我国天地一体化综合信息网络构想（下）

航天 · 2016-11-22 23:52:03

四、我国天地一体化卫星导航网络　　卫星导航系统作为高精度的空间位置和时间基准，能够直接为地球表面和近地空间的广大用户提供全天时、全天候、高精度的定位、导航和授时服务。本文的天地一体化导航信息网络的设计目标除了任何人在任何时间任何地点可获取自己所在地点和时间信息外还要求可获取相关人的地点和时间信息。　　当今信息化时代，人们不再满足于知道“现在我在哪儿？”，还需要知道“现在别人在哪儿”，很多时候还要告诉别人“现在我在哪儿”，“我这儿发生了什么”。这就是位置报告业务（Position Reporting Service，PRS），所谓的位置报告就是将自己的位置信息和周围环境状况报告给与之相关的第三方。它被广泛地应用于抢险救灾、应急救援、交通运输、农业渔业、国防军事等诸多领域。这个要求一般地说不是全球现有四大卫星导航系统（美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO和中国的北斗）依靠自身原有设计方案能解决，而是要修改设计，甚至要依靠卫星通信系统协同工作才能解决。　　根据北斗卫星导航系统建设总体规划，2012年左右，北斗卫星导航系统首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。　　按照计划建成现提供使用的北斗卫星导航系统是覆盖亚太地区的区域性覆盖系统。它采用无线电导航卫星业务(RNSS)与无线电测定卫星业务(RDSS)集成体制，既能像GPS、GLONASS、GALILEO系统一样，为用户提供卫星无线电导航和授时服务，又具有位置报告及短报文通信功能。也就是说它已具备了本文要求的导航、定位、授时和位置报告多种功能，只是尚未实现全球覆盖。　　据有关资料，2020年计划建成的全球覆盖的北斗卫星导航系统将提供全球范围内的RNSS服务，在我国及周边地区提供RDSS、位置报告/短报文通信、星基增强、功率增强等服务。为了实现在全球地区也能提供RDSS服务，该系统专家利用北斗卫星导航系统全球覆盖、星座组网互联互通的特点，正在进行实现全球地区提供位置报告和报文通信的可行性方案研究。　　系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段由5颗地球静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星（包括27颗MEO卫星和3颗IGSO卫星）组成，相关卫星间设有星间链路。地面段由主控站、注入站、监测站和建设中的地基增强系统等组成。用户段由各类北斗用户终端组成，北斗用户机具有兼容GPS、GLONASS、GALILEO的功能。　　目前，北斗全球卫星导航系统研制工作正在按计划开展，通过采用优化卫星星座、星间链路、自主运行管理、高精度测量、高精度原子钟等技术，将使系统提供的服务精度、可用性、完好性和服务覆盖范围等功能和性能指标在区域覆盖卫星导航系统基础上进一步提高，正在向全球卫星导航系统迈进。　　五、我国天地一体化三网综合　　1．天地一体化卫星通信、遥感、导航三网空间段综合　　由前面分析结果得知，卫星通信与卫星遥感空间段信息网络有相似性：都由GEO和LEO双重星座组成；各星之间通过星间链路互联；对GEO和LEO轨道覆盖特性要求基本相同，如图3所示。基于此特性可以研究进行卫星平台综合。

图3　通信与遥感空间段信息网络示意图　　（1）通信静止卫星与遥感静止卫星平台综合　　通信与遥感空间段信息网络对GEO卫星要求的数量和轨道位置基本相同，因此，通过精心设计通信与遥感GEO卫星就有可能做到同轨道位置或同平台。在GEO卫星平台可能情况下尽量做到这两种功能卫星共用卫星平台，即一星双用，一个平台装通信和遥感两种有效载荷。　　（2）通信低轨卫星与遥感低轨卫星平台综合　　通信与遥感LEO卫星星座对地覆盖要求都是全球无缝覆盖（含南北两极），因此，通过精心设计有可能做到这两种功能全部卫星或部分卫星采用相同星座，甚至全部卫星或部分卫星共用卫星平台，做到一个平台装通信和遥感两种有效载荷。　　国外LEO卫星星座已有类似的例子，美国下一代Iridium卫星移动通系统除了提高其移动通信性能外，还计划搭载属卫星遥感业务的雷达测高仪、宽带辐射计、成像仪等传感器。　　（3）通信卫星星座协同导航卫星星座构造星基增强系统　　国外GPS等一些卫星导航系统通过GEO或LEO卫星通信系统已建立了或正在建立星基增强系统，以提高导航定位精度和增强卫星完好性预报能力。本天基网络的卫星通信网络中的LEO星座和GEO星座都可以作为北斗导航卫星系统的星基增强系统空间资源。我国已有学者提出了采用LEO星座和GEO星座对北斗导航卫星系统进行性能增强的方案设想[14]。　　（4）通信卫星星座协同导航卫星星座构造星基位置报告系统　　国外GPS等一些卫星导航系统通过GEO卫星通信系统（如Inmarsat卫星通信系统）或LEO卫星通信系统(如Iridium卫星通信系统)已建立了或正在建立星基位置报告系统，视需要也可考虑利用本天基网络的卫星通信网络中的LEO星座和GEO星座及其用户终端协同构造北斗导航卫星系统的位置报告系统。　　　　2．天地一体化卫星通信、遥感、导航三网用户段综合　　用户终端的发展方向应是小型化、宽带化、智能化和综合化。除了发展通信用户、遥感用户和导航用户各种专业用户终端外，还可发展三网融合天地一体化的综合应用用户终端。后者应是多模式（卫星通信／地面通信、卫星导航定位／地面基站定位）、多业务（数据／话音／视频／宽带多媒体／因特网）、多功能（通信／导航定位授时和位置报告／遥感产品收视）一体化终端。还需说明，此综合应用用户终端所提供的信息不仅包含了天基网的卫星通信、卫星遥感和卫星导航诸网络的信息，还要尽可能包含本文后面所讲的地基网的通信、遥感和导航各系统或网络的信息。　　使用三网融合天地一体化综合应用用户终端的任何人在任何时间任何地点可实现：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。　　六、我国天地一体化天基与地基信息网络　　1．天地一体化天基与地基通信网络　　天地一体化天基与地基通信网络即天地一体化卫星通信网与地面通信网。卫星通信网与地面通信网一体化即为彼此综合或融合，它是通信网的重要发展方向，其典型综合示例如图4所示。国际电联（ITU）对移动卫星通信业务与地面移动通信业务IMT—2000（International Mobile Telecommunication-2000)的综合，根据卫星系统与地面系统之间实现综合的程度不同，把综合划分为五个层次：第一层为地理综合；第二层为业务综合；第三层为网络综合；第四层为设备综合；第五层为系统综合。

