网络化地面接收共享体系

作为各类天空地用户平台数据回传的枢纽，设计了中继卫星系统网络化地面接收共享体系，可在完成海量用户数据接收后，实现用户数据的有序共享，为未来天地一体化信息网络海量用户数据的分布式集成共享提供支撑。网络化地面接收共享体系遵循“通用平台+专用插件”的体系架构，由数据接收、数据预处理、资源共享服务等3个分系统组成，系统组成如下图所示。其中，数据接收分系统具备中继卫星站网管理、天线跟踪，卫星数据的实时接收、记录的能力；数据预处理分系统根据用户需求对数据进行解密、格式解析和解压缩处理，并可增加相应专业处理插件进行辅助数据解析、分幅成像、辐射校正、几何校正、几何精校正等批量化预处理。资源共享服务分系统具备对数据系统资源的统一存储、组织和管理，向用户提供共享数据目录检索、数据下载等服务。

图6 网络化地面接收共享体系

4. 综合集成演示场景

为了在最小规模集成系统中高效演示验证天地一体化信息网络的关键技术与核心特征，本文设计了综合集成演示场景，以系统展现以上研究成果。如图6所示，综合集成演示场景中涵盖测控、通信和数传等业务，包括信息获取、信息传输与处理、信息交换与分发等要素，组成要素包括包括中继卫星、低轨卫星/航天器、航空飞机、地面站、地面指挥中心、地面处理中心、移动用户等应用节点。经初步设想，除目前中继卫星系统已有的业务服务以外，还可演示以下业务：

（1）运动轨迹随机用户的猝发业务：航迹不可预知的船舶通过中继卫星的SMA系统完成短消息猝发，按需接入中继卫星系统，提交任务申请，并驱动任务执行系统自动完成资源分配和任务运行。

（2）集群内多用户数据传输业务和集群间跨域数据传输业务：飞艇或飞机作为区域增强节点，向下为其覆盖范围内的集群移动用户提供区域内数据交换链路，完成集群内多用户数据传输业务；区域增强节点向上与中继卫星系统这一骨干节点相连，通过骨干节点完成与其覆盖范围外用户或集群的数据交换。

（3）包交换业务：航天器内部子网与地面网络设备基于IP统一编址，中继卫星地面站和控管中心在网络层对航天器和用户中心发送的IP报文进行直接路由寻址，实现天地一体化IP互联。

图7综合集成演示场景示意图

3.结语

基于中继卫星系统的实际设施和真实空间信道开展天地一体化信息网络综合集成演示系统设计，能够真实反映空间系统特性，并提高技术验证试验的逼真度，是天地一体化信息网络综合集成演示系统设计的现实手段和最佳选择。

本文以中继卫星系统为基础，针对天地一体化信息网络架构，提出了基于天地IP互联的数据中继传输系统、事件驱动的运行模式以及网络化地面接收共享体系的设计方案，并设计了开放、弹性可扩展的综合集成演示场景，为天地一体化信息网络各项关键技术验证提供了平台。后续还需要对天地一体化信息网络特征进行深层次的提炼，以及对各项关键技术进行系统分析，想定能够高效展示网络特点和核心关键技术的场景，进一步探索以中继卫星系统为核心能够等效反应真实天地一体化信息网络的综合集成演示系统设计和试验方法，为天地一体化信息网络关键技术验证提供承载平台，对后续理论与技术研究与发展起到牵引作用。