地月空間信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)對(duì)比研究

孫晨華，何 辭，張亞生，盧 山

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊050081）

1 引言

月球是距離地球最近的天體，既可作為深空探測(cè)的中繼站，又是對(duì)外天文觀測(cè)的理想基地［1］。自20世紀(jì)70年代起，美、蘇等國(guó)就已陸續(xù)開展針對(duì)月球探測(cè)手段的研究［2］。近年來，全球新一輪月球與行星探索正拉開序幕，無(wú)論是各種人類與機(jī)器人任務(wù)（如在自主、半自主或遙控狀態(tài)下執(zhí)行遠(yuǎn)距離、惡劣環(huán)境巡視探測(cè)、采樣分析、物資搬運(yùn)等科學(xué)任務(wù)的月面機(jī)器人［1］），還是建立永久性基地（如歐空局提出的“月球村”通信導(dǎo)航集成網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃［3］），都顯示探月范圍正逐步由月球正面向背面和兩極拓展，探月活動(dòng)也日趨復(fù)雜，對(duì)星座的覆蓋率、通信傳輸速率和導(dǎo)航能力的要求也越來越高，僅靠單一的通信測(cè)控手段無(wú)法滿足需求［4］。

我國(guó)載人探月起步較晚，目前雖已初步建成航天測(cè)控通信網(wǎng)、地球軌道中繼、通信和導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，能夠基本保障當(dāng)前載人航天器及探月工程的空間通信和測(cè)控，但各網(wǎng)系相對(duì)獨(dú)立，數(shù)據(jù)融合和分布式協(xié)同處理能力較弱，難以滿足未來載人月球探測(cè)對(duì)大數(shù)據(jù)、多節(jié)點(diǎn)、全空間和多業(yè)務(wù)空間信息交互的需求［6-7］。本文在介紹地月直連通信和地月中繼通信的基礎(chǔ)上，利用STK仿真軟件對(duì)幾種典型的地月通信架構(gòu)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，以最終確定一種能夠滿足未來載人月球探測(cè)需求的地月空間信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。

2 信息傳輸需求分析

在載人月球探測(cè)任務(wù)中，地月空間傳輸與交互的數(shù)據(jù)包括遙控、遙測(cè)、數(shù)傳、話音、視頻、導(dǎo)航等類型，需要為各類用戶航天器、月面功能設(shè)施提供不同的通信模式，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、廣播等［5］。各類業(yè)務(wù)傳輸時(shí)效性要求如表1所示，其中大部分業(yè)務(wù)為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。地月網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)需綜合實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的需求，設(shè)計(jì)能滿足全空域、全時(shí)域覆蓋特性的地月空間信息網(wǎng)絡(luò)。

表1 業(yè)務(wù)傳輸時(shí)效性要求Table 1 Service transmission timeliness requirement

3 典型地月通信網(wǎng)絡(luò)體系

3.1 地月直連通信

如圖1所示，基于地月節(jié)點(diǎn)直連通信的體系由月球表面子網(wǎng)、地球表面子網(wǎng)兩類子網(wǎng)組成。月球表面子網(wǎng)包括登陸器、漫游車、宇航員等多種類型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。由Wi-Fi技術(shù)提供月球表面子網(wǎng)的通信覆蓋；登陸器采用全向天線或定向天線，與地球表面子網(wǎng)的地球站進(jìn)行通信；地球表面子網(wǎng)由相距120°的三座地球站通過地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)地月之間節(jié)點(diǎn)的直連通信［6］。

3.2 中繼通信

通過多跳鏈路來配合完成月面探測(cè)器與地球之間的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)是目前地月通信技術(shù)的趨勢(shì)，例如NASA和JPL在本世紀(jì)初提出的星際互聯(lián)網(wǎng)（InterPlanetary Network，IPN）概念［8］，通信節(jié)點(diǎn)之間通過選定若干個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)組成中繼鏈路以完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸難以完成的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。引入的中繼節(jié)點(diǎn)分為兩類：月球中繼節(jié)點(diǎn)和地球中繼節(jié)點(diǎn)。

