空間信息網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢及關(guān)鍵技術(shù)

王大鵬 趙培 劉立祥 （中國科學(xué)院軟件研究所天基綜合信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

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空間信息網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢及關(guān)鍵技術(shù)

王大鵬 趙培 劉立祥 （中國科學(xué)院軟件研究所天基綜合信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金No.91438207、No.91438102；中國科學(xué)院國防科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目CXJJ-15S128

空間信息網(wǎng)憑借衛(wèi)星得“天”獨(dú)厚的優(yōu)勢，對廣域空間信息資源進(jìn)行一體化組織與處理，是具有按需服務(wù)能力的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施?？臻g信息網(wǎng)是由不同軌道上不同種類、不同性能的衛(wèi)星或星座系統(tǒng)以及相應(yīng)的地面設(shè)施，按照信息資源的最大有效綜合利用原則，通過星地、星間鏈路構(gòu)成的天地一體化綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠集信息獲取、信息分發(fā)、信息處理于一體，以最小的代價(jià)獲取盡可能廣泛、實(shí)時(shí)的信息，并快捷地發(fā)送到各終端，已經(jīng)成為軍民信息應(yīng)用領(lǐng)域不可缺少的重要系統(tǒng)。

空間信息網(wǎng)綜合了軍民兩用的多種航天系統(tǒng)，包括遙感監(jiān)測、導(dǎo)航定位、通信廣播、氣象等應(yīng)用。傳統(tǒng)的各類衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)分離的控制中心通過網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)從單一平臺轉(zhuǎn)移到綜合信息網(wǎng)絡(luò)上，能夠?qū)崿F(xiàn)陸?？仗煨畔⑷诤瞎蚕?，實(shí)現(xiàn)不同信息獲取和應(yīng)用組織的跨域信息互通互操作，并最終實(shí)現(xiàn)信息在軍事和民用領(lǐng)域全天時(shí)、全天候、全方位的無縫支持。

1　空間信息網(wǎng)應(yīng)用需求

廣域信息感知需求

空間信息系統(tǒng)中的遙感衛(wèi)星、測繪衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等為大時(shí)空廣度、多譜段的信息獲取提供了技術(shù)手段，多顆遙感衛(wèi)星組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)對指定區(qū)域的連續(xù)探測。通過分散的傳感器信息集成，預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)可以在彈道導(dǎo)彈的助推段發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，提供預(yù)警信息，擴(kuò)展了地面雷達(dá)和預(yù)警機(jī)的預(yù)警范圍，為反導(dǎo)作戰(zhàn)贏得寶貴的準(zhǔn)備時(shí)間。測繪衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星可以提供戰(zhàn)場的詳細(xì)信息，縮短了信息獲取時(shí)間，為作戰(zhàn)決策提供有力的支持。

通信和指揮控制需求

與地面通信網(wǎng)相比，天基信息系統(tǒng)不受地域、地形的影響，能夠完成快速組網(wǎng)，短時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的終端用戶接入，為災(zāi)害救援、聯(lián)合作戰(zhàn)、遠(yuǎn)洋編隊(duì)等任務(wù)提供廣域通信支持?？臻g信息網(wǎng)在衛(wèi)星通信中能夠?qū)崿F(xiàn)大容量交換、廣域的系統(tǒng)覆蓋和實(shí)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)，具備無縫的互聯(lián)、互通、互操作和高強(qiáng)度安全防護(hù)能力。基于實(shí)時(shí)高效、前沿到達(dá)的通信手段，能夠減少指揮層級實(shí)現(xiàn)扁平化的快速決策和響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域、跨地域的聯(lián)合行動。

信息融合需求

為實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)提取和高效分發(fā)利用，空間信息網(wǎng)利用星載信息處理技術(shù)，可以直接從遙感圖像信息中提取有效信息并下傳給用戶，不僅大幅度降低了數(shù)傳信道壓力，還能顯著提高信息產(chǎn)品的時(shí)效性?；诳臻g多源信息獲取平臺，利用空間信息處理技術(shù)對信息進(jìn)行自動化融合處理，能夠極大提高信息獲取的準(zhǔn)確性、目標(biāo)提取的實(shí)時(shí)性和信息分發(fā)的目的性。

