【深度】关于天基信息网络综合管控系统建设的思考

【深度】关于天基信息网络综合管控系统建设的思考

今日荐文

今日荐文的作者为 中国电子科学研究院 专家 秦鹏，刘海蛟，陆洲，周彬 。 本篇节选自论文《 关于天基信息网络综合管控系统建设的思考 》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第5期。

摘 要 ： 经过几十年的发展，我国已经建立了包括传输、遥感、导航等各种功能的天基信息系统，截止2015年底，我国在轨卫星177颗。然而，各管控系统由于缺乏统一接口标准，自成体系，难以互联互通，空间资产应用效益不高。针对上述问题， 基于统一时空基准和兼容性网络协议，设计天基信息网络星间管控系统，构建全球覆盖的统一管控体系是实现空间资产高效利用、体系能力弹性增强的有效途径。

关键词: 天基信息网络 天基管控系统 体系结构设计

1 引言

经过几十年的发展，我国已经建立了包括传输、遥感、导航等各种功能的天基信息系统[1][2]，各系统的运行管控主要依托以地面为主的管理方式。不同功能、不同系列的运行管理自成体系，形成“烟囱”林立的局面，由于缺乏统一接口标准，系统难以互联互通，系统间数据无法实现共享，空间资产应用效益不高。 针对上述问题，基于统一时空基准和兼容性网络协议，设计天基信息网络星间管控系统，构建全球覆盖的统一管控体系，支持可信接入、实时传输、安全可靠等能力，将功能异构、节点异质的天基系统整合成“一张网”，是实现空间资产高效利用、体系能力弹性增强的有效途径。

2 概念与需求

2.1  概念内涵

天基信息网络星间管控系统（简称星联网）是指由分布在不同轨道上的各类航天器和临近空间飞行器，通过星间微波链路或激光链路互联互通而成的智能化、自组织、分层次的安全监控与资源调度网络。其覆盖从平流层到地球同步轨道的空间范围，采用自适应组网的方式，由空间管控中心完成对全网的状态监控与资源调度。

2.2  需求分析

（1）构建天基信息网络星间管控系统是实现空间资产高效利用的需要

截止2015年底，全球在轨卫星约1381颗，我国在轨卫星177颗[3]。随着低成本、模块化、网络化的微小卫星成为热点，预计到2030年我国在轨卫星将达到200至300余颗，而全球在轨卫星将达到2000颗以上，如何对庞大的空间飞行器进行统一管理与调度成为亟需。因此，构建高效、实时、支持多星协同工作和全局调度的天基信息网络星间管控系统是实现空间资源高效利用的必然选择。

（ 2）构建天基信息网络星间管控系统是实现体系弹性增强能力的需要

当前我国空间飞行器的运维与管理主要依赖地面系统，空间各类信息数据也大多通过回传至地面进行统一处理[4]，以地面为中心的网络架构难以应对自然灾害导致的地面故障情况[5][6]。因此，构建智能化、自组织、分层次、具备高可靠管控能力、基于天基的天基信息网络星间管控系统是增强弹性增强能力，实现我国从航天大国向航天强国跨越的重要保障。

（3）构建天基信息网络星间管控系统是有效利用太空的需要

随着航天技术发展和应用领域拓展，当前太空已成为国际竞争新领域、国家安全高边疆[7]。空间发展态势错综复杂，空间竞争更趋激烈，空间环境日益恶化，构建高可靠、全域覆盖、具备安全监控能力的天基信息网络星间管控系统是面对太空安全威胁，有效利用太空的必由之路。

3 管控对象

天基信息网络星间管控系统的组网对象主要包括各类高、中、低轨航天器和临近空间平台，以及过空间飞行器等其它用户。

（1） 空间段

l  高轨航天器  l  中轨航天器  l  低轨航天器  l  航天飞机  l  过空间飞行器：

（2） 平流层

l  平流层飞艇  l  有/无人飞机

4 系统总体架构设计

4.1 系统结构

图1 天基信息网络星间管控系统结构

天基信息网络星间管控系统具备对网络成员位置的精确感知和未来行动的预测能力，支持网络新成员和过空间飞行器的随遇接入与快速建链，具备安全可信、可管可控、“网络无中心，信息有中心”的运行特点，是天基信息网络的共用基础设施和重要能力支撑。如图1所示，天基信息网络星间管控系统包括星联一级网、星联二级网和其它用户三部分。

（1） 星联一级网

星联一级网由高轨通信骨干网和时空基准网等组成，不仅是全网监控、测控、导航、授时等各类管控信息的骨干汇聚网，同时也是天基信息网络星间管控系统的管控决策中心。每个主干节点既可是单颗具备一定计算、存储能力的卫星，也可是支持高性能计算、存储的星簇/星座。主干节点的差异化设置可以有效满足空间信息的分级分类处理和空间资源的最大化利用。

