天基物聯(lián)網(wǎng)：基本概念、體系架構及發(fā)展趨勢*

李 凱，李 峰，楊偉銘

(軍事科學院系統(tǒng)工程研究院，北京 100171)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上延伸和擴展的網(wǎng)絡，它利用多種傳感設備對物理世界進行感知與識別，通過信息網(wǎng)絡傳輸感知數(shù)據(jù)，并對其進行計算、處理和分析，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的信息交互，達到對物理世界管理、控制與決策的目的[1-2]。自1999年物聯(lián)網(wǎng)的概念提出至今，已過去了20多年的時間[3]。伴隨這些年來信息通信、計算機、傳感器等技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)逐步從概念走向實踐與應用。美國、歐盟、日本、韓國等發(fā)達國家和地區(qū)均高度重視物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展與應用，展開了持續(xù)深入的研究[4-10]。我國在2010年就將物聯(lián)網(wǎng)寫入政府工作報告[11]，從戰(zhàn)略角度布局其研發(fā)與應用[12-14]。在5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的支撐下，物聯(lián)網(wǎng)或將成為新一次信息產(chǎn)業(yè)革命的代表，并對社會發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

天基信息網(wǎng)絡是地面信息網(wǎng)絡向太空的延伸和擴展，它是隨著航天技術、通信技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展而成長起來的[15]。天基信息網(wǎng)絡以衛(wèi)星通信技術為基礎，與地面信息網(wǎng)絡相比，具有覆蓋范圍廣、抗毀能力強等優(yōu)勢，可以接入地面通信無法或難以接入的終端用戶，且能夠在自然災害等惡劣環(huán)境下繼續(xù)發(fā)揮作用[15-18]。衛(wèi)星軌道和頻段屬于稀缺資源，爭奪激烈[15,19]，世界各航天強國均大力發(fā)展各自的天基信息網(wǎng)絡。美國對天基信息網(wǎng)絡的研究較早[20-24]，歐盟、俄羅斯等也開展了相應的研究。我國1999年就召開了天基綜合信息網(wǎng)絡研討會，2016年實施天地一體化信息網(wǎng)絡重大工程[25]，2020年將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列入“新基建”范圍[26]，有望加速天基信息網(wǎng)絡的建設。

將天基信息網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng)的概念進行結合，就形成天基物聯(lián)網(wǎng)的概念。天基物聯(lián)網(wǎng)利用天基信息網(wǎng)絡和各種傳感器將地球上的人、物等連接起來進行信息交互，并通過對信息的分析處理實現(xiàn)對物理世界的管理、控制和決策。與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)相比，天基物聯(lián)網(wǎng)具有諸多優(yōu)勢，如覆蓋范圍更廣，能夠實現(xiàn)天空地海的三維空間立體覆蓋；能夠感知和連接地面網(wǎng)絡無法到達的地方，如沙漠、海洋、偏遠山村等；感知節(jié)點部署在太空，因此具有更強的抗毀能力。天基物聯(lián)網(wǎng)具備天基信息網(wǎng)絡的所有優(yōu)勢，并帶有物聯(lián)網(wǎng)連接萬物的特征，這使得天基物聯(lián)網(wǎng)能夠實現(xiàn)全球感知、全球物聯(lián)、全球應用等功能。進入21世紀，自然災害監(jiān)測、衛(wèi)星資源搶奪、偏遠地區(qū)物聯(lián)感知等現(xiàn)實需求都為天基物聯(lián)網(wǎng)建設提供了必要條件。天基物聯(lián)網(wǎng)將能夠在自然資源、交通運輸、生態(tài)環(huán)境、國防軍事等多個領域發(fā)揮作用。例如，天基物聯(lián)網(wǎng)通過天基傳感器能夠感知大區(qū)域范圍的自然環(huán)境要素，服務于自然資源監(jiān)測；通過天基傳輸網(wǎng)絡為交通運輸領域建立天地一體、全球覆蓋的交通運輸信息化基礎通信信息網(wǎng)絡；在森林、濕地、鳥群等場景中布設相應的傳感器，并通過天基網(wǎng)絡進行信息傳輸處理，對自然生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測；在國防軍事中用于全球偵察監(jiān)視與預警等，服務于國家戰(zhàn)略安全。

當前已有文章對天基物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀、關鍵技術進行了綜述：文獻[27]討論了天基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要任務應用程序，分析了其關鍵任務應用和部署問題；文獻[28]認為，開放性問題、新挑戰(zhàn)和創(chuàng)新技術已成為天基物聯(lián)網(wǎng)的研究重點，并分析了當前物聯(lián)網(wǎng)標準化框架將對天基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的適用性。本文則著眼于天基物聯(lián)網(wǎng)的實際建設應用和未來發(fā)展趨勢，在概述天基物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，介紹了天基物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和體系架構，分析了天基物聯(lián)網(wǎng)未來的技術發(fā)展趨勢，可為天基物聯(lián)網(wǎng)的論證與實施提供參考，同時更具有實際應用價值。

