來源：中國工程院院刊 作者： 徐曉帆，王妮煒，高瓔園，陸洲，汪春霆，陸軍 當前，信息網絡技術持續進步，已經成為創新驅動發展的先導力量，對政治、軍事、經濟、文化等領域產生深遠影響，驅動著社會體系的變革和重塑。作為支撐社會發展的重要信息基礎設施，地面信息網絡和天基信息網絡長久以來獨立發展，局限性日益凸顯，難以滿足全球網絡全域覆蓋、安全自主可控、各類用戶靈活接入的需求。陸海空天一體化信息網絡具有為陸基、海基、空基、天基等各類用戶提供全球隨遇接入、信息安全可靠服務的能力，是我國避免受制于人、實現網絡強國的重要基礎設施之一。
中國工程院陸軍院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第2期撰文，立足于我國一體化信息網絡的發展，梳理了陸海空天一體化信息網絡的發展需求，開展了國內外典型系統的分析研究，總結了我國在先進陸海空天一體化信息網絡方面存在的主要問題及差距，重點提出了適合國情的融合網絡架構初步設想及相應發展路線建議。文章認為，在推進陸海空天一體化信息網絡論證設計和工程實施的過程中，應著重強化網絡架構、技術體制、應用服務支撐體系方面的深度融合，兼顧通信、導航、遙感系統的功能融合，推動天基網絡技術自主可控和高端產業升級，同步加強相關系統的安全防護能力建設。
當前，信息網絡技術持續進步，已經成為創新驅動發展的先導力量，對政治、軍事、經濟、文化等領域產生深遠影響，驅動著社會體系的變革和重塑。作為支撐社會發展的重要信息基礎設施，地面信息網絡天基信息網絡長久以來獨立發展，局限性日益凸顯，難以滿足全球網絡全域覆蓋、安全自主可控、各類用戶靈活接入的需求。近年來，信息網絡逐步融合發展，相關研究提出了天地一體化信息網絡、基于第六代移動通信技術（6G）的空天地海一體化無線通信網絡的發展愿景；陸海空天一體化信息網絡的技術發展思路已逐漸清晰。
陸海空天一體化信息網絡是以地面網絡為基礎、以天基網絡為延伸，覆蓋太空、天空、陸地、海洋等自然空間，為天基、空基、陸基、海基等各類用戶的各類活動提供信息保障的信息基礎設施；相關研制建設不僅反映了一個國家的科技和經濟綜合實力，更是推動我國重大領域自主創新發展、滿足國家戰略需求、提升國家網絡空間競爭力的重要支撐。
陸海空天一體化信息網絡技術的研究難點在于，利用基于衛星平臺的網絡節點，構建覆蓋全球的天基信息網絡，實現陸、海、空、天各層次網絡的高效深度融合。為此，本文分析建設需求，梳理發展現狀，凝煉存在差距，提出一體化融合網絡架構設想及發展路線建議，以期為網絡強國相關的重大規劃制定及工程項目實施提供參考借鑒。
我國信息產業及其基礎研究發展迅速，但“地強天弱”“內強外弱”等問題仍然存在。當前，天基信息網絡主要服務于我國境內地域，境外地面網絡因缺少安全可控條件而無法支撐外交、應急等方面的應用需求，因此建設陸海空天一體化信息網絡，是應對國內國際復雜形勢的重要信息基礎保障。在民用領域，陸海空天一體化信息網絡需要滿足電子政務、能源水利、生產制造、海洋經濟、交通運輸、證券金融、教育科研、文化旅游、遠程醫療等行業應用與公眾應用需求。
隨著我國經濟發展和綜合實力增強，國家戰略利益顯著外延，需要在外交、應急等方面具備全球活動能力。就信息網絡而言，需要將保障范圍從傳統的國土及周邊地區向全球擴展，將保障對象從傳統的陸地用戶拓寬至海上、空基、天基等用戶；還需進一步為月球和深空探索提供信息服務能力。
為滿足我國在重點區域的發展與戰略部署需求，信息網絡應盡快覆蓋東亞、南亞、“一帶一路”沿線國家/區域、北極地區。對于熱點區域，如南海地區，需要具備多重覆蓋能力、按需增強保障能力。相較于全球覆蓋的其他區域，重點和熱點區域的信息網絡應具食更強的覆蓋能力、更多的服務用戶數量、更高的數據傳輸帶寬、更好的語音通信質量。
