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“互联网+卫星”=天地一体化网络:激光、电磁波作纽带

导读: 由多种异构网络共同构成的天地一体化网络一旦实现互联互通和互操作,将会引发前所未有的信息革命。

  由多种异构网络共同构成的天地一体化网络一旦实现互联互通和互操作,将会引发前所未有的信息革命。

  文字阅读、图片查看、影音播放、下载传输、游戏、即时聊天……网络的快速发展给人们的生活带来了极大的便捷和享受。然而,网络发展到今天仍没有实现随意接入和时时畅通,国产电影《无人区》中男主角的遭遇就形象地展示了我们网络时代的另一面:死角和盲区无处不在,网络服务能力仍有待提高。

  网络覆盖死角的存在,从侧面反映了地基通讯设施的局限,建设宽带卫星将有助于解决此类问题。然而,就算地面上的网络覆盖能在卫星的帮助下做到无缝连接,人类足迹所至的地方仍有网络不及的地方:飞机上呢?卫星上呢?空间站呢?

  其实科学家们早就注意到这些问题。中国科学院软件研究所研究员刘立祥告诉《中国科学报》记者:“作为国家重大基础设施,‘天地一体化网络’相关技术已取得了重大突破,预计‘十三五’期间我国将逐步开展相关的建设工作。”

  “天地一体化网络”之义

  刘立祥介绍说,天地一体化网络是由通信、侦察、导航、气象等多种功能的异构卫星/卫星网络、深空网络、空间飞行器以及地面有线和无线网络设施组成,其中,卫星网络将承担大量信息的获取、传输和分发作用。但是,“天星地网”的网络架构还远不能达到一体化网络建设的要求。

  自1957年10月4日前苏联发射了世界上第一颗人造卫星之后,人类已经向太空发射了超过上千颗人造卫星。这些人造卫星个个“身怀绝技”,有的专为地球资源勘探,有的长于军事侦察,有的帮助人们预报气象,有的大大便捷了现代通讯。然而,这些卫星同在太空,彼此之间的“了解”却甚少,几乎所有的沟通都要依赖地面基地。

  “功能单一、结构规则、运行依赖地面、相互之间孤立的卫星网络系统已经不能满足人们实时、综合的服务需求。具有多种功能、轨道互补、智能程度高、可自主运行、便于扩展的异构卫星组网成为新的发展方向。”刘立祥说。

  目前,世界上主要的航天大国在调整并制定新的航天发展战略时,都把下一步发展目标定位在完善卫星系统种类和提高卫星系统功能的基础上,发展并建立网络化的新型综合卫星系统体系。美国国家航空航天局(NASA)的“天基通信导航网”(SCaN)计划的构想就是建立并保持一个便于扩展、可缩放的综合基础设施,提供全面、有效、更高量级数据速率的天基服务,以实现NASA的各类任务。

  天地一体化网络即是如此。刘立祥告诉记者,它通过星间、星地链路将地面、海上、空中和深空的用户、飞行器以及各种通信平台密集联合。比如,地面和卫星之间可以根据应用需求建立链路,实现实时数据传输。

  刘立祥指出,从组网、传输和路由等角度来看,天地一体化网络具有典型的大时空尺度属性,具有网络全覆盖、空天地海网络协作、智能控制和处理、快速反应、高效应对等鲜明特征。“举一个最简单的例子,天地一体化网络环境下,无论何时何地,电话服务、信息传输将彻底告别‘无法连通’的时代。”

  “天地一体化网络”之用

  随着信息技术的迅猛发展,未来信息服务行业对多维综合信息资源的需求日益提高,国家安全、航空航天、环境监测、交通管理、教育医疗卫生、工农业、反恐、抗灾救险等领域的战略信息服务将在空、天、地多维空间展开,任何单一维度上的信息利用都无法满足全方位的需求。由多种异构网络共同构成的天地一体化网络一旦实现互联互通和互操作,将会引发前所未有的信息革命。

