1.1 空间信息网络及其发展概述
空间信息网络，是以空间平台（如同步卫星或中低轨卫星、平流层气球、飞机等）为载体，结合地面网络节点，完成空间信息的获取、预处理、传输、再处理任务的网络化系统。作为国家重点发展的基础设施之一，空间信息网络在全球变化、防灾减灾、应急救援、远洋航行、导航定位、航空运输、航天测控等重大应用中发挥着越来越重要的作用，特别是在大空间尺度时空关联数据的获取方面，有着不可替代的重要作用。空间信息网络在节点功能、网络结构和应用驱动等方面，有着与地面网络不同的特点。第一，网络节点具有感知和传输双重功能，而且空间载荷能力受限；第二，网络具有异构高动态拓扑结构及其不可预知的时变性；第三，节点间传输延迟动态范围大，而且空天电磁环境复杂，导致传统的TCP协议失效；第四，空间信息网络的工作状态与应用紧密相关——节点探测能力、传感器时空协同、网络拓扑结构、网络协议体系之间，存在着紧耦合的关联关系，网络具有动态配置、随需任务聚合与协调控制重构等能力。相比之下，地面网络的主要功能则在于信息的存储和转发，本质上是一个单纯的通信网络。对于这样一个复杂的信息系统的网络模型和体系架构的研究，是国内外学术界、工业界和国防应用领域一直关注而尚未解决的热点。研究在一定程度上解决这一难题，具有极其重要的理论意义和实际应用价值。
从20世纪90年代起，世界各国普遍重视并大力发展空间信息网络。美国、俄罗斯等国及欧盟针对不同需求已规划研发了一系列天基监测系统。在空间信息网络体系架构方面，最具代表性的是美国国家航空航天局在2004年提出的星际互联网（Interplanetary Internet，IPN）[1]体系架构和国际组织空间数据系统咨询委员会（CCSDS）协议体系。美国在全球各地都能部署地面站，航天器的探测数据可以随时发送给最近的地面接收站，通过地面网络进行传输处理。
1998年，美国喷气推进实验室（JPL）启动的星际互联网项目，主要研究地球以外使用互联网实现端到端通信的方案。该项目已完成相关体系架构、数据格式的初步定义，形成了相关互联网工程任务组（IETF）协议草案。
2000年10月，JPL开展了名为下一代空间互联网（NGSI）的项目研究。NGSI下设4个工作组，分别研究动态利用空间链路、多协议标签交换协议、移动IP和安全问题。考虑到CCSDS建议是专为空间链路设计、经过多次航天任务考验的，并考虑到保护已有的投资及国际互联网，NGSI在数据链路层仍使用CCSDS建议，对现有的多协议标签交换协议、移动IP进行了适合空间任务的扩展。通过概念研究、部分硬件开发和仿真试验，NGSI提出了一套基于CCSDS的空间互联网有关建议。
2001年，美国哥达德航天中心开展了名为OMNI（Operating Mission as Nodes on the Internet）[2-3]的研究项目，主要研究利用地面商用IP协议实现空间通信的方案。OMNI利用IP网络、数据中继卫星（TDRSS）开展了地面试验，并在航天飞机上进行了飞行搭载试验。OMNI证明了在空间使用地面IP协议的可行性。
2004年，美国集合包括宇航局、大气与海洋局、国家科学基金、环保局、能源部、陆海空三军、国务院以及白宫在内的18家单位联合编制了美国集成对地观测系统（IEOS）[4]的战略计划，该计划为美国对地观测系统的未来发展提供一个整体性的框架，美国全球对地观测系统（GEOSS）[5-6]十年执行计划将按这一框架来制定和执行。作为IEOS计划的近期目标之一，美国已在2007财年计划中启动了自然灾害预警系统研究发展计划。
2004年，欧洲共同体通过了全球环境与安全监测（GMES）执行计划[7-8]。该计划将卫星数据和地面数据进行有机结合，包括一体化对地观测网络的整体发展框架，为欧洲环境与安全决策系统提供支持，同时也提供面向对象的对地观测服务。
目前，美国、俄罗斯，以及欧盟等国针对不同探测需求已规划、研发了一系列天基监测系统，代表性的系统包括：美国的天基监测系统（SBSS）[9]、天基雷达（SBR）系统[10]、天基红外系统（SBIRS）[11]，欧盟规划的数据中继卫星星座（EDRSS），俄罗斯的全球预警探测系统等。除了这些针对军事目标的监测系统，如前所述，多国也制定了一系列对地观测发展规划[12]。
我国始终把发展航天事业作为国家整体发展战略的重要组成部分，在“十一五”“十二五”“十三五”期间投入了相当的人力、物力、财力进行空间科学技术的研究开发。我国在一系列重大研究计划、科技工程的推动下，近年来在航天运输系统、人造地球卫星、载人航天、深空探测、航天发射场、航天测控等领域取得了若干重要成果。目前已基本建成“风云”“海洋”“资源”“遥感”“天绘”等卫星系列和“环境与灾害监测预报小卫星星座”。这些卫星获取的探测数据在相关领域的研究中发挥着越来越重要的作用。例如，“风云”卫星系列实现对台风、雨涝等灾害的监测，提升了气象预报和气候变化监测的能力；“遥感”“天绘”卫星系列在国土资源普查、地图测绘等领域发挥了重大作用；“北斗”“天链”等重大工程项目的实施，也为我国空间信息网络建设的大力推进奠定了一定的基础。
空间信息网络体系架构研究是空间信息网络研究和建设的重要基础，在空间信息网络体系架构方面，最具代表性的研究成果是美国国家航空航天局在2004年提出的星际互联网体系架构[13]，该体系包括主干网络、接入网络、星座或编队组网、近距网络这4类要素。从目前国际航天任务中空间信息网络协议体系的研究和应用情况来看，主要有4种协议体系[14]：基于CCSDS的协议体系[15]、基于TCP/IP的协议体系、将CCSDS与TCP/IP结合的协议体系、基于容延迟/中断网络（Delay/Disruption Tolerant Networks，DTN）[16-17]的协议体系。我国在空间信息网络的体系架构和协议等方面也进行了大量的研究，已有一定的技术积累，我国航天测控领域专家沈荣骏院士也提出了与“星际互联网”类似的天地一体化航天互联网体系架构[18]。
此外，与地面网络不同，空间信息网络是一个大容量、多层次异构复杂网络化系统，承载海量、多维、时空协同信息，适应实时、高动态通信环境。因此，空间信息网络需要实现高动态的网络配置与重构。这方面的研究主要针对具体空间信息网络应用问题[19-20]。以气象灾害应用为例[21]，我国气象工作者开发完成了卫星天气应用平台（SWAP）以及卫星遥感监测分析系统（SMART），两者包含了台风、对流以及灾害评估等多个专业分析模块，初步实现了对多源卫星资料的综合显示和协同分析应用[22-23]。
综上所述，随着空间技术和信息技术的交叉式快速发展，星上信息处理能力大大提高，各空间节点互联构成一体化的网络系统，已成为空间信息系统进一步发展的内在要求与必然趋势。因此，必须从基础理论深度与网络架构高度，深入研究适用于空间信息网络环境的基础模型，提出空间信息网络的体系架构，研究其中的基础理论问题与相关关键技术。