NASA空間通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及未來發(fā)展

顏潔 彭玉婷（ 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院）

美國的空間探測活動(dòng)由美國國家航空航天局（NASA）的空間通信與導(dǎo)航（SCaN）網(wǎng)絡(luò)提供通信導(dǎo)航支持。SCaN網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成：深空網(wǎng)（DSN）、空間網(wǎng)（SN）和近地網(wǎng)（NEN），用戶一般根據(jù)任務(wù)需求選擇一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供所需服務(wù)。為了建立綜合空間通信與跟蹤能力，NASA于2006年提出建設(shè)統(tǒng)一的空間通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，計(jì)劃將空間網(wǎng)、近地網(wǎng)和深空網(wǎng)形成一個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立，用戶界面和運(yùn)行管理統(tǒng)一的天基任務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。在此之前，這三個(gè)主要空間通信網(wǎng)絡(luò)的管理在很大程度上是獨(dú)立的，各種開發(fā)項(xiàng)的重用程度相對(duì)較低。

本文對(duì)相關(guān)的技術(shù)以及系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了討論和分析，論述了SCaN網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀、演進(jìn)過程以及未來架構(gòu)發(fā)展。

1 SCaN網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段

NASA通信與導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展包括獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)階段（2010年以前）、集成前網(wǎng)絡(luò)階段（第一階段：2010－2015年）、集成網(wǎng)絡(luò)階段（第二階段：2015－2020年）和集成后網(wǎng)絡(luò)階段（第三階段：2020－2025年）。通過后三個(gè)階段的發(fā)展，NASA空間通信與導(dǎo)航服務(wù)設(shè)施逐漸由分離走向統(tǒng)一，形成集成SCaN網(wǎng)絡(luò)，為整個(gè)太陽系內(nèi)的空間飛行任務(wù)提供通信導(dǎo)航服務(wù)。在這一過程中，SCaN網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)和能力不斷發(fā)展變化，并從松散耦合網(wǎng)絡(luò)配置向統(tǒng)一的集成網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型。

2010年之前，SCaN網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)網(wǎng)絡(luò)（空間網(wǎng)、近地網(wǎng)和深空網(wǎng)）及其支撐功能是相互獨(dú)立的，一直按照各自的路線獨(dú)立發(fā)展。2010年之后，SCaN網(wǎng)絡(luò)仍是三個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，但擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)功能，致力于結(jié)合用戶任務(wù)需求開發(fā)新的能力，并進(jìn)一步開始實(shí)現(xiàn)集成網(wǎng)絡(luò)的主要特性（包括標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)和接口）。SCaN網(wǎng)絡(luò)目前已進(jìn)入集成網(wǎng)絡(luò)階段，三個(gè)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)成為統(tǒng)一的通信導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施。

SCaN網(wǎng)絡(luò)下一階段發(fā)展，將根據(jù)需要引入新技術(shù)滿足NASA長期探索及科學(xué)目標(biāo)的需要，主要目標(biāo)包括發(fā)展系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采辦及運(yùn)行成本大幅下降，同時(shí)提升SCaN網(wǎng)絡(luò)的靈活性及可升級(jí)性，從而能對(duì)預(yù)算和用戶需求的變化迅速做出反應(yīng)。

2 SCaN網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

NASA當(dāng)前運(yùn)行著一個(gè)復(fù)雜的空間和地面基礎(chǔ)設(shè)施，支持該機(jī)構(gòu)運(yùn)行的空間任務(wù)以及美國國內(nèi)及國際合作伙伴機(jī)構(gòu)運(yùn)行的任務(wù)。通過使用空間和地面資源，共同向所支持的用戶任務(wù)提供有效通信服務(wù)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持通信和跟蹤需求截然不同的特定運(yùn)行域用戶任務(wù)。

近地網(wǎng)由NASA、商業(yè)資源和合作伙伴全球地面站和集成系統(tǒng)組成，為低軌、同步軌道、高橢圓軌道、月球軌道用戶任務(wù)提供空間通信和跟蹤服務(wù)，以及經(jīng)濟(jì)有效的高速數(shù)據(jù)服務(wù)。