  “这种高度综合性的异构网络系统打破了各自独立的网络系统间数据共享的壁垒,空、天、地跨维度服务将成为未来全方位服务的主要形式,能够有效地综合利用各种资源(包括轨道资源、传感器资源、通信资源等),不仅可以为作战提供一体化的侦察、导航、作战指挥等服务,也可以为海陆空通信、海洋气象预报、导航、农林牧渔、应急救援等提供全方位的支持。这就需要一体化网络具有充分的信息统筹获取、快速的信息传输、高效的任务协同等能力。”刘立祥说。

  此外,智慧城市、物联网、车联网等概念的提出和具体项目的实施,将极大地促进我国一体化信息基础设施的高速发展。

  目前,我国有近百颗在轨运行空间飞行器,覆盖了导航、通信、遥感、深空探测、载人航天等领域。而随着我国空间信息网络服务的需求不断增加,建设天基卫星、互联网、移动通信网等全面融合的天地一体化的信息网络,将是提升我国信息服务能力的有效途径。

  刘立祥还指出,天地一体化网络还将带动信息电子、航空航天、数学、材料学、光学等相关学科的发展,“对推动相关学科的发展具有重要的科学意义”。

  “天地一体化网络”之难

  天地一体化网络中节点类型众多,在天、空、地、海运行的不同节点的功能、接入传输能力迥异,使得网络将变为一个高度异构、动态复杂的巨系统。这就给一体化网络的构建带来了方方面面的挑战。组网技术是保障一体化网络信息安全可靠传输的关键基石。刘立祥介绍说,尽管采用骨干+接入的机制普遍得到了认同,但是对天地一体化网络这样一个复杂、异构的“巨系统”来说,骨干网和接入网如何设计,网络协议体系如何设计,系统安全如何保障,系统如何管理仍然是建设的难题。

  “这需要在顶层设计中充分考量。”刘立祥告诉记者,“体系架构设计的好坏对系统的可靠性、抗毁性、服务能力、通信效率都会产生重大的影响。如高轨骨干卫星需要多少颗,卫星之间有没有链路,是采用激光还是微波,地面网络处于什么地位以及网络的可扩展性都要进行深入的分析和论证。”

  对于网络协议体系,是采用IP交换还是采用其他的交换方式,不仅要考虑现有的系统,更重要的是要兼顾未来的发展,传输协议,路由协议和接入机制都要进行有针对性的设计和开发。目前,天地一体化网络路由协议正处于“百家争鸣”阶段,普适性较差;现有传输协议主要面向深空段、空间段或邻近空间段的星际间或星地间通信。针对未来大量用户的按需接入机制还没有一个完整的解决方案。

  安全问题同样重要。“从网络的物理层到应用层,天地一体化网络都存在安全隐患,并呈现出与地面网络不同的安全特征,信息安全保障的任务艰巨。”刘立祥对记者说,天地一体化网络的无线传输特性、复杂组网结构、软硬件设计和实现缺陷、空间环境恶劣等特点,使得它更容易受到窃听、假冒、信息重放、物理损伤等手段的攻击和破坏。

  此外,由于地面设备、卫星和其他航天航空设备距离较远,相互之间通信时延较大,通信链路也容易受到来自外界的干扰(如宇宙射线、电磁信号等),可能会加大信号传输中的错误率。

  对于一体化网络的管理问题,刘立祥指出,首先要明确管理对象,地面网管关注的是资源,一体化网络不仅要对整个系统的资源进行管理,还应具有对系统的控制能力和服务的管理能力以及接入用户的管理能力。这是一个非常复杂的过程。

  “这些问题在没有实际网络平台可供测试的情况下,只能通过仿真以及概念演示进行相应解决方案的研判,并在逐步开展的实际工作中慢慢摸索。”刘立祥指出,“未来随着联合考虑陆地、远洋、天空、空间与深空资源的大时空尺度空间信息网络仿真测试平台的逐步完善,以及局部天地互联系统的搭建,理论研究与实际应用之间的差距将越来越小,一体化网络建设中出现的困难将逐步得到解决。”

 

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