天地一体化信息网络是国家重要信息基础设施，笔者在分析国外天地一体化信息网络相关系统发展情况的基础上，提出了我国天地一体化信息网络的系统总体设想，并进一步阐述了一体化发展过程中需重点关注和解决的几个问题，可为我国天地一体化信息网络的建设提供参考。
3我国天地一体化信息网络系统设想
相关工作
我国天地一体化信息网络相关的研究和讨论已经持续了10多年，目前已经取得了一系列成果。2006年，沈荣骏院士首先提出了我国天地一体化航天互联网的概念及总体构想;2007年和2012年，中国宇航学会飞行器测控专业委员会先后两次召开学术年会，对航天互联网相关技术进行了专题研讨;2013-2014年，工业和信息化部电子科学技术委员会组织了“天地一体化信息网络体系架构研究”重点课题，从发展战略、总体方案和关键技术等3个方面对天地一体化信息网络开展研究;2013年和2015年，国内先后两次召开了天地一体化信息网络的高峰论坛，对凝聚国内天地一体化信息网络相关研究力量并形成统一的认识发挥了重要作用;2015年，张乃通院士发表了《对建设我国“天地一体化信息网络”的思考》，对天地一体化信息网络的定位、边界作了清晰的说明，并提出了网络基本架构的设想和对建设工作的建议。
在综合国内相关研究工作的基础上，笔者提出了对天地一体化信息网络的理解，并结合我国国情给出了天地一体化信息网络的系统初步设想。
系统方案
天地一体化信息网络是以地面网络为依托、天基网络为拓展，采用统一的技术架构、统一的技术体制、统一的标准规范，由天基信息网、互联网和移动通信网互联互通而成。天基信息网包括天基骨干网、天基接入网、地基节点网三部分。
天基骨干网由布设在地球同步轨道的若干骨干节点联网而成，骨干节点具备宽带接入、数据中继、路由交换、信息存储、处理融合等功能，受卫星平台能力的限制，单颗卫星无法完成上述全部功能，拟采用多颗卫星组成星簇的方式实现多功能综合。1个天基骨干节点由数颗搭载不同功能模块化载荷的卫星组成，包括中继、骨干、宽带、存储、计算等功能模块化卫星，不同卫星之间通过近距离无线通信技术实现组网和信息交互，协同工作完成天基骨干节点的功能。
天基接入网由布设在高轨或低轨的若干接入节点所组成，满足陆、海、空、天等多层次海量用户的各种网络接入服务需求，形成覆盖全球(包括两极地区)、随遇接入、按需服务的接入网络。
地基节点网由多个地面互连的地基骨干节点组成，地基骨干节点由信关站、网络运维管理、信息处理、信息存储及应用服务等功能部分组成，主要完成网络控制、资源管理、协议转换、信息处理、融合共享等功能，通过地面高速骨干网络完成组网，并实现与其他地面系统的互联互通。
天地一体化信息网络系统组成示意图
参考模型
天地一体化信息网络在组成上可分为基础设施、通用业务系统和应用系统3个层次。
天地一体化信息网络参考模型
基础设施层是整个天地一体化信息网络运行的基础支撑环境，主要包括空间设施、地面设施、安全保密设施、管理控制设施等。其中空间段设施由骨干节点卫星、移动通信卫星、宽带通信卫星、中低轨卫星及其他商用卫星组成，地面设施由多个电信港、关口站及相应的地面支撑网络所组成。空间段卫星及地面设施共同构成天基网络的骨干、接入两类网络平台，采用“以网络为中心、面向服务、天网地基”的技术体制，将各类用户聚合成以网络为中心的整体，为天基网络提供即插即用、按需服务、功能重组等能力，提供基础保障;安全保密设施、管理控制设施按功能需求布设在空间和地面，形成天地一体的安全体系和管理体系。
通用业务系统是面向功能领域，依托网络基础设施构建的服务系统，集中体现了天地一体化信息网络面向服务的技术特征。根据服务对象、能力及技术体制的不同，天地一体化信息网络可提供的基础服务主要包括骨干互连、中继传输、宽带接入、移动通信、宽带广播及天基测控等，各类基础服务能力如下。
1)骨干互连：工作频段为Ku、Ka频段及激光，业务速率范围为8～45Mbit/s;155Mit/s，622Mbit/s;2.5Gbit/s，5Gbit/s，10Gbit/s。支持陆基、海基等用户。