空間網(wǎng)即美國跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS），指位于同步軌道的中繼星座及相關(guān)地面系統(tǒng)，利用空間段和地面段為低軌用戶任務(wù)提供跟蹤和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)?？臻g網(wǎng)支持低延遲需求任務(wù)，適合持續(xù)、高數(shù)據(jù)率通信，對(duì)于載人航天任務(wù)和關(guān)鍵事件所需安全可靠通信至關(guān)重要。

深空網(wǎng)由全球分布的大口徑天線地面站組成，為地球同步軌道到太陽系邊緣用戶任務(wù)平臺(tái)提供連續(xù)通信覆蓋。深空網(wǎng)重點(diǎn)關(guān)注從恒星噪聲中檢測和分辨微弱信號(hào)，針對(duì)近地域之外的深空量級(jí)距離捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。

空間網(wǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展

根據(jù)NASA空間通信與導(dǎo)航計(jì)劃，空間網(wǎng)近期面臨的主要任務(wù)需求是月球探索需要的高速數(shù)傳和載人探索任務(wù)需要的可靠通信、高速率骨干鏈路、連續(xù)覆蓋以及對(duì)用戶任務(wù)的無縫支持?？臻g網(wǎng)近幾年的建設(shè)重點(diǎn)是：發(fā)射第三代衛(wèi)星；對(duì)使用多年的地面系統(tǒng)進(jìn)行更新和升級(jí)；進(jìn)行未來天基中繼研究，以滿足未來航天保障需要。

（1）完成第三代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)建

發(fā)射第三代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRS）是跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星星座進(jìn)行更新?lián)Q代的主要內(nèi)容。第三代衛(wèi)星在第二代衛(wèi)星的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)升級(jí)：升級(jí)了星上遙控遙測鏈路的通信安全系統(tǒng)；采用新的S頻段多址天線技術(shù)；更換Ku/Ka頻段和S頻段用戶支持設(shè)備，Ka頻段數(shù)據(jù)率可達(dá)800 Mbit/s等。最后一顆衛(wèi)星TDRS－M已于2017年8月發(fā)射升空，標(biāo)志著NASA實(shí)現(xiàn)了第三代跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星群的構(gòu)建。最新的TDRS衛(wèi)星將擴(kuò)大空間網(wǎng)絡(luò)能力并延長使用壽命，使NASA能夠在未來十年內(nèi)繼續(xù)接收和傳輸任務(wù)數(shù)據(jù)。

（2）升級(jí)和改造地面系統(tǒng)

為了配合第三代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的發(fā)射并解決地面系統(tǒng)陳舊問題，NASA近年來致力于空間網(wǎng)地面段增強(qiáng)計(jì)劃（SGSS），對(duì)地面系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，提供一個(gè)靈活、可擴(kuò)展、可升級(jí)的地面系統(tǒng)，能夠使得空間網(wǎng)繼續(xù)安全、可靠以及經(jīng)濟(jì)有效地運(yùn)行。采用該地面系統(tǒng)后，設(shè)備性能提高，質(zhì)量和體積減小。

空間網(wǎng)地面段增強(qiáng)計(jì)劃旨在逐步升級(jí)現(xiàn)有空間網(wǎng)，在地面終端上更換過時(shí)的模擬地面硬件和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，代之以數(shù)字化、現(xiàn)代化的地面段。該計(jì)劃將以更高的數(shù)據(jù)速率提高性能，并提供新的編碼/調(diào)制方案。

空間網(wǎng)地面段增強(qiáng)計(jì)劃已經(jīng)于2014年實(shí)施，原計(jì)劃2017年進(jìn)行驗(yàn)收評(píng)審，但該計(jì)劃已經(jīng)滯后于預(yù)定時(shí)間。目前計(jì)劃2018年下半年進(jìn)行TDRS下行鏈路測試及用戶返向鏈路測試，2019年進(jìn)行TDRS上行鏈路及下行鏈路測試及用戶前向、返向及跟蹤測試。

（3）開發(fā)未來天基中繼體系和系統(tǒng)

隨著第一代衛(wèi)星逐步退役，跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星星座中的在軌衛(wèi)星數(shù)量會(huì)不斷減少。到2020年，跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星星座中第一代衛(wèi)星將全部退役，第二代衛(wèi)星也超出使用壽命，屆時(shí)其性能將不足以滿足任務(wù)需求。為了滿足未來空間任務(wù)對(duì)空間網(wǎng)的需求，NASA近年來開始未來天基中繼（SBR）研究，確定支持其2020年以后航天任務(wù)需求的天基中繼通信與導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)，主要包括2020年以后用戶服務(wù)需求、體系結(jié)構(gòu)、可用技術(shù)和實(shí)施途徑等。天基中繼系統(tǒng)將在第三階段投入運(yùn)行，補(bǔ)充/替換數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。新一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的初步部署時(shí)間為2025年。