陸海空天一體化信息網絡需要保障關鍵用戶在全球任何位置、任何時刻的通信需求，需要具備空間組網能力以實現全球隨遇接入與境外信息有效回傳；需要具備用戶終端的多網接入能力，支持網絡用戶接入地面互聯網和移動互聯網服務，支持移動和寬帶服務互通。
地面骨干網絡對境外、偏遠地區、海域、空域的延展性有限，需要具備空間骨干傳輸能力。目前，我國民用領域的網絡用戶主要來自交通運輸、水利、農業、地方政府、駐外企業/媒體、大眾商業等；預計到2025年，公眾用戶約為1×107個，行業用戶約為3×106個，空間骨干網絡傳輸需求約為300 Gbps；預計到2030年，公眾用戶約為3×107個，行業用戶約為4×106個，空間骨干網絡傳輸需求約為 1 Tbps。空間骨干傳輸能力與地面骨干網絡同步演進并協同發展，才能滿足快速增長的民用需求。
為適應多種場景需求，陸海空天一體化信息網絡需要配置手持、嵌入式、臺式等多樣化的終端。手持終端應支持多種通信制式，具備導航定位、語音通信、信息傳輸功能，可作為災害應急處理場景的主要應用終端。嵌入式終端一般用于提供天基物聯網服務的海洋浮標、集裝箱監控單元等，需具有多制式、小型化、低功耗特征。臺式終端分為固定、車載、艦載、機載等類型，需具有語音通信、數據通信、視頻圖像傳輸等功能；作為網絡節點將地面局域網接入天基網絡，提供遠程數據回傳和寬帶多媒體業務。
21世紀以來，發達國家積極布局一體化信息網絡建設規劃，爭奪網絡制天、制空、制海權，推進天基網絡與地面互聯網絡、移動通信網絡融合。目前已經形成包括同步軌道和低軌星座在內的多個天基網絡（見表1）；不同系統的定位和服務用戶各有側重，既有民用系統如星鏈（Starlink）、一網（OneWeb），軍用系統如先進極高頻衛星通信系統（AEHF），也有融合共用系統如第二代銥星系統（Iridium Next）。
表 1 國外代表性天基信息系統
1. 信息傳輸
星間鏈路技術趨于成熟，容量不斷提升，如Ka頻段鏈路已經成熟，激光鏈路進入試驗階段。發達國家致力于發展陸海空天一體化的空間信息系統。例如，美國強化星間鏈路和星上路由/交換能力，構建基于空間多星組網的太空通信網絡，建設完整的全球信息柵格。基于空間組網的寬帶衛星通信技術是陸海空天一體化信息網絡發展的重要環節，對提升寬帶衛星通信系統的通信容量、覆蓋能力、系統抗毀生存能力具有重要意義。寬帶衛星通信系統逐步向Ka頻段多波束方向發展，并通過頻率多重復用、極化復用等技術，提高系統的可用帶寬和容量。
2. 網絡架構
廣泛采用的網絡架構主要有天星地網、天基網絡、天網地網等類型。天星地網架構技術比較成熟，應用廣泛，但不適合在我國應用。天基網絡架構在安全性、抗毀性、獨立性方面有優勢，但因脫離地面獨立運行，提高了對星上處理和星間信息傳輸能力的要求，且技術復雜程度高、系統建設和維護成本高，難以在商業層面全面推廣應用。天網地網架構通過天、地網絡的配合，充分利用天基網絡的廣域覆蓋能力和地面網絡的強大傳輸與處理能力，降低了整個系統的技術復雜度和成本。
3. 業務分類
當前，空間業務朝著采用IP方式承載方向發展，單系統呈現出從單業務的到多業務發展趨勢。寬帶全球衛星（WGS）、Iridium Next 等系統的演進版本均逐漸支持多樣化接入業務，構建實時通信、空間目標監視、導航定位等多種業務支持能力。天基網絡和地面網絡提供的服務業務也趨于同步。
我國正處于推進天基信息網、未來互聯網、移動通信網全面融合發展的初級階段。2016年，天地一體化信息網絡重大項目列入國家“十三五”規劃綱要和《“十三五”國家科技創新規劃》；2020年，衛星互聯網確定為“新型基礎設施建設”的信息基礎設施之一。科研院所和相關企業大力發展低軌小衛星星座，如鴻雁星座、虹云工程等，相關試驗衛星已完成在軌關鍵技術驗證。在積極發展天基網絡的同時，我國繼續發展新一代高通量通信衛星，先后發射了“實踐十三號”“亞太6D”以及新技術體制試驗衛星“實踐二十號”；高通量通信衛星對地覆蓋范圍越來越完善，通信容量越來越大，逐步成為我國地面網絡基礎設施的重要拓展形式。相關天基信息系統的基本情況如表2所示。
