【深度】天地一体化信息网络应用需求和模式，究竟有多少种？

Original 学术plus观察员学术plus 2022-07-29

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今日荐文

今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家肖飞，郑作亚，陆洲；天地信息网络有限公司专家彭雄宏，梅强。本篇节选自论文《天地一体化信息网络应用需求和模式的研究方法探讨》，发表于《中国电子科学研究院学报》第16卷第3期。

摘要：为更好地发挥需求的牵引作用，文中在总结现有国内外应用需求和模式研究方法的基础上，分析了我国该领域发展存在的问题，结合天地一体化信息网络重大项目的推进实施，探讨了天地一体化信息网络应用需求和模式研究的内容和方法，并以海外用户通联保障场景为例，分析了典型用户需求及应用模式，为推进天地一体化信息网络重大项目应用需求和模式研究提供了方法支撑。
关键词：天地一体化信息网络；应用需求；应用模式；海外用户通联保障

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论文全文摘编如下

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引言

随着“星链（Starlink）”、“一网（Oneweb）”等国际低轨通信卫星星座的部署实施以及5G与低轨互联网的融合，太空经济在全球经济中的占比大幅提升，世界各国对太空基础设施和服务的依赖性日益凸显。同时，国际形势变化莫测，部分国家的技术保护主义正在蔓延，关键技术和核心部件受制于人的情况更显严峻。为此，国家必须增强太空技术领域的研究力量，提升空天信息应用能力以确保国家战略利益不受损害。

经过五十多年的发展建设，我国空间基础设施发展已具备坚实基础，基本建成完整配套的天基信息体系，卫星应用技术和产业也趋于成熟。但是，“天上卫星多，地上应用少”的现象依然存在，发星前的应用需求和模式的研究不够充分，造成卫星资源利用率不高、综合效益偏低，是制约天基信息应用服务的主要问题之一。

因此，解决上述问题的关键在于深入研究、有效描述各方对卫星网络的需求，更好地发挥需求的牵引作用，提前研究应用模式，使各工业部门形成合力，待网络建成后，能够合理利用相关资源，发挥网络最优效能。本文首先对卫星通信领域的需求及应用模式的国内外研究方法进行介绍，分析了发展趋势及存在的差距，结合天地一体化信息网络项目，探讨分析了需求和应用模式的研究方法，并以海外商务用户通联保障场景为例，研究了如何挖掘用户需求与打造应用模式，为天地一体化信息网络的应用需求和模式研究提供方法参考。

1国内外应用需求与模式研究方法

1.1国外研究情况

在应用需求研究方面，以美军为例：

早在20世纪60年代实施的“规划、计划和预算制度”(PPBS)，就采用系统工程的理论方法分析研究需求问题。
80年代中期，美军按照“基于威胁”的需求分析理念，采用“自底向上”的需求获取方式，在“规划、计划和预算制度”基础上增加“需求产生制度”(RGS)和采办管理制度, “需求产生制度”确定各军兵种到底需要什么装备, 采办管理制度保证这样的装备可以被设计出来，“规划、计划和预算制度”则要把设计这样的装备所需的资源限定在一定范围之内[1]。
进入21世纪以来，在“基于能力”取代“基于威胁”的防务理论之后，美军用“联合能力集成与开发制度（JCIDS)”取代原来的“需求产生制度”，强调未来联合作战能力构建。联合能力集成与开发制度核心是一种自顶向下战略指导的能力确认方法学，其大致过程包括能力领域分析、能力需求分析、能力缝隙分析和能力需求方案分析4个阶段，目的是确保需求提案符合未来联合作战需要，如果军种的需求提案不能适度(或强力)支持联合作战所需作战能力,将会被拒绝或被打回军种作补充[2]。
近年来，美军注重从体系层面构建需求，2016年美国空军提出研制 “先进作战管理系统”（ABMS）,其开发工作首先从体系的角度确定卫星应以何种速率提供何种类型的数据、无人机以什么样的速度作战等，只有在体系层面的需求构建完成之后，空军才会进入传统的卫星和无人机等的采办环节。

在应用模式研究方面：

2017年，英国海事卫星公司在研究海上宽带卫星通信对于航海安全、海洋经济活动重要性的基础上，设计了第五代海事卫星海上宽带通信系统（Fleet Xpress），并结合实际应用场景，探索了船员宽带接入、船舶作业实时监控等应用模式[3]。
2019年，加拿大空间技术实验室（LASSENA）为解决未被雷达覆盖地区，如海洋地区、南北两极或沙漠地区的搜救和飞行安全问题，研究了基于铱星下一代卫星的雷达信息扩展应用模式，可作为目前全球导航卫星系统定位、导航和授时方案（PNT）的较好替代方案[4]。
2019年，英国伯明翰大学通过将低轨卫星网络类比移动电话网络的表面蜂窝结构，结合无源雷达理论，计算了星链卫星星座的功率预算和检测范围，探索出低轨卫星发射作为照明源追踪空间目标的应用模式[5]。

