由多種異構網絡共同構成的天地一體化網絡一旦實現互聯互通和互操作，將會引發前所未有的信息革命。
文字閱讀、圖片查看、影音播放、下載傳輸、游戲、即時聊天……網絡的快速發展給人們的生活帶來了極大的便捷和享受。然而，網絡發展到今天仍沒有實現隨意接入和時時暢通，國產電影《無人區》中男主角的遭遇就形象地展示了我們網絡時代的另一面：死角和盲區無處不在，網絡服務能力仍有待提高。
網絡覆蓋死角的存在，從側面反映了地基通訊設施的局限，建設寬帶衛星將有助于解決此類問題。然而，就算地面上的網絡覆蓋能在衛星的幫助下做到無縫連接，人類足跡所至的地方仍有網絡不及的地方：飛機上呢？衛星上呢？空間站呢？
其實科學家們早就注意到這些問題。中國科學院軟件研究所研究員劉立祥告訴《中國科學報》記者：“作為國家重大基礎設施，‘天地一體化網絡’相關技術已取得了重大突破，預計‘十三五’期間我國將逐步開展相關的建設工作。”
“天地一體化網絡”之義
劉立祥介紹說，天地一體化網絡是由通信、偵察、導航、氣象等多種功能的異構衛星/衛星網絡、深空網絡、空間飛行器以及地面有線和無線網絡設施組成，其中，衛星網絡將承擔大量信息的獲取、傳輸和分發作用。但是，“天星地網”的網絡架構還遠不能達到一體化網絡建設的要求。
自1957年10月4日前蘇聯發射了世界上第一顆人造衛星之后，人類已經向太空發射了超過上千顆人造衛星。這些人造衛星個個“身懷絕技”，有的專為地球資源勘探，有的長于軍事偵察，有的幫助人們預報氣象，有的大大便捷了現代通訊。然而，這些衛星同在太空，彼此之間的“了解”卻甚少，幾乎所有的溝通都要依賴地面基地。
“功能單一、結構規則、運行依賴地面、相互之間孤立的衛星網絡系統已經不能滿足人們實時、綜合的服務需求。具有多種功能、軌道互補、智能程度高、可自主運行、便于擴展的異構衛星組網成為新的發展方向。”劉立祥說。
目前，世界上主要的航天大國在調整并制定新的航天發展戰略時，都把下一步發展目標定位在完善衛星系統種類和提高衛星系統功能的基礎上，發展并建立網絡化的新型綜合衛星系統體系。美國國家航空航天局（NASA）的“天基通信導航網”（SCaN）計劃的構想就是建立并保持一個便于擴展、可縮放的綜合基礎設施，提供全面、有效、更高量級數據速率的天基服務，以實現NASA的各類任務。
天地一體化網絡即是如此。劉立祥告訴記者，它通過星間、星地鏈路將地面、海上、空中和深空的用戶、飛行器以及各種通信平臺密集聯合。比如，地面和衛星之間可以根據應用需求建立鏈路，實現實時數據傳輸。
劉立祥指出，從組網、傳輸和路由等角度來看，天地一體化網絡具有典型的大時空尺度屬性，具有網絡全覆蓋、空天地海網絡協作、智能控制和處理、快速反應、高效應對等鮮明特征。“舉一個最簡單的例子，天地一體化網絡環境下，無論何時何地，電話服務、信息傳輸將徹底告別‘無法連通’的時代。”
“天地一體化網絡”之用
隨著信息技術的迅猛發展，未來信息服務行業對多維綜合信息資源的需求日益提高，國家安全、航空航天、環境監測、交通管理、教育醫療衛生、工農業、反恐、抗災救險等領域的戰略信息服務將在空、天、地多維空間展開，任何單一維度上的信息利用都無法滿足全方位的需求。由多種異構網絡共同構成的天地一體化網絡一旦實現互聯互通和互操作，將會引發前所未有的信息革命。