深空網(wǎng)改造及進(jìn)展

深空網(wǎng)是一個(gè)遍布全球的大型深空測控網(wǎng)，可為多個(gè)深空探測任務(wù)同時(shí)提供服務(wù)。深空網(wǎng)包括設(shè)在加州金石、堪培拉和馬德里的大約呈120°分布的三個(gè)地面站，確保深空任意衛(wèi)星在任何時(shí)間能夠至少與一個(gè)地面站進(jìn)行通信。由于其現(xiàn)有設(shè)備老化，大天線維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用過于昂貴，不能有效滿足未來任務(wù)對(duì)靈敏度和導(dǎo)航的需求等問題，NASA自2006年之后開始對(duì)其深空網(wǎng)測控設(shè)備實(shí)施大范圍升級(jí)和技術(shù)改造，提出了深空網(wǎng)孔徑增強(qiáng)項(xiàng)目（DAEP）。

深空網(wǎng)孔徑增強(qiáng)項(xiàng)目計(jì)劃到2025年不再使用70m天線，用34m波束波導(dǎo)天線組陣替代所有70m天線。與70m天線相比，四個(gè)天線陣列易于維護(hù)并能提供相同或更好的性能。天線陣列將包括四個(gè)接收天線和一個(gè)34m發(fā)射天線。項(xiàng)目的第一步是在澳大利亞堪培拉增加兩個(gè)新一代34m波束波導(dǎo)天線，于2010年12月正式啟動(dòng)，其中DSS－35天線已經(jīng)于2014年9月建成并投入使用，DSS－36天線于2016年10月開始運(yùn)行；到2025年，三個(gè)站點(diǎn)的70m天線都將退出服務(wù)。每個(gè)深空站均擁有五個(gè)34m波束波導(dǎo)天線，用34m波束波導(dǎo)天線組陣替代所有70m天線，每個(gè)深空站所有天線均具有X頻段上行發(fā)射能力，以及X、Ka頻段下行接收能力，滿足其未來深空任務(wù)探測需要。

近地網(wǎng)擴(kuò)展及升級(jí)

為了支持下一代載人航天飛行，近地網(wǎng)開始重建并擴(kuò)展其發(fā)射通信站（LCS）。2013年7月NASA近地網(wǎng)正式提出了發(fā)射通信站發(fā)展計(jì)劃，明確了與探索任務(wù)－1（EM－1）要求一致的現(xiàn)代化發(fā)射通信能力的定義、設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)與測試計(jì)劃。預(yù)計(jì)2019－2020年，NASA的新型火箭“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）將執(zhí)行EM－1任務(wù)進(jìn)行首飛，測試創(chuàng)新概念。

近地網(wǎng)將利用包括NASA近地網(wǎng)和近地網(wǎng)商業(yè)地面系統(tǒng)等全球資源，為EM－1任務(wù)和未來立方體衛(wèi)星探索任務(wù)提供高增益地面系統(tǒng)解決方案。NASA近地網(wǎng)正在考慮為現(xiàn)有近地網(wǎng)地面站增加X頻段上行鏈路能力，通過這項(xiàng)升級(jí)，地面站可以對(duì)EM－1任務(wù)、EM－2任務(wù)以及未來使用X頻段上行鏈路無線電的立方體衛(wèi)星任務(wù)提供早期軌道階段以外的支持。

SCaN網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前進(jìn)展

SCaN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展共分為三個(gè)階段，早期最重要的步驟之一就是向用戶任務(wù)提供一組通用的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)、接口、過程和協(xié)議，使SCaN用戶能夠與所有的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)無縫連接。

在這一過程中，SCaN項(xiàng)目致力于發(fā)展其網(wǎng)絡(luò)能力，并對(duì)老化的SCaN系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)充和現(xiàn)代化改造。SCaN項(xiàng)目還規(guī)劃了幾次“探路者”（Pathfinder）任務(wù)，演示驗(yàn)證諸如月球附近激光通信等技術(shù)。這些“探路者”任務(wù)設(shè)計(jì)用來消除風(fēng)險(xiǎn)，使NASA在這些技術(shù)投入運(yùn)行使用之前獲得運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

