來源：中國工程院院刊 作者： 徐曉帆，王妮煒，高瓔園，陸洲，汪春霆，陸軍 當前，信息網(wǎng)絡技術(shù)持續(xù)進步，已經(jīng)成為創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的先導力量，對政治、軍事、經(jīng)濟、文化等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響，驅(qū)動著社會體系的變革和重塑。作為支撐社會發(fā)展的重要信息基礎設施，地面信息網(wǎng)絡和天基信息網(wǎng)絡長久以來獨立發(fā)展，局限性日益凸顯，難以滿足全球網(wǎng)絡全域覆蓋、安全自主可控、各類用戶靈活接入的需求。陸海空天一體化信息網(wǎng)絡具有為陸基、海基、空基、天基等各類用戶提供全球隨遇接入、信息安全可靠服務的能力，是我國避免受制于人、實現(xiàn)網(wǎng)絡強國的重要基礎設施之一。
中國工程院陸軍院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第2期撰文，立足于我國一體化信息網(wǎng)絡的發(fā)展，梳理了陸海空天一體化信息網(wǎng)絡的發(fā)展需求，開展了國內(nèi)外典型系統(tǒng)的分析研究，總結(jié)了我國在先進陸海空天一體化信息網(wǎng)絡方面存在的主要問題及差距，重點提出了適合國情的融合網(wǎng)絡架構(gòu)初步設想及相應發(fā)展路線建議。文章認為，在推進陸海空天一體化信息網(wǎng)絡論證設計和工程實施的過程中，應著重強化網(wǎng)絡架構(gòu)、技術(shù)體制、應用服務支撐體系方面的深度融合，兼顧通信、導航、遙感系統(tǒng)的功能融合，推動天基網(wǎng)絡技術(shù)自主可控和高端產(chǎn)業(yè)升級，同步加強相關(guān)系統(tǒng)的安全防護能力建設。
當前，信息網(wǎng)絡技術(shù)持續(xù)進步，已經(jīng)成為創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的先導力量，對政治、軍事、經(jīng)濟、文化等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響，驅(qū)動著社會體系的變革和重塑。作為支撐社會發(fā)展的重要信息基礎設施，地面信息網(wǎng)絡天基信息網(wǎng)絡長久以來獨立發(fā)展，局限性日益凸顯，難以滿足全球網(wǎng)絡全域覆蓋、安全自主可控、各類用戶靈活接入的需求。近年來，信息網(wǎng)絡逐步融合發(fā)展，相關(guān)研究提出了天地一體化信息網(wǎng)絡、基于第六代移動通信技術(shù)（6G）的空天地海一體化無線通信網(wǎng)絡的發(fā)展愿景；陸海空天一體化信息網(wǎng)絡的技術(shù)發(fā)展思路已逐漸清晰。
陸海空天一體化信息網(wǎng)絡是以地面網(wǎng)絡為基礎、以天基網(wǎng)絡為延伸，覆蓋太空、天空、陸地、海洋等自然空間，為天基、空基、陸基、海基等各類用戶的各類活動提供信息保障的信息基礎設施；相關(guān)研制建設不僅反映了一個國家的科技和經(jīng)濟綜合實力，更是推動我國重大領(lǐng)域自主創(chuàng)新發(fā)展、滿足國家戰(zhàn)略需求、提升國家網(wǎng)絡空間競爭力的重要支撐。
陸海空天一體化信息網(wǎng)絡技術(shù)的研究難點在于，利用基于衛(wèi)星平臺的網(wǎng)絡節(jié)點，構(gòu)建覆蓋全球的天基信息網(wǎng)絡，實現(xiàn)陸、海、空、天各層次網(wǎng)絡的高效深度融合。為此，本文分析建設需求，梳理發(fā)展現(xiàn)狀，凝煉存在差距，提出一體化融合網(wǎng)絡架構(gòu)設想及發(fā)展路線建議，以期為網(wǎng)絡強國相關(guān)的重大規(guī)劃制定及工程項目實施提供參考借鑒。