“這種高度綜合性的異構網絡系統打破了各自獨立的網絡系統間數據共享的壁壘，空、天、地跨維度服務將成為未來全方位服務的主要形式，能夠有效地綜合利用各種資源（包括軌道資源、傳感器資源、通信資源等），不僅可以為作戰提供一體化的偵察、導航、作戰指揮等服務，也可以為海陸空通信、海洋氣象預報、導航、農林牧漁、應急救援等提供全方位的支持。這就需要一體化網絡具有充分的信息統籌獲取、快速的信息傳輸、高效的任務協同等能力。”劉立祥說。
此外，智慧城市、物聯網、車聯網等概念的提出和具體項目的實施，將極大地促進我國一體化信息基礎設施的高速發展。
目前，我國有近百顆在軌運行空間飛行器，覆蓋了導航、通信、遙感、深空探測、載人航天等領域。而隨著我國空間信息網絡服務的需求不斷增加，建設天基衛星、互聯網、移動通信網等全面融合的天地一體化的信息網絡，將是提升我國信息服務能力的有效途徑。
劉立祥還指出，天地一體化網絡還將帶動信息電子、航空航天、數學、材料學、光學等相關學科的發展，“對推動相關學科的發展具有重要的科學意義”。
天地一體化網絡中節點類型眾多，在天、空、地、海運行的不同節點的功能、接入傳輸能力迥異，使得網絡將變為一個高度異構、動態復雜的巨系統。這就給一體化網絡的構建帶來了方方面面的挑戰。組網技術是保障一體化網絡信息安全可靠傳輸的關鍵基石。劉立祥介紹說，盡管采用骨干+接入的機制普遍得到了認同，但是對天地一體化網絡這樣一個復雜、異構的“巨系統”來說，骨干網和接入網如何設計，網絡協議體系如何設計，系統安全如何保障，系統如何管理仍然是建設的難題。
“這需要在頂層設計中充分考量。”劉立祥告訴記者，“體系架構設計的好壞對系統的可靠性、抗毀性、服務能力、通信效率都會產生重大的影響。如高軌骨干衛星需要多少顆，衛星之間有沒有鏈路，是采用激光還是微波，地面網絡處于什么地位以及網絡的可擴展性都要進行深入的分析和論證。”
對于網絡協議體系，是采用IP交換還是采用其他的交換方式，不僅要考慮現有的系統，更重要的是要兼顧未來的發展，傳輸協議，路由協議和接入機制都要進行有針對性的設計和開發。目前，天地一體化網絡路由協議正處于“百家爭鳴”階段，普適性較差；現有傳輸協議主要面向深空段、空間段或鄰近空間段的星際間或星地間通信。針對未來大量用戶的按需接入機制還沒有一個完整的解決方案。
安全問題同樣重要。“從網絡的物理層到應用層，天地一體化網絡都存在安全隱患，并呈現出與地面網絡不同的安全特征，信息安全保障的任務艱巨。”劉立祥對記者說，天地一體化網絡的無線傳輸特性、復雜組網結構、軟硬件設計和實現缺陷、空間環境惡劣等特點，使得它更容易受到竊聽、假冒、信息重放、物理損傷等手段的攻擊和破壞。
此外，由于地面設備、衛星和其他航天航空設備距離較遠，相互之間通信時延較大，通信鏈路也容易受到來自外界的干擾（如宇宙射線、電磁信號等），可能會加大信號傳輸中的錯誤率。
對于一體化網絡的管理問題，劉立祥指出，首先要明確管理對象，地面網管關注的是資源，一體化網絡不僅要對整個系統的資源進行管理，還應具有對系統的控制能力和服務的管理能力以及接入用戶的管理能力。這是一個非常復雜的過程。
“這些問題在沒有實際網絡平臺可供測試的情況下，只能通過仿真以及概念演示進行相應解決方案的研判，并在逐步開展的實際工作中慢慢摸索。”劉立祥指出，“未來隨著聯合考慮陸地、遠洋、天空、空間與深空資源的大時空尺度空間信息網絡仿真測試平臺的逐步完善，以及局部天地互聯系統的搭建，理論研究與實際應用之間的差距將越來越小，一體化網絡建設中出現的困難將逐步得到解決。”