表2 我國代表性天基信息系統
衛星容量是衛星通信服務質量的重要指標，決定了衛星服務用戶的數量和單用戶的通信能力。“亞太 6D”衛星容量為 50 Gbps，是“實踐十三號”衛星的 2.5 倍，但與美國同類衛星相比仍然差距明顯。美國 ViaSat-2 寬帶衛星的容量為300 Gbps，是“亞太 6D”衛星的 6 倍（體積和重量也是“亞太 6D”衛星的數倍）。美國擬在 2022 年發射的 ViaSat-3 衛星，容量將進一步提升至 1 Tbps。
空間激光通信具有豐富的帶寬資源、較窄的波束發散、較低的載荷質量和功耗，是實現衛星節點間、衛星與地面節點間大容量傳輸的重要手段。近年來，我國空間激光通信技術取得長足進展，已實現高軌對地 5 Gbps 通信速率試驗，達到國際一流水平；但在軌工程化應用時，出現鏈路無法連通、放大器燒毀、傳輸速率不達標等諸多問題，尚未達到長時間穩定使用狀態。德國歐洲數據中繼系統（EDRS）衛星在 2016 年實現了高低軌間星間激光通信的工程化應用，通信速率為 1.8 Gbps，至今仍正常工作。
在軌衛星數量是制約陸海空天一體化信息網絡能力的重要因素。美國自 20 世紀 90 年代開始部署運營“銥星”“全球星”等星座，當前正在規模化建設 Starlink 星座，而我國尚未有大規模星座的工程建設與運營經驗。Starlink 等新興衛星互聯網項目采用互聯網思維，借鑒汽車制造理念，大幅降低生產成本，提高衛星制造能力；衛星的周產量可達 16 顆，每顆小衛星成本降低至 50 萬美元。反觀我國，通信衛星仍采用傳統工程研制模式，即使技術成熟后也需要兩年的整星研制周期，不具備快速大規模的部署能力。
我國現有的通信衛星、中繼衛星，正在建設的寬帶星座等均獨立發展，尚未形成統一的標準體系，各系統技術體制不同，難以實現不同網絡用戶間的高效通聯。天基信息網絡與地面網絡發展不均衡，難以形成“一張網”，陸海空天一體化需要深度融合發展。對比之下，美國提出以TSAT系統為基礎來融合AEHF和地面柵格網等項目的規劃；歐洲提出構建融合的ISICOM信息基礎設施構想并啟動先期工作。2018年，國際電信聯盟（ITU）成立了網絡2030焦點組，將衛星接入作為未來網絡的特征之一；2019年，電氣與電子工程師協會（IEEE）召開第一屆全球6G無線峰會，促使空天地一體化立體網絡覆蓋成為學術與工程界的普遍共識。
我國迫切需要構建“全球覆蓋、安全可控”的信息網絡，然而限于基本國情，無法采用天星地網架構，通過全球建站的方式實現信息落地與交互。因此，陸海空天一體化信息網絡宜采用天網地網的網絡結構，主要包括核心層、接入層、用戶側（見圖 1）。
圖1 陸海空天一體化信息網絡的物理架構圖
陸海空天一體化信息網絡核心層采用天地雙骨干架構。
地基部分由傳統地面核心網（如地面光纖網、海底光纜網等）和衛星地面站網組成，即地基衛星地面網和傳統核心網融合骨干網（簡稱“地骨干”），是整個網絡的核心部分，主要實現網絡控制、資源管理、協議轉換、信息處理、融合共享等功能，負責整個網絡的管理控制和運行。
天基部分指由高軌星座、中軌星座和低軌星座組成的天基高中低軌混合骨干網（簡稱“天骨干”），具備一定的接入控制、用戶管理、信息處理及業務承載能力，提供寬帶接入、骨干互聯、中繼傳輸、天基測管控等多種業務，也可拓展提供導航增強、星基監視等業務。
陸海空天一體化信息網絡的網絡空間范圍極大，涵蓋海底、海面、陸地、空中、近地空間、地球空間、地月空間、深空，相應用戶種類多樣。采用天地雙骨干構建核心層，建設“天地一張網”，發揮天地網絡的互補優勢，形成網絡架構一體設計、頻率資源協調使用、業務應用無縫融合、用戶服務協同保障的一體化信息網絡核心層，有效提升用戶接入能力和異構網絡融合能力，優化系統服務效能。