（2） 星联二级网

星联二级网由星联子网、星座节点、单星节点等元素组成。其中，星联子网由多颗低轨卫星通过微波或激光链路连接而成。

其组成节点分为两类：

一类是产生和接收管控信息信息的普通节点，例如新发射的某颗低轨卫星请求加入星联子网并向空间管控中心上报自身位置、系统状态参数等；

另一类是支持各类指控信息汇聚功能的二级汇聚节点，此时汇聚节点通过专用管控信息链路或共用/插入业务链路，实现与星联一级网之间的通信。

如图1中绿色波束所示，除星联子网内部节点外，二级汇聚节点还可为外部卫星提供信息汇聚。星座节点由少数几颗卫星通过星间链路连接而成，在逻辑上可以看成是单个虚拟节点。和单星节点同样，其产生或接收的管控信息既可利用星联子网的二级汇聚节点完成收发，也可通过直接与星联一级网联通实现。

（3） 其它用户

其它用户是指基于任务请求，需要短时间接入天基信息网络星间管控系统的空间和临近空间飞行器，包括卫星、航天飞机、临近空间平台、无人机等。根据其任务安全等级和时敏性要求的不同，可按需动态链接星联一级网和星联二级网。此外，地面管控中心作为天基信息网络星间管控系统空间管控中心的备份，可通过星地微波/激光链路实现天地互联互通。

天基信息网络星间管控系统各成员节点除接收空间管控中心经星联一级网转发来的前向指令或前向数据，同时向空间管控中心发送各空间飞行器产生的返向数据。

4.2  运行架构

图2基于SDN的天基信息网络星间管控系统运行架构

基于SDN的天基信息网络星间管控系统运行架构如图2所示，采用SDN网络架构[8][9]，空间管控中心作为SDN架构中的控制层，把封装在交换设备中的控制面分离出来，实现空间管控中心对全网的统一管理，并通过标准化接口，向上层提供可编程的网络应用能力。同时，根据实时环境、网络条件等要素，完成网络拓扑和数据路由的生成与维护。

5 链路设计

天基信息网络星间管控系统中的管控信息传送既可独占又可与业务数据合用链路。根据是否共用链路，天基信息网络星间管控系统链路分为专用链路和共用链路两种。相应地，频谱设计包含专用/共用微波和共用激光等类型，支持管控信息传输速率1kbps-2Mbps。

专用链路： 采用专用星间微波链路传送监控、测控、指控、导航、授时等各类管控信息。既可以支持广域波束覆盖，同时又可实现特定区域点波束覆盖。此时，频谱链路为管控信息专用，其上无业务数据传送。

共用链路： 频谱采用共用微波或者激光，其实现机理类似于CCSDS空间网络协议簇中链路层AOS协议的“插入服务”，通过时隙的划分与分配实现业务数据与管控信息数据的并行传输。此时，业务链路（包括数据业务、流媒体业务、接入业务等）也可为管控信息链路共同使用。

6 功能设计

6.1  主要功能

天基信息网络星间管控系统支持广域覆盖、可信接入、实时传输与交换、安全可靠、位置测控、网络管理等功能：

（1） 广域覆盖

具备对各类在轨航天器大空间尺度的广域覆盖能力。

（2） 可信接入

具备自组成网能力，可连接各类天基网络，包括天基骨干网、信息获取网、天基接入网、时空基准网等，并与航天网络化地面系统互联；支持网络规模的弹性扩展和可信接入

（3） 实时传输与交换

具备对管控信息传输、数传通信的传输交换能力，并对过程进行安全可信控制。

（4） 安全可靠

具备自主运行与容灾管理能力，具备承接常态化服务和应急情况下的各类服务质量保障能力。

（5） 位置测控

具备跟踪测轨、遥测、遥控和通信的一体化管理控制。

（6） 网络管理

具备对节点目标的高动态性管理和从全局视角对全网资源的统一调度与基于任务的资源适配能力，具备对空间电磁频谱的实时监测与智能管理能力。

6.2  功能指标

（1） 天基自组网节点数量不少于500个，可不依赖地面系统实现空间设施的实时监控，形成自主运行的信息网络。

（2） 支持空间飞行器快速随遇接入和星间快速建链能力，管控信息传输速率1kbps-2Mbps。其中，专用链路采用微波链路，支持单路与多路等多种类型信道；共用链路采用微波和激光链路。