2)中继传输：工作频段为Ka频段及激光，业务速率范围为155～622Mbit/s;1.2Gbit/s，5Gbit/s，10Gbit/s。支持天基、空基等用户。
3)宽带接入：工作频段为Ku、Ka频段，业务速率范围为64kbit/s～8Mbit/s。支持空基、陆基、海基等用户，支持基于IP的话音、数据、视频等业务。
4)移动通信：工作频段为L、S频段;业务速率范围为2.4～9.6kbit/s;384kbit/s～1Mbit/s。支持空基、陆基、海基等用户，支持话音、数据、短消息、图像等业务。
5)宽带广播：工作频段为Ku频段，业务速率范围为256kbit/s～100Mbit/s。支持空基、陆基、海基等用户，支持基于IP的数据、视频等业务。
6)天基测控：工作频段为S、Ka频段，业务速率范围为1kbit/s～2Mbit/s。支持天基、空基等用户。
应用系统是基于基础设施和业务功能系统，面向用户任务而构建的共用或专业服务系统。天地一体化信息网络可为应急指挥、抢险救灾、远程教育/医疗、远洋航行、航天/航空遥感等各类应用或任务提供通信保障。
发展路线
由于地面网络的建设已较为完善和成熟，而天基网络还没有形成体系能力，因此依据天基网络的能力将天地一体化信息网络的发展划分为3个阶段。
天地一体化信息网络的发展路线图
(1)天星地网
在近期阶段(2020年前后)，利用现有的通信卫星资源，将地面网络覆盖不到的地区通过卫星实现延伸，实现对我国国土及周边地区的服务覆盖。
(2)天网地网
在中期阶段(2025年前后)，整合、提升天基网络资源，逐步建立统一的天基网络，构建基于高、中、低轨道的天基信息服务体系，提供全球信息保障能力。
(3)天地融合的统一网络
在远期阶段(2030年前后)，提升天基网络的技术水平，消除天地网络能力差距，逐渐将天基网络和地面网络融合成统一的网络，建立一个高可靠、高可用、自主可控的全球信息基础设施。
4需要解决的几个问题
(1)天地网络协调发展
在天地一体化信息网络的建设过程中，天地两个网络的建设规划需要综合考虑、协调发展。受技术水平、政策法规等因素的影响，天基网络的发展要滞后于地面网络，因此需做好天地一体化信息网络的顶层规划，从技术发展、政策支持、资金投入等方面促进天基网络的建设。
(2)系统运营
天地一体化信息网络作为国家的基础信息设施，在系统运营上应采用集中与分级相结合的统一管理机制。一方面，技术上要实现天网和地网资源的融合，具备统一、快捷的资源调度机制，可根据任务保障需求，在天网、地网之间灵活调配资源，协同完成任务保障;另一方面，系统运营不能完全从商业角度考虑，需要兼顾公益性和商业性，尤其要考虑到天基网络的特殊性，需国家政策及资金上的扶持。
(3)开放与安全
在天地一体化信息网络中，天地网络是一体的，这就要求天基网络具有良好的开放性，支持各类服务应用，支持用户无感接入或即插即用;另一方面，天基网络的空间及电磁特殊性，易受到攻击和干扰，而其重要战略地位又要保证其具备高安全性。因此，天地一体化信息网络在设计及建设初期就要将网络及电磁空间安全问题放在首要位置，采用防无线注入的空中接口设计、自主协议增强、可信可控交换路由、分级分布星地密码广域部署等技术措施，有效解决网络开放性与安全性的冲突问题。
(4)军民结合
天地一体化信息网络是一个覆盖全球的信息基础设施，是一个兼顾军民两用的信息网络，在建设中要充分考虑到军民用户不同的信息保障需求，如设置多级别的信息安全保密等级，以满足军用及特殊用户的信息安全要求;为高机动用户设置快捷波束，支持其运动过程中的高速数据传输等。
结束语
当前，我国的信息化建设正处于一个关键的发展时期，面临着三网融合、下一代互联网过渡、4G/5G移动技术发展、赛博空间安全等诸多变革。在此之际，我们应抓住国家经济快速发展、国际地位巩固提升的历史机遇，借助我国航天技术发展的巨大推动作用，促进天基网络的快速发展，尽快建设一个与我国国际地位相符的全球信息基础设施。(来源|国际太空)
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