1 天基物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前在學術界和產(chǎn)業(yè)界對于天基物聯(lián)網(wǎng)還未形成明確的概念，但是天基通信、遙感、導航等網(wǎng)絡的建設已經(jīng)取得了很大進展，有些系統(tǒng)已經(jīng)或基本建設完成。基于天基信息網(wǎng)絡，美國等國家也開展了數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、管理、控制等應用，這些應用都屬于天基物聯(lián)網(wǎng)的范疇；同時也出現(xiàn)了一些以天基物聯(lián)網(wǎng)為建設目標的星座計劃。

美國在本世紀初就提出并逐步實施了星間互聯(lián)網(wǎng)(Interplanetary Internet,IPN)[20,29]、下一代太空互聯(lián)網(wǎng)(Next Generation Space Internet,NGSI)[21]等衛(wèi)星通信系統(tǒng)項目，對衛(wèi)星組網(wǎng)、通信協(xié)議體系等天基信息網(wǎng)絡的關鍵技術展開研究。隨著火箭回收和小衛(wèi)星等技術的發(fā)展，衛(wèi)星制作、發(fā)射與運行的成本大幅下降，商業(yè)公司開始參與大規(guī)模低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究與建設，如美國One Web、SpaceX等商業(yè)公司均提出自己的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃并進入了建設階段。歐盟和俄羅斯也發(fā)展了各自的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡計劃。我國已經(jīng)在軌運行了天通系列等高軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，但是低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)部署相對較慢。近幾年，航天科技、航天科工等集團分別提出建立“鴻雁”“虹云”等衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座項目并開展實施。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列入我國新型基礎設施建設等政策支持，我國即將迎來衛(wèi)星通信星座的加速部署與發(fā)展。

在衛(wèi)星傳感器領域，美國早期提出了傳感網(wǎng)(Sensor Web)[30-31]、智能地球觀測衛(wèi)星(Intelligent Earth Observing Satellite，IEOS)[32]等項目，對衛(wèi)星傳感器的集成應用和信息融合處理開展研究。美國Planet Labs、EarthNow、歐盟的空中客車等商業(yè)公司均開展構建對地觀測的衛(wèi)星星座，其中Planet Labs已經(jīng)能夠提供全球地球影像的每日更新能力。我國2010年啟動了國家重大專項高分辨率對地觀測系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)基本建成了全球對地觀測網(wǎng)絡，下一步重點將轉向應用。隨著中國商業(yè)航天領域的逐步開放，商業(yè)公司也開展了對地觀測衛(wèi)星星座的籌劃，如深圳企業(yè)發(fā)起了“靈鵲”遙感星座計劃，欲實現(xiàn)半天覆蓋全球的目標。

在衛(wèi)星導航領域，美國20世紀70年代就建成了GPS并投入使用。歐盟、俄羅斯、中國近些年來也分別建立了各自的全球定位系統(tǒng)，即“伽利略”(Galileo)、格洛納斯(Glonass)、“北斗”。依托強大的綜合國力，我國最新一代的“北斗”導航定位系統(tǒng)建設迅速，2020年已完成最后一顆衛(wèi)星的發(fā)射部署。我國還開展了基于“北斗”的變電設施監(jiān)控等應用，取得了良好效果。此類應用也屬于衛(wèi)星導航在天基物聯(lián)網(wǎng)領域的應用探索。

作為衛(wèi)星應用的三大領域，通信、導航、遙感的融合與一體化發(fā)展是未來必然的發(fā)展趨勢，也是天基物聯(lián)網(wǎng)建設的基礎。美國提出了全球信息柵格(Global Information Grid，GIG)[33-34]，用于綜合集成美軍在全球部署的傳感器、計算機、武器平臺，建立信息化作戰(zhàn)的空間信息網(wǎng)絡。該項目已經(jīng)具備了天基物聯(lián)網(wǎng)的部分特征。2018年，美國國防高等研究計劃局開展了“黑杰克(Black Jack)”衛(wèi)星星座項目[35]。“黑杰克”計劃與以往項目的不同之處在于其戰(zhàn)略目標是設計出一種通用化的衛(wèi)星平臺，可同時攜帶兩到三種不同載荷，不必再單獨為通信、導航、遙感等載荷各自設計平臺[36]。我國在2000年明確了建設天地一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)的發(fā)展目標，并在2016年實施了天地一體化信息網(wǎng)絡重大工程，這些研究仍以衛(wèi)星通信網(wǎng)絡建設為主，對于遙感、導航等衛(wèi)星，主要從接入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的角度進行了探討。2006年沈榮駿院士[37]提出天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)的概念，從航天測控的角度出發(fā)，將各種衛(wèi)星傳感器連接為一張網(wǎng)絡，但是缺少對衛(wèi)星通信的考慮。李德仁院士[38-40]提出了空天地一體化對地觀測網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)+天基信息服務系統(tǒng)、對地觀測腦等構想，通過采集、傳輸和處理海量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)通信、遙感和導航一體化的天基信息實時服務[41-43]。

