星間鏈路技術(shù)研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析

劉向南，趙 卓，李曉亮，冷 濤，諶 明

星間鏈路技術(shù)研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析

劉向南，趙 卓，李曉亮，冷 濤，諶 明

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

星間鏈路作為聯(lián)通航天器的重要橋梁，是天基信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。系統(tǒng)回顧星間鏈路技術(shù)的發(fā)展歷程，總結(jié)星間鏈路的發(fā)展趨勢(shì)及特點(diǎn)，分析發(fā)展星間鏈路應(yīng)重點(diǎn)研究的關(guān)鍵技術(shù)，最后國(guó)外星間鏈路的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，提出我國(guó)星間鏈路技術(shù)的發(fā)展建議。

星間鏈路；微波鏈路；激光鏈路；衛(wèi)星通信；激光通信

引 言

星間鏈路泛指在衛(wèi)星之間（或航天器之間）直接進(jìn)行星間通信或星間測(cè)量的無(wú)線鏈路。根據(jù)星間鏈路的應(yīng)用特點(diǎn)，通常按空域和頻域兩種方式對(duì)其分類。按頻域劃分，星間鏈路可以分為微波星間鏈路和激光星間鏈路；按空域劃分，星間鏈路可以分為同軌星間鏈路和異軌星間鏈路。借助星間鏈路，通信衛(wèi)星系統(tǒng)可以減小星地跳數(shù)和通信時(shí)延以構(gòu)建天基信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可以增加用戶星的測(cè)控弧段實(shí)現(xiàn)全天候的天基測(cè)控，導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)則可以最大限度地?cái)[脫對(duì)地面系統(tǒng)的依賴，實(shí)現(xiàn)真正意義上的自主運(yùn)行。因此，利用星間鏈路可以將多顆衛(wèi)星互聯(lián)，建立完全獨(dú)立于地面系統(tǒng)的智能衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，在擴(kuò)大系統(tǒng)通信容量的同時(shí)，還可以提升整個(gè)系統(tǒng)的抗毀性、自主性、機(jī)動(dòng)性和靈活性[1-4]?？梢灶A(yù)見(jiàn)，星間鏈路技術(shù)將是未來(lái)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的重要組成部分。

1 星間鏈路的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)星間鏈路的研究工作開(kāi)展較早，目前已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，涵蓋了通信、中繼、導(dǎo)航、預(yù)警等多種衛(wèi)星系統(tǒng)，其工作頻段也涵蓋了UHF、S、Ku、Ka、V等頻段和激光頻段，且在同一星座中存在多種頻段兼容共用的特點(diǎn)?？v觀星間鏈路的發(fā)展歷程，可以將其概括為以下兩個(gè)階段：小規(guī)模試驗(yàn)研究階段和大規(guī)模工程應(yīng)用階段。

1.1 小規(guī)模試驗(yàn)研究階段

在星間鏈路技術(shù)研究初期，國(guó)外只是小規(guī)模地開(kāi)展了OSCAR-6/7（Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio 6/7）、ATS-6（Applications Technology Satellite-6）飛船和LES-8/9（Lincoln Experimental Satellites 8/9）等星間鏈路的在軌試驗(yàn)研究。此后，國(guó)際上逐漸開(kāi)始大規(guī)模研發(fā)星間鏈路系統(tǒng)[5-7]。

1975年1月，業(yè)余無(wú)線電OSCAR-7衛(wèi)星和OSCAR-6衛(wèi)星建立了世界上第一條單向VHF頻段星間鏈路。根據(jù)任務(wù)規(guī)劃，兩顆衛(wèi)星均工作于VHF頻段且對(duì)地透明轉(zhuǎn)發(fā)。OSCAR-7衛(wèi)星發(fā)射的145.95MHz寬波束信號(hào)可以由OSCAR-6接收并轉(zhuǎn)換成中心頻率為29.5MHz的下行信號(hào)播發(fā)到地面，此時(shí)OSCAR-7衛(wèi)星與OSCAR-6衛(wèi)星之間就實(shí)現(xiàn)了單向VHF頻段的星間鏈路[5]。

1975年7月，美國(guó)的應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星ATS-6為阿波羅號(hào)飛船Apollo和聯(lián)盟號(hào)飛船Soyuz飛行任務(wù)提供了與地面站之間的數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)，并且在ATS-6衛(wèi)星和飛船之間建立了星船鏈路，極大地?cái)U(kuò)展了飛船的地面可見(jiàn)弧段[6]。

