小衛(wèi)星在空間信息網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展方向研究

● 文| 航天東方紅衛(wèi)星有限公司 張敬一 劉志佳 寧金枝

小衛(wèi)星在空間信息網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展方向研究

● 文| 航天東方紅衛(wèi)星有限公司 張敬一 劉志佳 寧金枝

空間信息網(wǎng)絡(luò)日益成為我國提升空間活動能力的重要組成部分，探索適合我國航天發(fā)展的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是當(dāng)前重要的研究方向。借鑒和研究國際通用和經(jīng)歷項目實踐的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，有助于結(jié)合當(dāng)前空間能力建立自己的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。最后探討了小衛(wèi)星在空間信息網(wǎng)絡(luò)中的定位及發(fā)展方向。

空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 骨干網(wǎng) 接入網(wǎng) 局域網(wǎng) 鄰近網(wǎng) 小衛(wèi)星

一、引言

近10年來我國航天事業(yè)獲得長足發(fā)展，空間任務(wù)呈現(xiàn)多樣性、長期性及國際合作的迫切性，這對空間信息傳輸提出了更高的要求和更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段我國空間信息傳輸仍處于點對點數(shù)據(jù)傳輸模式階段。在這種傳輸體制下，衛(wèi)星等航天器所獲取數(shù)據(jù)對用戶的傳輸缺乏及時性、可靠性和安全性。另一方面，隨著信息革命的到來，地面通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，以O(shè)SI網(wǎng)絡(luò)模型和TCP/IP模型為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議族不斷成熟與加強，在地面有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的普及與應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪械纳罘绞?，實現(xiàn)人與人的互聯(lián)與信息交互。而空間和地面用戶之間的信息交互也顯得日益重要，例如地圖信息的更新周期漫長，位置信息的不夠精確，地面網(wǎng)絡(luò)欠發(fā)達地區(qū)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，多維信息綜合處理生成關(guān)鍵信息等。

用戶要求空間信息網(wǎng)絡(luò)支持航天器平臺聯(lián)網(wǎng)，地面用戶網(wǎng)絡(luò)與空間信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，航天器對地傳輸模式向星際、星地中繼網(wǎng)絡(luò)化模式轉(zhuǎn)變；要求天地間通信提供多種數(shù)據(jù)傳輸方式，其交互性和多業(yè)務(wù)能力更強、帶寬更寬、接入更靈活、效率更高、擴展性更好，形成有效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使空間信息傳輸從當(dāng)前點到點傳輸向端到端傳輸轉(zhuǎn)變。因此，如何建立星與星，星與用戶之間更為廣泛的信息交互網(wǎng)絡(luò)是擺在我國空間技術(shù)發(fā)展面前的問題。而這一問題的基礎(chǔ)是建立空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。目前，國外研究機構(gòu)做了有益的概念設(shè)計和驗證項目實踐，結(jié)合我國航天信息傳輸結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，有助于建立我國自己的空間體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

小衛(wèi)星由于其相較于其他航天器的固有特點與優(yōu)勢，再與急速發(fā)展的信息軟硬件技術(shù)相結(jié)合，已成為航天技術(shù)發(fā)展的一片新高地。小而精悍，能效比高，快速部署等系列小衛(wèi)星層出不窮。但是，在井噴發(fā)展的同時是否需要思考在空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的大背景下，小衛(wèi)星如何定位與發(fā)展，充分發(fā)揮其特點與功能，又很好的服務(wù)和應(yīng)用于空間信息網(wǎng)絡(luò)，這是本文重點闡述的內(nèi)容。

二、國外空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與規(guī)劃

1. NASA面向未來的空間網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

面向未來空間復(fù)雜通信環(huán)境，Kul Bhasin等人根據(jù)美國宇航發(fā)展現(xiàn)狀，提出了空間因特網(wǎng)并描述其組成元素如圖1所示。他們將整個空間信息網(wǎng)絡(luò)劃分為四部分：骨干網(wǎng)絡(luò)—由地面和天基骨干網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成;接入網(wǎng)絡(luò)—航天器通過無線或光通信接口接入骨干網(wǎng)絡(luò)；航天器間網(wǎng)絡(luò)—編隊、集群或星群飛行的航天器之間通過無線或光通信接口互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；臨近網(wǎng)絡(luò)—飛行器、著陸器、傳感器組成無線或光通信接口互聯(lián)的自組織（Adhoc）網(wǎng)絡(luò)。