（3） 支持测控通信一体化的实时传输交换能力。

（4） 满足在节点损毁状况下的网络自主运行与容灾管理要求，满足承接常态化服务和应急情况下的各类服务质量保障要求。

（5） 满足目标节点高速运动状态下的动态性管理要求，满足各类业务对空间资源的全局最优调度要求，满足电磁兼容约束下对电磁频谱的常态化实时监测和功率自适应调节要求。

6.3  关键技术

涉及到的关键技术包括快速接入、动态组网、星间链路、通用小型化设备、安全认证、网络管理等六个方面。

（1） 快速接入技术

包括快速建链技术、快速接入技术等

（2） 动态组网技术

包括自组网策略、网络协议技术等

（3） 星间链路技术

包括高精度跟踪测量技术、组阵技术、多目标测控技术、链路复用技术等

（4） 通用小型化设备技术

包括标准化、通用化、小型化、低成本的星载、机载天基信息网络星间管控系统模块与芯片技术等

（5） 安全认证技术

包括网络安全技术、入网认证技术等

（6） 网络管理技术

包括高动态性管理技术、资源调度技术、电磁频谱智能监测技术等

7 协议设计

图4 基信息网络星间管控系统协议体系

天基信息网络星间管控系统的组成要素既包含高动态性的低轨卫星节点和过空间飞行器，也包含位置相对固定的高轨卫星节点。因此，协设设计方面采用融合DTN和CCSDS的基于分组转发的分段协议簇。

如图5所示，其中，低轨卫星—二级汇聚节点和二级汇聚节点—高轨卫星之间采用DTN协议簇，高轨卫星-高轨卫星之间采用基于CCSDS的IP协议簇。不同的协议簇既可支持专用链路的管控信息传送，也可支持共用链路的“插入业务”功能。

8 天地关系与演进路线

8.1  天地关系

天基信息网络星间管控系统在功能设计上具备自主运行与容灾管理能力，具备承接常态化服务和应急情况下的各类服务质量保障能力。因此，地面管控中心在设计上主要作为天基信息网络星间管控系统空间管控中心的备份，可通过星地微波/激光链路实现天地互联互通。

天基信息网络星间管控系统空间管控中心与地面段部分互相备份、互为支撑，共同保障星间指控链路的可靠、高效、自主运行，实现对全网状态的实时监控与空间资源的高效调度。天地关系具体如下：

（1） 常态化情况下天地配合运行，互为支撑。管控信息请求与响应功能既可在空间管控中心完成，也可在地面部分实现。

（2） 地面管控中心故障情况下，天基信息网络星间管控系统可在空间管控中心的统一调度指挥下自主运行，并保证与常态化条件下对空间飞行器的100%覆盖与实时响应。

（3） 空间管控中心故障情况下，地面段可以接管天基信息网络星间管控系统，完成全网运行状态监控和资源调度。考虑到地面网络对空间飞行器未能实现100%覆盖，因此管控信息链路通常是断续的并高度依赖各节点重访周期。

8.2  演进路线

l  第一阶段：技术突破。重点突破快速接入、动态组网、星间链路等关键技术，研制标准化、通用化、小型化、低成本的星载模块与芯片，形成天基信息网络星间管控系统通用设备标准规范。通过试验验证快速接入、动态组网、星间测控、网络管理等技术。

l  第二阶段：应用扩展。研制天基信息网络星间管控系统星载装备，部署与扩充天基信息网络星间管控系统规模，具备面向我国在轨航天器和过空间飞行器的综合服务能力，满足各类保障需求。

参考文献

[1] 沈荣骏. 我国天地一体化航天互联网构想.中国工程科学，2006，8(10)：19-30.

[2] 张军. 面向未来的天地一体化网络技术，中国航天报，2009，3.

[3] http: / /www. ucsusa.org/ nuclear_weapons_and_global_security/ solutions/ space-weapons/ ucs-satellite-database.html, 2015/9/1．

[4] 秦鹏，陆洲等. 面向多任务并发驱动的服务定制网络地面系统设计. 中国电子科学研究院学报, 2015, 5, PP 492-496.

[5] 秦鹏，陆洲等. 天地一体化网络体系能力参考模型设计. 中国电子科学研究院学报, 2016, 6, PP 629-635.

[5] 陆洲等. 天地一体化信息网络总体架构设想. 第十二届卫星通信学术年会. 2016, PP 1-11.

[7] 张乃通等. 对建设我国“天地一体化信息网络”的思考. 中国电子科学研究院学报，2015，10(3)：223-230.

[8] Open Networking Foundation, White Paper. Software-Defined Networking:TheNewNorm forNetworks. 4, 2012

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