在衛(wèi)星軍事通信試驗(yàn)方面，美國(guó)在LES-8衛(wèi)星和LES-9衛(wèi)星之間開(kāi)展了Ka頻段星間鏈路試驗(yàn)，采用BPSK調(diào)制實(shí)現(xiàn)了星間10kb/s和100kb/s兩種通信速率[7]。

1.2 大規(guī)模工程應(yīng)用階段

得益于星間鏈路技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使其在通信衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，星間鏈路的發(fā)展概況如表1所示。

表1 星間鏈路發(fā)展概覽

①美國(guó)

GPS導(dǎo)航星座星間鏈路

美國(guó)的GPS（Global Positioning System）是最先在導(dǎo)航星座中實(shí)現(xiàn)星間鏈路的系統(tǒng)。GPS星間鏈路采用時(shí)分多址TDMA（Time Division Multiple Access）體制，每顆導(dǎo)航衛(wèi)星分配一個(gè)1.5s時(shí)隙用于通信或測(cè)距。對(duì)于24顆衛(wèi)星組成的星座，36秒可以對(duì)星座所有衛(wèi)星輪詢一遍，該時(shí)間定義為一幀。星間鏈路傳輸共有25幀，1個(gè)測(cè)距幀，24個(gè)數(shù)據(jù)幀。測(cè)距方式為偽隨機(jī)碼測(cè)距[8]。

GPS系統(tǒng)自Block IIR衛(wèi)星開(kāi)始，安裝了星間鏈路收發(fā)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)星間通信和星間測(cè)距功能，以保證系統(tǒng)在180天時(shí)間內(nèi)不靠地面支持而依然能保持URE小于6m的精度。目前，GPS III也正在部署中，計(jì)劃增加V頻段星間鏈路[9,10]。2018年12月23日，GPS III第一顆衛(wèi)星發(fā)射成功，代表GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化進(jìn)程步入新的發(fā)展階段。

TDRS中繼衛(wèi)星星間鏈路

美國(guó)先后發(fā)展了三代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)TDRS（Tracking and Data Relay Satellite）。第一代TDRS星間鏈路采用S頻段和Ku頻段。其中，SMA（S-band Multiple Access）前、返向速率可達(dá)300kb/s，SSA（S-band Single Access）最高傳輸速率可達(dá)10Mb/s，KSA（Ku-band Single Access）前向速率可達(dá)25Mb/s，返向速率達(dá)150Mb/s。第二代TDRS增加了Ka頻段，其他系統(tǒng)配置和功能與第一代TDRS基本相同。為了繼續(xù)維持TDRS天基網(wǎng)在未來(lái)10年星座的完整性，美國(guó)于2010年開(kāi)始第三代中繼衛(wèi)星的研制，其Ka頻段數(shù)據(jù)率可達(dá)800Mb/s[11]。

圖1 TDRS星座及星間鏈路

目前，NASA（National Aeronautics and Space Administration）正在實(shí)施激光通信中繼驗(yàn)證計(jì)劃LCRD（Laser Communication Relay Demonstration），驗(yàn)證下一代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)TDRS的關(guān)鍵技術(shù)，為未來(lái)設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行高效費(fèi)比的激光通信系統(tǒng)和中繼激光網(wǎng)絡(luò)積累經(jīng)驗(yàn)[12,13]。

銥星星座星間鏈路

美國(guó)銥星星座由66顆衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星支持4條星間鏈路，工作在Ka頻段。第二代銥星系統(tǒng)Iridium NEXT的星間鏈路依舊采用Ka頻段，每顆衛(wèi)星支持四條星間鏈路，其中兩條用于與同一軌道面內(nèi)前后相鄰衛(wèi)星之間的通信，另兩條用于與左右相鄰軌道面上相鄰衛(wèi)星之間的通信[14]。