近年來，SCaN項(xiàng)目還實(shí)施了DTN通信協(xié)議的開發(fā)工作，其目標(biāo)在于：為便于空間任務(wù)使用創(chuàng)建現(xiàn)成的國際標(biāo)準(zhǔn)化互操作DTN協(xié)議；為地面系統(tǒng)引入DTN協(xié)議，由此實(shí)現(xiàn)多任務(wù)協(xié)同，改進(jìn)任務(wù)數(shù)據(jù)回傳和可靠性，同時(shí)減小成本和風(fēng)險(xiǎn)。

（1）SCaN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由分離走向統(tǒng)一

第一階段結(jié)束時(shí)，SCaN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行概念建立了一組空間網(wǎng)、深空網(wǎng)、近地網(wǎng)及其用戶之間的通用服務(wù)和服務(wù)管理接口。這種運(yùn)行概念的關(guān)鍵特征是引入三個(gè)網(wǎng)絡(luò)中通用的、國際互操作的接口、協(xié)議和過程，以及初步實(shí)現(xiàn)集成網(wǎng)絡(luò)管理和集成服務(wù)實(shí)施。這種接口和過程的通用性使SCaN網(wǎng)絡(luò)可通過通用規(guī)劃和調(diào)度接口幫助用戶，而無需考慮最終為用戶服務(wù)的SCaN資源。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中使用通用協(xié)議也使NASA可利用一組通用測試設(shè)備和程序進(jìn)行用戶通信系統(tǒng)兼容性驗(yàn)證和確認(rèn)。這些變化為NASA實(shí)現(xiàn)SCaN集成網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并為NASA提供高層路由和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)業(yè)務(wù)奠定了基礎(chǔ)。SCaN體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的第二階段把三個(gè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)集成為一個(gè)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，從松散耦合的SCaN網(wǎng)絡(luò)過渡到集成網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)，提高了NASA網(wǎng)絡(luò)管理功能的端對(duì)端操作能力和成本效益。

（2）SCaN網(wǎng)絡(luò)能力大幅增強(qiáng)

第一階段中，SCaN網(wǎng)絡(luò)微波數(shù)據(jù)吞吐能力大大增加，在近地域可提供至少1.2 Gbit/s的速率，深空域至少150 Mbit/s的速率。第一階段也對(duì)不斷老化的SCaN系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)充和現(xiàn)代化改造，包括向SCaN基礎(chǔ)設(shè)施增加專用通信資源，如深空網(wǎng)孔徑增強(qiáng)項(xiàng)目中的34m天線等。

第二階段中，NASA繼續(xù)擴(kuò)大微波組陣，通過增強(qiáng)軟故障能力（陣列中單一天線的故障不會(huì)引起服務(wù)丟失，但會(huì)造成系統(tǒng)性能輕微降級(jí)）和子陣能力，提高SCaN服務(wù)的可靠性和靈活性。第二階段發(fā)展提供的主要能力包括：集成網(wǎng)絡(luò)管理和集成服務(wù)；特定用戶任務(wù)使用采用了DTN和IP協(xié)議的空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；深空網(wǎng)孔徑增強(qiáng)項(xiàng)目為預(yù)期的70m天線退役增加新天線。

（3）引入新技術(shù)，演示驗(yàn)證激光通信

2013年，NASA首個(gè)激光通信“探路者”任務(wù)——月球激光通信演示驗(yàn)證（LLCD）取得階段性成功，驗(yàn)證了從40000km的繞月軌道上實(shí)現(xiàn)20 Mbit/s的上行速率和622 Mbit/s的下行速率能力。該任務(wù)驗(yàn)證了天基激光通信系統(tǒng)的可行性，及其在發(fā)射和太空環(huán)境中的可生存性。

NASA目前正在規(guī)劃名為“激光通信中繼演示驗(yàn)證”（LCRD）的后續(xù)任務(wù)。該任務(wù)旨在驗(yàn)證激光通信在不同時(shí)間和不同氣象條件下性能，并了解如何更充分利用激光通信。LCRD預(yù)計(jì)在2019年發(fā)射，計(jì)劃運(yùn)行2年時(shí)間，將使用“國際空間站”（ISS）上的測試有效載荷以及兩個(gè)專用地面站，模擬真實(shí)的通信支持。