當前天基物聯(lián)網(wǎng)的實踐主要是以天基通信網(wǎng)絡為基礎，通過在地面上布設傳感器終端，如定位終端、數(shù)據(jù)采集終端、海洋環(huán)境監(jiān)測儀器等實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用，美國的Orbcomm系統(tǒng)[44]、ARGO系統(tǒng)[45]等均屬于此類應用。航天科工集團提出的天基物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座計劃“行云工程”也屬于此類應用。筆者認為，完整的天基物聯(lián)網(wǎng)將不僅提供地面?zhèn)鞲衅鞯牧硪环N接入方式，還將實現(xiàn)各類天基傳感器的集成與應用，構建天地一體化的信息獲取、傳輸與應用系統(tǒng)。

2 天基物聯(lián)網(wǎng)基本概念與體系架構

2.1 基本概念

結合物聯(lián)網(wǎng)的定義和國內(nèi)外對天基物聯(lián)網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，本文給出天基物聯(lián)網(wǎng)的定義如下：天基物聯(lián)網(wǎng)是指以天基通信網(wǎng)絡為信息傳輸?shù)闹饕绞剑凑仗斓匾惑w化信息網(wǎng)絡的標準通信協(xié)議，利用天基傳感器和地面通信網(wǎng)絡不便于連接的其他傳感器等信息感知裝置獲取物體信息，并通過多種網(wǎng)絡接入技術，將物與物、人與物、人與人連接起來，進行信息交換與通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能的一種能互聯(lián)互通互操作的信息網(wǎng)絡。天基物聯(lián)網(wǎng)是天基信息系統(tǒng)的一種應用模式，它將物聯(lián)網(wǎng)向天基領域延伸。

2.2 體系架構

天基物聯(lián)網(wǎng)的整體架構可以分為技術體系架構和系統(tǒng)體系架構。技術體系架構從天基物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理流程分層級構建，主要包括感知、傳輸、處理和應用四層。從物理空間和功能組成上分解天基物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)體系架構，主要分為空間段、地面段和用戶段。

2.2.1 技術體系架構

考慮到天基信息傳輸與處理的特殊性，參考傳統(tǒng)地面物聯(lián)網(wǎng)技術體系架構，筆者認為將天基物聯(lián)網(wǎng)的技術體系架構分為四層比較合理，四個層級分別為信息感知層、網(wǎng)絡通信層、數(shù)據(jù)管理層和應用服務層。此外，標準規(guī)范體系和信息安全體系貫穿于天基物聯(lián)網(wǎng)的信息感知、傳輸、處理與應用全流程中。天基物聯(lián)網(wǎng)技術體系架構如圖1所示。

圖1 天基物聯(lián)網(wǎng)技術體系架構

2.2.1.1 信息感知層

信息感知層是天基物聯(lián)網(wǎng)與天地一體化信息網(wǎng)絡在技術體系架構上最明顯的區(qū)別，天地一體化信息網(wǎng)絡技術體系架構設計中通常不包含該層。天基物聯(lián)網(wǎng)的信息感知層用于獲取物理世界中物體的幾何、物理屬性和物體狀態(tài)的變化等信息，這些信息數(shù)據(jù)的形式包括各種幾何物理量、編碼標識、圖形圖像、音頻視頻等。信息感知層主要由各種傳感器節(jié)點、信息采集終端和傳感器網(wǎng)絡構成，其中傳感器節(jié)點包括天基傳感器，如分布于不同軌道高度的遙感、電子偵察、預警探測、氣象等衛(wèi)星的有效載荷；還包括地面、空中、海面、水下等廣泛分布于地球表面附近的各種信息采集設備，如射頻識別技術(Radio Frequency Identification Devices，RFID)、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)定位導航終端、激光掃描儀、攝像頭等。這些設備由于遠離市區(qū)等原因不便接入地面通信網(wǎng)絡，只能通過衛(wèi)星通信的手段進行信息傳輸。需要注意的是，多數(shù)天基傳感器可獨立采集物體信息，如各類遙感衛(wèi)星，而有些天基傳感器本身并不具備感知功能，需要配合終端設備才可實現(xiàn)感知功能。例如，定位導航衛(wèi)星必須配合定位終端才可進行定位，因此定位導航衛(wèi)星與定位終端共同構成了天基物聯(lián)網(wǎng)信息感知層的位置感知模塊。除了天基和地球表面附近的傳感器，臨近空間的開發(fā)利用近些年來也逐漸受到重視，此處布設的傳感器若通過通信衛(wèi)星進行信息傳輸，也可納入天基物聯(lián)網(wǎng)的信息感知設備中來。

天基、地面、海面、臨近空間等全球范圍內(nèi)傳感器節(jié)點和信息采集終端可按照應用需求將某一類別的傳感器進行組網(wǎng)，形成同源傳感器網(wǎng)絡，如將數(shù)千個海面浮標組網(wǎng)構成海洋監(jiān)測網(wǎng)；也可將不同類別的傳感器進行組網(wǎng)，由此形成多源異構的傳感器網(wǎng)絡，如綜合利用不同軌道高度、不同分辨率的遙感衛(wèi)星、臨近空間飛艇、有人機、無人機、地面圖像采集車輛、攝像頭等傳感器構建從宏觀到微觀的對地偵察監(jiān)視網(wǎng)絡。