Milstar通信衛(wèi)星星間鏈路

Milstar（Military Strategic & Tactical Relay）是美國(guó)軍用通信衛(wèi)星發(fā)展的代表，是世界上第一個(gè)具有星間鏈路的GEO（Geosynchronous Orbits）衛(wèi)星星座。Milstar系統(tǒng)由六顆衛(wèi)星組成，其星間鏈路工作在V頻段（60GHz），每顆衛(wèi)星支持兩條通信鏈路，具有很強(qiáng)的抗干擾性和抗截獲能力。后續(xù)的AEHF（Advanced Extremely High Frequency）系統(tǒng)也繼承了Milstar系統(tǒng)的星間鏈路設(shè)計(jì)。與Milstar衛(wèi)星相比，AEHF系統(tǒng)的星間鏈路增強(qiáng)了路由功能和抗干擾能力，星間鏈路的最大傳輸速率也由10Mb/s提升至60Mb/s[15,16]。

②俄羅斯

LUCH中繼衛(wèi)星星間鏈路

俄羅斯LUCH中繼衛(wèi)星系統(tǒng)先后發(fā)射并使用了三代。第一代系統(tǒng)從1985年-1989年共發(fā)射和部署了3顆中繼衛(wèi)星，主要為低軌衛(wèi)星、和平號(hào)空間站、聯(lián)盟TM飛船以及早期的禮炮號(hào)空間站等任務(wù)提供測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸支持。星間鏈路采用UHF和Ku頻段[17]。

1990年，俄羅斯開(kāi)始研制第二代中繼衛(wèi)星，即LUCH-2，與第一代配置和功能基本相同。2009年，俄羅斯開(kāi)始研制第三代中繼衛(wèi)星。目前，三顆衛(wèi)星LUCH-5A、LUCH-5B和LUCH-5V組成中繼星座為國(guó)際空間站、中低軌衛(wèi)星等用戶提供測(cè)控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。第三代LUCH中繼衛(wèi)星系統(tǒng)星間鏈路增加了S頻段，Ku和S鏈路最大傳輸速率分別為150Mb/s和5Mb/s[18]。

GLONASS導(dǎo)航星座星間鏈路

圖2 GLONASS星間鏈路

為了提升全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASS（Global Navigation Satellite System）性能，俄羅斯的GLONASS-M系列衛(wèi)星采用了S頻段寬波束星間鏈路，采用單工模式、BPSK（Binary Phase Shift Keying）調(diào)制、時(shí)分多址，每顆衛(wèi)星每次發(fā)射時(shí)間持續(xù)5秒，整星座工作周期不超過(guò)15分鐘，具備對(duì)地服務(wù)和偽衛(wèi)星功能。

2005年，俄羅斯決定在GLONASS-K衛(wèi)星上裝載星間激光導(dǎo)航通信終端并開(kāi)展在軌試驗(yàn)，每顆衛(wèi)星安裝2套激光導(dǎo)航通信終端，以保證其具備與GLONASS導(dǎo)航星座中兩顆其它衛(wèi)星進(jìn)行獨(dú)立協(xié)同的能力。GLONASS-K衛(wèi)星星間鏈路采用脈沖激光體制，實(shí)現(xiàn)星間高精度測(cè)距（10cm）和中等速率數(shù)據(jù)交換（50kb/s），鏈路建立最快時(shí)間小于10s[19]。

③中國(guó)

天鏈一號(hào)星間鏈路

2008年，我國(guó)首顆中繼衛(wèi)星——天鏈一號(hào)01星與神舟七號(hào)飛船成功進(jìn)行了在軌雙向跟蹤與通信試驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)啟了天基測(cè)控的新時(shí)代。2012年，我國(guó)天鏈一號(hào)三顆衛(wèi)星的組網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中、低軌航天器近100%的軌道覆蓋，使我國(guó)成為世界上繼美國(guó)之后第二個(gè)擁有對(duì)中、低軌道航天器具備全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。2016年，天鏈一號(hào)04星發(fā)射，與01星—03星進(jìn)一步完善全球組網(wǎng)運(yùn)行[20]。

圖3 天鏈一號(hào)衛(wèi)星三星組網(wǎng)

2019年3月31日，天鏈二號(hào)01星成功發(fā)射，這是我國(guó)第二代地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的首顆星。該星在第一代中繼衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，服務(wù)目標(biāo)數(shù)量和傳輸速率有了較大提升，具有服務(wù)目標(biāo)更多、傳輸速率更高、覆蓋范圍更廣等特征。

