专家论坛 式：黄惠明，寇保华．以中继卫星系统为骨干的空间传输网络体系［Ｊ］．飞行器测控学报，２０１５，３４（５）：３９５一 ｕａｎｇ Ｈｕｉｍｉｎｇ，Ｋｏｕ Ｂａｏｈｕａ．Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｕｓｉｎｇ ＴＤＲＳＳ ａｓ ｉｔｓ ｂａｃｋｂｏｎｅ ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ ＴＴ＆Ｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１５，３４（５）：３９５—４０１． 黄惠明 １９６４年生，博士，研究员，现任北京空间信息中继传输技术研 究中心主任。主要研究领域包括中继卫星系统建设与应用、航天测控等，是 航天测控和空间信息网络领域专家。 以中继卫星系统为骨干的空间传输网络体系 黄惠明，寇保华 （北京空间信息中继传输技术研究中心・北京・１０００９４） 笥 要：空间传输网络作为重要的空间基础设施，其作用得到了国际学术界、产业界和各国政府的高度重视， 成为全球范围的研究热点。针对空间信息传输需求特点和空间传输网络的典型特征，提出了以中继卫星系统 骨干构建我国空间传输网络的设想，设计了“骨干＋区域接入”的双层体系架构，“管理＋数传”的骨干网络 网功能结构．梳理了空间传输骨干网络需要重点研究的理论问题和关键技术。 ∈键词：中继卫星系统；空间传输网络；双层体系架构； 双网功能结构 ｐ图分类号：Ｖｌｌ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—５６２０（２０１５）０５—０３９５—０７ １０Ｉ：ｌ０．７６４２／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—５６２０．２０１５—０５—０３９５—０７ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｓｉｎｇ ＴＤＲＳＳ ａｓ Ｉｔｓ Ｂａｃｋｂｏｎｅ ＨＵＡＮＧ Ｈｕｉｍｉｎｇ，ＫＯＵ Ｂａｏｈｕａ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｓｐａｃｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｒｅｌａｙ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９４） Ｌｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｒｏｌｅ ｏｆ Ｓ１ＴＮ（Ｓｐａｃｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ）ａｓ ａ ｔｙｐｅ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｅｃｅｉｖｅｄ ｈｉｇｈ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ａｃａｄｅｍｉｃ ｃｉｒｃｌｅｓ，ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ａｎｄ ｎａｔｉｏｎａｌ ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔｓ，ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｏｔ ａｒｅａ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｙｐｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ＳＩＴＮ，ａ ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｆｏｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｉｎａ’Ｓ ＳＩＴＮ ｕｓｉｎｇ ＴＤＲＳＳ（Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ）ａｔａ Ｒｅｌａｙ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）ａｓ ｉｔｓ ｂａｃｋｂｏｎｅ．Ａ ｔＷＯ—ｔｉｅｒ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｂａｃｋｂｏｎｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ａｃｃｅｓｓ ｎｅｔ— ｕｔｒｋ ａｎｄ ａ ｄｕａｌ—ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｒｅ ｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｉｓｓｕｅｓ ａｎｄ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ＳＩＴＮ ｃａｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． ［ｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｄａｔａ Ｒｅｌａｙ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ（ＴＤＲＳＳ）；Ｓｐａｃｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ＮｅｔＷｏｒｋ ＳＩＴＮ）；ｔｗｏ—ｔｉｅｒ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ；ｄｕａｌ－ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ 收稿Ｆｔ期：２０１５－０４—２１；修回日期：２０１５ ０５—２９；网络出版时间：２０１５—１０—２１ １４：４５：３１ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．