我國信息產(chǎn)業(yè)及其基礎研究發(fā)展迅速，但“地強天弱”“內(nèi)強外弱”等問題仍然存在。當前，天基信息網(wǎng)絡主要服務于我國境內(nèi)地域，境外地面網(wǎng)絡因缺少安全可控條件而無法支撐外交、應急等方面的應用需求，因此建設陸海空天一體化信息網(wǎng)絡，是應對國內(nèi)國際復雜形勢的重要信息基礎保障。在民用領(lǐng)域，陸海空天一體化信息網(wǎng)絡需要滿足電子政務、能源水利、生產(chǎn)制造、海洋經(jīng)濟、交通運輸、證券金融、教育科研、文化旅游、遠程醫(yī)療等行業(yè)應用與公眾應用需求。
隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和綜合實力增強，國家戰(zhàn)略利益顯著外延，需要在外交、應急等方面具備全球活動能力。就信息網(wǎng)絡而言，需要將保障范圍從傳統(tǒng)的國土及周邊地區(qū)向全球擴展，將保障對象從傳統(tǒng)的陸地用戶拓寬至海上、空基、天基等用戶；還需進一步為月球和深空探索提供信息服務能力。
為滿足我國在重點區(qū)域的發(fā)展與戰(zhàn)略部署需求，信息網(wǎng)絡應盡快覆蓋東亞、南亞、“一帶一路”沿線國家/區(qū)域、北極地區(qū)。對于熱點區(qū)域，如南海地區(qū)，需要具備多重覆蓋能力、按需增強保障能力。相較于全球覆蓋的其他區(qū)域，重點和熱點區(qū)域的信息網(wǎng)絡應具食更強的覆蓋能力、更多的服務用戶數(shù)量、更高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬、更好的語音通信質(zhì)量。
陸海空天一體化信息網(wǎng)絡需要保障關(guān)鍵用戶在全球任何位置、任何時刻的通信需求，需要具備空間組網(wǎng)能力以實現(xiàn)全球隨遇接入與境外信息有效回傳；需要具備用戶終端的多網(wǎng)接入能力，支持網(wǎng)絡用戶接入地面互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)服務，支持移動和寬帶服務互通。
地面骨干網(wǎng)絡對境外、偏遠地區(qū)、海域、空域的延展性有限，需要具備空間骨干傳輸能力。目前，我國民用領(lǐng)域的網(wǎng)絡用戶主要來自交通運輸、水利、農(nóng)業(yè)、地方政府、駐外企業(yè)/媒體、大眾商業(yè)等；預計到2025年，公眾用戶約為1×107個，行業(yè)用戶約為3×106個，空間骨干網(wǎng)絡傳輸需求約為300 Gbps；預計到2030年，公眾用戶約為3×107個，行業(yè)用戶約為4×106個，空間骨干網(wǎng)絡傳輸需求約為 1 Tbps。空間骨干傳輸能力與地面骨干網(wǎng)絡同步演進并協(xié)同發(fā)展，才能滿足快速增長的民用需求。
為適應多種場景需求，陸海空天一體化信息網(wǎng)絡需要配置手持、嵌入式、臺式等多樣化的終端。手持終端應支持多種通信制式，具備導航定位、語音通信、信息傳輸功能，可作為災害應急處理場景的主要應用終端。嵌入式終端一般用于提供天基物聯(lián)網(wǎng)服務的海洋浮標、集裝箱監(jiān)控單元等，需具有多制式、小型化、低功耗特征。臺式終端分為固定、車載、艦載、機載等類型，需具有語音通信、數(shù)據(jù)通信、視頻圖像傳輸?shù)裙δ埽蛔鳛榫W(wǎng)絡節(jié)點將地面局域網(wǎng)接入天基網(wǎng)絡，提供遠程數(shù)據(jù)回傳和寬帶多媒體業(yè)務。
三、陸海空天一體化信息網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀
21世紀以來，發(fā)達國家積極布局一體化信息網(wǎng)絡建設規(guī)劃，爭奪網(wǎng)絡制天、制空、制海權(quán)，推進天基網(wǎng)絡與地面互聯(lián)網(wǎng)絡、移動通信網(wǎng)絡融合。目前已經(jīng)形成包括同步軌道和低軌星座在內(nèi)的多個天基網(wǎng)絡（見表1）；不同系統(tǒng)的定位和服務用戶各有側(cè)重，既有民用系統(tǒng)如星鏈（Starlink）、一網(wǎng)（OneWeb），軍用系統(tǒng)如先進極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)（AEHF），也有融合共用系統(tǒng)如第二代銥星系統(tǒng)（Iridium Next）。
表 1 國外代表性天基信息系統(tǒng)
1. 信息傳輸
星間鏈路技術(shù)趨于成熟，容量不斷提升，如Ka頻段鏈路已經(jīng)成熟，激光鏈路進入試驗階段。發(fā)達國家致力于發(fā)展陸海空天一體化的空間信息系統(tǒng)。例如，美國強化星間鏈路和星上路由/交換能力，構(gòu)建基于空間多星組網(wǎng)的太空通信網(wǎng)絡，建設完整的全球信息柵格。基于空間組網(wǎng)的寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)是陸海空天一體化信息網(wǎng)絡發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，對提升寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信容量、覆蓋能力、系統(tǒng)抗毀生存能力具有重要意義。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)逐步向Ka頻段多波束方向發(fā)展，并通過頻率多重復用、極化復用等技術(shù)，提高系統(tǒng)的可用帶寬和容量。
2. 網(wǎng)絡架構(gòu)
廣泛采用的網(wǎng)絡架構(gòu)主要有天星地網(wǎng)、天基網(wǎng)絡、天網(wǎng)地網(wǎng)等類型。天星地網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)比較成熟，應用廣泛，但不適合在我國應用。天基網(wǎng)絡架構(gòu)在安全性、抗毀性、獨立性方面有優(yōu)勢，但因脫離地面獨立運行，提高了對星上處理和星間信息傳輸能力的要求，且技術(shù)復雜程度高、系統(tǒng)建設和維護成本高，難以在商業(yè)層面全面推廣應用。天網(wǎng)地網(wǎng)架構(gòu)通過天、地網(wǎng)絡的配合，充分利用天基網(wǎng)絡的廣域覆蓋能力和地面網(wǎng)絡的強大傳輸與處理能力，降低了整個系統(tǒng)的技術(shù)復雜度和成本。
3. 業(yè)務分類
當前，空間業(yè)務朝著采用IP方式承載方向發(fā)展，單系統(tǒng)呈現(xiàn)出從單業(yè)務的到多業(yè)務發(fā)展趨勢。寬帶全球衛(wèi)星（WGS）、Iridium Next 等系統(tǒng)的演進版本均逐漸支持多樣化接入業(yè)務，構(gòu)建實時通信、空間目標監(jiān)視、導航定位等多種業(yè)務支持能力。天基網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡提供的服務業(yè)務也趨于同步。
我國正處于推進天基信息網(wǎng)、未來互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)全面融合發(fā)展的初級階段。2016年，天地一體化信息網(wǎng)絡重大項目列入國家“十三五”規(guī)劃綱要和《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》；2020年，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)確定為“新型基礎設施建設”的信息基礎設施之一。科研院所和相關(guān)企業(yè)大力發(fā)展低軌小衛(wèi)星星座，如鴻雁星座、虹云工程等，相關(guān)試驗衛(wèi)星已完成在軌關(guān)鍵技術(shù)驗證。在積極發(fā)展天基網(wǎng)絡的同時，我國繼續(xù)發(fā)展新一代高通量通信衛(wèi)星，先后發(fā)射了“實踐十三號”“亞太6D”以及新技術(shù)體制試驗衛(wèi)星“實踐二十號”；高通量通信衛(wèi)星對地覆蓋范圍越來越完善，通信容量越來越大，逐步成為我國地面網(wǎng)絡基礎設施的重要拓展形式。相關(guān)天基信息系統(tǒng)的基本情況如表2所示。