骨干網(wǎng)包括NASA的地面網(wǎng)（GN）、深空網(wǎng)（DSN）、天基網(wǎng)[SN-跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）、國際空間站（ISS）]和可以為NASA航天器提供通信業(yè)務(wù)的任何商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)，以及將NASA設(shè)施聯(lián)在一起的虛擬專用網(wǎng)（VPN）。通過骨干網(wǎng)可供利用的信息有來自其他航天器、太空車、傳感器網(wǎng)絡(luò)、運作中心、歸檔數(shù)據(jù)庫和用戶的數(shù)據(jù)及任務(wù)指令等。網(wǎng)絡(luò)還能進一步擴大到全球范圍，獲得更多的空間信息資源。

接入網(wǎng)是利用微波或光通信手段為航天器、太空車等接入骨干網(wǎng)所形成的網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)接入接口包括遠地對象的調(diào)制解調(diào)器、接收機、發(fā)射機和天線，以及骨干網(wǎng)的匹配裝置。

航天器內(nèi)網(wǎng)是為協(xié)同飛行的航天器，例如星座、緊密編隊或松散星群建立的，用于局域通信和協(xié)調(diào)，其間可利用無線接口（微波或光）或其他接口（有線或光纖）連接到相鄰的航天器。

鄰近網(wǎng)絡(luò)是指相距甚近的登陸或空間的太空車、空間站、傳感器、氣球等，利用低功率的鄰近網(wǎng)絡(luò)，以Adhoc方式互聯(lián)。

由骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)、航天器內(nèi)網(wǎng)和鄰近網(wǎng)絡(luò)組成的新架構(gòu)，能很好地滿足NASA對未來空間通信的需要。基于此框架，無需為新出現(xiàn)的任務(wù)構(gòu)建一套新的通信基礎(chǔ)設(shè)施，避免了重復(fù)建設(shè)。

圖1 NASA面向未來的空間網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

2.歐洲天基互聯(lián)網(wǎng)計劃(ISICOM)空間信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

歐洲天基互聯(lián)網(wǎng)計劃面向?qū)τ刑旎ヂ?lián)潛在需求用戶群（如個人用戶，集體用戶，專業(yè)用戶和中小型組織／企業(yè)用戶，公共機構(gòu)和大型企業(yè)用戶，電信運營商和業(yè)務(wù)提供商）提出的。該計劃能提供的業(yè)務(wù)有：對各類用戶可提供廣播服務(wù)、公眾信息服務(wù)、應(yīng)急服務(wù)、遠程醫(yī)療和遠程教育服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)接入、語音和數(shù)據(jù)服務(wù)、導(dǎo)航服務(wù)、固定和移動的寬帶服務(wù)以及物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等等。該體系結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 ISICOM空間網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

GEO/GSO星座：圖2中頂層為GEO/GSO（地球靜止軌道/地球同步軌道）軌道弧線，通常由3顆等間距GEO衛(wèi)星節(jié)點構(gòu)成星座，3顆衛(wèi)星間用激光或?qū)拵o線鏈路互連互通覆蓋全球。GEO星座是空間段的核心基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。GEO/GSO星座的主要用途：通過星間鏈路為對地觀測衛(wèi)星和NGO軌道星座等各種衛(wèi)星提供信息傳輸和處理服務(wù)；通過星地鏈路直接為對地覆蓋波束內(nèi)中央站、地面關(guān)口站（GW）和各種用戶終端提供通信廣播服務(wù)。

NGO 星座：圖中次層為NGO（非地球同步軌道）軌道弧線，通常由多顆NGO 衛(wèi)星節(jié)點構(gòu)成星座，各星間用光學(xué)或無線電鏈路互聯(lián)互通，無縫覆蓋全球。NGO 星座的主要用途：通過星間鏈路與GEO衛(wèi)星互通信息并接受其管理；通過無線電鏈路為高空平臺（HAPS）等飛行器提供信息傳輸服務(wù)；通過星地鏈路為對地覆蓋波束內(nèi)中央站、地面關(guān)口站（GW）和各種用戶終端提供通信服務(wù)。