北斗三號(hào)星間鏈路

我國(guó)在北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中規(guī)劃配置了Ka頻段星間鏈路，采用相控陣天線等星間鏈路設(shè)備，實(shí)現(xiàn)星間雙向精密測(cè)距和通信。通過(guò)星間鏈路相互測(cè)距和校時(shí)，實(shí)現(xiàn)多星測(cè)量，增加觀測(cè)量，改善自主定軌的幾何觀測(cè)結(jié)構(gòu)[21]。

嫦娥四號(hào)星間鏈路

2018年5月21日，我國(guó)成功發(fā)射“鵲橋”月球中繼衛(wèi)星，該衛(wèi)星于6月14日進(jìn)入了地月拉格朗日2點(diǎn)（L2點(diǎn)）的暈軌道，這是世界上第一個(gè)進(jìn)入到該軌道的月球中繼衛(wèi)星。

“鵲橋”在地、月、星之間建立了三條鏈路：對(duì)月前向鏈路、對(duì)月返向鏈路和對(duì)地?cái)?shù)傳鏈路，這三條鏈路可以實(shí)現(xiàn)“鵲橋”與嫦娥四探測(cè)器的雙向通信，以及其與地面的通信。其中，面向嫦娥四，前向鏈路采用X頻段統(tǒng)一載波體制，返向鏈路采用X頻段BPSK抑制載波體制?！谤o橋”對(duì)嫦娥四著陸器的最高通信速率為560kb/s，對(duì)嫦娥四巡視器的最高通信速率為280kb/s。面向地面站，“鵲橋”采用S頻段螺旋狀中增益天線，碼速率最大為2Mb/s。在分時(shí)工作模式下，可改用傘狀天線來(lái)實(shí)現(xiàn)X頻段對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸，碼速率可達(dá)10Mb/s[22]。

圖4 “鵲橋”月球中繼衛(wèi)星星間鏈路

④歐盟

Galileo導(dǎo)航星座星間鏈路

Galileo導(dǎo)航星座目前沒(méi)有采用星間鏈路，但是下一代Galileo導(dǎo)航星座計(jì)劃采用星間鏈路進(jìn)行相互測(cè)量和信息傳遞。然而，運(yùn)用星間測(cè)量并沒(méi)有完全脫離地面段，只是最低限度地依賴地面段，將地面站的數(shù)量縮減。此外，下一代Galileo導(dǎo)航星座計(jì)劃實(shí)施中繼通信任務(wù)，將在每顆導(dǎo)航衛(wèi)星上裝載激光星間鏈路設(shè)備，與低軌遙感衛(wèi)星建立數(shù)傳鏈路[23]。

EDRS中繼衛(wèi)星星間鏈路

1989年，ESA（European Space Agency）正式開(kāi)始研制試驗(yàn)型數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星Artemis，主要用于驗(yàn)證星間微波和激光通信技術(shù)，并為歐洲貨運(yùn)飛船和國(guó)際空間站交會(huì)對(duì)接、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、極軌平臺(tái)及其他科學(xué)衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)。Artemis主要裝載S/Ka頻段數(shù)據(jù)中繼和光學(xué)數(shù)據(jù)中繼有效載荷。用于微波通信的轉(zhuǎn)發(fā)器為透明式，而用于激光通信的轉(zhuǎn)發(fā)器為再生式。S/Ka頻段數(shù)據(jù)中繼可以同時(shí)提供兩個(gè)前向鏈路和四個(gè)返向鏈路，激光通信前向鏈路速率為2048kb/s，返向鏈路速率為50Mb/s。2001年，Artemis與法國(guó)的地球觀測(cè)衛(wèi)星SPOT-4之間成功進(jìn)行了世界上第一個(gè)星間激光通信鏈路試驗(yàn)，該鏈路采用強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)方式，800nm通信波長(zhǎng)[24]。

2008年3月，德國(guó)TerraSAR-X衛(wèi)星與相距5000km的美國(guó)NFIRE衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)了碼速率為5.625Gb/s的雙向激光通信試驗(yàn)。該鏈路采用BPSK調(diào)制/零差相干探測(cè)方式，1064nm工作波長(zhǎng)[25]。同年，ESA啟動(dòng)歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)EDRS（European Data Relay Satellite）研制。EDRS一期系統(tǒng)的空間段包括兩個(gè)地球靜止軌道衛(wèi)星，即EDRS-A和EDRS-C衛(wèi)星。在后續(xù)的規(guī)劃中，歐空局計(jì)劃尋求合作擴(kuò)展，在2020年前發(fā)射EDRS-D和EDRS-E兩顆衛(wèi)星完成二期系統(tǒng)建設(shè)，形成可覆蓋全球的“全球網(wǎng)”GlobeNet（如圖5所示），形成以激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星為骨干的天基信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星、空中平臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)的近實(shí)時(shí)傳輸。根據(jù)規(guī)劃，EDRS星間激光鏈路的通信速率為1.8Gb/s[26]。