2.2.1.2 網(wǎng)絡通信層

天基物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通信層建設應主要依托于天地一體化信息網(wǎng)絡重大工程的建設。根據(jù)當前天地一體化信息網(wǎng)絡提出的體系架構，由天基骨干網(wǎng)和天基接入網(wǎng)共同構成天基物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡通信層。天基接入網(wǎng)是天基物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關，由分布于低軌的全球移動通信衛(wèi)星星座構成。天基接入網(wǎng)應具備兩方面的功能:一方面是將天基物聯(lián)網(wǎng)信息感知層獲取的數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡通信層并傳輸至天基骨干網(wǎng)或天基接入網(wǎng)的其他節(jié)點，以便于數(shù)據(jù)的處理，最終再經(jīng)過天基接入網(wǎng)將處理過的數(shù)據(jù)下發(fā)至應用終端；另一方面是接入天、空、地、海等全球范圍內(nèi)多層次海量用戶的各種業(yè)務訂單和服務需求，將訂單和需求經(jīng)天基接入網(wǎng)和天基骨干網(wǎng)傳輸給信息感知層，驅動信息感知層按需獲取指定數(shù)據(jù)。

天基骨干網(wǎng)為部署在地球同步軌道的若干個高軌衛(wèi)星組成，僅需要3顆衛(wèi)星即可對地球表面絕大部分地區(qū)(南、北極除外)實現(xiàn)覆蓋，可再增加傾斜地球同步軌道衛(wèi)星進一步覆蓋南、北極地區(qū)。天基骨干網(wǎng)的各個節(jié)點為了發(fā)揮骨干節(jié)點的作用，應具有強大的數(shù)據(jù)接入、中繼、交換、存儲、處理、融合等功能，但是受到衛(wèi)星平臺和制作工藝的限制，單顆衛(wèi)星可能無法同時具備多種功能，可利用多顆衛(wèi)星組成星簇，以綜合發(fā)揮骨干節(jié)點的作用。與單獨利用低軌衛(wèi)星星座構架的網(wǎng)絡通信層相比，增加天基骨干網(wǎng)的一個優(yōu)勢在于不靠境外設站的情況下即可實現(xiàn)全球的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸以及對整個天基信息網(wǎng)絡的管理。為實現(xiàn)天基物聯(lián)網(wǎng)空間信息在天基骨干網(wǎng)和天基接入網(wǎng)之間的傳輸，需要設計相應的傳輸機制。其中，天基骨干網(wǎng)之間可采用激光通信實現(xiàn)高速、大容量傳輸，速率可達5 Gb/s；天基接入網(wǎng)通常建立Ka等頻段星間微波通信鏈路，速率達十至數(shù)百Mb/s。同時，為實現(xiàn)不同軌道之間衛(wèi)星的通信，還需要建立星間通信協(xié)議，如國際空間系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data System，CCSDS)、異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)、時延容忍網(wǎng)絡(Delay Tolerant Network，DTN)等適用于空間信息網(wǎng)絡的協(xié)議。

2.2.1.3 數(shù)據(jù)管理層

天基物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理層對信息感知層獲取的數(shù)據(jù)進行整合匯聚、組織管理、存儲檢索、分析挖掘等處理操作。天基物聯(lián)網(wǎng)感知末端獲取的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)海量、多維動態(tài)、多源異構等特點，這對其數(shù)據(jù)管理帶來了挑戰(zhàn)。天基物聯(lián)網(wǎng)的感知數(shù)據(jù)產(chǎn)生于感知末端，而感知末端又廣泛分布于從地球表面附近到太空的大范圍物理空間環(huán)境中，因此天基物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理層也分為三個層面，分別為部署于地面的數(shù)據(jù)處理站網(wǎng)、部署于地球同步軌道的天基信息港、部署于傳感器和其他感知終端的邊緣計算節(jié)點。

地面數(shù)據(jù)處理站網(wǎng)主要包括地面衛(wèi)星接收站、衛(wèi)星測控站和天基物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)運維與處理中心。地面衛(wèi)星接收站負責接收天基傳感器直接傳輸或經(jīng)網(wǎng)絡通信層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，衛(wèi)星測控站對天基傳感器的在軌運行狀態(tài)進行跟蹤、測量、計算、預報和控制。感知數(shù)據(jù)運維與處理中心是地面數(shù)據(jù)處理站網(wǎng)的核心，負責天基物聯(lián)網(wǎng)所有感知數(shù)據(jù)的整合匯聚、組織管理、存儲檢索、分析挖掘、運行維護。

天基信息港是天地一體化信息網(wǎng)絡建設過程中提出的概念，可以將其視為地面數(shù)據(jù)運維與處理中心的空間形態(tài)。建立天基信息港可使天基物聯(lián)網(wǎng)的感知數(shù)據(jù)在天基層面直接進行處理，能夠提供更加穩(wěn)定可靠的連接，同時避免大數(shù)據(jù)量下傳的容量過載和時延過長問題，滿足高時敏、多樣化、體系化的應用需求。天基信息港仍是由網(wǎng)絡傳輸層的天基骨干網(wǎng)作為物理承載平臺，即其實體是地球同步軌道上的多個星簇共同組成的“虛擬大衛(wèi)星”，衛(wèi)星之間以激光或微波通信的方式進行聯(lián)通。