４２３０．ＴＶ．２０１５１０２１．１４４５．０１６．ｈｔｍｌ ３９６ 飞行器测控学报 第３４卷 ０ 引 言 近年来，我国空间技术和装备建设发展迅速， 整体水平大幅跃升，空间应用成效显著，在各领 域建设和发展中均发挥了重要作用。随着我国综 合国力的不断增强，经济发展和全面建设对空间 信息系统的能力提出了更高要求；而现有系统因 覆盖范围不够、系统容量不足、系统间互通性较 差，以及运行管理效率较低等问题，已成为制约 空间信息系统应用效能发挥的瓶颈。 空间信息系统网络化是解决上述问题的有效 途径，也是空间信息系统未来发展的主要方向。 美国的空间信息网络发展起步较早，其中，以空 间通信与导航网络（ＳＣａＮ）和转型通信体系 （ＴＣＡ）最为典型，国内也先后提出了“天地一体 化航天互联网” “空间综合信息网”等概念 引。 ２０１３年，国家自然科学基金委员会从国家重大需 求出发，面向国际空间信息科学发展前沿，启动 了“空间信息网络基础理论与关键技术”重大研 究计划，旨在针对空间信息网络时空特性带来的 新问题，突破传统理论局限和关键技术，为推动 我国空间信息网络发展提供理论和技术支撑Ｉ７］。 作为信息系统的重要组成要素，信息传输是衔接 信息获取和信息处理应用的关键环节，也是制约 信息系统整体效能发挥的重要因素。因此，根据 空间信息传输需求，将不同类型空间信息传输平 台和地面设施互连，形成一个结构合理、功能完 备、运行自主和传输高效的天地一体化空间传输 网络系统，是空间信息网络高效运转的基础，也 是提升信息系统整体应用能力的重要保障。中继 卫星系统作为我国空天信息传输的重大基础设施， 具有高覆盖、大带宽以及承载业务多样等特点 ｊ， 应用领域基本涵盖了空间信息传输的服务对象与 业务，以中继卫星系统为骨干构建空间传输网络， 满足空间信息网络基本特征，也是符合我国国情 的理想选择。 １ 空间信息传输需求分析 随着空间信息传输平台能力的不断提升，用 户对空间信息传输的使用需求也迅速增长。综合 来看，空间信息传输需求主要有以下六个方面的 特点： １）用户量大。利用空间系统进行信息传输的 用户涉及陆、海、空、天各个领域，包括空间站、 运输飞船、高／中／低轨信息获取类卫星等航天器 目标，以及临近空间飞行器、运载火箭、飞机、 舰船和地面目标等非航天器目标。空间信息传输 系统用户数量目前已达数百个，并且呈快速发展 趋势。 ２）覆盖域广。根据用户目标的空间分布和业 务需求，需要空间信息传输系统具备全球覆盖的 信息传输保障能力。其中，航天器目标的日常测 控和高速数据传输，特别是应急事件快速响应， 需要空间信息传输系统能够实现１００ 的轨道 覆盖。 ３）业务多样。空间信息传输系统承载多类型 的综合信息传输业务。从业务类型来看，涵盖图 像、视频、话音、邮件、数据、报文、邮件、遥 测、遥控等各个方面；从传输速率来看，最低传 输速率仅为ｂｉｔ／ｓ量级，最高传输速率可达Ｇｂｉｔ／ｓ 量级；从传输两端接入用户的数量来看，包括单 对单、单对多，以及多对多等传输方式；从用户 业务对空间链路的要求来看，需要Ｓ、Ｘ、Ｋｕ、 Ｋａ等不同频段的微波链路及激光链路，承载不同 业务类型的信息传输。 ４）接人便捷。空间信息传输系统是一个资源 受限、强时变的动态系统，一方面需要根据用户 需求对系统资源进行动态管理；另一方面，部分 空间传输平台和用户目标本身具有高动态的运动 特性。这使得部分用户目标与空间信息传输系统 间没有常通的传输链路，因此，用户接入方式是 否便捷就成为了制约空间信息传输系统效能发挥 的重要因素。 ５）传输高效。高效是信息传输的基本要求， 也是空间信息传输系统能力的根本体现。对于承 载了多类型业务的空间信息传输系统，需要优化 系统结构和传输模式，建立有效的信息传输协议 体系，以克服跨系统、长延时对传输效率带来的 不利影响，实现用户信息端到端的高效传输。 ６）安全可靠。作为国家重大基础设施，空间 信息传输系统安全可靠运行是确保系统高效应用 的基本保障。由于空间信息传输系统是一个开放 式系统，特别是用户接入的空间段容易受到干扰 和攻击，因此，系统需要具备抗干扰、辨欺骗和 防截获等方面的安全防护能力，以及容灾抗毁方 面的备份手段，以实现全天时、全天候及复杂条 第５期 黄惠明，等：以中继卫星系统为骨干的空间传输网络体系 ３９９ 物理结构组成包括用户目标、中继卫星ＳＭＡ系 统、地面站、运管中心、用户测控中心以及连接 各部分的链路（如图３所示）。 图３ 管理网组成结构示意图 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋ （２）数传网 数传网基于管理网确定的网络拓扑结构，建 立用于用户业务数据传输的网络物理链路，完成 用户高实时性业务数据端到端的快速传输，以及 非实时业务数据的处理、产品生成，并提供业务 数据和产品信息的共享服务。数传网物理结构组 成包括用户目标、中继卫星单址波束（用于支持 用户业务数据传输的Ｓ／Ｋａ单址波束、激光波束 等）、地面站、数据中心和用户应用中心以及连接 各部分的链路（如图４所示）。 