时空不间断空间信息网络体系架构和网络模型研究

The existing space communication system has not fulfilled the increasing service requirement with gradual thoroughness of space science activities and the development of space application research in our country. Some problems exist in the current Space Information Network (SIN), such as limited whole area coverage performance, weak ability in network expansion and cooperative application, et al. To solve these problems and aim at the time-space uninterrupted coverage, this project will study the system architecture of SIN based on the comprehensive consideration of space circumstance characteristics and resource which circumfuses many requirements of applicative services, such as the emergency rescue, TT&C in space, earth observation and deep space exploration, and so on. The topology of SIN which characterizes as tridimensional and dynamic will be designed and optimized. And we will propose the the hierarchical autonomous region network model. Finally, we will develop the simulation system. In a word, we will provide the theoretical basis, technical support and perspective exploration for the development of our future space information system through this project.

随着人类空间科学活动的逐步深入和我国空间应用研究的不断发展，现有空间通信系统已不能满足日益增长的服务需求。为从根本上解决现有空间信息网络全域覆盖能力有限、网络扩展和协同应用能力弱的问题，本课题将围绕应急救援、航天测控、对地观测及深空探测等不同应用服务需求，在综合考虑空天环境特点及资源能力水平的基础上，以时空不间断覆盖为目标，进行空间信息网络体系架构的研究，对立体动态的空间信息网络拓扑进行设计和优化，建立分层自治域的空间信息网络模型，开发仿真系统，并对空间信息网络的集成演示方案展开初步研究，为我国未来空间信息系统发展提供基础理论、技术支持和具有前瞻性的探索。

空间信息网络具有平台种类多、节点能力差异性大、链路连接具有间断性、网络拓扑动态变化、业务需求多样、系统建设难以一步到位等特点。本课题针对空间信息网络的体系架构和网络模型开展研究，重点解决网络异构性和拓扑动态性带来的不利影响，研究内容包括：空间信息网络体系架构设计、星座方案设计、基于分层自治域理论的空间信息网络拓扑控制、空间信息网络容量变化趋势分析、空间信息分布式存储方法、最小原型系统和集成演示方案设想、仿真验证系统构建等。取得的主要成果包括：（1）提出了一种由GEO卫星骨干网、服务增强卫星网、升空平台网、运行控制网及各类应用终端等组成的空间信息网格体系框架；（2）提出了一种基于分层自治域的异构动态组网方法，根据网络中节点的任务、功能、地位、工作环境等特征，将网络划分为一系列自治域，自治域内采用独立的组网路由策略，自治域之间通过边界节点实现路由和控制信息的交换，解决了整网可控性的难题；（3）针对我国静止卫星轨道位置和频率资源稀缺、仅能在国土内建设信关站的问题，提出了一种“骨干网+增强网”的混合星座设计方法，采用较少的卫星数满足全球无缝覆盖的要求；（4）针对空间节点沿轨道高速运行、链路频繁切换的特点，提出了一种基于空-时图数学模型的拓扑控制方法，能在保证网络连通性的同时，使其拓扑控制代价最小化；（5）研究了空间信息的分布式存储机制，提出了一种混合分布式存储策略及其编码方法，相比传统策略，在有效性和可靠性方面有明显提升。研究成果对于我国未来建设空间信息网络，实现节点的即插即用和用户的随遇接入，提供时空不间断的空间信息服务，具有重要意义。