1.2国内研究情况

在应用需求研究方面。

2016年，国防科学技术大学信息系统工程重点实验室对网络信息体系的应用需求研究上升到了需求工程的层次，针对网络信息体系的需求生成、需求描述、需求验证评估、需求跟踪、需求排序等重难点问题的研究思路进行了探讨[6]。
2019年，重庆大学的团队研究了全过程工程咨询服务信息管理需求，通过研究服务价值的产生过程和业务流程，建立价值链模型,分析工程信息流动状态,建立活动模型,采用专家访谈的方法梳理信息管理问题，建立信息管理需求指标,采用发放打分问卷,对调查结果进行因子分析,得出信息管理主要需求状况[7]。
2020年，中国信息通信研究院结合城镇重大灾害的特点，从总体需求、典型灾害保障需求、分阶段保障需求等几个维度分析得出现场应急通信保障需求，为城镇应急通信保障与防灾救灾配置提供依据[8]。

在应用模式研究方面。

2017年，国家林业局调查规划设计院将北斗卫星导航与林业业务关联，使北斗卫星导航与多种应用技术结合，如移动互联网技术、北斗短报文和地图服务等，并探索与之相关的应用模式[9]。
2019年，北京空间机电研究所在航空安全领域内北斗的应用模式进行研究，首先分析了国际航空导航监视应用现状与启示，随后对北斗系统与其它系统中的航空应用进行了能力评估，并比较了北斗定位报告与国际现有应用方式的特点，得出北斗航空应用推广面临的主要困难和问题，并给了北斗航空应用的具体建议[10]。
2019年，中国电力科学研究院在对卫星通信技术在通信、导航、遥感领域应用现状的分析的基础上，总结了当前卫星的应用环境和应用模式，结合电力行业应用需求，探索了卫星在电力领域应用的可行性[11]。
2020年，中国信息通信研究院在工业互联网应用逐步走向深入的新形势下，有针对性地选择钢铁、船舶、汽车三大典型行业开展需求研究，从市场需求响应、产品全生命周期管理等方面分析不同行业应用需求与特点、应用模式和推进举措，研究并提出重点行业工业互联网在智能化、协同化方面的应用路径[12]。

相比于国外对需求及应用模式的研究情况，在应用需求研究方面，目前国内存在着“层次不清、内容不明、标准模糊”等突出问题，缺乏通用设计的情况下，各个用户只关注自身的特定需求，各级需求“上下一般粗”，在具体需求提报方面，还存在着“原则性需求多，具体需求少，定性需求多，定量需求少，重眼前轻长远”等问题。在应用模式研究上，当前国内还存在着过于重视政府、行业、大型组织的应用模式开发，对消费市场推广和开拓力度不够，从而导致应用模式比较匮乏，缺乏造血能力等问题。

2.天地一体化信息网络应用需求与模式的研究方法探讨

作为国家“科技创新2030”重大项目，天地一体化信息网络旨在形成国家战略性空间信息基础设施，满足政府、企业、大众等各类用户日益增长的信息化应用需求，提供全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信的网络信息服务能力。天地一体化信息网络整体上采用“天网地网”体系架构，由天基骨干网、天基接入网、地基节点网构成，并可与地面互联网、移动通信网开放互联。突出“网络一体、安全一体、管控一体”理念，通过优化网络体系结构，统一网络协议体系，建立一体化的传输与路由、接入与控制、安全与防护、运维与管理机制，实现陆、海、空、天多层次联合组网和跨域按需信息共享。

2.1应用需求研究

在天地一体化信息网络项目的总体论证过程中，对于应用需求的研究从内容上可分为用户业务需求分析、业务功能需求分析、主要功能与技术指标需求及论证等类别，从方法上可分为需求地图、需求矩阵、数据分析、仿真分析及需求管理等。