（4）DTN通信協(xié)議測試取得重大進(jìn)展

NASA的DTN工作開始于SCaN辦公室的標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目。2014年，SCaN項(xiàng)目將原型及部署工作移交給先進(jìn)探測系統(tǒng)（AES）項(xiàng)目，負(fù)責(zé)在“國際空間站”部署DTN。當(dāng)前，SCaN及AES互為補(bǔ)充，呈現(xiàn)螺旋式發(fā)展，即首先由AES開發(fā)能力并建立原型，之后由SCaN實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。這樣，不同空間機(jī)構(gòu)的多個(gè)任務(wù)就可利用標(biāo)準(zhǔn)化及可互操作的DTN版本。

2014年10月，NASA和歐洲航天局（ESA）宣布，成功測試DTN通信協(xié)議，這將成為未來行星間互聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)。試驗(yàn)中，“國際空間站”的航天員遠(yuǎn)程控制地面上的一臺(tái)樂高機(jī)器人，模擬了航天員在月球或火星軌道上控制月球車或火星車的場景。這一測試未來可能被用于火星軌道太空飛船內(nèi)的航天員與地面的通信，或是利用軌道衛(wèi)星作為中繼站，從地面進(jìn)行通信。

NASA于2016年6月在“國際空間站”測試了DTN網(wǎng)絡(luò)，這種自動(dòng)儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能為深空和火星探索任務(wù)提供可靠的通信選項(xiàng)。這意味著NASA在建立可靠星際互聯(lián)網(wǎng)過程中取得了顯著的進(jìn)展，其可容忍延遲網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃將互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展向整個(gè)太陽系。

3 SCaN網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展

SCaN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的愿景是構(gòu)建并保持一個(gè)具有可伸縮性的集成基礎(chǔ)設(shè)施，可提供綜合的、經(jīng)濟(jì)劃算的、更高量級(jí)數(shù)據(jù)速率的空間通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)NASA科學(xué)探測任務(wù)。這一基礎(chǔ)設(shè)施易于發(fā)展，能適應(yīng)不斷變化的新技術(shù)，將保持支持用戶任務(wù)關(guān)鍵事件及緊急情況的能力。

SCaN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將實(shí)現(xiàn)一個(gè)包括一套相容國際標(biāo)準(zhǔn)、接口和過程的體系結(jié)構(gòu)，將作為一個(gè)單一的綜合網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。當(dāng)不同的運(yùn)行域以及特定用戶需求需要某些不同能力時(shí)，集成網(wǎng)絡(luò)將盡最大可能使用通用橫向標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。集成網(wǎng)絡(luò)管理功能將作為所有SCaN網(wǎng)絡(luò)用戶的接口。除了現(xiàn)有物理、信息技術(shù)以及通信方法之外，將采用新的標(biāo)準(zhǔn)安全措施管理訪問控制并確保機(jī)密性、系統(tǒng)完整性以及可用性。

SCaN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有以下特性：①太陽系范圍內(nèi)覆蓋；②任意時(shí)間任意地點(diǎn)地球、月球及火星的連通性；③系統(tǒng)地引入光通信對(duì)射頻通信基線進(jìn)行補(bǔ)充（如第三階段近地及深空通信）；④基于服務(wù)的集成架構(gòu)及集成網(wǎng)絡(luò)管理；⑤開發(fā)月球中繼能力并增強(qiáng)火星中繼能力（如第三階段探索及科學(xué)任務(wù)）；⑥向更高頻率射頻鏈路遷移（如第一階段到第三階段Ka頻段應(yīng)用）；⑦增加和替換現(xiàn)有過時(shí)老化的基礎(chǔ)設(shè)施；⑧SCaN網(wǎng)絡(luò)引入新技術(shù)（如SDR、陣列等）；⑨使用標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)國際及商業(yè)互操作性。

SCaN網(wǎng)絡(luò)未來架構(gòu)包括一個(gè)高度可靠的低數(shù)據(jù)率到高數(shù)據(jù)率微波鏈路基線，并通過高數(shù)據(jù)率光鏈路進(jìn)行補(bǔ)充，為用戶任務(wù)提供直接到地球以及中繼資源的通信。SCaN項(xiàng)目采用合適的國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議以及接口，確保SCaN資源與空間或地面資源之間的互操作性。