信息綜合應(yīng)用需求

為發(fā)揮空間信息網(wǎng)的綜合優(yōu)勢，滿足綜合應(yīng)用需求，逐步組建對地觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，提高信息獲取能力；建立全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，增強(qiáng)精度、抗干擾能力；使各類空間信息網(wǎng)設(shè)施互聯(lián)互操作，滿足綜合應(yīng)用的效能要求?？臻g信息網(wǎng)的綜合應(yīng)用能夠及時(shí)協(xié)調(diào)并組織天空地武裝力量，精確、快速地獲取戰(zhàn)場態(tài)勢，協(xié)同調(diào)配我方的戰(zhàn)斗力，掌握未來戰(zhàn)場的主動權(quán)。

2　空間信息網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢

空間信息網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)歷了“單星系統(tǒng)-單層衛(wèi)星系統(tǒng)-多層衛(wèi)星系統(tǒng)”三個(gè)發(fā)展階段，目前正向“異構(gòu)多功能衛(wèi)星系統(tǒng)”，即空間信息網(wǎng)發(fā)展演進(jìn)。空間信息網(wǎng)的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)了空間衛(wèi)星系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和一體化，將系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過星間鏈路、星地鏈路有效地組織起來，提高系統(tǒng)的靈活性、機(jī)動性和智能化。因此，通信網(wǎng)絡(luò)化、衛(wèi)星智能化、深空通信等成為未來空間信息網(wǎng)發(fā)展的熱點(diǎn)方向。

空間組網(wǎng)通信

2001年美軍提出軍事轉(zhuǎn)型計(jì)劃，支持美國大陸和政府網(wǎng)絡(luò)間的通信。相互連接以后，以前區(qū)域性的網(wǎng)絡(luò)可連接到空間信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)，支持用戶、處理中心和存檔中心間的信息交換。隨著空間路由技術(shù)的發(fā)展，美國開展了“思科低軌衛(wèi)星路由器”（CLEO）研究計(jì)劃。該計(jì)劃的目標(biāo)是在低軌衛(wèi)星上搭載互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）路由器，實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包在空間的路由和交換。2004年11月-2005年3月，美國航空航天局（NASA）對星載路由器分別進(jìn)行了4次星地之間的IP路由測試，測試證明在低軌衛(wèi)星上搭載IP路由器是可行的。但同時(shí)也存在IP路由服務(wù)時(shí)間非常短、星地時(shí)鐘同步校對時(shí)間長等問題。

美國國防部于2006年開展“太空互聯(lián)網(wǎng)路由”（IRIS）計(jì)劃。在地球同步衛(wèi)星空間環(huán)境下，測試評估星載IP路由器的工作性能以及對IP業(yè)務(wù)傳輸與路由的影響。衛(wèi)星發(fā)射成功后將構(gòu)建以星上IP路由器為交換核心的IRIS網(wǎng)絡(luò)，為美軍提供話音、視頻和數(shù)據(jù)通信服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)分組業(yè)務(wù)的“一跳”轉(zhuǎn)發(fā)。

2006年，美國NASA啟動了執(zhí)行期到2025年的“空間通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)”（SCaN）項(xiàng)目，以支持太陽系空間飛行器的通信與導(dǎo)航為目標(biāo)，開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的空間通信與導(dǎo)航系統(tǒng)，構(gòu)建統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與通信協(xié)議，滿足太空探索任務(wù)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，支持月球與火星載人探測的通信與導(dǎo)航任務(wù)，保障現(xiàn)有空間飛行器的數(shù)據(jù)傳輸、飛行器的定位與跟蹤等，該網(wǎng)絡(luò)包括近地網(wǎng)絡(luò)、空間網(wǎng)絡(luò)和深空網(wǎng)絡(luò)。

NASA綜合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

為滿足未來空間任務(wù)的需求，美國NASA規(guī)劃了一個(gè)具有綜合網(wǎng)絡(luò)管理和標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)接口的綜合體系結(jié)構(gòu)，包括如微波組陣、光通信和新導(dǎo)航能力等新技術(shù)，并計(jì)劃在將來能夠?qū)崿F(xiàn)空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。該綜合網(wǎng)絡(luò)具有向用戶提供所有SCaN資源來支持其任務(wù)的能力，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化應(yīng)用，高效地滿足NASA任務(wù)的總需求。2012年初，NASA在“國際空間站”進(jìn)行了一體化通信試驗(yàn)床項(xiàng)目的搭載試驗(yàn)，在利用軟件無線電技術(shù)搭建的驗(yàn)證平臺上對SCaN一體化通信進(jìn)行軟硬件配置試驗(yàn)，在一體化通信終端上實(shí)現(xiàn)了“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”（TDRSS）、“全球定位系統(tǒng)”（GPS）和近地網(wǎng)絡(luò)在K/S/L多個(gè)頻段上的互聯(lián)和一體化通信。