圖5 EDRS中繼衛(wèi)星系統(tǒng)及星間鏈路

⑤日本

DRTS中繼衛(wèi)星星間鏈路

2002年9月，日本發(fā)射了首顆數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星DRTS（Data Relay Test Satellite）。該衛(wèi)星可以提供一條星間S頻段測(cè)控通信鏈路和一條Ka頻段高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路。其中，S頻段前向鏈路數(shù)據(jù)率5Mb/s，返向鏈路10Mb/s；Ka頻段前向鏈路數(shù)據(jù)率30Mb/s，返向鏈路278Mb/s。該衛(wèi)星為日本對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星ALOS、國(guó)際空間站日本艙等六個(gè)用戶航天器提供測(cè)控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)[27]。

JDRS光學(xué)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星星間鏈路

為了滿足高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星傳輸大容量數(shù)據(jù)的需求，2008年日本開(kāi)始研制下一代中繼衛(wèi)星激光通信終端，其通信波長(zhǎng)為1064nm，返向通信速率為2.5Gb/s，通信體制為DPSK（Differential Phase Shift Keying）/相干探測(cè)，捕跟方式采用無(wú)獨(dú)立信標(biāo)光方式[28]。

2015年12月，日本制定了光學(xué)數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)JDRS（Japanese Data Relay System）的任務(wù)目標(biāo)，并成立了JDRS研制團(tuán)隊(duì)。JDRS系統(tǒng)的鏈路類型包括高軌-低軌激光鏈路和高軌-地面饋電鏈路。其中，激光通信波長(zhǎng)采用1550nm波段，返向調(diào)制探測(cè)方式為RZ-DPSK-DD、返向通信速率1.8Gb/s（編碼后2.5Gb/s），前向調(diào)制探測(cè)方式為強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)、前向通信速率50Mb/s（編碼后60Mb/s）。星間激光鏈路采用無(wú)獨(dú)立信標(biāo)光捕跟策略，鏈路建立時(shí)間小于60s[29]。

2 星間鏈路的發(fā)展趨勢(shì)及特點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)外在星間鏈路方面均取得了矚目的成就。通過(guò)分析星間鏈路的發(fā)展歷程，總結(jié)得到如下五方面的發(fā)展趨勢(shì)及特點(diǎn)。

①微波星間鏈路向THz頻段等更高的頻段發(fā)展

目前，Ka頻段星間鏈路已經(jīng)發(fā)展成為主流頻段。然而，隨著信息傳輸需求的不斷增長(zhǎng)，微波頻譜資源日益緊張，推動(dòng)星間鏈路技術(shù)向更高頻率方向發(fā)展。相比于UHF、S、Ka等頻段，V頻段星間鏈路具有對(duì)地球近乎完全屏蔽、更強(qiáng)的抗干擾能力、更寬的信道帶寬等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已有實(shí)際工程應(yīng)用。但對(duì)于未來(lái)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率需求，采用V頻段的星間鏈路仍具有一定的局限性，THz技術(shù)有望成為新型星間鏈路的主要技術(shù)手段。

②激光通信是提升星間鏈路系統(tǒng)性能的有效手段

相比于微波通信，激光通信具有傳輸速率高、可用帶寬大、抗電磁干擾能力強(qiáng)、保密安全性好以及激光終端體積小、重量輕和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，使激光鏈路逐漸成為構(gòu)建未來(lái)星間鏈路的重要手段，成為解決高速空間通信和精密測(cè)距問(wèn)題的最佳途徑之一。

③微波激光混合鏈路是星間鏈路發(fā)展的必然趨勢(shì)

針對(duì)未來(lái)星間鏈路發(fā)展需求，國(guó)外目前也在積極開(kāi)展新型星間鏈路的研究和工程實(shí)現(xiàn)，且呈現(xiàn)出不同的技術(shù)路線。其中，GPS III星間鏈路將在原UHF寬波束星間鏈路的基礎(chǔ)上增加V頻段點(diǎn)波束星間鏈路，GLONASS將在原S頻段寬波束星間鏈路的基礎(chǔ)上增加激光星間鏈路。因此，微波激光混合鏈路將會(huì)持續(xù)共存發(fā)展。