邊緣計算節(jié)點部署于天基物聯(lián)網(wǎng)的各種傳感器和感知終端。在傳統(tǒng)地面物聯(lián)網(wǎng)體系結構中，邊緣計算已經(jīng)得到廣泛認可并被認為是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術之一。在天基物聯(lián)網(wǎng)中，邊緣計算的重要性和價值將進一步凸顯。首先，天基物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸距離比地面物聯(lián)網(wǎng)大幾個量級，無論是將數(shù)據(jù)卸載至天基信息港還是地面數(shù)據(jù)處理中心，都會帶來較大的傳輸時延，無法滿足實時性較強的任務需求，如戰(zhàn)時對重點軍事目標的實時監(jiān)控和變化監(jiān)測。其次，數(shù)量巨大的原始數(shù)據(jù)，尤其是成像偵察和視頻偵察等衛(wèi)星獲取的影像和視頻原始數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理中心需要占用大量的帶寬，擠壓了本來就有限的星間數(shù)據(jù)傳輸鏈路資源，同時制造了巨大的計算壓力。在天基物聯(lián)網(wǎng)的傳感器和感知終端形成邊緣計算能力，將有效解決以上問題，通過將計算和存儲能力“下沉”到網(wǎng)絡邊緣可直接處理后將有用的結果信息傳輸至用戶，如智能遙感衛(wèi)星在軌實時處理衛(wèi)星影像并直接將處理結果傳輸至境內(nèi)地面站，這種星上實時處理方法在提升傳輸時效的同時改善了傳輸鏈路的承載能力。

2.2.1.4 應用服務層

天基物聯(lián)網(wǎng)的應用服務層面向天、空、地、海的各類用戶提供服務。這些應用可分為兩類應用模式。一類是主動式服務。這類服務主要應用于平時，各類天基傳感器和信息采集終端各司其職，按照正常的工作模式感知數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)絡通信層傳輸和數(shù)據(jù)管理層處理后，將處理結果下發(fā)至用戶，滿足用戶需求，比較典型的應用案例如海洋環(huán)境監(jiān)測、全球地圖測繪等。另一類是任務驅動式服務，這類服務更多的應用于急時、戰(zhàn)時。首先由用戶提出需求，將需求上傳至數(shù)據(jù)管理層，在數(shù)據(jù)管理層進行任務規(guī)劃，再向各天基傳感器和信息采集終端發(fā)送任務指令，驅動感知層按需獲取特定信息。感知層獲取信息后再經(jīng)過傳輸和處理，最終反饋給用戶，滿足用戶需求，比較典型的應用案例如重要軍事目標的實時偵察監(jiān)視、抗震救災等。

2.2.1.5 標準規(guī)范體系

標準規(guī)范體系是構建天基物聯(lián)網(wǎng)的保障，是推進天基物聯(lián)網(wǎng)成體系建設的基本依據(jù)。天基物聯(lián)網(wǎng)是一個由多種設備、多維網(wǎng)絡、多領域應用構建的龐大網(wǎng)絡，為了實現(xiàn)物、人、網(wǎng)之間的互聯(lián)互通，需要用統(tǒng)一的接口、協(xié)議、編碼、標識、共享和運行機制進行指導。具體來說，天基物聯(lián)網(wǎng)的標準規(guī)范體系包括體系架構規(guī)范、通用標識規(guī)范、編碼規(guī)范、網(wǎng)絡協(xié)議規(guī)范、通信接口規(guī)范、數(shù)據(jù)采集規(guī)范、數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范、數(shù)據(jù)共享規(guī)范、安全防護規(guī)范等系列通用基礎規(guī)范，以及數(shù)據(jù)采集匯聚規(guī)范、云端接入規(guī)范、數(shù)據(jù)交換與共享規(guī)范、跨網(wǎng)融合與拓展應用規(guī)范、軍民兼容天基物聯(lián)網(wǎng)應用規(guī)范等系統(tǒng)應用及拓展規(guī)范等。

2.2.1.6 信息安全體系

信息安全體系是天基物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)安全可靠運行的關鍵支撐。與地面物聯(lián)網(wǎng)相比，天基物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡節(jié)點分布廣泛，網(wǎng)絡結構復雜且動態(tài)變化，傳輸鏈路距離長且信道呈現(xiàn)高度的開放性特征，這些因素都使得天基物聯(lián)網(wǎng)容易受到外部的干擾和惡意攻擊，面臨巨大的安全風險。目前針對天基信息網(wǎng)絡，我國還未形成完善的安全保障體系和信息安全體系。傳統(tǒng)的安全防護機制難以適應天基物聯(lián)網(wǎng)復雜的體系架構和攻擊技術的快速變化，也無法抵御未知漏洞和隱蔽后門的未知網(wǎng)絡攻擊。天基物聯(lián)網(wǎng)的信息安全體系設計應當緊密結合當前天地一體化信息網(wǎng)絡中安全防護的技術設計，如基于擬態(tài)防御等新的安全防護機制增強天基物聯(lián)網(wǎng)的安全可靠運行能力。