（1）应用需求的研究内容

在与部委、行业等部门的应用需求对接及论证过程中，认为应用需求研究的主要内容应包括用户业务需求分析、业务功能需求分析、主要功能与技术指标需求及论证等。
用户业务需求分析是在明确用户对象范围的基础上，从时间、区域、用户等多个维度，对业务需求进行认真梳理和总结归纳，提出系统的业务需求分析，并对主要用户容量需求进行预估。业务功能需求是根据业务需求提出功能需求，细化分析业务量、业务流程和业务功能，在信息量、运算量、传输能力、并发用户数等方面进行定量化分析，包含了对通用基础通信、天基信息中继、天基物联网、特殊通信应用、空中目标监视、海上船舶监视、全球电磁频谱感知、导航增强、信息服务等业务的功能需求分析。主要功能与技术指标需求及论证则包含了对总体业务、网络架构、工作频段、区域覆盖需求、低速移动通信、宽带综合通信、应用终端、安全保密、地面网络连接、运行控制、系统保障性、经济性等指标的需求及论证过程。

（2）应用需求的研究方法

在对用户需求的挖掘及后期分析过程中，认为应用需求研究的主要方法有需求地图、需求矩阵、数据分析、仿真分析及需求管理等。
需求地图是将世界地图划分为千平方公里级的栅格，对各类用户分别统计基于宽带接入、窄带接入、天基物联、天基中继、移动话音等应用模式的上行速率、下行速率、用户数、并发数的需求，并对需求量进行统计分析，根据颜色分类和深浅度对不同需求等级进行标注和区分。通过采用基于需求地图的系统设计方法，可清晰看出用户在具体地理区域上的应用需求，有利于建立不同领域应用需求分析与预测模型。
需求矩阵是根据部委、行业等不同领域用户的应用需求，结合宽带接入、移动通信、天基物联、天基中继、特种通信、导航增强、天基广播式自动相关监视（ADS-B）、天基船舶自动识别系统（AIS）/甚高频数据交换系统（VDES）、频谱监视、信息服务等业务，进行需求矩阵对应及重点需求统计，对主要需求和关键指标满足度进行分析。除上述未包含的业务，对用户的特殊需求也应识别出来，将特殊业务类型、覆盖区域、特殊性能指标、特殊使用方式、特殊端机等方面需求进行统计。
数据分析是对不同应用领域的用户，通过统计特定业务类型、使用区域及应用场景下的单用户容量和并发用户数，分阶段估算其容量需求。以调研所获取的应急救灾需求容量估算为例，根据终端类型的不同，分别对各类用户在国内或境外的用户带宽及数量进行估计，如表1所示。

表 1 应急救灾用户容量需求预估

仿真分析是在确定相应的仿真参数的基础上，如轨道高度、轨道倾角、单轨道卫星数量、移动通信覆盖角、宽带接入覆盖角、重要地点的经度、纬度、海拔高度等参数，对于低轨星座，可以仿真在不同仰角情况下，能够常态连续覆盖的最低纬度区域等。例如，对于地面站8.3°仰角，当单轨道卫星数量为10颗，轨道高度为880 km，轨道倾角86°时，一轨10颗低轨星能够对南北纬80°以上区域实现常态连续覆盖，20颗低轨星能够对南北纬75°以上区域实现常态连续覆盖，以此类推。
需求管理主要包括了需求跟踪、需求优先级排序等内容。需求跟踪方面，可采用基于语义的跟踪模型，通过分析各用户所提报需求中语义片段，挖掘内部关联，形成语义与需求之间的关联关系，从而建立跟踪链，最后通过人工审核进行判断选择。例如，在应急救灾领域，按照“需求获取”“需求分析（基于语义）”“形成需求清单”“人工审核”的顺序，通过对减灾中心、煤炭科学研究院、消防救援学院等用户提报的需求进行语义分析，形成语义——“救援现场将灾害现场视频发往后方指挥部之间”与需求——“需要卫星宽带通信”之间的关联，并以此建立需求清单，为人工审核提供依据，形成“前一个步骤的输出成为后一个步骤输入”的需求跟踪链。需求优先级排序方面，通过比例尺排序的方法，将每个需求进行赋值，并将排序结构进行动态更新。