图4　卫星通信网与地面通信网综合示意图　　卫星通信网与地面通信网综合，促使天地一体化通信网发展。随着卫星固定业务、卫星移动业务、卫星广播业务三种业务融合，地面电信网、互联网和有线电视网三网融合，各种卫星通信网与各种地面通信网互联互通，各个国家之间通信网互联互通，未来的通信网，将是一个包括地下的光缆，地面的微波中继和蜂窝移动通信，低轨道、中轨道以及静止轨道的通信卫星系统组成的服务于全球的综合通信网。它们之间既可以单独组成通信系统，又可以在不同系统间互联互通，最后构成全球无缝覆盖的天地一体化的海、陆、空、天共用的能够提供各种带宽和多种业务的全球综合通信网。　　2．天地一体化天基与地基遥感网络　　包含天、空、地的各种平台和各种遥感传感器资源的融合构想示例见图5。此图是天、空、地一体化的地球空间信息智能传感器网络(Geoinfo-Sensor-Web, GSW)。智能传感器是具有信息处理、环境适应和自我修复功能的传感器，可采集、处理、交换信息，并自动恢复受环境影响而降低了的感知性能。智能传感器一般与微处理器和无线发送装置集于一体，称作无线网络传感器节点。节点一般置于观测对象的附近，或与观测对象直接接触，甚至埋于感兴趣观测对象当中。

