國內外星群測控的研究現(xiàn)狀及關鍵技術*

楊紅生

(中國西南電子技術研究所，成都610036)

1 引言

隨著衛(wèi)星軍事應用需求的快速發(fā)展，越來越多的航天任務已經(jīng)不能僅靠單顆衛(wèi)星來完成，而必須多顆衛(wèi)星聯(lián)合工作才能完成。比如，美國2000年發(fā)射的3顆小型商業(yè)遙感衛(wèi)星分辨率高達1 m，達到了大型偵察衛(wèi)星水平。

星群是指一組航天器以協(xié)同工作方式，構成一個大的“虛擬航天器”來完成測量、偵察、空間攻防對抗、戰(zhàn)場態(tài)勢感知等一系列聯(lián)合行動任務的衛(wèi)星系統(tǒng)。星群又分兩類，一類是衛(wèi)星編隊，一類是模塊化衛(wèi)星群。衛(wèi)星編隊飛行是一組航天器構成和保持一個特定形狀，以擴大測量基線為主要特征的星群，例如美國“21世紀技術衛(wèi)星”[1]。編隊飛行成員衛(wèi)星需要嚴格的站位保持，因此對星間測量精度要求很高，經(jīng)常是同構的。模塊化衛(wèi)星群是由一組具備各自不同功能的航天器組成，各模塊執(zhí)行自己的功能，但又通過星間鏈路相互配合，聯(lián)合完成一系列任務的衛(wèi)星系統(tǒng)，例如美國F6計劃。與傳統(tǒng)單星工作模式相比，星群工作模式具備低成本、高性能、任務靈活性、高可靠性和強抗毀能力等優(yōu)點。

本文結合國內外星群測控技術的研究現(xiàn)狀，基于我國航天測控技術的研究基礎，開展星群測控的體系架構研究，并對其中的關鍵技術進行研究分析。

2 星群測控的問題

傳統(tǒng)航天測控系統(tǒng)主要完成對獨立目標的測控與在軌管理工作，采用點對點的煙囪式測量方式。對于單個衛(wèi)星或數(shù)量很少的小規(guī)模星群，這種方法可以適用，但對于星群的多星測控實施點對點測控，在人力、物力上的費用將非常龐大，特別是星間距離較近時，地面站的測控天線實現(xiàn)對多星遙測信號的同時接收與分辨將非常困難。為了提高多目標測控能力，我國也已經(jīng)發(fā)展了多種多目標測控方法，目前主要有地基相控陣多波束技術、地基單波束碼分多址技術、中繼星S頻段多址接入(SMA)技術3種，這3種方法對每個目標仍然是采用“一對一”的測控方式，對多目標測控支持能力有限。隨著航天任務需求的不斷發(fā)展，星群內成員數(shù)量不斷增多，可以達到幾十甚至上百顆，對星群為特征的多目標測控，傳統(tǒng)測控資源對多目標支持能力不足，不能適應未來對星群多目標測控的任務需求。因此，需要針對星群應用研究一種全新的星群測控方式。

3 國內外星群測控技術的研究現(xiàn)狀

3.1 國外星群研究現(xiàn)狀

3.1.1 國外星群研究及應用情況

從20世紀80年代中期以來，美國和歐洲都非常重視星群技術的發(fā)展，將其視為未來航天發(fā)展的一個關鍵技術，大力發(fā)展了一些用于偵察、預警、通信和多功能綜合星群系統(tǒng)，取得了較多的研究成果。下面對國外典型的已有星群及在研的星群計劃進行介紹。

2005年，NASA啟動了自治納衛(wèi)星群(ANTS)計劃中的“小行星探測任務(PAM)”項目中，擬發(fā)射1 000顆納衛(wèi)星組成10個子群，對小行星進行探測。這些星群由小型化、自治的、相似度高、可重構、可編址的衛(wèi)星元素組成。這些小的衛(wèi)星元素廣泛分布且多層組織。ANTS計劃可適合多種太空任務，未來ANTS將構成3D的mesh網(wǎng)絡或者2D的結構網(wǎng)用以完成特定的任務。

2006年，美國航空航天局通過珀加索斯火箭發(fā)射了由若干25 kg小衛(wèi)星組成的星群。小衛(wèi)星間距離約為200 km，最終呈現(xiàn)為“鏈”狀構型。該任務最終對地球磁場進行了為期90天的觀測。