2.2应用模式研究

针对天地一体化信息网络项目的特点，将应用模式分为高轨星应用模式、低轨星应用模式、高低轨综合应用模式三大类。

（1）高轨星应用模式

天基骨干网由分别位于非洲上空、印度洋上空、国土上空、西太平洋上空、美洲上空和大西洋上空的多个地球同步轨道上骨干节点组网互联而成，并与天基接入网、地基节点网互联，实现骨干互联、宽带接入、天基中继和天基管控功能，可为全球范围内天基、空基及地表用户提供宽带数据传输服务。
宽带接入应用模式是使用天基骨干网的空地频率，实现陆海空等用户间、用户与地基节点网间的宽带通信。天基骨干网宽带接入模式提供三种主要的宽带通信方式，一是采用星上透明转发模式实现卫星用户间的宽带通信；二是采用星上再生处理模式实现卫星用户之间或卫星用户至地面网络的宽带通信；三是采用落地至地基节点网模式实现卫星用户之间或卫星用户至地面网络的宽带通信。
天基中继应用模式服务于全球范围内、高动态的用户，主要针对航天器等用户的数据传输，分为微波模式及激光中继模式两种，微波中继主要依托骨干节点Ka多波束相控阵载荷，数传速率为几十兆比特每秒到上百兆比特每秒不等，大容量航天器吉比特每秒量级的高速数据传输，使用高数据率激光链路服务，激光载荷根据星历表和信标，建立高速双向激光通信。
天基管控应用模式包含用户随遇接入控制、天基测控、天基短报文等应用功能。用户随遇接入控制是指使用星间频率，实现天基接入节点等航天器用户的随遇接入请求、身份认证，根据用户申请的业务类型调配相应资源；使用空地频率，实现航空器、地表等用户的随遇接入请求、身份认证，根据用户申请的业务类型调配相应资源。天基测控是指使用星间频率通过高轨卫星对航天器等用户轨道、姿态以及设备进行跟踪、测量与控制。天基短报文是指为航天器、地表用户等提供短报文服务。

（2）低轨星应用模式

天基（低轨）接入网采用低轨综合星与宽带星两类星座部署，基于星间链路进行空间组网，面向各类用户提供全球无缝覆盖的移动通信服务，面向重点用户提供全球按需可达的宽带通信服务，并提供全球范围的航空/航海监视、导航增强以及广域物联网数据采集服务等。
移动通信应用模式由低轨综合节点卫星提供支持，基于星上处理交换和星间链，以及基于地面节点（关口站），支持天基接入网各类终端与地面移动通信网终端的通信、与地面固定电话网终端的通信，提供话音业务、数据业务等。
宽带通信应用模式主要面向企业专网互联、基站回程、互联网接入等应用，为地面通信终端（包括关口站）用户提供点对点状、星状、网状互联的宽带数据传输业务。根据卫星转发交换方式不同，可以划分为基于星上再生处理交换的宽带数据传输服务和基于星上透明转发的宽带数据传输服务两类。
物联网应用模式依托低轨综合节点卫星，星上处理及星际链路等，通过天基物联网载荷和终端设备，在地面地基节点（含关口站、核心网）、信息港的物联网应用服务器支撑下，将复杂环境下的传感器连入天基物联网，实现物联信息的跨地域传输，是解决目前地面物联网短板的有效途径，可广泛用于物流、交通、气象等领域。

天基监视应用模式依托低轨综合节点卫星，其搭载广播式自动相关监视、船舶自动识别系统侦收载荷，具备航空、航海监视能力。基于星基的广播式自动相关监视/船舶自动识别系统系统可有效克服陆基广播式自动相关监视/岸基船舶自动识别系统系统的不足，可用于陆地难以覆盖或无法覆盖的空域，从而形成一个全球无缝的覆盖网络。

天基导航增强应用模式基于低轨卫星在信号传播损耗、卫星构型以及载波大多普勒特性等方面的优势，可作为北斗卫星导航系统的补充、备份和增强，主要提供全球无缝覆盖的高精度定位服务，为未来全球无缝的无需基准站的高精度定位提供一种有力的手段。

（3）高低轨综合应用模式

根据天地一体化信息网络建设规划，前期因低轨星座卫星数量少，天基接入网中移动通信应用模式、天基物联应用模式、星基监视应用模式等典型应用模式需要采用高低轨综合应用模式。后期随着低轨星座完成组网，实际应用时，一般不再需要采用高低轨综合应用模式。以移动通信为例介绍高低轨综合的移动通信应用模式。如图1所示，用户1终端通过综合星1（经过星上处理）、星间链路，传输到综合星2上，基于高低轨星间链路，再经过天基骨干节点卫星的星上处理，传输到地基节点网，经过地基节点关口站及核心网，传输到信息港，最后传输到用户2（语音业务）、用户3地面终端（数据业务），完成用户间的互通。