2.2.2 系統(tǒng)體系架構

根據(jù)天基物聯(lián)網(wǎng)的技術體系架構，可將天基物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)體系架構從物理空間和功能組成上分為空間段、地面段和用戶段。天基物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)體系架構如圖2所示。

圖2 天基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系架構

2.2.2.1 空間段

天基物聯(lián)網(wǎng)的空間段是物理表現(xiàn)形式上與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)最明顯的區(qū)別。空間段分布了位于大氣層外不同軌道平面和高度的通信、導航、遙感等衛(wèi)星以及位于大氣層內(nèi)鄰近空間的飛艇等。這些衛(wèi)星和飛艇上搭載了各類傳感器和通信、路由等設備，形成互聯(lián)互通的空間網(wǎng)絡。天基物聯(lián)網(wǎng)的空間段從物理空間上可進一步細分為地球同步軌道段、中低衛(wèi)星軌道段和臨近空間段。

地球同步軌道段衛(wèi)星主要有天基骨干網(wǎng)的節(jié)點衛(wèi)星星簇、氣象衛(wèi)星、低分辨率對地觀測衛(wèi)星等。這類衛(wèi)星的共同特點是覆蓋范圍廣，如3顆靜止軌道通信衛(wèi)星可覆蓋全球大部分地區(qū)，1顆靜止軌道氣象衛(wèi)星即可實現(xiàn)對中國所有國土區(qū)域的覆蓋。地球同步軌道段的衛(wèi)星集合中，天基骨干網(wǎng)的節(jié)點衛(wèi)星星簇發(fā)揮重要作用，一方面作為信息的中繼傳輸通道，另一方面承擔天基信息港的作用，是空間數(shù)據(jù)處理的中心。

中低衛(wèi)星軌道段是各類衛(wèi)星分布最多的區(qū)域，絕大部分通信、導航、遙感類衛(wèi)星均部署在這一區(qū)域。中低軌道的遙感、偵察等衛(wèi)星是天基物聯(lián)網(wǎng)感知信息的主要獲取手段，每天采集著海量的感知數(shù)據(jù)。導航衛(wèi)星配合定位導航終端提供位置、授時和短報文類的感知信息。通信衛(wèi)星構成了天基感知信息的接入網(wǎng)絡，海量的感知數(shù)據(jù)通過接入網(wǎng)絡可傳輸至天基物聯(lián)網(wǎng)的任一節(jié)點進行下一步的處理。

雖然衛(wèi)星平臺能夠有效解決遠離地面網(wǎng)絡的感知終端數(shù)據(jù)接入問題，但是即使低軌衛(wèi)星仍距離地面有較高的高度，因此在地面和低軌衛(wèi)星之間可考慮再增加一層數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，對特定的區(qū)域進一步增強。臨近空間由于其獨特的空間環(huán)境，便于飛行器長時間駐留，甚至可達一年之久，可部署為距離地面僅幾十公里的地球靜止軌道衛(wèi)星。這種特性對于通信傳輸來講，可以極大程度地降低傳輸時延和鏈路損耗；對于遙感對地觀測而言，可以以極高分辨率(厘米級)對特定目標定點持續(xù)觀測，如在邊境線附近對敵對國家的邊境活動進行監(jiān)視。臨近空間的飛艇等平臺同時還具有成本低廉、靈活部署、抗毀能力強等優(yōu)勢，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2.2.2 地面段

天基物聯(lián)網(wǎng)的地面段主要包括分布于地面或距離地表較近的信息采集設備及其他傳感器、地面部署的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡以及地面數(shù)據(jù)處理站網(wǎng)。

天基物聯(lián)網(wǎng)地面段的設備或傳感器因各種原因需要通過天基網(wǎng)絡進行接入和數(shù)據(jù)傳輸。這些設備或傳感器有空中飛行的民航客機、海上航行的艦船搭載的傳感設備、海面上的浮標、野外戰(zhàn)場中布設的環(huán)境傳感器等。這些地面或地表附近的信息采集設備和傳感器與空間段中的天基傳感器共同構成了天基物聯(lián)網(wǎng)的立體感知網(wǎng)絡。

天基物聯(lián)網(wǎng)主要的信息傳輸手段是天基通信網(wǎng)絡，但是地面部署的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，如4G/5G移動通信網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、專用局域網(wǎng)等信息傳輸方式也是必不可少的，也將參與天基物聯(lián)網(wǎng)的建設與應用。例如，地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡不同節(jié)點之間的通信，地面數(shù)據(jù)處理站網(wǎng)之間的通信，數(shù)據(jù)處理完成至應用終端之間的通信，均需要地面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的支持。

地面數(shù)據(jù)處理站網(wǎng)的組成及功能在技術體系架構一節(jié)中已經(jīng)闡述，此處不再重復。

2.2.2.3 用戶端

天基物聯(lián)網(wǎng)的用戶段廣泛分布于天、空、地、海的各個角落，是天基物聯(lián)網(wǎng)的用戶終端，可滿足不同種類用戶接入天基物聯(lián)網(wǎng)的需求，并通過終端向用戶提供天基物聯(lián)網(wǎng)的各種服務。

