簡述空天信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的特點、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張玲玲

摘 要：與現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，未來空天信息傳輸網(wǎng)絡(luò)支持的終端類型、業(yè)務(wù)類型、服務(wù)質(zhì)量要求更為豐富。因此，為保證接入終端能夠高速、可靠地進行大容量的數(shù)據(jù)收發(fā)，適用于多個用戶接入的空天信息網(wǎng)絡(luò)研究就顯得尤為迫切。

關(guān)鍵詞：空天信息；通信；傳輸

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.129

0 引言

目前，世界各國的航天技術(shù)和航天工程快速發(fā)展，空間信息交換、傳輸技術(shù)發(fā)展取得了巨大的成就?？仗煨畔⑼ㄐ畔到y(tǒng)功能的日趨完善，終端種類以及各用戶獲取的信息量逐漸增加，然而各個系統(tǒng)之間存在著自成體系、互不兼容的矛盾，通過單顆衛(wèi)星進行空地鏈路的傳統(tǒng)通信模式已經(jīng)無法滿足多元化的空天信息網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用需求。因此世界主要航天國家都將發(fā)展目標(biāo)定位為建立空天地一體化的綜合網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)空間信息資源的互通互聯(lián)，空天信息網(wǎng)絡(luò)的概念正是在這種背景下提出的。

1 空天信息網(wǎng)絡(luò)的特點

1.1 開放的通信網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)集成了多種現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)的各種特征和功能，各個平臺之間為達到資源共享和信息傳遞的目的，必須解決它們互相獨立的問題，為達到此要求，空天信息網(wǎng)絡(luò)中各個通信終端需通過相關(guān)的網(wǎng)關(guān)同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行及時、準(zhǔn)確、多樣性的數(shù)據(jù)通信，為此，空天信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計必須具備開放性，以便做到不同網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)、多個系統(tǒng)相互兼容。

1.2 立體的信息交換

空天信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)立體化，此特點決定了通信服務(wù)的立體化?？仗煨畔⒕W(wǎng)絡(luò)覆蓋了不同層次空間上性能各異的通信終端，并依賴于空天網(wǎng)絡(luò)立體的信息交換的特點，有效地保障了空間信息和頻譜資源地充分利用，實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)資源的合理配置。

1.3 通信的特殊性

與地面通信網(wǎng)絡(luò)相比，空天網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋范圍大、智能程度高、延時大、支持的業(yè)務(wù)種類多等特點，特別是天基骨干鏈路，其傳輸距離遠(yuǎn)、拓?fù)鋭討B(tài)變化大但鏈路變化規(guī)律可循。同時對終端功耗、體積、重量的要求更為嚴(yán)格，使得空天傳輸網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)計更給困難。

1.4 動態(tài)的組網(wǎng)機制

在空天傳輸網(wǎng)絡(luò)中，即要滿足基于天基骨干網(wǎng)實現(xiàn)對所有通信終端進行動態(tài)整合以獲取不同的信息資源，又需要滿足區(qū)域網(wǎng)絡(luò)具備一定程度的智能自組特性，以便應(yīng)對各種突發(fā)狀況并滿足抗毀性等特殊需要，所以空天傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)滏溄?、資源調(diào)度必須具有動態(tài)重組的能力。

2 空天信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代至90年代，美國成功部署了跟蹤數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（Tracking and Data Relay Satellite，TDRS）系統(tǒng)，TDRS被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，其中，多址鏈路是TDRS的重要組成部分，美國的TDRS多址鏈路技術(shù)演變分為三個階段：

第一代TDRSS系統(tǒng)的多址體制采用空分多址結(jié)合碼分多址方式，星上采用一個S 頻段多址相控天線，具有30個陣元，全部用作接收陣列，發(fā)射陣列由其中的12個具有收發(fā)雙工性能的陣元承擔(dān)，在通信過程中，只需24個接收陣元、8個發(fā)射陣元即可達到TDRSS通信要求[1]。系統(tǒng)采用空分多址和碼分多址方式，在一個波束內(nèi)的用戶采用偽噪聲碼分多址技術(shù)，每個信道最大速率可達到50kb/s。其空分多址的波束形成是在地面完成的，各個天線單元接收到返向鏈路的信號，經(jīng)過低噪放等處理過程送給星上處理器，并將信號頻分復(fù)用（頻點間隔設(shè)置為7.5MHz）后形成中頻信號，再通過上變頻處理將信號從K頻段傳輸下去送給地面基站，在地面接收到多個陣元的信號進行波束形成。