图5 地球空间信息智能传感器网络架构　　GSW的天、空、地协同式骨干网络包括5层感知网络平台：①太空平台，由遥感卫星和卫星地面接收站组成，卫星含各种光学、微波、红外的对地影像获取传感器或重力、磁力、大气、电离层的传感器；②高空平台，由平流层气球组成，含所需的光学、微波、红外等传感器载荷和定位及通信装置；③中空平台，由载人航空摄影测量和航空大地测量设备组成，含通信装置和时空、姿态传感器；④低空平台，由无人机装载的摄影测量、工程测量和大地测量设备组成，也含通信设备和时空、姿态传感器；⑤地基平台，由CORS（Continuously Operating Reference Stations)网与各种专业的智能传感网以及地面地理域情智能传感网组成，近地或就地感知地理域情信息，它是地球空间信息智能传感网的地基基础设施。上述每一种传感网络平台都有自己的智能化数据处理中心，这些处理中心实现互联、互通、共享互操作，向用户提供“所要即所得”的服务。　　3．天地一体化天基与地基导航网络　　　　（1）导航系统　　按导航信息获取原理有天文导航、卫星导航、无线电导航、惯性导航等多种方式。其中无线电导航系统按有效作用距离的远近又可分为进场着陆(着舰)、近程、中程、远程、超远程等系统，主要用于飞机和舰船的导航。　　为了作战需要，有集导航、通信与识别功能于一体（C3I）的综合导航系统；为了优势互补，有集惯性导航和卫星导航组合一体的组合导航系统；还有采用卫星导航、惯性导航、地基导航的航空综合导航系统。后者通过综合利用多种导航传感器的信息，进行相互补充、校准和信息综合处理，提高导航精度，扩展覆盖范围，提高系统可用性、可靠性，为从航路到精密进近的全部飞行阶段提供连续的高精度导航服务，支持基于性能的灵活飞行，是机载导航系统的发展方向。　　（2）定位系统　　无线电定位系统按照覆盖范围大小主要有三种方式：卫星定位系统；地面移动通信基站定位系统；无线局域网定位系统。后者主要有四种：ZigBee定位；Wi-Fi定位；UWB定位；CSS定位。移动定位系统可以用来对人员、事件和物品进行定位，以满足移动执法、移动办公、运输业、物流业、旅游业、国土资源调查等行业的定位需求。　　移动定位是指通过特定的定位技术来获取移动手机或终端用户的位置信息（经纬度坐标），在电子地图上标出被定位对象位置的技术或服务。定位技术有两种，一种是基于导航卫星的定位，一种是基于地面移动通信网基站的定位。前者的定位是利用手机上的导航卫星定位模块将自己的位置信号发送到定位后台来实现移动手机定位的。后者的定位则是利用地面移动通信基站对手机的距离测算来确定手机位置的。后者精度很大程度依赖于基站的分布及覆盖范围的大小，定位精度比前者低。　　　　（3）国家综合定位导航授时体系　　我国正在规划建设定位导航授时（Positioning Navigation and Timing，PNT）体系，此体系由北斗卫星导航、各类地基无线电导航、惯性导航、含X射线脉冲星导航的天文导航、重力/磁力导航等系统或设备组成。该体系是以北斗卫星导航系统为核心，各种定位导航授时系统或设备相互融合备份、增强补充，面向海、陆、空、天各类用户提供统一的时间、空间、位置基准服务的国家信息基础设施。应该说，它是本文定义的一种典型的大天地一体化导航信息网络。　　　　4．地面互联网＋天基网　　地面信息网三网融合，是指广播电视网、电信网与互联网的融合，其中互联网是核心。三网融合技术的发展是三网融合的基本推动力量。首先是数字技术的迅速发展和全面采用，使话音、图像和数据信号都可以通过统一编码进行传输和交换，其次是光通信技术的发展，为综合传送各种业务信息提供了必要的带宽和传输质量；最后最重要的是TCP/IP协议的普遍采用，使得以IP为基础的业务都能在不同的网上实现互通。于是，形成了以宽带IP网络即互联网为基础三大网络融合。　　地面互联网的发展给天基网的研究注入了新思想，目前，国际上的航天专家们正在规划将天基网和地面互联网统一组织成一个全方位立体结构的宇宙大网络，今后有可能要在Internet域名后加注用户所在星球以示区别，如 .earth或 .mar等，以区分网站所在的星球。可见，整个天地一体化信息网络的建立将是未来空间信息网的发展方向。　　新的信息传输体系中，航天器公用平台测控信息与有效载荷业务信息可以合成统一信息流，航天信息系统由封闭的点对点模式转变为开放的网络模式，每一个航天器只是空间网络中的一个结点，每一个地球站只是地面网络中的一个结点。空间信息网与地面公用互联网可以连结为全球一体化的可以供全球公用的立体网络。这也正是我国学者正在热议的“地面互联网＋天基网”。简称为“互联网＋天基网”。　　还需指出，本文提出的天地一体化综合信息网络包含了天基信息网络与地基信息网络的一体化，此天地一体化综合信息网络实质也是我国“互联网＋天基网”，或称“互联网＋天基信息系统” 一种构想。此构想的架构示例如图6所示。

图6　“地面互联网＋天基网”系统架构示例　　七、结论　　建立我国自主管控全球覆盖的天地一体化综合信息网络是适应经济全球化发展的需要；是实现国防信息现代化的需要；是维护国家安全和发展利益需要；是实现航天应用技术持续发展和创新需要；是实现航天大国迈向航天强国的需要；是实现民族复兴中国梦的需要。　　将相关的卫星通信系统、卫星遥感系统、卫星导航定位系统、其他航天器系统，相关的临近空间飞行器系统以及相关地面设施，通过星间链路、星地链路和地面线路组成天基网，并与地基网综合或融合成为一个天地一体化综合信息网络，这是航天应用技术发展的必然和创新，将是我国航天技术发展的又一个里程碑。　　天地一体化综合信息网络的核心是天基网，其技术关键也主要集中在天基网。早在20世纪末，我国就有科研院校提出了研究和建设我国天基网（亦称天基综合信息网）的设想，并在此后进行了一系列专项研究，取得了显著成果，为建立我国天基网提供了一定的理论基础。目前，我国已初步建立和形成了卫星通信、卫星遥感、卫星导航三大卫星应用系列，为建立我国天基网提供了一定的技术基础。我国构建天基网核心网络的跟踪与数据中继卫星系统，已实现了中、低轨道用户航天器准全球覆盖。我国载人航天工程已完成了多艘载人飞船和一座空间实验室的发射和相关试验，多次成功地通过数据中继卫星传递信息，为天基网的建设提供了宝贵经验。我国临近空间飞行器的研究和应用已取得了初步成绩。因此，我国的理论研究和技术基础已经初步具备了研究和建立天地一体化综合信息网络的试验网络条件。　　为适应我国国家战略发展需要、国防建设和军事保障能力的实际需求，结合航天技术快速发展趋势，促进信息共享和资源综合利用，充分发挥航天信息化建设的应用效益，应尽快开展我国天地一体化综合信息网络的研究和建设工作。 　　上文选自《卫星应用》，如有需要请查阅该期刊。

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