星載高速信息處理

星載信息處理載荷通過智能處理技術(shù)能夠從遙感圖像信息中提取有效信息直接下傳給用戶。目前，世界上發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將星載信息處理載荷應(yīng)用于多種類型的業(yè)務(wù)衛(wèi)星，使空間信息獲取系統(tǒng)不僅能獲取數(shù)據(jù)，并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行聚集和系統(tǒng)化處理，變成用戶容易接受的形式，形成用戶可直接利用的信息。美國計(jì)劃大力發(fā)展星上信息“融合”技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像壓/擴(kuò)技術(shù)等，經(jīng)星上處理后的信息，可供用戶實(shí)時(shí)采用。

深空探測組網(wǎng)

20世紀(jì)末美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）資助NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）進(jìn)行名為“行星際互聯(lián)網(wǎng)”（IPN）的研究計(jì)劃，該計(jì)劃比“思科低軌衛(wèi)星路由器”等研究計(jì)劃涵蓋的范疇更大，將應(yīng)用于火星等其他行星的科學(xué)研究上。系統(tǒng)構(gòu)成包括行星網(wǎng)、行星際擴(kuò)展網(wǎng)、行星際骨干網(wǎng)三部分。美國國防高級研究計(jì)劃局基于IPN的體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合地面移動網(wǎng)絡(luò)、AdHoc網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等受限網(wǎng)絡(luò)的特征，提出了容延遲網(wǎng)絡(luò)（DTN）。DTN可以處理具有間歇式連接和大傳輸延遲特性的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題。其相關(guān)組件主要由消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、節(jié)點(diǎn)與端點(diǎn)機(jī)制、命名與尋址機(jī)制、路由與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、安全機(jī)制、服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制和匯聚層適配器組成，相關(guān)協(xié)議在開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）層次模型中處于傳輸層之上，應(yīng)用層之下。

容延遲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

信息系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用

衛(wèi)星信息實(shí)時(shí)應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)目的的需求日益凸顯。為解決前線基層作戰(zhàn)人員無法實(shí)時(shí)按需獲取戰(zhàn)區(qū)情報(bào)的問題，美國國防高級研究計(jì)劃局于2012年3月12日提出了“提高軍事作戰(zhàn)效能的空間系統(tǒng)”（SeeMe）項(xiàng)目發(fā)展構(gòu)想，該項(xiàng)目實(shí)質(zhì)上是以低成本為最高優(yōu)先級，通過創(chuàng)新衛(wèi)星研制模式、創(chuàng)新圖像獲取和處理技術(shù)、創(chuàng)新發(fā)射部署模式，設(shè)計(jì)能夠按需滿足戰(zhàn)術(shù)需求的小衛(wèi)星星座系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)從地面用戶直接向衛(wèi)星提出成像請求到接收圖像數(shù)據(jù)不超過90min。

在空間信息的綜合利用方面，美國針對如何從大數(shù)據(jù)中自動化、智能化地識別最有價(jià)值的信息，并進(jìn)行分析處理，幫助指戰(zhàn)員更好地做出決策，美國國防高級研究計(jì)劃局在2010年后推出了多個(gè)項(xiàng)目，如“洞察”（Insight）火星著陸器等。項(xiàng)目針對情報(bào)、偵察和監(jiān)視（ISR）系統(tǒng)中各類圖像和非圖像數(shù)據(jù)，研究自動化的形象推理功能，輔助情報(bào)分析人員更快地發(fā)現(xiàn)攻擊威脅等有價(jià)值的情報(bào)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)綜合作戰(zhàn)視圖、增強(qiáng)時(shí)敏戰(zhàn)場作戰(zhàn)保障。該項(xiàng)目2013年進(jìn)入了第二階段，進(jìn)一步增強(qiáng)綜合、分析、集成多源信息能力。

3　空間信息網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

空間信息網(wǎng)組網(wǎng)及傳輸技術(shù)

空間信息網(wǎng)以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為骨干，聯(lián)合深空網(wǎng)絡(luò)、臨近空間網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成，包括各個(gè)軌道層面和深空執(zhí)行不同任務(wù)的衛(wèi)星及航天系統(tǒng)。這種高度綜合性的網(wǎng)絡(luò)打破了異構(gòu)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享的壁壘，能夠有效地綜合利用各種資源（包括軌道資源、載荷資源、通信資源等），不僅可以提供一體化的偵察、導(dǎo)航、指揮通信等服務(wù)，也可以為隨遇接入、廣播通信、氣象預(yù)報(bào)、應(yīng)急救援等提供全域、全時(shí)的支持。

