第1章 天地一体化信息网络概述

1.1 天地一体化信息网络的概念

1.1.1 空间的定义

所谓“空间”，是指地球大气层以外的宇宙空间，又称为外层空间或太空。外层空间又分为太阳系以内的空间和太阳系以外的空间。其中，太阳系以内的空间可分为行星空间和行星际空间；太阳系以外的空间可分为恒星际空间、恒星系空间和星系际空间等。外层空间的下界至今尚无定论，一般认为外层空间的下界距地面100km，此下界至地面的空间为大气层空间。

现在讨论太阳系以内的空间，其中行星空间是指行星引力的作用范围，或者行星磁层、大气层所及范围。例如，对于地球空间，若按地球引力的作用范围来确定，其半径距地心约9.3×10⁵km；若按地球磁层所及范围来确定，其半径距地心约6.5×10⁴km。行星际空间是指太阳系行星之间的空间（除行星空间之外），其半径距太阳约6×10⁹km。

从目前航天器或空间飞行器活动范围的需要来看，人们又将外层空间分为近地空间和深空间。按照《中国大百科全书·航空航天》的定义：近地空间是指地球静止轨道高度（约3.58×10⁴km）以下的空域；深空间是指等于或大于地月平均距离（约3.84×10⁵km）的空域。1988年以后，国际电信联盟（ITU）为了促进技术的进步和保证更好地使用频率，将深空间定义延伸为离地球距离等于或大于2×10⁶km的空域。目前，这两种定义都在应用。

人们普遍认为，大气层的最高限度可达16000km，但由于100km是航天器绕地球运动的最低轨道高度，人们一般以距离地球表面100km高度的界面作为“空”与“天”的分界面。

飞机一般都有一个最高飞行高度，即静升限，对于普通军用和民用飞机来说，静升限一般为18～20km，这个高度也是对流层与平流层分界的高度，通常将20km高度以下的空间称为航空空间。在飞机最高飞行高度与航天器绕地球运动的最低轨道高度之间有一层空域，对应高度为20～100km，这层空域称为临近空间（也有文献称为邻近空间或近空间）。该空间自下而上包括大气平流层区域、中间大气层区域和部分电离层区域，如图1-1所示。随着技术和应用需求的发展，人们又将传统的航空空间进一步向上扩展，将临近空间定义为航空空间的超高空部分。

1.1.2 空间信息网络

对应1.1.1节深空间、近地空间、临近空间和航空空间的定义，空间信息网络包括深空间信息网络（也称深空信息网络）、近地空间信息网络、临近空间信息网络和航空空间信息网络（以上诸多“信息网络”都可简称“网络”）。现有文献用得较多的是将近地空间网络称为天基信息网络，将临近空间网络+航空空间网络称为空基信息网络。按此定义整个空间信息网络，离地球从远到近依次为深空信息网络、天基信息网络和空基信息网络。这3种网络都由空间段和地面段组成。

（1）深空信息网络的组成。因为深空信息网络主要用于对月球和月球以远的天体或空间环境进行探测，所以深空信息网络一般都称为深空探测网络。深空探测网络的空间段一般由执行各种探测任务的航天器或探测器（含传感器）等组成，地面段由测控通信系统、地面应用系统和回收系统组成。

（2）天基信息网络的组成。它是彼此独立或互联的卫星通信系统、卫星导航系统、卫星遥感系统、空间物理探测系统、空间天文观测系统等（各系统也可称为各网络）的总称。天基信息网络中的卫星通信系统、卫星导航系统和卫星遥感系统统称为卫星应用系统。它们的空间段是给定用途的航天器（如卫星通信系统中的通信卫星单星或星座），地面段包括测控通信系统、地面应用系统（包括各种用户终端）和其他相关系统。

（3）空基信息网络的组成。前面已指出，它由临近空间网络和航空空间网络组成。以其中的临近空间网络为例，其空间段包括各种临近空间飞行器，地面段包括各种业务（通信、遥感等）地球站、飞行控制地球站，以及固定/移动用户终端。

以上3种网络根据需要既可以独立建设和运行，也可以彼此建成一体化网络。

1.1.3 地基信息网络

地基信息网络也称为地面信息网络，是指布设在地球表面的信息网络。它主要由布设在陆地的有线（同轴电缆、光纤等）、无线和移动信息网络及在海底的有线信息网络组成。按这些网络提供的业务，地基信息网络可分为电信业务网络、广播电视业务网络和互联网业务网络三大网络。这些网络主要为陆、海、空各种用户终端提供语音、数据和广播电视等多种服务。

随着技术的进步，数字技术、宽带技术、软件技术和IP（网际协议）技术等逐渐应用，其中最重要的是IP技术的普遍应用，其使得各种业务都能以TCP/IP为基础在不同的网上实现互联互通，即实现三网融合。

三网融合是指电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进的过程中，通过技术改造，它们的技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务。

应该说三网融合是电信业务、广播电视业务和互联网业务的融合，当这3种业务使用统一的TCP/IP协议后，可在同一个网络上实现语音、数据和广播电视等多种业务的传输。

1.1.4 天地一体化信息网络

前文已述，空间信息网络包括深空信息网络、天基信息网络和空基信息网络。此外，为保障上述3种信息网络中的各节点正常运行，各网络还包括具有遥测、跟踪和指令（TT&C）功能的测控信息网络。

考虑上述3种信息网络与地基信息网络的一体化组合方式。从理论上讲，上述3种信息网络可以分别与地基信息网络组成独立的天地一体化信息网络，也可以按某种组合与地基信息网络组成天地一体化信息网络，当然还可以作为整个空间信息网络与地基信息网络组成天地一体化信息网络，其组成示例如图1-2所示。但是，从人类需求和可行性方面考虑，天地一体化信息网络一般是按高度先分域独立建设应用，然后综合成一体。

在分层组合时，首先，考虑到天基信息网络与深空信息网络在传输距离（前者短，后者超长）、传输环境（前者简单，后者复杂）和研究目的（前者主要是应用，后者主要是探测）等方面的显著差别，以及技术可行性，其宜与地基信息网络分建天地一体化信息网络；其次，考虑到天基信息网络与空基信息网络虽然在传输距离、传输环境上有一定的差别，但它们之间的互补性强，以及考虑技术可行性，其宜与地基信息网络共建空天地一体化信息网络。由此可见，当今要构建的天地一体化信息网络是空天地一体化信息网络和深空地一体化信息网络，但从长远来看，这两个网络最终会发展成一个网络，即太阳系天地一体化信息网络。此太阳系天地一体化信息网络的天网是整个太阳系空间的深空信息网络，地网是整个地球空间的地基信息网络、空基信息网络和天基信息网络。