2006年，ESA實施的星群探測小行星帶(APIES)項目，該星群由19顆微衛(wèi)星(BEE)和1顆主星HIVE(Hub＆Interplanetary Vehicle)組成，構成星型網(wǎng)絡。HIVE衛(wèi)星繞太陽軌道運行，每顆BEE的探測數(shù)據(jù)最終通過HIVE傳回地球。

2011年10月，歐空局發(fā)射了3顆400～550 km的極軌道衛(wèi)星組成星群，該3顆衛(wèi)星將組成星群最終實現(xiàn)對地球的3D地磁重構，用以檢測地磁變化。

美國DARPA的SeeMe計劃，目前正在研究通過20顆衛(wèi)星組成超低軌道大星群計劃。計劃總投資超過1 200萬美元，于2012－2015年左右發(fā)射。基于SeeMe計劃，士兵可在需要時按下手持設備上的“SeeMe”按鍵，90 min內士兵便可通過手持設備，近實時地獲得從太空中拍攝的其周邊環(huán)境的高精度圖像信息。

美國F6計劃，通過一個分離模塊航天器，構成一個虛擬大衛(wèi)星來完成特定任務。DARPA計劃在2013－2014年進行F6計劃的飛行示范。示范內容包括:針對星群的更新“模塊”進行簇的重配置;利用星間網(wǎng)絡將更新的“模塊”納入星群的網(wǎng)絡資源;根據(jù)任務需要，對星群進行快速分散和匯聚;整體星群任務的協(xié)作[2]。

3.1.2 國外星群測控通信技術研究情況

(1)星間相對測量定位技術

目前，星間相對測量方法主要包括無線電、激光、導航和可見光測量等，從文獻上看國外星間測量的時間同步精度達到了0.1 ns，相對距離測量精度達到了nm量級;而國內報道的星群時間同步精度與距離測量精度差距較大。表1是幾個國外典型星間測量的例子，圖1和圖2是其中兩個項目的星間相對測量原理圖。

圖1 下一代全球重力場測量計劃星間激光干涉測距概念Fig.1 Concept of inter－satellite laser ranging of GRACE Follow on

圖2 VISNAV傳感器系統(tǒng)的相對導航原理圖Fig.2 Configuration of relative navigation of VISNAV sensor system

表1 國外星間測量的研究情況Table1 Studies of inter－satellite relative measurement abroad

(2)空間互聯(lián)網(wǎng)技術方面

從20世紀末期開始，國外航天大國均致力于將地面網(wǎng)絡技術進一步發(fā)展到空間應用的研究，開展了許多空間互聯(lián)網(wǎng)的相關研究工作，目前正處于空間互聯(lián)網(wǎng)技術演示驗證階段。星群測控網(wǎng)建設可借鑒或采用的協(xié)議主要包括以下3種[9]。

1)空間IP協(xié)議體系

地球互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了在空間通信中直接采用IP技術的想法。空間IP協(xié)議體系的優(yōu)勢是技術成熟度高、能大大縮減航天成本、易于升級以滿足未來航天任務的需要。2001年，美國哥達德航天中心開展了名為OMNI的研究項目，主要研究利用地面商用IP協(xié)議實現(xiàn)空間通信方案。OMNI基于IP的思想開展了地面試驗，并進行了“航天飛機上的通信與導航演示驗證(CANDOS)”試驗?？臻gIP協(xié)議體系雖然可以基本滿足地面與近地軌道航天器間的信息傳輸，但TCP協(xié)議是基于端到端重傳的協(xié)議，需要假定傳輸延遲很小，與空間通信不符;此外，按照分級方式實現(xiàn)的地面路由協(xié)議不適用于空間通信的操作環(huán)境。