表2 我國代表性天基信息系統(tǒng)
衛(wèi)星容量是衛(wèi)星通信服務質(zhì)量的重要指標，決定了衛(wèi)星服務用戶的數(shù)量和單用戶的通信能力。“亞太 6D”衛(wèi)星容量為 50 Gbps，是“實踐十三號”衛(wèi)星的 2.5 倍，但與美國同類衛(wèi)星相比仍然差距明顯。美國 ViaSat-2 寬帶衛(wèi)星的容量為300 Gbps，是“亞太 6D”衛(wèi)星的 6 倍（體積和重量也是“亞太 6D”衛(wèi)星的數(shù)倍）。美國擬在 2022 年發(fā)射的 ViaSat-3 衛(wèi)星，容量將進一步提升至 1 Tbps。
空間激光通信具有豐富的帶寬資源、較窄的波束發(fā)散、較低的載荷質(zhì)量和功耗，是實現(xiàn)衛(wèi)星節(jié)點間、衛(wèi)星與地面節(jié)點間大容量傳輸?shù)闹匾侄?/strong>。近年來，我國空間激光通信技術(shù)取得長足進展，已實現(xiàn)高軌對地 5 Gbps 通信速率試驗，達到國際一流水平；但在軌工程化應用時，出現(xiàn)鏈路無法連通、放大器燒毀、傳輸速率不達標等諸多問題，尚未達到長時間穩(wěn)定使用狀態(tài)。德國歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（EDRS）衛(wèi)星在 2016 年實現(xiàn)了高低軌間星間激光通信的工程化應用，通信速率為 1.8 Gbps，至今仍正常工作。
（三）衛(wèi)星生產(chǎn)制造和批量部署能力差距明顯
在軌衛(wèi)星數(shù)量是制約陸海空天一體化信息網(wǎng)絡能力的重要因素。美國自 20 世紀 90 年代開始部署運營“銥星”“全球星”等星座，當前正在規(guī)模化建設 Starlink 星座，而我國尚未有大規(guī)模星座的工程建設與運營經(jīng)驗。Starlink 等新興衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目采用互聯(lián)網(wǎng)思維，借鑒汽車制造理念，大幅降低生產(chǎn)成本，提高衛(wèi)星制造能力；衛(wèi)星的周產(chǎn)量可達 16 顆，每顆小衛(wèi)星成本降低至 50 萬美元。反觀我國，通信衛(wèi)星仍采用傳統(tǒng)工程研制模式，即使技術(shù)成熟后也需要兩年的整星研制周期，不具備快速大規(guī)模的部署能力。
我國現(xiàn)有的通信衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星，正在建設的寬帶星座等均獨立發(fā)展，尚未形成統(tǒng)一的標準體系，各系統(tǒng)技術(shù)體制不同，難以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡用戶間的高效通聯(lián)。天基信息網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡發(fā)展不均衡，難以形成“一張網(wǎng)”，陸海空天一體化需要深度融合發(fā)展。對比之下，美國提出以TSAT系統(tǒng)為基礎來融合AEHF和地面柵格網(wǎng)等項目的規(guī)劃；歐洲提出構(gòu)建融合的ISICOM信息基礎設施構(gòu)想并啟動先期工作。2018年，國際電信聯(lián)盟（ITU）成立了網(wǎng)絡2030焦點組，將衛(wèi)星接入作為未來網(wǎng)絡的特征之一；2019年，電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）召開第一屆全球6G無線峰會，促使空天地一體化立體網(wǎng)絡覆蓋成為學術(shù)與工程界的普遍共識。
