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我国天地一体化综合信息网络构想(上)

时间:2016年03月21日 信息来源:卫星应用 点击: 【字体:



 天基信息网络也叫天基信息系统,它是彼此独立或相关的卫星通信系统、卫星遥感系统、卫星导航系统、载人航天系统、空间物理探测系统、空间天文观测系统、月球和行星深空探测系统以及多种功能的临近空间飞行器系统等各种空间信息系统总称。

 天基信息网络中卫星通信系统、卫星遥感系统和卫星导航系统统称为卫星应用系统。天地一体化信息网络通常就是指这三大应用系统形成的网络。

 天地一体化信息网络的天地一体化含义通常有两种:一种是单个天基网(如卫星通信网)与地基网(如地面通信网)通过信息或业务融合、设备综合或网络互联互通方式构成的天地一体化信息网络;另一种是单个天基网(如卫星通信网)自身的空间段(如通信卫星)与地面段(如各种通信地球站组成的应用系统)通过星地链路构成的天地一体化信息网络。我们可称前者为大天地一体化信息网络;后者为小天地一体化信息网络。

 天地一体化信息网络的信息网络含义通常也有两种:一种是广义天地一体化信息网络,它至少包含通信、遥感、导航三大天地一体化信息网络中任意二种,且其间有一定程度综合或融合;另一种是窄义天地一体化信息网络,它只是通信、遥感、导航三大天地一体化信息网络中任一种信息网络。

 本文提出构造的我国天地一体化综合信息网络其一体化包含了大天地一体化和小天地一体化,其信息网络包含了广义信息网络和窄义信息网络。具体地讲其纵向网络包含了通信、遥感、导航三大网络各自的大天地一体化和小天地一体化,其横向网络包含了通信、遥感、导航三大网络空间段的综合和用户段的综合,因此,称为天地一体化综合信息网络或天地一体化综合信息网。


一、我国天地一体化综合信息网络设计思想


 1.设计目标


 本文提出的我国天地一体化综合信息网络是构造一个由我国自主管控的全球覆盖的天地一体化综合信息网络。此网络要实现如下目标:

 1)天地一体化通信信息网络实现目标:任何人(Anyone)在任何时间(Anytime)任何地点(Anywhere)可与任何人(Anyone)进行任何业务(Anything)通信。

 2)天地一体化遥感信息网络实现目标:任何人(Anyone)在任何时间(Anytime)任何地点(Anywhere)可及时获取何时(When)何地(Where)何种目标(What object)发生何种变化(What change)的信息。

 3)天地一体化导航信息网络实现目标:任何人(Anyone)在任何时间(Anytime)任何地点(Anywhere)可获取自己和相关人所在地点(Where)和时间(When)信息。

 4)天地一体化通信、遥感、导航综合信息网络实现总目标:任何人在任何时间任何地点:①可与任何人进行任何业务通信;②可及时获取何时何地何种目标发生何种变化的信息;③可获取自己和相关人所在地点和时间信息。


 2.设计思路


 依据上述设计目标其设计思路如下:

 1)采用GEO和NGEO组成的通信卫星星座、遥感卫星星座和导航卫星星座,实施全球全时覆盖空间层各种航天器、临近空间层各种飞行器、地面层各种用户终端和相关地面设施,通过星间链路、星地链路和地面线路组成天基信息网络,并与以互联网为代表的各种地面信息网组成的地基信息网络通过信息或业务融合、设备综合和网络互联互通等多种方式组成一个全球覆盖天地一体化综合信息网络。

 2)在国外不设地球站的情况下可实现:国内测控站实时测控网内全球运行的各种飞行器;国内遥感站实时接收网内全球运行的各种遥感卫星发送的信息;国内关口站直接管理网内在全球活动的各种用户终端之间的通信。

 3)充分利用国内外现有和正在研发的与本项目相关的各种科技研究成果,特别是近年来,国内相关院校和企事业单位进行广泛研究所取得成果。此外,应尽可能与我国各种规划中建设的相关项目进行互动、衔接和融合。

 4)先简后繁,循序渐进,分步实施。先地面仿真试验,后天上运行试验,逐步过渡到应用。系统要有可扩展性,后续系统要与前系统兼容。

 

 3.设计准则


 依据上述设计目标和设计思路,我国天地一体化综合信息网络的设计准则如下:

 1)全球化:即服务区实现全球全时全气候覆盖地面层(含海、陆、空)各种用户地球站(用户终端)、临近空间层各种用户飞行器、空间层各种用户航天器三层用户。

 2)网络化:各种飞行器和各种地球站主要依靠星间链路、星地链路和国内地面线路组成天基综合信息网络。

 3)智能化:为应对庞大和复杂的天基网络,全网运行和管理必须具备高度的自主运行和管理能力。

 4)标准化:统一的标准和规范是天地一体化综合信息网络各系统实现互联互通和资源共享的前提和条件。


二、我国天地一体化卫星通信网络


 1.天地一体化全球覆盖卫星通信网络类型


 (1)天地一体化“天星地网”式网络

 当前,国外全球覆盖的天地一体化卫星通信网络主要是采用“天星地网”的方式来构造,各种卫星之间的互联互通主要在地面网络完成。如静止轨道的国际通信卫星(Intelsat)和国际海事卫星(Inmarsat)通信网络,低轨道的美国的全球星(Globalstar)卫星通信网络和轨道通信(ORBCOMM)卫星通信网络。