空間信息網(wǎng)是一個(gè)稀疏網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間空間距離大，信息傳輸時(shí)延超出了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議的適應(yīng)范圍，星地網(wǎng)絡(luò)的上下行鏈路傳輸帶寬不對稱，不同的衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)中星間網(wǎng)絡(luò)具有異構(gòu)特性，需要針對大時(shí)間/空間尺度、異質(zhì)異構(gòu)、鏈路不對稱等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)、近地空間、行星際網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和互聯(lián)。

空間信息網(wǎng)組成示意圖

以基于IP的空間組網(wǎng)體系架構(gòu)，形成一體化空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，達(dá)到資源高效利用、協(xié)調(diào)利用和優(yōu)化利用的目的。研制即插即用的IP業(yè)務(wù)接入控制技術(shù)，定制衛(wèi)星IP業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證機(jī)制，根據(jù)軍事應(yīng)用的特殊需求，設(shè)計(jì)適合于寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的QoS保證機(jī)制。通過傳輸控制協(xié)議（TCP）增強(qiáng)技術(shù)，針對空間網(wǎng)絡(luò)鏈路和傳輸特點(diǎn)，研制基于速率的傳輸控制方法，并通過點(diǎn)到點(diǎn)的錯誤恢復(fù)機(jī)制提升傳輸可靠性。將其與地面信息傳輸協(xié)議進(jìn)行融合，達(dá)到針對空間、無線、有線網(wǎng)絡(luò)的分段有效控制，實(shí)現(xiàn)信息高效可靠傳輸。開展基于IP協(xié)議的星地一體演示驗(yàn)證工作，將IP交換設(shè)備送入太空，重視衛(wèi)星終端和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，循序漸進(jìn)推進(jìn)基于IP協(xié)議的寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

通過空間信息網(wǎng)一體化組網(wǎng)需求和技術(shù)特點(diǎn)的分析，可以提出面向兩級空間網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用一體化的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)滿足兩級網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和通信傳輸需要，協(xié)議棧架構(gòu)模型如下圖所示。

空間信息網(wǎng)協(xié)議體系

以跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、寬帶衛(wèi)星為核心構(gòu)建空間高速骨干網(wǎng)絡(luò)，以遙感信息獲取、氣象環(huán)境監(jiān)測等專用衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)成空間信息接入網(wǎng)絡(luò)。在骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)內(nèi)部采用基于國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）定義的空間通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)體系，研究適用于星座組網(wǎng)和星間信息轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸控制協(xié)議、動態(tài)路由協(xié)議、接入和管理協(xié)議等核心軟件?？臻g骨干網(wǎng)與接入網(wǎng)的系統(tǒng)互聯(lián)方面，重點(diǎn)解決異構(gòu)系統(tǒng)信息一體化傳輸問題，采用基于高級在軌系統(tǒng)（AOS）的空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、星間/星地一體化的路由算法，實(shí)現(xiàn)信息高效轉(zhuǎn)發(fā)，直接支持地面及近地空間用戶的信息實(shí)時(shí)應(yīng)用需求。

骨干網(wǎng)星間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是面向同構(gòu)系統(tǒng)的星座內(nèi)部信息網(wǎng)。系統(tǒng)內(nèi)各衛(wèi)星需要根據(jù)任務(wù)進(jìn)行信息的交互和協(xié)同，是面向應(yīng)用的信息網(wǎng)絡(luò)，主要研究基于特定任務(wù)協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。采用基于“空間通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”（SCPS）的協(xié)議棧，具備傳輸控制、路由、星間鏈路通信等較完善的協(xié)議能力。

空間接入網(wǎng)的接入互聯(lián)協(xié)議是面向異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)交互的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。異構(gòu)系統(tǒng)間，低軌用戶衛(wèi)星可以借助中高軌骨干衛(wèi)星的通信鏈路轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或完成工程測控。信息傳輸協(xié)議棧采用通用化的鏈路通信協(xié)議，與骨干星座鏈路互聯(lián)互通，完成信息在不同鏈路或系統(tǒng)中的幀格式轉(zhuǎn)換，并通過具體協(xié)議設(shè)計(jì)提高網(wǎng)絡(luò)尋址和鏈路成幀效率，兼容地面網(wǎng)絡(luò)的星地一體化路由，完成面向信息轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。

空間信息網(wǎng)安全技術(shù)