2)CCSDS建議的體系結構

CCSDS開發(fā)了一組統(tǒng)稱為空間通信協(xié)議規(guī)范(SCPS)的協(xié)議用以滿足下列需求:支持可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴蕝f(xié)議需求;滿足正在開展的多空間節(jié)點任務配置對空間網(wǎng)絡選路的需求;大幅度壓縮運行成本且保持從空間任務獲得結果的能力的需求;與因特網(wǎng)兼容的互操作需求。基于這些考慮，SCPS照搬了因特網(wǎng)的協(xié)議層次模型，但根據(jù)空間與地面的差異對因特網(wǎng)協(xié)議的 IP、IP－SESC、TCP/IP、FTP協(xié)議根據(jù)空間環(huán)境特點在仿制的同時進行了若干修改，相應的開發(fā)了SCPS網(wǎng)絡協(xié)議(SCPS－NP)、SCPS安全協(xié)議(SCPS－SP)、SCPS傳輸協(xié)議(SCPS－TP)、SCPS文件協(xié)議(SCPS－FP)。CCSDS允許在網(wǎng)絡層使用Ipv4和Ipv6數(shù)據(jù)包，同時參考地面IP技術開發(fā)了一套涵蓋網(wǎng)絡層到應用層的SCPS，與地面因特網(wǎng)協(xié)議相比，SCPS增強了對空間通信環(huán)境的適應性。

近年來，還產(chǎn)生了CCSDS協(xié)議體系與空間IP協(xié)議體系相結合的思想，即在數(shù)據(jù)鏈路層仍然可以使用 CCSDS建議，如分包遙測、分包遙控、AOS、Proximity－1等;網(wǎng)絡層應用IP及其擴展技術;傳輸層和應用層選用商業(yè)標準協(xié)議或CCSDS協(xié)議。這種解決方案具有較為靈活的協(xié)議配置能力，但沒有從根本上消除空間IP協(xié)議體系和當前CCSDS協(xié)議體系在深空通信中的固有缺陷，協(xié)議堆棧的可適應感知能力較弱，仍面臨許多挑戰(zhàn)。

3)DTN的設計思想及體系結構

容延遲網(wǎng)絡研究小組(DTNRG)將整合高度優(yōu)化的區(qū)域網(wǎng)絡協(xié)議的能力作為開發(fā)未來空間/地面協(xié)議堆棧的目標，提出了一種基于容延遲網(wǎng)絡(DTN)的協(xié)議體系。為解決深空環(huán)境下的可靠傳輸問題，JPL于2002年12月提交了一份支持DTN網(wǎng)絡的協(xié)議草案，命名為Licklider傳輸協(xié)議(LTP)，以替代IP協(xié)議和TCP協(xié)議。DTN采用了如下的設計理念:傳輸層與網(wǎng)絡層要適應本地的通信環(huán)境;采用了“non－chatty”的通信模型;采用了存儲－轉發(fā)的技術進行數(shù)據(jù)傳輸;針對丟失數(shù)據(jù)采用了重傳機制。

因此，DTN是一種基于存儲－轉發(fā)消息的體系結構，并在應用層與傳輸層之間加入了一個bundle層。通過bundle層內進行存儲－轉發(fā)路由，在一定程度上解決了長的可變時延、非對稱的數(shù)據(jù)傳輸問題;同時，采用custody hop－by－h(huán)op傳輸機制提供端到端的可靠傳輸，解決了鏈路數(shù)據(jù)傳輸高丟包、高錯誤率的問題。

3.2 國內星群技術的研究情況

目前，國內對星群方面的研究處于起步階段，與國外差距較大。清華大學、浙江大學、南京航空航天大學、國防科技大學等高校開展了皮納衛(wèi)星的研究與試驗工作，自2000年以來，陸續(xù)發(fā)射了“清華1號”、“皮星1號”A/B星、“天拓1號”、“天巡1號”等多顆皮納衛(wèi)星，為星群編隊飛行和組網(wǎng)奠定了基礎。

在多星測控方面，我國也已開展了單波束多目標測控、多波束多目標測控技術方面的研究。

在空間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議方面，我國從20世紀90年代起對CCSDS建議進行了跟蹤和研究，主要集中在分包遙控、分包遙測和高級在軌系統(tǒng)(AOS)建議方面。目前，一些航天任務的有效載荷已經(jīng)部分采用了CCSDS建議，正在建設的天基航天測控網(wǎng)等也開始部分采用CCSDS建議。一些航天任務的地面通信鏈路也已完成了IP化改造，并成功執(zhí)行任務。對于空間IP協(xié)議和DTN協(xié)議有一些理論研究，但尚未在工程中得到應用。