④星間鏈路是構(gòu)建天基信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)將更加注重和強(qiáng)調(diào)星座、星群間的配合與協(xié)同。因此，利用星間鏈路構(gòu)建天基信息網(wǎng)絡(luò)是衛(wèi)星系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。其中，星間鏈路的頻率選擇、信號(hào)體制、建鏈方式、通信容量、測(cè)量精度、擴(kuò)展能力等關(guān)鍵特性，決定了天基信息網(wǎng)絡(luò)的綜合效能。

⑤深空鏈路是星間鏈路的延伸擴(kuò)展及發(fā)展新方向

隨著深空探測(cè)的發(fā)展需要，目前國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)展深空探測(cè)領(lǐng)域的星間鏈路技術(shù)研究。我國(guó)在嫦娥四號(hào)任務(wù)中成功實(shí)施了“鵲橋”月球中繼衛(wèi)星星間鏈路，具有十分重要的意義。美國(guó)空間通信與導(dǎo)航服務(wù)設(shè)施也將逐漸形成統(tǒng)一的SCaN（Space Communications and Navigation）網(wǎng)絡(luò)，為位于整個(gè)太陽(yáng)系內(nèi)的空間飛行任務(wù)提供通信與導(dǎo)航服務(wù)。因此，隨著深空探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，深空鏈路將成為星間鏈路的重要擴(kuò)展及發(fā)展新方向。

3 星間鏈路的關(guān)鍵技術(shù)分析

①星間鏈路的信號(hào)體制設(shè)計(jì)

星間鏈路信號(hào)體制設(shè)計(jì)包括頻率選擇、通信體制和測(cè)量體制設(shè)計(jì)。信號(hào)體制設(shè)計(jì)不僅影響到星間鏈路的測(cè)量精度、有效數(shù)據(jù)的傳輸速率以及抗干擾性能等關(guān)鍵指標(biāo)，而且涉及到相關(guān)終端設(shè)備的工程可實(shí)現(xiàn)性及復(fù)雜度。

圖6 各種太赫茲源的頻率功率關(guān)系

通信體制設(shè)計(jì)包括調(diào)制方式、編碼方式等內(nèi)容，測(cè)量體制設(shè)計(jì)包括星間測(cè)距、鐘差測(cè)量等內(nèi)容。此外，衛(wèi)星頻率資源固定有限，且爭(zhēng)奪激烈。因此，在星間鏈路設(shè)計(jì)過(guò)程中，頻率選擇是首要考慮的問(wèn)題。這也是是各國(guó)迫切關(guān)注Q、V乃至THz頻段和激光通信技術(shù)的原因。目前，UHF、Ka和激光等頻段的器件相對(duì)成熟，均可以作為星間鏈路的使用頻率。而對(duì)于THz等更高頻率載波的生成和功率放大需要重點(diǎn)攻關(guān)。以THz頻率載波頻率的生成和功率放大為例，圖6從其頻率功率關(guān)系較為直觀地反映了各種THz源的特點(diǎn)[30]，需結(jié)合星間鏈路總體設(shè)計(jì)選取THz源的實(shí)現(xiàn)途徑。

②星間鏈路快速建立與穩(wěn)定維持技術(shù)

快速捕獲與穩(wěn)定維持是建立星間鏈路的前提條件。在兩個(gè)高速運(yùn)行的衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)精確的捕獲并跟蹤，難度較大。因此，需要根據(jù)實(shí)際的星間鏈路場(chǎng)景，分析不確定區(qū)域等參量，設(shè)計(jì)合適的捕獲策略和跟蹤方案。

隨著星間鏈路載波頻率的升高，天線波束變得越來(lái)越窄，對(duì)跟蹤精度的要求也越來(lái)越高。參照目前Ka頻段星間數(shù)傳系統(tǒng)，程序跟蹤精度為0.2°左右。采用多模跟蹤體制，自跟蹤精度則可以優(yōu)于0.05°。對(duì)于星間激光鏈路的跟蹤精度，通常需要優(yōu)于3μrad。因此，對(duì)于新型星間鏈路，傳統(tǒng)的程序跟蹤已無(wú)法滿足系統(tǒng)需求，必須增加全程高精度的自動(dòng)閉環(huán)跟蹤實(shí)現(xiàn)天線波束的相互捕獲跟蹤。同時(shí)，需在跟蹤過(guò)程中對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的擾動(dòng)以及天線跟蹤對(duì)平臺(tái)姿態(tài)的影響進(jìn)行補(bǔ)償。