天基用戶包括各類航天飛行器和臨近空間飛行器中搭載的用戶終端。航天飛行器在空中的正常運行和任務執(zhí)行均需要天基物聯(lián)網(wǎng)提供功能支撐，如各種衛(wèi)星的測控工作需要天基物聯(lián)網(wǎng)傳送指令；立體測繪衛(wèi)星上的成像傳感器載荷也需要天基導航衛(wèi)星提供高精度的三維位置坐標，用于輔助傳感器確定成像結果的精確地面坐標。

空中用戶主要包括各種航空飛行器，如民航客機、軍用飛機、無人機等飛行器以及這些飛行器上搭載的乘客、設備等均需要通過天基物聯(lián)網(wǎng)獲取通信服務。在科學實驗中鳥類等空中飛行的生物身上帶有的傳感器，其數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)進行傳輸，此時這些生物也成為了天基物聯(lián)網(wǎng)的用戶。

地面用戶是天基物聯(lián)網(wǎng)占比最大、數(shù)量最多的用戶集體。第一類天基物聯(lián)網(wǎng)的用戶是不便于通過地面網(wǎng)絡接入的用戶，如位于荒漠、山區(qū)、叢林、野外的旅客、居民、士兵等用戶。第二類天基物聯(lián)網(wǎng)的用戶是政府部門、行業(yè)用戶等，如國土資源部門需要利用天基物聯(lián)網(wǎng)對國土資源進行周期性的測繪，氣象部門需要利用天基物聯(lián)網(wǎng)對氣候變化情況進行及時的監(jiān)測，軍隊需要利用天基物聯(lián)網(wǎng)對作戰(zhàn)區(qū)域或重點目標進行實時的偵察監(jiān)視。

海洋是天基物聯(lián)網(wǎng)應用的重要場景，世界上約80%的面積被海洋覆蓋，而在海洋上的信息傳輸基本只能依靠衛(wèi)星通信實現(xiàn)。各類艦船等海上運載工具搭載的設備和乘客均是天基物聯(lián)網(wǎng)的用戶。海面上的浮標、海島上的燈塔等也可通過天基物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)信息的傳輸。隨著水下通信技術的發(fā)展，未來海下的潛艇、魚類等搭載的傳感器也可逐步接入天基物聯(lián)網(wǎng)，成為天基物聯(lián)網(wǎng)的用戶群體。

3 天基物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢

3.1 天基信息感知能力更加全面、精確、及時

隨著感知手段的豐富，未來天基物聯(lián)網(wǎng)的信息感知能力將更加全面，分布于地面、地下、海面、水下、空中、太空等全球范圍內(nèi)的傳感器將具備從宏觀到局部、從局部到細節(jié)的感知能力，并在幾何、光譜、時間、輻射等方面具備越來越高的分辨能力。

感知結果的精確是后續(xù)處理和應用的前提，天基物聯(lián)網(wǎng)的服務要求數(shù)據(jù)源能夠越來越精確。隨著各種傳感技術和硬件水平的提高，未來各種傳感器感知到的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)及時空位置信息等將更加精確。

及時的感知信息獲取能力是保障天基物聯(lián)網(wǎng)提供實時或準實時應用的基礎，而當前遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)感知能力距離實時應用還具有較大差距，面對應急事件時，遙感衛(wèi)星經(jīng)常會因為距離較遠而無能為力。除了發(fā)射越來越多的衛(wèi)星以提高傳感器的重訪能力，未來天基物聯(lián)網(wǎng)建設還需要重點研究衛(wèi)星的資源調(diào)度和任務規(guī)劃，以更加及時地獲取感知數(shù)據(jù)。

3.2 天基信息傳輸能力更加安全、高速、通暢

信息傳輸?shù)陌踩雷o能力對于天基物聯(lián)網(wǎng)的可靠運行至關重要。天基信息網(wǎng)絡本身具有體系結構復雜、通信信道開放、網(wǎng)絡拓撲動態(tài)等特點，面臨比地面網(wǎng)絡更加嚴峻的安全防護風險與挑戰(zhàn)。為了滿足天基物聯(lián)網(wǎng)國防軍事等領域對信息安全的應用需求，未來需要突破天基信息傳輸?shù)陌踩雷o關鍵技術，提供能夠有效抵御基于未知漏洞和隱蔽后門的網(wǎng)絡攻擊安全防護體系。

天基信息傳輸距離遠，時間延遲長，這是天基物聯(lián)網(wǎng)的特性，也是其應用的短板問題，研究天基信息的高速傳輸技術對于提升天基物聯(lián)網(wǎng)的實時服務與保障能力具有重要意義。激光通信是當前星間鏈路較多采用的一種通信方式，它具有高速率、網(wǎng)絡化、多用途等特點，其中高速率是其主要的應用目標與發(fā)展方向。當前激光通信的速率已經(jīng)達到約6 Gb/s；美國提出了在衛(wèi)星和地面間利用激光進行通信的方案，速率有望達到10 Gb/s；未來激光通信將向著40 Gb/s甚至更高的速率發(fā)展。