另外，我國也開展了衛(wèi)星編隊的研究，但目前的星間相對位置測量精度、星間時間同步精度、編隊絕對位置測量精度相比國外還有一定差距。

綜上所述，國內雖已在多目標測控技術和測控系統(tǒng)網(wǎng)絡化方面取得了一些研究成果，但從相關文獻上來看，目前國內對星群的研究工作主要側重于星群編隊構型方面，尚未開展基于星間組網(wǎng)的星群測控網(wǎng)方面的研究。

3.3 國內外星群技術對比分析及差距

表2是在星群應用、星間相對測量、網(wǎng)絡技術等相關方面國內外研究情況的對比。

表2 國內外星群研究對比Table2 Contrast of satellite group research at home and abroad

從表2的國內外對比情況可以看出，我國在星群應用情況、星群研究應用的規(guī)模、星間相對測量方法、測量元素、測量精度以及空間互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)議等方面，與國外差距都較大。目前，國外在星群領域已經(jīng)進入應用階段，而我國仍處于規(guī)劃論證階段，需要借鑒國外的研究成果和經(jīng)驗，開展相關技術的研究。

4 星群應用需要解決的關鍵技術

針對衛(wèi)星數(shù)量比較多的星群，一種可行的方法是采用空地骨干網(wǎng)+星群內部組網(wǎng)的星群測控體系架構，通過空地骨干網(wǎng)實現(xiàn)對主星的絕對測量定位，星群內部組網(wǎng)實現(xiàn)星間相對測量定位，以空地骨干網(wǎng)+星群內部組網(wǎng)的方式，實現(xiàn)對星群的整體測控，并完成安全可靠的測控信息和業(yè)務信息傳輸。這種體系架構通過自主測量技術可以使衛(wèi)星成員僅依靠空間設備完成自身的定位、定軌任務;此外，空間衛(wèi)星相對測量還可以有效避免大氣層帶來的測量誤差，有利于測量精度的提高。

星群測控體系架構如圖3所示，由任務中心、骨干鏈路和星群子網(wǎng)組成。骨干鏈路分為“地面站－星群”的直接鏈路和“地面站－中繼星－星群”的中繼鏈路兩種方式。在這種體系架構下有以下幾個關鍵技術問題需要重點解決。

圖3 星群測控體系示意圖Fig.3 Schematic diagram of satellite group TT＆C system

4.1 星群的自主運行體系

本文所提星群測控網(wǎng)需要自適應組網(wǎng)、自主測量定位能力、協(xié)同操控能力等自主運行能力的支持。星群的這些自主運行能力，受到網(wǎng)絡形態(tài)動態(tài)變化、任務重構、群間永久/非永久鏈路混雜、飛行力學攝動影響、信息復雜關聯(lián)、測量精度要求高等多種因素影響，這些因素對星群的自主運行都提出了巨大的挑戰(zhàn)，貫穿著星群的系統(tǒng)設計、組織管理、測控模式、協(xié)同操控機理、安全防護等各個方面。因此，星群的自主運行體系是星群應用需要解決的一個基礎問題。

4.2 星群自適應組網(wǎng)技術

不同的星群應用要求具有不同的網(wǎng)絡拓撲結構，因此，在星群自適應組網(wǎng)研究中，要針對不同的星群應用類型、不同的功能需求、不同的指標要求，深入研究對星群運行有影響的各種因素，構造適合不同場景的星群拓撲模型。同時，針對星群基于網(wǎng)絡的自主測量定位和信息傳輸功能，開展星群網(wǎng)絡的通信協(xié)議體系、路由、流量與擁塞控制機制等研究。另外，從實際應用角度出發(fā)，星群可能會面臨單點故障、任務重構等情況，要求星群網(wǎng)絡具有動態(tài)性，需要研究不同拓撲模型間自適應轉換方法、節(jié)點動態(tài)加入退出技術。