圖1 地月節(jié)點(diǎn)直連通信方式示意圖Fig.1 Direct communication between Earth and Moon

3.2.1 月球中繼

基于不同的月球衛(wèi)星星座構(gòu)型思路，分為兩種：

1）月球登陸器-繞月衛(wèi)星-地球站通信

在地月直連通信體系基礎(chǔ)上，加入繞月衛(wèi)星進(jìn)行通信中繼，架構(gòu)如圖2所示。由多顆繞月衛(wèi)星的方式組成全連通的近月空間子網(wǎng)，做到完全覆蓋月球表面，且任意時(shí)刻至少有一顆繞月衛(wèi)星能與月球登陸器以及地球表面子網(wǎng)的一個(gè)地球站建立通信鏈路［9］。通信鏈路多采用 X-Band或Ka-Band，提供Mbps級(jí)的鏈路速率和高可靠傳輸。通信鏈路為：月球登陸器＜—＞繞月衛(wèi)星＜—＞地球站。該體系架構(gòu)能夠保證在地球自轉(zhuǎn)和月球自轉(zhuǎn)的前提下，任意時(shí)刻都可以進(jìn)行地月之間的通信任務(wù)。

2）月球登陸器-拉格朗日點(diǎn)中繼節(jié)點(diǎn)-地球站通信

地月拉格朗日L2點(diǎn)位于地月連線的延長(zhǎng)線上，在地月拉格朗日點(diǎn)L2［9］部署中繼節(jié)點(diǎn)，由于地月相對(duì)位置恒定，校準(zhǔn)和維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，且不需要繞月球軌道運(yùn)轉(zhuǎn)［10］。L2點(diǎn)始終在月球背后，在地球上始終是看不到的。為了保證部署在L2點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)始終與地球具有視距通信條件，通常采用暈軌道的方式［11］。暈軌道在地月連線垂直并通過L2點(diǎn)的平面附近，中繼節(jié)點(diǎn)距離L2點(diǎn)超過3500 km，圍繞L2點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)周期約為半個(gè)月［12-13］。通信鏈路如圖3所示，為月球登陸器＜—＞L2中繼節(jié)點(diǎn)＜—＞地球站。該體系架構(gòu)能夠確保L2中繼節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的衛(wèi)星可以連續(xù)觀測(cè)月球背面，以解決月球背面與地球之間的通信問題。

圖2 地月節(jié)點(diǎn)通過繞月衛(wèi)星中繼通信方式Fig.2 Relay communication based on the Lunar orbiter

圖3 地月節(jié)點(diǎn)通過拉格朗日點(diǎn)中繼通信方式Fig.3 Relay communication based on Lagrange point

3.2.2 地球中繼

本文融合近月空間子網(wǎng)和近地空間子網(wǎng)，提出一種月球登陸器-月球中繼節(jié)點(diǎn)-地球中繼節(jié)點(diǎn)-地球站通信方案，架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。在部署月球中繼節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，引入近地空間子網(wǎng)，即新增地球中繼節(jié)點(diǎn)，近地空間子網(wǎng)由地球數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、空間站或未來逐步部署的天基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等近地空間航天器組成。

圖4 地月節(jié)點(diǎn)通過月球和地球中繼通信方式Fig.4 Relay communication based on Lunar relay and Earth relay

4 架構(gòu)仿真分析對(duì)比

考慮月球自轉(zhuǎn)的影響，地月直連通信方式無(wú)法滿足面向月球的全時(shí)域、全空域的通信覆蓋要求。本文主要針對(duì)3.2節(jié)所述3種中繼通信方式，利用STK仿真軟件搭建不同的地月空間信息網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景進(jìn)行分析對(duì)比。

4.1 月球中繼軌道構(gòu)型仿真

4.1.1 繞月衛(wèi)星中繼

近月空間子網(wǎng)常見六星和八星兩種異軌面極圓軌道星座構(gòu)型方案［14-16］，各自仿真設(shè)置如下：

1）六星異軌面極圓軌道：兩顆中繼衛(wèi)星運(yùn)行在升焦點(diǎn)赤經(jīng)相差60°的兩個(gè)軌道平面上，半長(zhǎng)軸為6946 km，傾角為90°，相鄰軌道面上的相鄰衛(wèi)星之間的星相位相差1°。

2）八星異軌面極圓軌道：兩顆中繼衛(wèi)星運(yùn)行在升焦點(diǎn)赤經(jīng)相差45°的兩個(gè)軌道平面上，半長(zhǎng)軸為6084 km，傾角為90°，相鄰軌道面上的相鄰衛(wèi)星之間的星相位相差1°。

