基于衛(wèi)星鏈路的空?？缬蛲ㄐ畔到y(tǒng)設(shè)計*

商志剛 徐曉帆2 梁萱卓 張博 王永皎

(1.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041；2.中國星網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院有限公司，北京 100029)

0 引言

當(dāng)前，衛(wèi)星技術(shù)和通信技術(shù)不斷發(fā)展，能夠滿足各類應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)平臺逐漸成為了人們研究的重點(diǎn)。為了有效保障社會發(fā)展和人民生活，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，海上應(yīng)用是典型方向，空海跨域通信系統(tǒng)是天基信息系統(tǒng)向海洋延伸的重要手段，受到了越來越多的關(guān)注。

1 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究進(jìn)展

國外主流的衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括Inmarsat、Iridium等典型系統(tǒng)[1-3]。

Inmarsat海事衛(wèi)星系統(tǒng)是由通信衛(wèi)星、岸站和船站三大部分組成，布放于太平洋、大西洋和印度洋三個洋區(qū)。Inmarsat-A是1976年啟用的第一個系統(tǒng)，Inmarsat-M是1993年開發(fā)的系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)可以提供電話、數(shù)據(jù)、電傳等業(yè)務(wù)；Inmarsat-C主要用于數(shù)據(jù)通信，體型小巧，可以手提。

銥星(Iridium)系統(tǒng)是一個低軌全球個人衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，其生產(chǎn)商是美國摩托羅拉公司。目前，銥星系統(tǒng)有66顆衛(wèi)星在軌，除了提供話音業(yè)務(wù)外，還提供傳真、數(shù)據(jù)、尋呼等業(yè)務(wù)。銥星衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)勢在于傳輸速度較快，信息質(zhì)量高，而且無需專門的地面接收站，在偏遠(yuǎn)地區(qū)使用移動衛(wèi)星手提電話進(jìn)行通信十分方便[4-6]。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)衛(wèi)星的發(fā)展歷史已有30余年，其中最主要的空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是通信衛(wèi)星和中繼衛(wèi)星兩大系列[7]?！疤焱ㄒ惶枴毙l(wèi)星通信系統(tǒng)由中國自主研發(fā)[8-10]，覆蓋范圍包括中國及周邊、中東、非洲等相關(guān)地區(qū)，最主要的優(yōu)勢體現(xiàn)在終端的小型化、便攜化上。

2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與空海跨域通信

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個以通信為主的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括天基、地基等網(wǎng)絡(luò)，其中天基網(wǎng)絡(luò)由高軌和中低軌衛(wèi)星組成，其作用是天基用戶通過天基網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)，再通過星間鏈路實現(xiàn)覆蓋全球的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

跨域通信網(wǎng)絡(luò)實質(zhì)是由海上分布式節(jié)點(diǎn)組成的水聲-無線異構(gòu)廣域通信網(wǎng)絡(luò)，主要由布放在海底、海水中、海面的固定傳感器節(jié)點(diǎn)/移動節(jié)點(diǎn)(潛艇、AUV等)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(固定浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))等組成，其連接關(guān)系參見圖2。

基于跨域通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，可制定跨域通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，研制異構(gòu)協(xié)議融合單元等關(guān)鍵器件，搭建由基于浮標(biāo)的異構(gòu)信息處理平臺、水下潛標(biāo)固定傳感器節(jié)點(diǎn)、移動節(jié)點(diǎn)(AUV等)組成的水下探測、監(jiān)聽、通信、導(dǎo)航一體化綜合信息網(wǎng)絡(luò)。

3 基于衛(wèi)星鏈路的空?？缬蛲ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)浮標(biāo)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

基于衛(wèi)星鏈路的空海跨域通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括跨域通信組網(wǎng)、跨域通信網(wǎng)關(guān)、顯示終端系統(tǒng)等部分?？缬蛲ㄐ沤M網(wǎng)設(shè)計包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計、多路徑傳輸協(xié)議設(shè)計和嵌入式控制協(xié)議設(shè)計等；跨域通信網(wǎng)關(guān)由跨域通信浮標(biāo)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和跨域通信單元子系統(tǒng)組成；顯控終端系統(tǒng)設(shè)計主要由通信與數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計、顯示控制單元設(shè)計和跨域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真等組成?；谛l(wèi)星鏈路的空?？缬蚪M網(wǎng)示意圖如圖3所示。

圖2 跨域通信網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系圖

圖3 基于衛(wèi)星鏈路的空?？缬蚪M網(wǎng)示意圖

圖4 跨域通信網(wǎng)關(guān)艙體結(jié)構(gòu)圖

3.2 工作原理

跨域通信網(wǎng)關(guān)是基于衛(wèi)星鏈路的空海跨域通信系統(tǒng)的核心裝備，搭載多源通信設(shè)備，可實現(xiàn)不同物理域異構(gòu)數(shù)據(jù)的跨域傳輸和處理，使信息在本地完成融合、處理。在跨域通信網(wǎng)關(guān)浮標(biāo)中添加自主轉(zhuǎn)接單元，接入多制式通信協(xié)議自適應(yīng)組網(wǎng)。水面無線通信多頻段接入多制式通信鏈路，結(jié)合通信協(xié)議及通信頻段，網(wǎng)關(guān)核心協(xié)議融合單元通過自主轉(zhuǎn)接單元，將協(xié)議融合到跨域通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，通過通信鏈路轉(zhuǎn)發(fā)達(dá)到與其他設(shè)備融合的目的。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計

3.3.1 跨域通信網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計

跨域通信網(wǎng)關(guān)艙體通信系統(tǒng)搭載天通衛(wèi)星、數(shù)傳電臺、4G設(shè)備、水聲通信機(jī)等水上和水下設(shè)備，天線包括天通衛(wèi)星天線、4G設(shè)備天線、數(shù)傳電臺天線3根，定位天線為北斗天線(見圖4)。

3.3.2 跨域協(xié)議設(shè)計

空?？缬蛲ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)協(xié)議是實現(xiàn)跨域通信組網(wǎng)的核心，自下而上分別是物理層(外設(shè)部分/運(yùn)算、存儲部分)、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，配置路由表、基礎(chǔ)參數(shù)等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可進(jìn)行系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)安全管理等。

3.3.3 顯控系統(tǒng)設(shè)計

顯控系統(tǒng)主要用于監(jiān)測管理處于任務(wù)狀態(tài)的浮標(biāo)系統(tǒng)，并可操控實施部分任務(wù)。顯控子系統(tǒng)主要由通信單元、主機(jī)、顯控單元構(gòu)成，可實現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃管理、控制指令下發(fā)、浮標(biāo)狀態(tài)信息監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集顯示等功能。

4 結(jié)束語

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)軍民需求迫切。在軍事上，海戰(zhàn)場中通信保障仍是短板弱項，海上岸?？仗鞚摰雀鞑糠稚胁荒芤惑w化組網(wǎng)，嚴(yán)重制約了海軍基于網(wǎng)絡(luò)信息體系的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)；在民事上，面向海洋的觀測呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢，基于衛(wèi)星鏈路的空海跨域通信系統(tǒng)對于開展區(qū)域內(nèi)觀測設(shè)備的聯(lián)合作業(yè)，實現(xiàn)多參數(shù)、多站位同步聯(lián)合觀測意義重大。