為了保證空間信息系統(tǒng)中信息獲取、傳輸、存儲、處理、融合及分發(fā)過程的安全性功能，需要針對星間網(wǎng)絡(luò)的特征和空間信息系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度加密認(rèn)證等安全協(xié)議技術(shù)，使星間組網(wǎng)通信能夠得到安全控制和可靠保障，并延伸保證與其他信息系統(tǒng)互聯(lián)和信息共享的安全可控。探索有效的安全體系構(gòu)建、安全策略實(shí)施及安全/性能綜合評估驗(yàn)證分析方法，滿足天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的資源約束、效率代價(jià)約束等要求。

分析空間網(wǎng)絡(luò)保密性、可靠性和實(shí)時(shí)性需求，充分利用衛(wèi)星的遠(yuǎn)程傳輸優(yōu)勢和寬帶衛(wèi)星鏈路的廣播特性，設(shè)計(jì)加密、認(rèn)證與編碼過程相融合的基于信息屬性的空間數(shù)據(jù)安全傳輸機(jī)制，保證空間數(shù)據(jù)在傳輸過程中始終處于安全可控狀態(tài)，并能夠結(jié)合空間信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點(diǎn)和任務(wù)需求進(jìn)行基于信息屬性的安全傳輸優(yōu)化，有效提升空間數(shù)據(jù)傳輸安全性和時(shí)效性。

針對具有周期星歷和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓男l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，圍繞空間組網(wǎng)安全需求，研究支持空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的入網(wǎng)鑒權(quán)技術(shù)，入網(wǎng)鑒權(quán)協(xié)議以哈希和異或運(yùn)算為主，運(yùn)算量小，能夠抵抗冒充、篡改、重放等常見攻擊，并能針對空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的周期星歷和移動終端移動規(guī)律，有效降低協(xié)議的計(jì)算復(fù)雜度和平均傳輸延遲。

空間信息網(wǎng)安全協(xié)議層次

空間信息處理技術(shù)

在有限的資源條件下，獲取高性能、高效率的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，為星上數(shù)據(jù)處理提供穩(wěn)定可靠的運(yùn)行環(huán)境，是星上高性能計(jì)算技術(shù)的主要研究內(nèi)容。采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實(shí)現(xiàn)算法加速，提高處理能力。早期的算法加速多采用DSP技術(shù)，近年來，國際先進(jìn)的航天工程多采用FPGA實(shí)現(xiàn)其算法加速，可以實(shí)現(xiàn)大量片內(nèi)并行的簡單單元計(jì)算器，以并行計(jì)算體系結(jié)構(gòu)提高整體計(jì)算能力，非常適合圖像信息處理。

在軌功能重構(gòu)技術(shù)是指能夠?qū)PGA等可編程邏輯器件進(jìn)行功能的重新配置，器件功能重配置后，新的邏輯功能就可正常使用的技術(shù)。這樣，該系統(tǒng)中就形成了最靈活的動態(tài)重構(gòu)平臺，在系統(tǒng)軟件的管理下，這一硬件平臺能夠非常高效地支持在軌功能重構(gòu)。可重注入和加速部件用于實(shí)現(xiàn)算法加速功能，提高單個(gè)處理節(jié)點(diǎn)的處理能力；實(shí)現(xiàn)加速部件的動態(tài)功能更新，以支持不同的應(yīng)用；支持軟件重注入功能。

4　總結(jié)

由于空間環(huán)境的特殊性、資源的動態(tài)性以及計(jì)算能力的約束，如何保證空間信息網(wǎng)在約束環(huán)境下的高性能信息傳輸和處理是進(jìn)行空間網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，要面向空間網(wǎng)絡(luò)任務(wù)需求開展自感知、自調(diào)整、自防護(hù)、自優(yōu)化的智能的空間信息網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究。設(shè)計(jì)并完善空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，集成空間上分布、異構(gòu)的各種衛(wèi)星資源，實(shí)現(xiàn)跨衛(wèi)星平臺、天地一體的高性能網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合，為用戶提供一體化的信息傳輸、處理、分發(fā)服務(wù)。通過確保信息可用性、完整性、機(jī)密性和可管理性，引入保護(hù)、檢測和反應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)保護(hù)信息內(nèi)容和空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全防護(hù)目的。利用虛擬化、分布式計(jì)算等技術(shù)，突破傳統(tǒng)衛(wèi)星單獨(dú)計(jì)算的局限性，將分布式計(jì)算技術(shù)融入到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中，提升衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的性能，提高衛(wèi)星處理能力。

祁首冰/本文編輯

Development Trend and Key Technologies of Space Information Network