 (2)天地一体化“天网地站”式网络

 国外全球覆盖的天地一体化卫星通信网络中,也有采用“天网地站”式网络。在这种网络中,每颗卫星都是一个具有星上处理能力的网络交换器或者路由器,且存在星间链路。此星间链路具备网络路由能力,空间段在星间链路的协助下具备网络层功能。这种网络特点是不需要在本地关口站或者地面网络支持下,通过星间链路可实现不同卫星覆盖区各个用户终端之间通信。这种系统如美国的静止轨道的军事星(Milstar)通信系统和低轨道的铱(Iridium)卫星通信系统。


 2.空间段


 实现任何人在任何时间任何地点可与任何人进行任何业务通信设计目标的空间段方案有多种。本方案釆用“天网地站”一体化方案,且天网由双层网络组成。它分别由静止轨道(GEO)通信卫星星座(包括3~4颗等间隔分布的卫星)和低轨道(LEO)通信卫星星座(包括数十颗卫星)组成。两层不同高度的星座共同组成一个立体交叉、优势互补、互联互通的双层星座网络,见图1(图中未画星间链路)。图中为了便于讨论,假设低轨道星座采用极地圆轨道星座。在此网络中,GE0卫星既作为骨干网网络交换节点,也作为用户接入点;LEO卫星主要作为具有交换功能的用户接入点。骨干网卫星对接入网卫星承担系统的路由并实施动态管理。这种星座优点可利用国内测控和管理站通过GE0卫星全球全时监控和管理LEO卫星星座所有卫星,无需国外设站。


图1 GEO/LEO双层星座网络示意图


 (1)静止轨道星座

 静止轨道卫星星座由沿地球赤道上空等间距分布的3~4颗静止轨道卫星组成,卫星间设有星间链路。该星座作全球覆盖低轨通信卫星星座的骨干网,兼作空间段用户航天器、临近空间飞行器和地面层海陆空用户终端接入网。在地面段相应设施配合下该星座承担如下任务:

 1)作全球覆盖的跟踪与数据中继卫星星座,对全球中低轨道航天器和临近空间飞行器进行跟踪、测控,并提供数据传输、处理和分发服务。

 2)作全球覆盖的宽带多媒体卫星星座,对全球特定地区(常态覆盖)和突发事件地区(机动覆盖)提供宽带多媒体通信业务。

 3)作全球覆盖的应急通信等相关信息广播系统。

 4)作全球导航卫星增强系统的天基传输系统星座,承担我国北斗卫星导航增强系统生成的完好信息和误差修正信息向全球传输和分发任务。

 5)通过星间链路对低轨通信卫星星座实施通信业务管理。

 6)视需要还可考虑通过星间链路对低轨通信卫星星座进行测控服务。

 由上述众多业务可以看出,此星座卫星将起天基信息港(空间信息港)作用。为实施上述众多业务,如单颗静止轨道大平台难以承載多用途有效載荷,可分装于2颗或多颗卫星(组成卫星簇)上,并在同一轨道位置运行。


 (2)低轨道星座

 为了便于讨论,假设本天地一体化信息网的低轨道星座类似于极地圆轨道铱星星座,各卫星之间设有星间链路,覆盖全球(含南北两极)。在国内地球站管理下,地球上任意两地用户终端可不通过国外地面关口站和地面网络中转直接通过星间链路进行通信。此低轨星座承担移动宽带多媒体业务的双向传输,并与地面移动通信3G、4G或5G业务融合。低轨星座按一定的方法将星座分组,每个组按一定的选取法从其中选取一颗卫星为组长,它既管理组内卫星,又与静止轨道卫星联系接受其管理。


 3.用户段


 用户段包括空间 用户和地面用户。

 

 (1)空间用户

 空间层用户航天器:至少有下述四类空间层航天器可作为本天地一体化通信网络的用户航天器。

 1)凡是轨道位置在我国内地球站视距以外需测控监视的静止轨道航天器;

 2)凡是飞行在我国内地球站视距以外有数据实时传输要求的非静止轨道航天器;

 3)凡是飞行在我国内地球站视距以外需全时监视的各种轨道航天器;

 4)凡是飞行在我国内地球站视距以外有事件应急处理要求的各种轨道航天器。

 这些用户航天器包括不同轨道和用途的单星、星座和编队飞行的小卫星子网,以及臷人飞船、空间站等有人航天器。

 临近空间层用户飞行器:凡是空间位置在我国内地球站视距以外需测控、数据传输、全时监视和事件应急处理任一种要求的各种临近空间飞行器都是本天地一体化通信网络的用户飞行器。


 (2)地面用户

 各种用户站(亦称用户终端)有机載终端、船載终端、车載终端、手持终端、便携终端和固定终端等多种。还有供物联网用的数据采集终端,有微小终端、固定终端、移动终端、手持终端、拋撒终端等。