文字閱讀、圖片查看、影音播放、下載傳輸、游戲、即時聊天……網絡的快速發展給人們的生活帶來了極大的便捷和享受。然而，網絡發展到今天仍沒有實現隨意接入和時時暢通，國產電影《無人區》中男主角的遭遇就形象地展示了我們網絡時代的另一面：死角和盲區無處不在，網絡服務能力仍有待提高。
網絡覆蓋死角的存在，從側面反映了地基通訊設施的局限，建設寬帶衛星將有助于解決此類問題。然而，就算地面上的網絡覆蓋能在衛星的幫助下做到無縫連接，人類足跡所至的地方仍有網絡不及的地方：飛機上呢？衛星上呢？空間站呢？
其實科學家們早就注意到這些問題。中國科學院軟件研究所研究員劉立祥告訴《中國科學報》記者：“作為國家重大基礎設施，‘天地一體化網絡’相關技術已取得了重大突破，預計‘十三五’期間我國將逐步開展相關的建設工作。”
“天地一體化網絡”之義
劉立祥介紹說，天地一體化網絡是由通信、偵察、導航、氣象等多種功能的異構衛星/衛星網絡、深空網絡、空間飛行器以及地面有線和無線網絡設施組成，其中，衛星網絡將承擔大量信息的獲取、傳輸和分發作用。但是，“天星地網”的網絡架構還遠不能達到一體化網絡建設的要求。
自1957年10月4日前蘇聯發射了世界上第一顆人造衛星之后，人類已經向太空發射了超過上千顆人造衛星。這些人造衛星個個“身懷絕技”，有的專為地球資源勘探，有的長于軍事偵察，有的幫助人們預報氣象，有的大大便捷了現代通訊。然而，這些衛星同在太空，彼此之間的“了解”卻甚少，幾乎所有的溝通都要依賴地面基地。
“功能單一、結構規則、運行依賴地面、相互之間孤立的衛星網絡系統已經不能滿足人們實時、綜合的服務需求。具有多種功能、軌道互補、智能程度高、可自主運行、便于擴展的異構衛星組網成為新的發展方向。”劉立祥說。
目前，世界上主要的航天大國在調整并制定新的航天發展戰略時，都把下一步發展目標定位在完善衛星系統種類和提高衛星系統功能的基礎上，發展并建立網絡化的新型綜合衛星系統體系。美國國家航空航天局（NASA）的“天基通信導航網”（SCaN）計劃的構想就是建立并保持一個便于擴展、可縮放的綜合基礎設施，提供全面、有效、更高量級數據速率的天基服務，以實現NASA的各類任務。
天地一體化網絡即是如此。劉立祥告訴記者，它通過星間、星地鏈路將地面、海上、空中和深空的用戶、飛行器以及各種通信平臺密集聯合。比如，地面和衛星之間可以根據應用需求建立鏈路，實現實時數據傳輸。
劉立祥指出，從組網、傳輸和路由等角度來看，天地一體化網絡具有典型的大時空尺度屬性，具有網絡全覆蓋、空天地海網絡協作、智能控制和處理、快速反應、高效應對等鮮明特征。“舉一個最簡單的例子，天地一體化網絡環境下，無論何時何地，電話服務、信息傳輸將徹底告別‘無法連通’的時代。”
“天地一體化網絡”之用
隨著信息技術的迅猛發展，未來信息服務行業對多維綜合信息資源的需求日益提高，國家安全、航空航天、環境監測、交通管理、教育醫療衛生、工農業、反恐、抗災救險等領域的戰略信息服務將在空、天、地多維空間展開，任何單一維度上的信息利用都無法滿足全方位的需求。由多種異構網絡共同構成的天地一體化網絡一旦實現互聯互通和互操作，將會引發前所未有的信息革命。
“這種高度綜合性的異構網絡系統打破了各自獨立的網絡系統間數據共享的壁壘，空、天、地跨維度服務將成為未來全方位服務的主要形式，能夠有效地綜合利用各種資源（包括軌道資源、傳感器資源、通信資源等），不僅可以為作戰提供一體化的偵察、導航、作戰指揮等服務，也可以為海陸空通信、海洋氣象預報、導航、農林牧漁、應急救援等提供全方位的支持。這就需要一體化網絡具有充分的信息統籌獲取、快速的信息傳輸、高效的任務協同等能力。”劉立祥說。