图1 基于高低轨星间链的移动通信应用模式

3.典型用户通联场景

以海外央企等商业用户为例，结合上述讨论的应用需求和模式研究方法，对典型用户的需求和应用模式进行研究分析。

（1）海外商务用户需求分析

海外商业用户的通联场所为商业驻地、境外商务活动馆所、地面行进中的商务车队、室外临时工作场所等。商业活动通联保障业务场景主要有两种：1）固定场所的通联，即在海外商业驻地内安装固定通信站，实现通信和网络服务在驻地落地，提供商业专网服务，实现自主可控高质量通信，使用国产卫星资源，解决目前卫星资源受制国外、通信效果差等问题。同时按需提供高质量因特网服务，解决部分商业驻地因特网接入难、带宽窄、稳定性差等问题，如图2所示。2）移动出行的通联，即通过车载通信站实现境外商务车辆行进中与商务专网的自主可控较高质量通信，并按需实现车辆行进中较高质量因特网通信，如图3所示。

图2 海外商业用户固定场所通联保障的应用模式示意图

图3 海外商业用户移动出行通联保障的应用模式示意图

上述两种场景下，商业专网和因特网服务均应支持语音、传真、视频、数据等高质量通信。固定场所的通联，应支持语音、传真、宽带数据和高清视频，数据传输双向速率高，数据误码率低，传输抖动小，数据业务最大单向时延低，可支持流畅的高清视频、顺畅的协同办公。移动场所的通联，车载通信站应支持语音、宽带数据和一定质量视频，数据传输双向速率高，数据业务最大单向时延低，可支持协同办公。

（2）海外商务用户通联应用模式

海外商业用户固定场所通联保障应用场景，是指用户通过天地一体化信息网络的宽带接入、移动通信等业务，实现海外商业驻地的互联网访问以及与国内公司总部之间的文电、话音、视频会议、宽带数据、等应用，服务于海外央企工作人员等，业务主要为文电数据、话音及宽带数据，对互联网应用的数据率要求较高。
该场景下，可采用高轨宽带接入模式，使用大口径天线，实现速率不低于50 Mb/s的前向数据推送能力，如图2中的黑线所示；可采用低轨宽带接入模式，采用相控阵天线实现速率不低于100 Mb/s的互联网数据服务能力，如图2中的红线所示；可采用低轨移动通信模式，实现不低于2.4 kb/s的安全话音服务能力，实现商务人员在海外驻地与国内总部语音通联，如图2中的紫线所示。
海外商业用户移动出行通联保障应用场景，是指用户通过天地一体化信息网络的宽带接入、移动通信等业务，实现在海外商业驻地与国内总部通联，在境外乘车行进途中与海外驻地、国内总部通联，以及在下榻宾馆与海外驻地、国内总部通联等，业务主要为文电数据、话音及宽带数据，同时，用户对手持、便携端的尺寸敏感。
该场景下，可采用高轨宽带接入模式，使用大口径天线，实现速率不低于50 Mb/s的数据服务能力，实现商务用户在海外驻地与国内总部数据通联，如图3中的黑线所示；可采用低轨移动通信模式，实现不低于2.4 kb/s的安全话音服务能力，实现商务人员在海外驻地与国内总部语音通联，如图3中的紫线所示；可采用低轨宽带接入模式，采用车载相控阵天线实现速率不低于20 Mb/s的数据服务能力，实现商务人员在行进途中与海外驻地的通联，如图3中的红线所示；可采用高低轨协同接入模式，使用车载天线，实现速率不低于20 Mb/s的数据服务能力，实现商务人员在行进途中与国内总部的通联，如图3中的蓝线所示；可采用低轨宽带接入模式，采用便携相控阵天线实现速率不低于2 Mb/s的数据服务能力，实现商务人员在下榻宾馆与海外驻地的通联，如图3中的红线所示；可采用低轨移动通信模式，实现不低于2.4 kb/s的安全话音服务能力，实现商务人员在住所与国内总部语音通联，如图3中的紫线所示。表2给出了上述两个应用场景及应用模式的对应关系。

表 2应用场景与应用模式的对应关系

结语

根据“互联网+”的思维模式，作为现代网络信息系统的重要表现形式，作为“新基建”、新一代信息基础设施的重要组成部分，面向未来国家空间信息战略性资源，天地一体化信息网络的应用前景十分广泛，要驱动实施“天地一体化信息网络+”，关键在应用，应用需求和模式是发挥应用效能的重要前提，本文在借鉴国外天基网络需求分析和模式研究方法的基础上，对天地一体化信息网络的应用需求和模式的研究方法进行探讨，认为要以政府、行业、企业等用户为主体，发动卫星制造方和运营方、卫星产学研队伍以及网络信息产业链上各方力量，深挖应用需求，创新应用模式，想定应用场景，拓展应用市场，推动天地一体化信息网络的应用产业发展。

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