三、我国天地一体化卫星遥感网络


 1. 对天地一体化智能卫星遥感要求


 天地一体化卫星遥感网络设计目标是任何人在任何时间任何地点可及时获取何时何地何种目标发生何种变化的信息。实现这一目标的卫星遥感网络空间段是智能化遥感卫星(Intelligent Earth Observing Satellites,IEOS)星座,由此星座与相应地面应用系统组成天地一体化智能卫星遥感网络。近年来它是天地一体化遥感网络研究的热点。


 (1)功能要求

 为实现天地一体化遥感网络设计目标,对智能化卫星遥感网络要求如下:信源多样化,应包含可见光、红外、高光谱和微波等多种信源;遥感信息的获取实现全球化、全时化、实时化;遥感信息加工与处理实现自动化、定量化、实时化;遥感信息管理和分发网格化;遥感信息服务灵性化和大众化;信息服务(在导航、通信支持下)终端多样化,应包括地面、空中和太空中多种终端,其中地面包括车载、船载等移动终端,还包括手机、掌上宝、便携机、台式机、电视机等个人和家用终端。


 (2)产品要求

 不同应用领域的用户对遥感信息有不同需求,但目前提供给用户的数据产品都为单纯的影像数据,不能满足不同用户需求。

 按时效性分,可以将遥感的用户分为实时用户、准实时用户和离线用户。实时用户最关注数据的实效性,如在军事应用中,需要每半小时对战场现状和打击效果作出估价;在台风监测中,需要每小时对其预测路径做出修正。准实时用户,如各类灾害应急系统,需要在尽可能短的时间内了解灾害的范围、影响大小;如精细农业应用,每间隔1~3 天农民需要获知作物的长势,病虫害情况。离线用户,如土地利用/土地覆盖变化,地图测绘等用户只需获取各个季度、年份的影像即可满足需求。

 按用户的专业性分,可以分为专业用户和非专业用户。专业用户一般有专业知识,可以利用专业知识对影像产品自己进行后续的处理,获得所需的信息,如地质找矿、地图制图等。非专业用户一般缺少遥感专业知识,他们所感兴趣并非影像本身,而是通过影像获得有关信息,如环境保护部门可以直接获取河流的污染、空气质量等情况。

 从以上对遥感用户的分类可以看出,越来越多的遥感用户需要的不再是单纯的遥感影像,而是基于影像的增值数据产品;并要求将产品直接分发给不同类型的用户,以使各类用户在终端像选择电视节目一样通过简单的操作获取所需的数据。


 2.天地一体化智能卫星遥感网络


 天地一体化智能卫星遥感网络体系架构如图2所示。图中高轨卫星即是本文的静止卫星。


图2 天地一体化智能卫星遥感网络体系架构


 智能化遥感卫星网络空间段采用双层卫星网络结构,网中所有卫星通过星间链路进行联系,协同工作。第一层由全球覆盖的低轨遥感卫星群组成,这些卫星轨道高度一般在300km 以上。它们被分成多个小组,同一个小组的卫星搭载不同的传感器协同工作。每一个小组有一颗卫星称为组长,负责同其他小组组长和第二层静止卫星(即图中高轨卫星)通过星间链路进行联系,管理协同小组中的其他卫星。小组长作用相当于局域网的服务器,负责同外部网络通信并管理本局域网。

 第二层由静止卫星组成。由于第一层所有卫星不可能同时为全球范围的用户提供服务,需要第二层卫星与第一层卫星小组长、用户以及地面系统操作中心和数据处理中心通过星间链路和星地链路进行联系,实施数据传输和测控管理。

通 常状况下,系统的每颗低轨卫星利用各自搭载的传感器和在轨数据处理设备独立工作,在没有检测到数据变化的情况下不把数据传送给静止卫星、用户或地面测控与通信设施。一旦某颗卫星检测到变化(例如火灾),卫星自动调整角度和姿态,获取地物变化情况,同时,该卫星通知同小组的其他卫星,其他卫星同样自动调整获取数据。这样就可以获取变化前后的多角度、多传感器、多分辨率和多光谱数据。这些数据整合后由小组长根据不同的变化类型传给静止卫星,静止卫星进行压缩等后处理,然后通过星地链路,再传送到用户终端。同时,静止卫星还具备对数据的分析和解译能力,为用户提供增值数据产品,例如可以将预测灾害后的5天火灾蔓延的情况一并提供给用户。

 此外,系统根据不同用户、不同变化为用户提供最需要的数据。例如监测森林火险时多光谱数据显然比全色影像更重要,战场打击效果的评估则相反。此外,系统也可以根据地面测控与通信设施或授权用户的指令改变数据提供的策略。

 此智能化卫星遥感网络的主要特点有:数据在轨处理,可实现实时分发各类用户需求的增值数据产品;事件驱动的机制使用户可实时获取全球任何地区多角度、多分辨率、多波段数据;低轨星座采用的卫星是小卫星,系统扩展性强,新型传感器、数据处理设备能够即插即用。


 上文选自《卫星应用》,如有需要请查阅该期刊。



 

(作者:闵士权)
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