五、陸海空天一體化信息網(wǎng)絡的基礎架構(gòu)
我國迫切需要構(gòu)建“全球覆蓋、安全可控”的信息網(wǎng)絡，然而限于基本國情，無法采用天星地網(wǎng)架構(gòu)，通過全球建站的方式實現(xiàn)信息落地與交互。因此，陸海空天一體化信息網(wǎng)絡宜采用天網(wǎng)地網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，主要包括核心層、接入層、用戶側(cè)（見圖 1）。
圖1 陸海空天一體化信息網(wǎng)絡的物理架構(gòu)圖
陸海空天一體化信息網(wǎng)絡核心層采用天地雙骨干架構(gòu)。
地基部分由傳統(tǒng)地面核心網(wǎng)（如地面光纖網(wǎng)、海底光纜網(wǎng)等）和衛(wèi)星地面站網(wǎng)組成，即地基衛(wèi)星地面網(wǎng)和傳統(tǒng)核心網(wǎng)融合骨干網(wǎng)（簡稱“地骨干”），是整個網(wǎng)絡的核心部分，主要實現(xiàn)網(wǎng)絡控制、資源管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、信息處理、融合共享等功能，負責整個網(wǎng)絡的管理控制和運行。
天基部分指由高軌星座、中軌星座和低軌星座組成的天基高中低軌混合骨干網(wǎng)（簡稱“天骨干”），具備一定的接入控制、用戶管理、信息處理及業(yè)務承載能力，提供寬帶接入、骨干互聯(lián)、中繼傳輸、天基測管控等多種業(yè)務，也可拓展提供導航增強、星基監(jiān)視等業(yè)務。
陸海空天一體化信息網(wǎng)絡的網(wǎng)絡空間范圍極大，涵蓋海底、海面、陸地、空中、近地空間、地球空間、地月空間、深空，相應用戶種類多樣。采用天地雙骨干構(gòu)建核心層，建設“天地一張網(wǎng)”，發(fā)揮天地網(wǎng)絡的互補優(yōu)勢，形成網(wǎng)絡架構(gòu)一體設計、頻率資源協(xié)調(diào)使用、業(yè)務應用無縫融合、用戶服務協(xié)同保障的一體化信息網(wǎng)絡核心層，有效提升用戶接入能力和異構(gòu)網(wǎng)絡融合能力，優(yōu)化系統(tǒng)服務效能。
陸海空天一體化信息網(wǎng)絡接入層是核心層的拓展，負責用戶的接入，包括地月空間延展網(wǎng)、天基無線專用網(wǎng)、空基無線專用網(wǎng)、海基無線專用網(wǎng)、地面局域網(wǎng)、移動通信接入網(wǎng)。
①地月空間延展網(wǎng)是為提供地月空間信息服務而進行的拓展延伸，構(gòu)建全天時、大尺度、寬帶高速的地月空間通信網(wǎng)絡，提供全天時不間斷通信保障，實現(xiàn)地月間信息的高效可靠交互；
②天基無線專用網(wǎng)由多顆衛(wèi)星或星座組網(wǎng)構(gòu)成，作為核心層的用戶網(wǎng)絡來承接其他各類用戶的接入；
③空基無線專用網(wǎng)通常由飛機、臨近空間飛艇、無人機等組網(wǎng)構(gòu)成，作為核心層的用戶網(wǎng)絡來承接其他各類用戶的接入；
④海基無線專用網(wǎng)通常由各類水面艦艇、水上浮臺等組網(wǎng)構(gòu)成，作為核心層的用戶網(wǎng)絡來承接其他各類用戶的接入；
⑤地面局域網(wǎng)與地骨干中的傳統(tǒng)地面核心網(wǎng)、地面用戶結(jié)合，即當前所使用的地面互聯(lián)網(wǎng)；
⑥移動通信接入網(wǎng)與地骨干中的傳統(tǒng)地面核心網(wǎng)、地面用戶結(jié)合，即當前所使用的地面移動網(wǎng)。