（1）采用集成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)

SCaN網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前已經(jīng)遷移到一種集成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)并將繼續(xù)演進(jìn)，用戶可無縫使用任意SCaN資源支持其任務(wù)。該架構(gòu)也將允許SCaN項(xiàng)目優(yōu)化其資源應(yīng)用以有效滿足機(jī)構(gòu)任務(wù)共性需求。所有現(xiàn)有SCaN各子網(wǎng)完全集成到集成網(wǎng)絡(luò)的最終構(gòu)型中。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括集成服務(wù)管理功能、通用網(wǎng)絡(luò)控制功能和通用服務(wù)接口，也包括在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中采用通用和集中式控制與數(shù)據(jù)交付服務(wù)。

NASA集成服務(wù)架構(gòu)主要由三部分組成，分別是地球中繼子系統(tǒng)、近地子系統(tǒng)和深空子系統(tǒng)，將原來構(gòu)成SCaN網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)網(wǎng)變?yōu)榻y(tǒng)一SCaN網(wǎng)下的三個(gè)子系統(tǒng)。這三個(gè)子系統(tǒng)采用統(tǒng)一的用戶服務(wù)管理機(jī)制，形成一個(gè)統(tǒng)一的有機(jī)整體。該集成空間通信體系建構(gòu)在地面綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（NISN）上。這一基于服務(wù)的架構(gòu)包括通用服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)資源及用戶任務(wù)通用處理、國際互操作性標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)、以及集成網(wǎng)絡(luò)管理及數(shù)據(jù)交付，以最大化接入所有SCaN項(xiàng)目的能力。

除了通信資源的現(xiàn)實(shí)物理約束和限制之外，SCaN網(wǎng)絡(luò)中所有標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)都可用。SCaN項(xiàng)目發(fā)布一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)編目并通過一組相容的規(guī)劃、請(qǐng)求、交付、管理及報(bào)告接口確保進(jìn)行安全訪問服務(wù)。

（2）實(shí)現(xiàn)集成網(wǎng)絡(luò)管理

SCaN網(wǎng)絡(luò)提供一套在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中通用的服務(wù)和接口。為減少用戶負(fù)擔(dān)，提高SCaN集成度并實(shí)現(xiàn)集成服務(wù)交付處理，SCaN項(xiàng)目提供集成網(wǎng)絡(luò)管理功能。該功能可以使用所有SCaN網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)，以及由國內(nèi)、國際和商業(yè)合作伙伴/提供商提供的兼容服務(wù)。

集成網(wǎng)絡(luò)管理接口使用安全接口向用戶任務(wù)提供一組標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)管理功能。集成網(wǎng)絡(luò)管理功能使用類似安全接口向用戶任務(wù)提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交付服務(wù)。

（3）增強(qiáng)和創(chuàng)新SCaN網(wǎng)絡(luò)能力

隨著對(duì)太空探索的深入，SCaN集成網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)和能力將不斷發(fā)展變化，SCaN網(wǎng)絡(luò)將增強(qiáng)現(xiàn)有能力并實(shí)現(xiàn)新能力，滿足并超越用戶任務(wù)的總體需求。主要包括以下四個(gè)方面的能力：

① 增強(qiáng)近地域能力

到2022年，近地光通信初始運(yùn)行能力將提供至少1.2 Gbit/s的地球返向鏈路速率以及100 Mbit/s前向鏈路速率。增強(qiáng)的射頻返向鏈路使用Ka頻段在L2點(diǎn)將提供至少150 Mbit/s速率，在地球中低軌道至少達(dá)到1.2 Gbit/s。使用Ka頻段，射頻前向鏈路將為用戶任務(wù)提供從25～70 Mbit/s的低地球軌道至月球速率。地球視距條件下提供全球范圍任意時(shí)間任意地點(diǎn)的連接能力。在整個(gè)SCaN網(wǎng)絡(luò)上提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。