仿真結(jié)果分別如圖5、6所示。圖5中綠色為一重覆蓋區(qū)域，紫紅色為二重覆蓋區(qū)域，黃色為三重覆蓋區(qū)域，深藍(lán)色為四重覆蓋區(qū)域；可見六星異軌面極圓軌道星座可實(shí)現(xiàn)對(duì)全月面的全時(shí)覆蓋。圖6中綠色為一重覆蓋區(qū)域，紫紅色為二重覆蓋區(qū)域，黃色為三重覆蓋區(qū)域，深藍(lán)色為四重覆蓋區(qū)域；可見八星異軌面極圓軌道星座可實(shí)現(xiàn)對(duì)全月面的全時(shí)覆蓋。

4.1.2 拉格朗日點(diǎn)中繼

圖5 六星異軌面極圓軌道星座2D覆蓋圖Fig.5 The 2D coverage of six-star constellation with noncoplanar polar circular orbits

圖6 八星異軌面極圓軌道星座2D覆蓋圖Fig.6 The 2D coverage of eight-star constellation with noncoplanar polar circular orbits

基于拉格朗日點(diǎn)中繼的通信網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)置如下：1顆中繼衛(wèi)星運(yùn)行在距離地球約3.2×105km的地月系統(tǒng)第一拉格朗日點(diǎn)（L1點(diǎn)）上，第二顆中繼星在距離地球約4.5×105km的第二拉格朗日點(diǎn)（L2點(diǎn)）運(yùn)行［17］；在 L1和 L2點(diǎn)暈軌道上部署四星星座，分別在拉格朗日點(diǎn)L1、L2點(diǎn)的暈軌道放置兩顆衛(wèi)星，星間相位 180°。暈軌道直徑1.2×104km；地面選擇三個(gè)站。分別對(duì)月面的覆蓋情況和地面各測(cè)控站的可見時(shí)間進(jìn)行仿真，可得覆蓋情況分別如圖7、8所示。

由圖7可知，L2單顆對(duì)月球背面可實(shí)現(xiàn)的最大覆蓋率為86.66%，最小覆蓋率為74.73%；L2兩顆對(duì)月球背面可以實(shí)現(xiàn)累積全覆蓋，最多可實(shí)現(xiàn)兩重覆蓋。一重覆蓋的最高覆蓋率為99.12%，最小覆蓋率為94.24%，且累計(jì)覆蓋率為100%；二重覆蓋的最高覆蓋率為68.54%，最小覆蓋率為58.74%，且累計(jì)覆蓋率能實(shí)現(xiàn)92.4%。

圖7 L2單顆（左）、兩顆（右）對(duì)月球背面的覆蓋情況圖Fig.7 The coverage of back of Moon with single（Left） and double（right） L2

圖8 L1單顆（左）、兩顆（右）對(duì)月球正面的覆蓋情況圖Fig.8 The coverage of back of Moon with single（Left） and double（right） L1

由圖8可知，L1單顆對(duì)月球正面可實(shí)現(xiàn)的最大覆蓋率為86.60%，最小覆蓋率為84.25%；L1兩顆對(duì)月球正面可以實(shí)現(xiàn)累積全覆蓋，最多可實(shí)現(xiàn)兩重覆蓋。一重覆蓋的最高覆蓋率為91.18%，最小覆蓋率為95.78%，且累計(jì)覆蓋率為100%；二重覆蓋的最高覆蓋率為76.65%，最小覆蓋率為82.00%，且累計(jì)覆蓋率能實(shí)現(xiàn)94.55%。

4.1.3 對(duì)比分析

上述仿真結(jié)果顯示，使用繞月衛(wèi)星和基于拉格朗日點(diǎn)的軌道方案均能夠?qū)崿F(xiàn)全月面的覆蓋。使用繞月衛(wèi)星的軌道方案具有實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、距離月球較近、地球衛(wèi)星軌道理論研究基礎(chǔ)可借鑒等優(yōu)勢(shì)；但其軌道特性和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)決定單顆衛(wèi)星無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)月球背面不可見區(qū)域的大面積覆蓋和連續(xù)通信，如果利用多顆衛(wèi)星組成星座，又會(huì)帶來測(cè)控復(fù)雜和成本增加等問題。而將中繼通信或?qū)Ш叫l(wèi)星放置于地月拉格朗日點(diǎn)，借助拉格朗日點(diǎn)軌道運(yùn)動(dòng)特性，則可以利用單顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)月球背面大部分不可見區(qū)域的連續(xù)通信［17］。另外，拉格朗日點(diǎn)的軌道方案還具備光照時(shí)間長(zhǎng)，月面用戶的視運(yùn)動(dòng)慢而易于天線跟蹤，發(fā)射成本較低等優(yōu)點(diǎn)［18］。因此，選擇基于拉格朗日點(diǎn)中繼通信的方式可作為地月空間全月球覆蓋探測(cè)任務(wù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)的首選。