陸海空天一體化信息網絡接入層是核心層的拓展，負責用戶的接入，包括地月空間延展網、天基無線專用網、空基無線專用網、海基無線專用網、地面局域網、移動通信接入網。
①地月空間延展網是為提供地月空間信息服務而進行的拓展延伸，構建全天時、大尺度、寬帶高速的地月空間通信網絡，提供全天時不間斷通信保障，實現地月間信息的高效可靠交互；
②天基無線專用網由多顆衛星或星座組網構成，作為核心層的用戶網絡來承接其他各類用戶的接入；
③空基無線專用網通常由飛機、臨近空間飛艇、無人機等組網構成，作為核心層的用戶網絡來承接其他各類用戶的接入；
④海基無線專用網通常由各類水面艦艇、水上浮臺等組網構成，作為核心層的用戶網絡來承接其他各類用戶的接入；
⑤地面局域網與地骨干中的傳統地面核心網、地面用戶結合，即當前所使用的地面互聯網；
⑥移動通信接入網與地骨干中的傳統地面核心網、地面用戶結合，即當前所使用的地面移動網。
陸海空天一體化信息網絡的天地雙骨干架構、地月空間延展網等各類接入層網絡，主要面向政府、軍隊、企業等領域開展應用，按照“網絡拓展、服務延伸”思路，將傳輸組網、應用服務、安全防護、運維管控等功能向用戶端延伸并與用戶應用集成，形成滿足地面、海基、空基、天基等不同用戶需求的應用系統。
（一）強化網絡架構、技術體制、應用服務支撐體系的深度融合
①在網絡架構融合方面，建議打破傳統衛星和地面網絡各自封閉發展的局面，從邏輯功能、功能部署、協同服務3個維度設計一體化多維融合的共用網絡，使網絡系統組件趨于通用化、接口趨于標準化、運營趨于集中化。
②在技術體制融合方面，建議采用統一的核心網支持天基互聯網、地面移動通信網的共管共享機制，借鑒5G接入網架構設計，按照軟件定義、高低軌統一的思路來設計可變參數集的一體化空口接入技術體制。
③在應用服務支撐體系融合方面，建議采用云網融合的設計思路，部署天基信息港、輕量化天基邊緣計算平臺，實現在軌云邊協同處理；與地面信息港融合，為各垂直行業及融合應用提供能力開放、扁平高效、廣域時敏的應用服務支撐平臺。
（二）推進通信、導航、遙感等系統融合，建立綜合化服務的空間信息網絡
多種空間服務能力的融合應用，有助于提升對全球突發事件應急處置能力，促進天基信息商業化服務產業的發展，這是支撐我國實現制信息權的基礎。建議以“一星多用、多星組網、多網融合、實時服務”為目標，通過跨系列、跨星座衛星的組網及與地面網絡深度融合的方式，基于科學合理、按需服務的任務規劃及多中心協同服務的模式，提供多類型、高質量、穩定可靠、規模化的空間數據、通信、導航、遙感等綜合服務，支撐各行業的綜合應用。
陸海空天一體化信息網絡是我國避免受制于人，實現網絡強國的重要基礎設施之一，應確保其設計、研制、建設、運營過程的自主可控。建議合理保持對天基交通信息管理、感知網絡、空間通信等領域標準體系自主研發、基礎器部件研制與產業化的投入，盡快改變標準靠國外、技術靠引進、產業受制約的現狀；提高相關應用領域的國產化替代水平，通過產品替代升級拉動內需，促進國民經濟的循環發展。
陸海空天一體化信息網絡具有節點暴露、信道開放、異構網絡互連、拓撲高度動態變化、星上處理能力受限等特點，加之與互聯網進行融合，易受外部網絡攻擊，特別在測控鏈路、星地組網、應用服務系統、信息監管方面存在安全隱患。建議按照“體系彈性、安全內生、動態賦能”的思路，強化通信與安全防護一體化融合設計；采用新型抗干擾波形、頻譜認知無線電、組網認證與接入鑒權、多安全等級的差異化網絡安全互聯與隔離、安全防護設備動態重構等技術，確保融合網絡的安全可靠。
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