第二代TDRSS系統(tǒng)星上采用的多址天線為S頻段六角形相控陣模式，并且因為星上形成波束，天線增益提高約6dB，返向鏈路為32條，前向鏈路為15條，系統(tǒng)增強了多址業(yè)務(wù)返向能力，占用2.0Ghz～2.3Ghz波段進行多址訪問，前向鏈路的數(shù)據(jù)傳輸率為300Kbit/s，并能以傳輸速率3Mb/s同時接收五個用戶星的信息[2]。

空天信息網(wǎng)絡(luò)第三代TDRSS完成了空間對接、高覆蓋率和返回著陸等方面的衛(wèi)星測控任務(wù)，并能夠做到對于圖像信號的實時傳輸，關(guān)于其多址鏈路技術(shù)，最近美國提出了按需接入的第三代中繼衛(wèi)星地面合成方案，第三代多波束合成方案采用地面接收DBF多波束合成技術(shù)，可以滿足更多用戶按需接址的通信要求。

3 空天信息網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展趨勢

隨著各航天大國對于空天網(wǎng)絡(luò)研究越發(fā)重視，空天網(wǎng)絡(luò)的測控技術(shù)也不斷完善，未來發(fā)展趨勢有：

（1）加強中繼衛(wèi)星的用戶測定軌道功能。隨著中繼衛(wèi)星在航天測控領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用，世界各國在于中繼衛(wèi)星的后續(xù)發(fā)展規(guī)劃設(shè)計，都強調(diào)了空天信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的各個用戶終端精確定軌功能。

（2）進一步發(fā)展相控陣天線技術(shù)。相控陣天線采用全固態(tài)電路，由多個有源陣列元組成，每個陣元有獨立的發(fā)射機，少數(shù)陣元故障不會引起天線的完全失效。為獲得更高的天線增益， 目前各國正在開展相控陣天線在Ku/Ka 頻段領(lǐng)域的研制開發(fā)和應(yīng)用 。

（3）加強空天信息網(wǎng)絡(luò)的國際互聯(lián)。鑒于空天網(wǎng)絡(luò)自身發(fā)展水平的不足和中繼衛(wèi)星的陰影區(qū)的問題，為了滿足各國空天信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，歐洲、日本和俄羅斯等國家都加強了與美國交流合作，產(chǎn)生了大聯(lián)合的構(gòu)思——建立國際空天網(wǎng)絡(luò)，并很快付諸于行動，目前，就S頻段互操作已經(jīng)確定了相關(guān)鏈路參數(shù)，而 Ka頻段互操作活動有條不紊地進展且效果明顯。

（4）增大中繼衛(wèi)星天線增益。天線增益作為一個決定空天信息網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵參數(shù)，其特點是若系統(tǒng)天線增益高，則可為收發(fā)信號提供足夠的上行和下行載波功率，從而大大減輕了星上負(fù)擔(dān)，所以針對此參數(shù)的設(shè)計，目前NASA正在通過增加中繼衛(wèi)星的星間天線口徑來得到系統(tǒng)高天線增益的支持，在 NASA下一代中繼衛(wèi)星頂層設(shè)計上， 相對于當(dāng)前空天網(wǎng)的數(shù)據(jù)， 用戶航天器減少 3 dB 以上的用戶負(fù)擔(dān)。

參考文獻：

[1]趙靜，趙尚弘，李勇軍等.星間激光鏈路數(shù)據(jù)中繼技術(shù)研究進展[J].紅外與激光工程，2013（11）：3103-3110.

[2]吉雯龍，于小紅.國外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用分析[J].四川兵工學(xué)報，2014，35（10）：118-120，12.