② 提高深空域能力

通過系統(tǒng)升級(jí)和嵌入天線陣列，SCaN項(xiàng)目將提高NASA射頻資源性能，為火星探測和外層星球用戶任務(wù)提供支持。深空通信能力將使用射頻持續(xù)提供穩(wěn)健的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)及應(yīng)急通信服務(wù)，高速率數(shù)據(jù)返向鏈路將重點(diǎn)使用Ka頻段。采用可伸縮射頻天線陣列提供穩(wěn)健的應(yīng)急X頻段測控和高功率上行鏈路能力，并提供地球視距內(nèi)任意時(shí)間任意地點(diǎn)連接。采用天線組陣，通過提供子陣列能力以及軟故障功能，改進(jìn)SCaN服務(wù)的可靠性、靈敏性、靈活性。

SCaN將加入光通信補(bǔ)充射頻鏈路，實(shí)現(xiàn)更高速率數(shù)據(jù)返向鏈路。深空光通信初始運(yùn)行能力提供至少100 Mbit/s返向鏈路速率，未來將擴(kuò)展到1 Gbit/s，前向數(shù)據(jù)速率大于2 Mbit/s。由于天氣影響以及電子器件對(duì)太陽粒子事件的敏感性，光通信性能可能受到某些限制，將利用“探路者”任務(wù)促進(jìn)技術(shù)成熟并評(píng)估潛在約束條件。

③ 引入月球中繼能力

將月球中繼資源引入到SCaN集成網(wǎng)絡(luò)中，將大大改進(jìn)月球及近地域SCaN服務(wù)。月球中繼架構(gòu)將具備擴(kuò)展能力，可根據(jù)用戶需求、在軌資源數(shù)量提供動(dòng)態(tài)變化的覆蓋范圍。月球中繼資源將通過射頻及光鏈路提供高速前向及返向能力，以及射頻測量能力支持精確著陸及月球表面漫游。月球中繼資源將實(shí)現(xiàn)國際及商業(yè)合作以及互操作性，也提供多址通信技術(shù)和協(xié)議，向多個(gè)在軌和月球表面資源提供同步通信。月球中繼資源為地球可視區(qū)域之外提供高速率通信和高精度導(dǎo)航服務(wù)，填補(bǔ)覆蓋缺口。單一用戶任務(wù)僅僅在某個(gè)特定時(shí)間窗口需要服務(wù)，而永久月球基地則將有不同通信需求。為支持月球表面系統(tǒng)，需要改造或擴(kuò)展通信鏈路調(diào)度服務(wù)。

④ 改進(jìn)火星中繼能力

未來，預(yù)期在火星表面或附近運(yùn)行的探索飛行器和科學(xué)航天器將通過SCaN開發(fā)和運(yùn)行的火星中繼資源接收通信、導(dǎo)航以及定位服務(wù)?；鹦侵欣^資源架構(gòu)將合并入SCaN集成網(wǎng)絡(luò)，并且可能繼續(xù)使用科學(xué)軌道器上的中繼通信有效載荷，或使用具有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、空間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力的專用中繼衛(wèi)星?；鹦窃谲壷欣^將支持DTN存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、以及沒有人員調(diào)度或干預(yù)情況下的按需網(wǎng)絡(luò)訪問能力。

火星中繼架構(gòu)將具有可伸縮性，易于演進(jìn)到支持載人探索以及使用高數(shù)據(jù)率設(shè)備，例如綜合孔徑雷達(dá)以及超頻譜成像儀?；谠缙趯?shí)現(xiàn)的航天器設(shè)計(jì)，近期射頻返向數(shù)據(jù)率可達(dá)到6 Mbit/s，通過使用功能更強(qiáng)的發(fā)射機(jī)和組陣天線，遠(yuǎn)期可達(dá)到150 Mbit/s。與地球之間的光主干線路數(shù)據(jù)率至少可達(dá)到600 Mbit/s（火星最接近點(diǎn)狀態(tài)）。

4 結(jié)語

SCaN集成網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)將形成一個(gè)能向未來空間任務(wù)提供所需通信服務(wù)的NASA基礎(chǔ)設(shè)施。該集成網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)通過標(biāo)準(zhǔn)化、通用性和技術(shù)引入，提升SCaN網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率和互操作性，實(shí)現(xiàn)NASA任務(wù)所需先進(jìn)通信和跟蹤能力。通過對(duì)該體系及相關(guān)技術(shù)的研究，可為未來空間通信系統(tǒng)的發(fā)展及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的探索提供參考。