4.2 地球中繼軌道構(gòu)型仿真

根據(jù)圖3所示地球中繼通信方案，在拉格朗日點(diǎn)的四星軌道方案仿真的基礎(chǔ)上［17］，再設(shè)置3顆位于同步地球軌道的中繼衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和3個(gè)相距120°的地面測(cè)控站（位于南美、吉布提和北京），分別對(duì)有無(wú)地球中繼節(jié)點(diǎn)兩種情況下，月球中繼衛(wèi)星對(duì)地面各測(cè)控站的可見時(shí)間進(jìn)行仿真。結(jié)果如表2～3所示，無(wú)地球中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，三個(gè)測(cè)控站分別對(duì)L1、L2中繼衛(wèi)星的可見時(shí)間最長(zhǎng)為14.97 h，間斷連接時(shí)間最長(zhǎng)為18.31 h。

表2 地面各測(cè)控站分別對(duì)L1、L2中繼衛(wèi)星的可見時(shí)間Table 2 The visible time of L1 and L2 from ground monitoring stations ／h

表3 地面各測(cè)控站分別對(duì)L1、L2中繼衛(wèi)星的最長(zhǎng)間斷時(shí)間Table 3 The interruption time of L1 and L2 from ground monitoring stations ／h

作為對(duì)比，僅在國(guó)土（北京）部署一個(gè)測(cè)控站，在近地空間部署三顆GEO衛(wèi)星，仿真可得北京L1點(diǎn)的可見時(shí)間如圖9～10所示。

圖9 北京測(cè)控站對(duì)L1的可見時(shí)間Fig.9 The visible time of L1 from Beijing ground monitoring station

如圖9所示，如果未部署近地空間單元的中繼衛(wèi)星（GEO衛(wèi)星），單純?cè)趪?guó)土范圍（北京）部署測(cè)控站，測(cè)控站無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)L1點(diǎn)月球中繼衛(wèi)星的全時(shí)通信。如圖10所示，如果部署近地空間單元的中繼衛(wèi)星（GEO衛(wèi)星），借助GEO衛(wèi)星的星間鏈路，位于國(guó)土的北京測(cè)控站可實(shí)現(xiàn)對(duì)L1點(diǎn)月球中繼衛(wèi)星的全時(shí)通信。

圖10 北京測(cè)控站對(duì)L1的可見時(shí)間（部署GEO衛(wèi)星）Fig.10 The visible time of L1 from Beijing ground monitoring station（Deployment GEO Satellite）

上述結(jié)果表明：部署近地空間的節(jié)點(diǎn)一方面能在很大程度上增加地月網(wǎng)絡(luò)鏈路和節(jié)點(diǎn)的冗余性，實(shí)現(xiàn)地月網(wǎng)絡(luò)的彈性組網(wǎng)；另一方面可有效增加地面測(cè)控站對(duì)測(cè)控對(duì)象的測(cè)控時(shí)間，從布設(shè)站點(diǎn)的角度考慮，可減少測(cè)控站的部署，尤其減少海外建站需求，僅在國(guó)土布站即可滿足對(duì)全月面測(cè)控和通信的需求。

5 結(jié)論

1）在直連通信方式下，受月球自轉(zhuǎn)的影響，地球測(cè)控站無(wú)法與月球背面直接通信，而中繼通信方式可以解決這個(gè)問題，并滿足面向月球的全時(shí)域、全空域覆蓋的通信要求。

2）融合近月子網(wǎng)和近地子網(wǎng)的中繼通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型在覆蓋范圍、鏈路與節(jié)點(diǎn)冗余性、測(cè)控時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)度、傳輸可靠性、部署靈活性等方面均較其他中繼通信構(gòu)型有明顯優(yōu)勢(shì)，是目前的最優(yōu)方案。