導(dǎo)航/定位衛(wèi)星星座：導(dǎo)航/定位衛(wèi)星星座擬用伽利略（Galileo）導(dǎo)航系統(tǒng)。主要為對地觀測衛(wèi)星、各種地球站和各種用戶站(車輛、汽車、無人機、高空平臺等運動物體)提供導(dǎo)航定位信息。

對地觀測衛(wèi)星星座：對地觀測（Earth Observation）衛(wèi)星星座擬選用全球環(huán)境與安全監(jiān)測系統(tǒng)（GMES）。當(dāng)對地觀測衛(wèi)星飛行在其地面設(shè)施遙感接收站視區(qū)以外時，可通過GEO衛(wèi)星將其獲取的遙感信息實時中繼到遙感接收站；還可將對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)中央站經(jīng)處理和融合后的綜合信息通過GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)廣播給各用戶站。

高空平臺系列：高空平臺（HAPS）NGO星座通過星臺鏈路互通信息，接NGO衛(wèi)星服務(wù)；向無人機（UAV）通臺機鏈路轉(zhuǎn)發(fā)NGO衛(wèi)星信息，為UAV務(wù)；通過臺地鏈路與提供快速應(yīng)急通信務(wù)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)互傳信息；通過臺地路直接向熱點(Hot spot)地區(qū)提供專通信服務(wù)；通過臺地鏈路直接向相關(guān)地提供廣播和寬帶通信接入服務(wù)。

UAV系列： UAV高空平臺（HAPS）過機臺鏈路互傳信息，接受高空平臺（HAPS）服務(wù)。

地面設(shè)施：用作物聯(lián)網(wǎng)通信的衛(wèi)星傳感器網(wǎng)絡(luò)（Satellite Sensor Network）；用以進行干擾管理等任務(wù)的協(xié)同波束成形（Cooperative beamforming）分布式天線系統(tǒng)；對地觀測衛(wèi)星地面網(wǎng)站（On-ground observation network）；通信衛(wèi)星關(guān)口站（GW）等。

3.我國空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

我國天地一體化全球信息網(wǎng)設(shè)計原則應(yīng)遵循四化：全球化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化。

全球化：服務(wù)區(qū)實現(xiàn)全球全時全氣候覆蓋地面層（含海、陸、空）用戶地球站、臨近空間層的用戶飛行器、空間層的用戶航天器三層用戶。

網(wǎng)絡(luò)化：各飛行器和地球站主要依靠星間鏈路、國內(nèi)星地鏈路和地面線路組成天地一體化全球信息網(wǎng)絡(luò)。通過網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)資源共享，充分發(fā)揮航天應(yīng)用效益，促進航天資源整合優(yōu)化。通過網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)國外不設(shè)站情況下，由國內(nèi)測控站測控全球運行的衛(wèi)星，國內(nèi)遙感站實時接收全球遙感衛(wèi)星發(fā)送的信息，國內(nèi)關(guān)口站管理全球用戶站間互通信息。

智能化：為應(yīng)對龐大和復(fù)雜的天基網(wǎng)絡(luò)，全網(wǎng)運行和管理必須具備高度的自主運行和管理能力。網(wǎng)絡(luò)管理的部分功能可不依賴于地面設(shè)備由星上自主管理。

標(biāo)準(zhǔn)化：統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范是天地一體化全球信息網(wǎng)各系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通和資源共享的前提和條件。研究和采用統(tǒng)一的、先進的、有發(fā)展前途的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范將貫徹于研究和建立天地一體化全球信息網(wǎng)全過程。

考慮到作為中低軌道用戶航天器的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星星座使用地球靜止軌道（GEO）或地球同步軌道（GSO）星座最合適，作為實現(xiàn)全球（含南北兩極）無縫覆蓋的星座采用非靜止軌道即中軌道（MEO）或低軌道（LEO）星座最合適，為此本天地一體化全球信息網(wǎng)至少應(yīng)有地球靜止軌道星座和非靜止軌道星座兩層不同高度的覆蓋全球的衛(wèi)星星座組成，見圖3。