③激光微波混合星間鏈路組網(wǎng)技術(shù)

天基信息網(wǎng)絡(luò)的龐大性和復(fù)雜性決定了無(wú)法用一種單一的載波頻段來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路功能，未來(lái)的天基信息網(wǎng)絡(luò)將是一種多頻段混合鏈路通信網(wǎng)絡(luò)。天基網(wǎng)絡(luò)的多用戶接入、多種業(yè)務(wù)服務(wù)的應(yīng)用特點(diǎn)使星間鏈路具有更加復(fù)雜的拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化特性。

針對(duì)高動(dòng)態(tài)連接的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)，星間鏈路終端物理層面需解決兩大核心問(wèn)題：一是如何實(shí)現(xiàn)一對(duì)多多波束的快速、自由接入；二是如何實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)捕獲的捕獲跟蹤能力。為實(shí)現(xiàn)激光微波混合星間鏈路組網(wǎng)，需同時(shí)開(kāi)展星間拓?fù)渑c路由設(shè)計(jì)、星間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)以及星間網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)研究。

④星間鏈路綜合多功能集成技術(shù)

針對(duì)星間鏈路多頻化、寬帶化、網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展特點(diǎn)，星間鏈路終端需適應(yīng)多信息傳輸、多功能集成的要求，即采用綜合多功能集成設(shè)計(jì)。綜合多功能集成主要指通過(guò)硬件集成設(shè)計(jì)、體制與波形設(shè)計(jì)、幀格式設(shè)計(jì)等方法，將多個(gè)通過(guò)星間鏈路傳輸?shù)男畔⒔y(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，不需要額外增加硬件設(shè)備，可以最大限度地節(jié)省資源消耗。

圖7 星間鏈路綜合多功能集成

星間鏈路綜合多功能集成設(shè)計(jì)思路如圖7所示。其中，星間數(shù)據(jù)通信主要指終端采集數(shù)據(jù)、星間通信數(shù)據(jù)、測(cè)控?cái)?shù)據(jù)等編譯碼、調(diào)制解調(diào)與傳輸；星間測(cè)量主要包括測(cè)距、多星定位測(cè)量信息傳輸、時(shí)頻傳遞等；數(shù)據(jù)處理與智能管理主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分發(fā)、通信路由與協(xié)議、終端管理等。

4 思考與建議

近年來(lái)，隨著國(guó)家利益向全球拓展，我國(guó)天基信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求愈加迫切。主要表現(xiàn)為：經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的全球化決定了國(guó)家戰(zhàn)略向全球拓展延伸，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、編隊(duì)護(hù)航、國(guó)際航班等均需要天基信息網(wǎng)絡(luò)的支持；對(duì)于難以抵達(dá)的地震災(zāi)害等突發(fā)事件區(qū)域，在地面網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重毀壞的情況下，應(yīng)急搶險(xiǎn)救援等緊急事件的實(shí)時(shí)跟蹤與快速響應(yīng)依賴于天基信息網(wǎng)絡(luò)的有效支持；受國(guó)土面積限制，對(duì)境外衛(wèi)星或航天器的測(cè)控、通信和管理也需要借助天基信息網(wǎng)絡(luò)的支持。星間鏈路為聯(lián)通衛(wèi)星、實(shí)現(xiàn)天基測(cè)控、星座自主運(yùn)行等功能提供了保障，是構(gòu)建天基信息網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)。隨著天基信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與融合，我國(guó)各衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)星間鏈路的需求將更加迫切。