管理网和数传网从功能要求和承载业务来看， 显现出截然相反的特点。管理网的特点是集中式 管理，基于中继卫星系统的空间传输骨干网络是 一个资源受限、强时变的动态网络，需要能够统 筹所有用户需求进行资源分配，并根据用户应急 需求对网络拓扑进行快速调整；这就要求管理网 能对骨干网和与之直接相连的用户、区域接入层 传输平台进行统一管理，确保网络高效运行。数 传网的特点是分布式运行，根据不同的业务数据 传输需求形成功能分布的传输网络，可形成灵活 多样的数据传输模式，以最大限度地提高数据传 输效率；同时，分布式网络也能提高整个网络的 可靠性和抗毁性。因此，要实现空间传输骨干网 络的高效运行与管理，需要尽可能实现管理网和 图４数传网组成结构示意图 Ｆｉｇ．４ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ 数传网的功能解耦。 ４需要研究的主要问题 建设基于中继卫星系统的空间传输骨干网络， 需要在中继卫星系统组网方法、管理网与数传网 运行模式和关键技术等方面开展深入研究。 ４．１ 中继卫星系统组网方法 基于中继卫星系统构建空间传输骨干网络， 需要重点研究实现全球覆盖的中继卫星系统构型 和组网方法，包括：中继卫星的空间分布，不同 轨位中继卫星的载荷配置及星间互连组网构型， 国土范围内地面站不可见中继卫星的运行管理， 管理网与数传网功能解耦，以及地面系统运管中 心、数据中心和地面站的组网方法等。 ４．２管理网关键技术 要充分发挥中继卫星系统作为空间传输骨干 网络的应用效能，管理网需要具备系统资源按需 统筹和用户随遇接入支持能力。 （１）中继卫星系统资源管理 中继卫星系统资源按需统筹需要具备两方面 能力：一是能够针对用户常态化应用需求对中继 卫星用于业务数传的波束资源进行统筹，充分利 用用户需求的弹性，使得资源使用达到整体最优； 二要能够根据用户临时／应急需求进行资源快速调 整，在满足应急任务使用需求的同时，最大限度 减小对其他用户的影响。 ／ ４００ 飞行器测控学报 第３４卷 （２）中继卫星ＳＭＡ系统支持用户目标随遇 接人 问题。本文提出了以中继卫星系统为骨干构建我 国空间传输网络的设想，对骨干网络的系统组成 和功能结构进行了初步设计，梳理了需要重点解 决的关键技术，为进一步深入研究基于中继卫星 要实现骨干网用户随遇接人的目标，管理网 需要提供能够实时获取用户使用需求、状态信息 的常通物理链路，并能够根据资源分配结果快速 系统的空间传输网络奠定了基础，也为加快发展 具有我国特色的空间传输网络提供了技术参考。 完成计划信息和用户状态调整控制信息的传递。 国土范围内的地面用户可以通过常通的地面网络 接人运管中心；因此，需要利用中继卫星ＳＭＡ系 统建立用户目标通过空间接人的常通链路，重点 解决ＳＭＡ系统全景波束构型、支持多用户同时接 人的协议体系等关键问题。 ４．３数传网关键技术 要实现用户业务数据在空间传输骨干网络中 的高效传输，需要确保用户目标与中继卫星问空 间链路的最优利用，并采用天地一体化数据传输 协议和分布式数据管理技术，满足多样性用户业 务数据的传输需求。 （１）空间链路状态认知及自适应控制技术 提高基于中继卫星系统的骨干网络数据传输 能力，需要实现系统有限信道资源的最大化利用， 即能够自动感知用户接人数量、信道传输质量等 影响空间链路数据传输状态的相关因素，完成空 问传输信号频点、发送功率、编码调制方式和数 据传输速率的自适应控制。 （２）天地一体化数据实时传输协议 天地一体化数据传输协议主要研究利用天地 互联网络进行端到端数据实时传输的协议体系， 重点研究网络空间段和地面段的传输协议、天地 协议转换 ，以及用户目标在多颗中继卫星间 切换的移动性管理ｌ】ｊ＿等方面的基础理论和关键 技术。 （３）分布式数据中心用户数据管理与共享 基于云技术 幻实现分布式数据中心、地面站 用户数据的高效可靠管理，同时可为用户中心提 供目录检索、数据／产品下载等多种类型的信息共 享服务。 ５ 小 结 空间传输网络是一个大规模、强时变、支持 异构互联和多种业务的复杂网络，网络体系架构 设计、网络管理和数据传输模式、天地一体化数 据传输协议体系等方面涉及的基础理论和关键技 术众多，ｌ±Ｌ是建设我国空间传输网络亟待解决的 第５期 黄惠明，等：以中继卫星系统为骨干的空间传输网络体系 ４０１ ｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ＩＰ ｏｖｅｒ ＡＯＳ ｇａｔｅｗａｙ Ｌｉｕ Ｚｈｅｎｇｗｅｉ，Ｗｅｎ Ｚｈｏｎｇｌｉｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｈａｉｔａｏ．Ｃｌｏｕｄ ｃｏｍｐｕ— ［Ｃ］／／２０１４ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｗｅｉｈａｉ，２０１４：８２－８６． ｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｌｏｕｄ ｄａｔａ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ３．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，２０１２，４９（Ｓ１）：２６— ３１（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． ［１２］刘正伟，文中领，张海涛．云计算和云数据管理技术ＬＪ］． 计算机研究与发展，２０１２，４９（Ｓ１）：２６—３１． （本文编辑：李平）