天基信息高速傳輸是保障信息快速到達處理節(jié)點或應用節(jié)點的必要條件，卻不是充分條件。天基信息傳輸?shù)耐ǖ肋€需要盡可能地通暢，這要求信息的傳輸距離應盡可能縮短，信息在不同節(jié)點之間傳遞或不同方式之間轉換的時間窗口應盡可能大，直至具備全天時的傳輸能力。要實現(xiàn)天基信息的通暢傳輸需要從天基衛(wèi)星星座的結構設計、衛(wèi)星星間鏈路的拓撲結構、衛(wèi)星資源調(diào)度和任務規(guī)劃等方面展開深入研究。

3.3 天基信息處理能力更加自主、高效、準確

當前天基信息數(shù)據(jù)處理通常在地面數(shù)據(jù)中心進行，雖然主要的數(shù)學運算已經(jīng)基本被高性能計算機取代，但是整個數(shù)據(jù)處理流程離不開人工的輔助作業(yè)。天基物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理將遍布于各種感知末端、信息傳輸節(jié)點、天基信息港和地面數(shù)據(jù)處理中心等處，這要求天基物聯(lián)網(wǎng)具備無人值守的自主數(shù)據(jù)處理能力。邊緣計算在感知終端的廣泛應用、數(shù)據(jù)處理算法性能的提升、GPU等硬件的迭代升級都將推動天基信息數(shù)據(jù)處理更加快速和高效。大數(shù)據(jù)分析能夠從海量的天基物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)中挖據(jù)出有效信息，人工智能技術能夠從大規(guī)模訓練樣本中找到準確的模式識別方法，這些技術應用于天基物聯(lián)網(wǎng)將能夠提升數(shù)據(jù)處理的準確性。

3.4 天基信息服務能力更加實時、泛在、智能

信息服務的實時性對于用戶體驗而言具有重要意義，小至日常生活中的語音通話，大至戰(zhàn)場上的態(tài)勢感知，對時效都有著嚴苛的要求。天基信息及時的感知能力、高速和通暢的傳輸能力、高效的處理能力，所要實現(xiàn)的目的只有一個，即讓天基信息的服務更加實時。天基信息服務領域廣泛，幾乎涵蓋了國家和社會領域的方方面面。借鑒5G技術網(wǎng)絡切片的思想，可面向不同應用將天基物聯(lián)網(wǎng)劃分不同的應用子網(wǎng)，提供大連接、增強型寬帶、低時延等不同種類服務，使天基物聯(lián)網(wǎng)服務能力更加泛在化。智能時代的到來還要求天基物聯(lián)網(wǎng)的服務具備智能化特征，天基信息服務的智能化表現(xiàn)在其應用模式從產(chǎn)品驅動轉向任務驅動，即天基信息服務因任務需求的產(chǎn)生，其產(chǎn)品只是為應用服務而存在，由此還能解決星地資源配置不合理、應急響應效率低等問題。

3.5 天空地海一體化融合發(fā)展

天基物聯(lián)網(wǎng)以天基信息網(wǎng)絡為主要信息傳輸方式，下一步將融合地面、空中的通信網(wǎng)絡，構建天地一體化的物聯(lián)網(wǎng)，此時天基物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)有機結合，并成為一體。伴隨著地下、水下通信基礎設施建設和技術的突破，未來天基物聯(lián)網(wǎng)可進一步融合地下、水下的通信網(wǎng)絡及相應的傳感設備，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)天空地海一體化的融合發(fā)展，使物聯(lián)網(wǎng)真正做到全球范圍內(nèi)“無死角”的實時感知。天空地海一體化物聯(lián)網(wǎng)建設需要突破多種異構網(wǎng)絡在體系架構、技術體制、標準協(xié)議等方面的融合。

4 結束語

在“新基建”頻頻在國家層面被提及且寫進了《2020年國務院政府工作報告》等多個官方文件的今天，天基物聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、人工智能等多個已明確的新型基礎設施建設領域的綜合應用，發(fā)展正當其時。天基物聯(lián)網(wǎng)的建成能夠提升我國在自然資源調(diào)查、應急搶險救災、國防軍事應用等多領域的服務保障能力，同時也是展現(xiàn)強大綜合國力、形成戰(zhàn)略威懾的有效支撐。本文在前人研究基礎上，以系統(tǒng)工程思維，進一步從技術和系統(tǒng)兩個層面提出了其體系結構，分析其發(fā)展趨勢，在天基物聯(lián)網(wǎng)的建設實施中更具有實際應用價值。我國火箭運載技術、衛(wèi)星發(fā)射能力日臻成熟，天基物聯(lián)網(wǎng)建設已經(jīng)具備基本條件，但是當前仍然面臨一定的技術挑戰(zhàn)，存在衛(wèi)星部署成本較高、頻譜資源相對緊缺等問題。作為戰(zhàn)略性的新型基礎設施，天基物聯(lián)網(wǎng)的建設可以充分發(fā)揮我國的體制優(yōu)勢，建議下一步應集中力量攻克技術難題，并深入研究論證天基物聯(lián)網(wǎng)的具體部署和實施方案。