結(jié)合我國(guó)實(shí)際國(guó)情，針對(duì)我國(guó)星間鏈路技術(shù)的發(fā)展，提出以下幾點(diǎn)建議：

①加強(qiáng)天基信息網(wǎng)絡(luò)頂層設(shè)計(jì)，提前部署星間鏈路標(biāo)準(zhǔn)化工作。

我國(guó)相繼在天鏈一號(hào)、北斗三號(hào)以及嫦娥四號(hào)中應(yīng)用了星間鏈路技術(shù)。針對(duì)未來(lái)天基信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求，需關(guān)注和研究各類系統(tǒng)中星間鏈路與天基信息網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系、作用及定位，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌星間鏈路的后續(xù)發(fā)展，對(duì)星間鏈路終端設(shè)備的信號(hào)體制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、接口要求等方面做出標(biāo)準(zhǔn)化部署。

②借鑒國(guó)外星間鏈路發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，提前開(kāi)展星間鏈路新技術(shù)研究。

國(guó)外星間鏈路技術(shù)總體呈現(xiàn)向更高頻段發(fā)展且多頻段混合應(yīng)用的特點(diǎn)，并成功應(yīng)用于中繼、通信和導(dǎo)航等多種衛(wèi)星系統(tǒng)，覆蓋了UHF、S、Ku、Ka等多個(gè)頻段，并逐漸向更高的V頻段和激光頻段發(fā)展；星間鏈路的功能也從單一的測(cè)距或通信向測(cè)量通信一體化轉(zhuǎn)變。我國(guó)應(yīng)充分借鑒國(guó)外星間鏈路發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新型星間鏈路技術(shù)進(jìn)行規(guī)劃、攻關(guān)和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，縮小我國(guó)星間鏈路技術(shù)水平與國(guó)外的差距。

③加大新型星間鏈路研發(fā)投入，解決新型鏈路器件國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。

星間鏈路的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)通信和測(cè)量的無(wú)線通道。新型星間鏈路將重點(diǎn)關(guān)注高速率通信和高精度測(cè)量，以及高精度時(shí)頻傳遞等技術(shù)。THz頻段、激光通信、飛秒光頻梳、微波光子學(xué)等新技術(shù)的發(fā)展，為新型星間鏈路的實(shí)現(xiàn)提供了諸多技術(shù)途徑，也將是未來(lái)發(fā)展的重要方向。因此，建議加大新型星間鏈路研發(fā)投入力度，突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，自主研制核心器部件，實(shí)現(xiàn)器部件的國(guó)產(chǎn)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天系統(tǒng)的應(yīng)用愈加注重星群、星座間的協(xié)同與配合，用以發(fā)揮并進(jìn)一步提升航天系統(tǒng)的整體效能。推進(jìn)各類衛(wèi)星融合發(fā)展，建立天基信息網(wǎng)絡(luò)，成為航天技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。星間鏈路作為構(gòu)建天基信息網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)，是聯(lián)通航天器集體的重要橋梁。國(guó)外星間鏈路技術(shù)經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段，并開(kāi)啟了新技術(shù)的研究熱潮。國(guó)外星間鏈路技術(shù)總體呈現(xiàn)向更高頻段發(fā)展且多頻段混合應(yīng)用的特點(diǎn)，星間通信已由點(diǎn)到點(diǎn)通信向星座組網(wǎng)通信發(fā)展，星間鏈路功能也從單一的測(cè)距或通信向測(cè)量通信一體化轉(zhuǎn)變。通過(guò)研究星間鏈路技術(shù)的發(fā)展歷程，可為我國(guó)星間鏈路技術(shù)的發(fā)展提供參考，有利于我國(guó)星間鏈路技術(shù)的快速發(fā)展和提升。

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Research status and key technologies analysis of inter-satellite link

LIU Xiangnan, ZHAO Zhuo, LI Xiaoliang, LENG Tao, CHEN Ming

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

Inter-satellite link or crosslink is an important bridge for connecting spacecraft and an essential part of the space-based information network. In this article, the history of this technology is reviewed. The trends and characteristics of inter-satellite links development are summarized, while key technologies that should be studied in the development of inter-satellite links are analyzed. Finally, drawing on the development experience of foreign inter-satellite links, some suggestions are proposed for the development of inter-satellite link technology in our country.

Inter-satellite link/Crosslink; Microwave link; Laser link; Satellite communication; Laser communication

TN927.2

A

CN11-1780(2019)04-0001-09

劉向南 1985年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g激光通信總體技術(shù)。

趙卓 1993年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭臻g激光通信技術(shù)。

李曉亮 1979年生，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控通信技術(shù)。

冷濤 1980年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

諶明 1977年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控通信技術(shù)。

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2019-04-29

2019-06-03