圖3 我國多層次天地一體化全球信息網(wǎng)架構(gòu)

三、小衛(wèi)星在空間信息網(wǎng)絡(luò)中的定位及發(fā)展方向

1.小衛(wèi)星與骨干網(wǎng)絡(luò)

在空間信息網(wǎng)絡(luò)中，骨干網(wǎng)是重點，它需要大容量、高速率、可靠的微波或光通信技術(shù)的支持；在軟件開發(fā)中，基于分層結(jié)構(gòu)和對時延不敏感、數(shù)據(jù)開銷最小運作的協(xié)議是十分重要的。大多數(shù)基于在空間的架構(gòu)元素，其硬件將是高度小型化、低功耗、體積小、重量輕的，并采用智能元件來增強網(wǎng)絡(luò)的功能和自主性?，F(xiàn)在國際上通行的是以大型通信中繼衛(wèi)星在空間組織高速寬帶骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并與地面建立高速寬帶鏈接。

但是，中低軌移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)可以作為高速寬帶骨干網(wǎng)絡(luò)的補充，形成較低速率的空間骨干網(wǎng)絡(luò)，為空間與地面提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。如美國的銥星系統(tǒng)，歐洲的Globalstar等中低軌小衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。該類系統(tǒng)為小范圍多目標(biāo)提供遠程通信服務(wù)。銥星系統(tǒng)可以很好地覆蓋兩極區(qū)域，為骨干網(wǎng)通信系統(tǒng)提供補充。而Globalstar系統(tǒng)更多的關(guān)注全球人口稠密的低緯度地區(qū)覆蓋，注意加強對稠密區(qū)域通信服務(wù)能力。這些都為我們設(shè)計小衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供有益借鑒，推動我國小衛(wèi)星發(fā)展。

2.小衛(wèi)星與接入網(wǎng)

當(dāng)前我國小衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸主要方式為：星上載荷獲取數(shù)據(jù)簡單處理后直接傳輸給地面站。該種方式有一定的局限性：①過境時間有限，需要繁復(fù)的任務(wù)安排來充分利用過境時間傳輸數(shù)據(jù)；②傳輸環(huán)境不確定導(dǎo)致信息數(shù)據(jù)傳輸受到限制。

而一旦形成骨干網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積廣、通信帶寬寬，可以為小衛(wèi)星提供一系列空間信息傳輸服務(wù)，包括大數(shù)據(jù)存儲，全球范圍內(nèi)可接收小衛(wèi)星數(shù)據(jù)上傳，與地面多個站點保持鏈接等。這樣可以根本性的改變小衛(wèi)星對地數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞胶头椒ā?/p>

骨干網(wǎng)建立之后，小衛(wèi)星作為接入節(jié)點，須考慮與骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的頻段，帶寬，調(diào)制方式底層接口規(guī)范，然后鏈路協(xié)議，什么時候，什么方式接入和建立鏈接，最后是網(wǎng)絡(luò)及上層傳輸、應(yīng)用協(xié)議來實現(xiàn)端到端的服務(wù)。接入網(wǎng)協(xié)議的高效直接可以有效的利用信息資源和完成空間網(wǎng)絡(luò)的建立、拓展與融合。在這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，小衛(wèi)星可以獨立運行，也可與空間信息網(wǎng)絡(luò)接入運行， 使得小衛(wèi)星的運行效能從單一受限固化向多樣靈活自由轉(zhuǎn)變。

3.小衛(wèi)星與空間局域網(wǎng)

本文這里在定義上有兩種不同的空間局域網(wǎng)概念有別于NASA定義：

1）航天器內(nèi)部空間局域網(wǎng)：眾所周知，航天器是由多個分系統(tǒng)組成，而這些不同的分系統(tǒng)間信息的交互，隨著分系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取能力與體量的增加，它們之間的數(shù)據(jù)傳輸不能是簡單的總線結(jié)構(gòu)所能夠滿足，在歐洲提出spacewire路由技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)后，多國衛(wèi)星已實現(xiàn)各分系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)交互，信息傳輸方式從總線型結(jié)構(gòu)向以太網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，各分系統(tǒng)之間信息轉(zhuǎn)發(fā)無須中心計算機介入，提高分系統(tǒng)間信息交互效率。