4.3 星間相對測量技術

當前已有的星間相對測量方法中，利用導航(美國的GPS、中國的“北斗”)測量方法的優(yōu)勢是技術相對成熟，能進行衛(wèi)星位置、速度的絕對和相對測量，測量設備的體積小、重量輕，并且不受天氣條件的限制，但隨軌道高度增加，可視導航衛(wèi)星數(shù)量逐漸減少。激光測量方法的精度比較高，抗干擾能力也比較強，但是波束窄，不能同時進行多目標測量，應用于多星組成的星群時，需要搭配掃描系統(tǒng)來輔助工作，而掃描系統(tǒng)又會給衛(wèi)星的控制和系統(tǒng)的溫控帶來困難?？梢姽庑情g相對狀態(tài)測量方法的測量精度隨星間距離增大而變差，因此該方法僅適用于星間距離近的星群。無線電測量的波束寬，作用距離遠，實現(xiàn)全天空覆蓋僅需少量天線，因此對于多星組成的星群，相比其他測量手段具有一定的優(yōu)勢。

星間相對測量除了要對各種測量方法的原理進行深入研究，還需要考慮應用環(huán)境的限制，包括衛(wèi)星的大小、星間距離、軌道高度、系統(tǒng)任務對測量精度的要求等多方面因素。比如，小衛(wèi)星星群要求測量設備的體積小、重量輕、功耗低，會影響測量方法的選擇和測量設備的研制。

4.4 星群協(xié)同操作技術

具備自主運行能力的星群具有節(jié)點眾多、網(wǎng)絡形態(tài)動態(tài)變化、任務需求重配置和群間鏈路、信息復雜關聯(lián)等特性?，F(xiàn)有資源受限的地面、天基測控系統(tǒng)無法適應星群的以上特點，無法支持不具備自主運行能力星群測控任務，無法實現(xiàn)星群有效、安全地自主運行。

星群自主運行包括星群常態(tài)化運行和任務重構兩個方面。為實現(xiàn)星群的有效、安全運行，星群在常態(tài)化運行時，需要各星群節(jié)點協(xié)同工作，完成相鄰群內多目標的信息互感知、融合處理，進行軌道的自維持和協(xié)同定軌;星群任務重構時，會導致星群節(jié)點的拓撲結構、群間鏈路的變化，需要對飛行任務進行合理設計，對軌跡變化進行監(jiān)控，對天、地、群間測控資源進行合理分配。因此，需要從常態(tài)化運行和任務重構兩個方面對星群協(xié)同操作技術進行深入研究，為星群自主運行提供重要支撐，確保其有效、安全運行。

4.5 星群的信息安全防護技術

星群各成員節(jié)點通過時空信息和數(shù)據(jù)信息的交互，可高效靈活地為各類用戶應用提供服務支持。傳統(tǒng)上單純基于地面控制系統(tǒng)的運行管理方式難以應對星群復雜的應用挑戰(zhàn)及動態(tài)多樣的影響因素，在客觀上要求星群內部各成員節(jié)點構成感知互動自治域，以相對自治的方式維持正常在軌運行管理。

星群測控網(wǎng)各成員節(jié)點構成的感知互動自治域具有節(jié)點眾多、信息系統(tǒng)復雜等特點，存在著域邊緣多點受襲、攻擊手段多樣等潛在的信息安全風險，而頻繁的移動性與信息連接的高度動態(tài)性，也增加了節(jié)點訪問控制、認證的難度，使得星群測控網(wǎng)的信息安全防護面臨著巨大的挑戰(zhàn)。目前測控網(wǎng)普遍采用遙測遙控加密、密鑰預置的數(shù)據(jù)可信性保障措施，由于星群測控網(wǎng)具有成員節(jié)點多、組網(wǎng)及在軌執(zhí)行任務周期長等特點，密碼算法、密鑰分發(fā)模式等密鑰管理方法的復雜度也隨之大幅增加，部分星載設備也存在著計算能力與密鑰算法資源消耗之間的矛盾。因此，需要針對空間任務特點和星群空間網(wǎng)絡特性，綜合研究時效加密、數(shù)字簽名、密鑰管理和分發(fā)等安全機制，以及風險隔離、安全等級分類及動態(tài)調整機制，實現(xiàn)動態(tài)安全組網(wǎng)。

5 結束語

星群應用具有很多傳統(tǒng)單顆衛(wèi)星無法比擬的優(yōu)勢，國外已經(jīng)取得了大量的研究成果和應用。隨著我國航天技術的不斷發(fā)展與提高，已經(jīng)具備了進行星群技術研究的基礎與能力。我國應加緊開展星群相關技術的研究，將其作為空天地一體化網(wǎng)絡中的一個重要節(jié)點，逐步完善我國空間信息體系的建設。

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