此外，智慧城市、物聯網、車聯網等概念的提出和具體項目的實施，將極大地促進我國一體化信息基礎設施的高速發展。
目前，我國有近百顆在軌運行空間飛行器，覆蓋了導航、通信、遙感、深空探測、載人航天等領域。而隨著我國空間信息網絡服務的需求不斷增加，建設天基衛星、互聯網、移動通信網等全面融合的天地一體化的信息網絡，將是提升我國信息服務能力的有效途徑。
劉立祥還指出，天地一體化網絡還將帶動信息電子、航空航天、數學、材料學、光學等相關學科的發展，“對推動相關學科的發展具有重要的科學意義”。
“天地一體化網絡”之難
天地一體化網絡中節點類型眾多，在天、空、地、海運行的不同節點的功能、接入傳輸能力迥異，使得網絡將變為一個高度異構、動態復雜的巨系統。這就給一體化網絡的構建帶來了方方面面的挑戰。組網技術是保障一體化網絡信息安全可靠傳輸的關鍵基石。劉立祥介紹說，盡管采用骨干+接入的機制普遍得到了認同，但是對天地一體化網絡這樣一個復雜、異構的“巨系統”來說，骨干網和接入網如何設計，網絡協議體系如何設計，系統安全如何保障，系統如何管理仍然是建設的難題。
“這需要在頂層設計中充分考量。”劉立祥告訴記者，“體系架構設計的好壞對系統的可靠性、抗毀性、服務能力、通信效率都會產生重大的影響。如高軌骨干衛星需要多少顆，衛星之間有沒有鏈路，是采用激光還是微波，地面網絡處于什么地位以及網絡的可擴展性都要進行深入的分析和論證。”
對于網絡協議體系，是采用IP交換還是采用其他的交換方式，不僅要考慮現有的系統，更重要的是要兼顧未來的發展，傳輸協議，路由協議和接入機制都要進行有針對性的設計和開發。目前，天地一體化網絡路由協議正處于“百家爭鳴”階段，普適性較差；現有傳輸協議主要面向深空段、空間段或鄰近空間段的星際間或星地間通信。針對未來大量用戶的按需接入機制還沒有一個完整的解決方案。
安全問題同樣重要。“從網絡的物理層到應用層，天地一體化網絡都存在安全隱患，并呈現出與地面網絡不同的安全特征，信息安全保障的任務艱巨。”劉立祥對記者說，天地一體化網絡的無線傳輸特性、復雜組網結構、軟硬件設計和實現缺陷、空間環境惡劣等特點，使得它更容易受到竊聽、假冒、信息重放、物理損傷等手段的攻擊和破壞。
此外，由于地面設備、衛星和其他航天航空設備距離較遠，相互之間通信時延較大，通信鏈路也容易受到來自外界的干擾（如宇宙射線、電磁信號等），可能會加大信號傳輸中的錯誤率。
對于一體化網絡的管理問題，劉立祥指出，首先要明確管理對象，地面網管關注的是資源，一體化網絡不僅要對整個系統的資源進行管理，還應具有對系統的控制能力和服務的管理能力以及接入用戶的管理能力。這是一個非常復雜的過程。
“這些問題在沒有實際網絡平臺可供測試的情況下，只能通過仿真以及概念演示進行相應解決方案的研判，并在逐步開展的實際工作中慢慢摸索。”劉立祥指出，“未來隨著聯合考慮陸地、遠洋、天空、空間與深空資源的大時空尺度空間信息網絡仿真測試平臺的逐步完善，以及局部天地互聯系統的搭建，理論研究與實際應用之間的差距將越來越小，一體化網絡建設中出現的困難將逐步得到解決。”
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