此外，附著于航天器內(nèi)部與外部傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立同樣需要航天器內(nèi)部局域網(wǎng)，為未來航天器整體智能化提供必要保證。

2）航天器外部空間局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)：小衛(wèi)星重要特點是機動靈活，成本低廉，而在這一背景下人們更多的去考量多衛(wèi)星聯(lián)合應(yīng)用場景，而這正需要多星間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實現(xiàn)信息交互及聯(lián)合提升效能。這種互聯(lián)可以是小范圍的，稱之為空間局域網(wǎng)。例如，2006年美國國防先進計劃局（DARPA）提出分離模塊航天器概念，即F6計劃，主要是驗證以小型模塊航天器群實現(xiàn)傳統(tǒng)大衛(wèi)星功能。該計劃正在穩(wěn)步推進中；這種互聯(lián)也可以是大范圍的，完成局域網(wǎng)與局域網(wǎng)間互聯(lián)，航天器與航天器間互聯(lián)，稱之為空間廣域網(wǎng)，例如千星計劃，如此大規(guī)模的星群，信息傳輸應(yīng)考慮為廣域網(wǎng)。當(dāng)廣域網(wǎng)擴展為全球范圍，也可以成為骨干網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)我國小衛(wèi)星發(fā)展?fàn)顩r對于小衛(wèi)星在軌組網(wǎng)方面應(yīng)該兩方面并舉：①整合小衛(wèi)星資源，即實現(xiàn)不同載荷小衛(wèi)星間信息互通互聯(lián)協(xié)同工作；②發(fā)展特長化衛(wèi)星，即從開始設(shè)計建造集群或模塊衛(wèi)星之初，設(shè)計分工協(xié)作，例如多個衛(wèi)星下，專門的光學(xué)載荷若干，專門電子載荷若干，專門數(shù)據(jù)處理中心若干，專門對地傳輸若干。

而這兩個方面所涉及到的主要是如何實現(xiàn)局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化，在空間環(huán)境、衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制等多元約束下，如何實現(xiàn)高效、有效的數(shù)據(jù)通信，空間以太網(wǎng)，Adhoc組網(wǎng)是下一步需要深入探討的問題核心。

4.小衛(wèi)星與空間鄰近網(wǎng)絡(luò)

在軍民融合應(yīng)用方面，用戶都需要衛(wèi)星所能覆蓋的鄰近空間內(nèi)的各種用戶能夠與衛(wèi)星組成高效的鄰近空間網(wǎng)絡(luò)，形成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。低軌小衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取，該如何獲取，什么位置獲取，什么時間獲取等限制條件都將由這個鄰近空間網(wǎng)絡(luò)來交互決定，整個網(wǎng)絡(luò)是立體網(wǎng)狀，而不再是以前的串行信息傳輸。小衛(wèi)星載荷獲取的數(shù)據(jù)如何以網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)對地面用戶端到端的傳輸是這里討論的重點。

這個網(wǎng)絡(luò)中以低軌小衛(wèi)星、地面各類型用戶作為主體互聯(lián)，需要實現(xiàn)3種方式數(shù)據(jù)傳遞：①衛(wèi)星對多用戶網(wǎng)絡(luò)；②多用戶間網(wǎng)絡(luò)；③多用戶對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

在鄰近網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星信息與地面用戶網(wǎng)絡(luò)中信息的直接交互，以達成數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性、可靠性實現(xiàn)衛(wèi)星效能與應(yīng)用提升。當(dāng)然，鄰近空間網(wǎng)絡(luò)也可以借助其他網(wǎng)絡(luò)提供的通道完成對功能的擴展與補償。

四、結(jié)論

在空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的大趨勢中，小衛(wèi)星應(yīng)充分發(fā)揮其自身特點，異軍突起，成為空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及空間發(fā)展與創(chuàng)新的先行者。骨干網(wǎng)大系統(tǒng)工程中積極規(guī)劃立項論證，在接入網(wǎng)、空間局域網(wǎng)和空間鄰近網(wǎng)上發(fā)揮自身優(yōu)勢迅速整合資源、積極推進，是小衛(wèi)星整體創(chuàng)新發(fā)展與效能提升重要研究方向。

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