陸海空天一體化信息網(wǎng)絡的天地雙骨干架構(gòu)、地月空間延展網(wǎng)等各類接入層網(wǎng)絡，主要面向政府、軍隊、企業(yè)等領(lǐng)域開展應用，按照“網(wǎng)絡拓展、服務延伸”思路，將傳輸組網(wǎng)、應用服務、安全防護、運維管控等功能向用戶端延伸并與用戶應用集成，形成滿足地面、海基、空基、天基等不同用戶需求的應用系統(tǒng)。
（一）強化網(wǎng)絡架構(gòu)、技術(shù)體制、應用服務支撐體系的深度融合
①在網(wǎng)絡架構(gòu)融合方面，建議打破傳統(tǒng)衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡各自封閉發(fā)展的局面，從邏輯功能、功能部署、協(xié)同服務3個維度設計一體化多維融合的共用網(wǎng)絡，使網(wǎng)絡系統(tǒng)組件趨于通用化、接口趨于標準化、運營趨于集中化。
②在技術(shù)體制融合方面，建議采用統(tǒng)一的核心網(wǎng)支持天基互聯(lián)網(wǎng)、地面移動通信網(wǎng)的共管共享機制，借鑒5G接入網(wǎng)架構(gòu)設計，按照軟件定義、高低軌統(tǒng)一的思路來設計可變參數(shù)集的一體化空口接入技術(shù)體制。
③在應用服務支撐體系融合方面，建議采用云網(wǎng)融合的設計思路，部署天基信息港、輕量化天基邊緣計算平臺，實現(xiàn)在軌云邊協(xié)同處理；與地面信息港融合，為各垂直行業(yè)及融合應用提供能力開放、扁平高效、廣域時敏的應用服務支撐平臺。
（二）推進通信、導航、遙感等系統(tǒng)融合，建立綜合化服務的空間信息網(wǎng)絡
多種空間服務能力的融合應用，有助于提升對全球突發(fā)事件應急處置能力，促進天基信息商業(yè)化服務產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這是支撐我國實現(xiàn)制信息權(quán)的基礎。建議以“一星多用、多星組網(wǎng)、多網(wǎng)融合、實時服務”為目標，通過跨系列、跨星座衛(wèi)星的組網(wǎng)及與地面網(wǎng)絡深度融合的方式，基于科學合理、按需服務的任務規(guī)劃及多中心協(xié)同服務的模式，提供多類型、高質(zhì)量、穩(wěn)定可靠、規(guī)模化的空間數(shù)據(jù)、通信、導航、遙感等綜合服務，支撐各行業(yè)的綜合應用。
（三）推動天基網(wǎng)絡技術(shù)自主可控和高端產(chǎn)業(yè)升級
陸海空天一體化信息網(wǎng)絡是我國避免受制于人，實現(xiàn)網(wǎng)絡強國的重要基礎設施之一，應確保其設計、研制、建設、運營過程的自主可控。建議合理保持對天基交通信息管理、感知網(wǎng)絡、空間通信等領(lǐng)域標準體系自主研發(fā)、基礎器部件研制與產(chǎn)業(yè)化的投入，盡快改變標準靠國外、技術(shù)靠引進、產(chǎn)業(yè)受制約的現(xiàn)狀；提高相關(guān)應用領(lǐng)域的國產(chǎn)化替代水平，通過產(chǎn)品替代升級拉動內(nèi)需，促進國民經(jīng)濟的循環(huán)發(fā)展。
陸海空天一體化信息網(wǎng)絡具有節(jié)點暴露、信道開放、異構(gòu)網(wǎng)絡互連、拓撲高度動態(tài)變化、星上處理能力受限等特點，加之與互聯(lián)網(wǎng)進行融合，易受外部網(wǎng)絡攻擊，特別在測控鏈路、星地組網(wǎng)、應用服務系統(tǒng)、信息監(jiān)管方面存在安全隱患。建議按照“體系彈性、安全內(nèi)生、動態(tài)賦能”的思路，強化通信與安全防護一體化融合設計；采用新型抗干擾波形、頻譜認知無線電、組網(wǎng)認證與接入鑒權(quán)、多安全等級的差異化網(wǎng)絡安全互聯(lián)與隔離、安全防護設備動態(tài)重構(gòu)等技術(shù)，確保融合網(wǎng)絡的安全可靠。
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