小衛星在空間信息網絡中的發展方向研究

● 文| 航天東方紅衛星有限公司 張敬一 劉志佳 寧金枝

小衛星在空間信息網絡中的發展方向研究

● 文| 航天東方紅衛星有限公司 張敬一 劉志佳 寧金枝

空間信息網絡日益成為我國提升空間活動能力的重要組成部分，探索適合我國航天發展的空間信息網絡體系結構是當前重要的研究方向。借鑒和研究國際通用和經歷項目實踐的空間信息網絡體系結構，有助于結合當前空間能力建立自己的網絡體系結構。最后探討了小衛星在空間信息網絡中的定位及發展方向。

空間信息網絡體系結構 骨干網 接入網 局域網 鄰近網 小衛星

一、引言

近10年來我國航天事業獲得長足發展，空間任務呈現多樣性、長期性及國際合作的迫切性，這對空間信息傳輸提出了更高的要求和更嚴峻的挑戰。現階段我國空間信息傳輸仍處于點對點數據傳輸模式階段。在這種傳輸體制下，衛星等航天器所獲取數據對用戶的傳輸缺乏及時性、可靠性和安全性。另一方面，隨著信息革命的到來，地面通信網絡技術突飛猛進的發展，以OSI網絡模型和TCP/IP模型為基礎的網絡體系結構和協議族不斷成熟與加強，在地面有線網絡和無線網絡中得到了廣泛的普及與應用。網絡已成為人們日常生活中的生活方式，實現人與人的互聯與信息交互。而空間和地面用戶之間的信息交互也顯得日益重要，例如地圖信息的更新周期漫長，位置信息的不夠精確，地面網絡欠發達地區對網絡服務需求，多維信息綜合處理生成關鍵信息等。

用戶要求空間信息網絡支持航天器平臺聯網，地面用戶網絡與空間信息網絡互聯，航天器對地傳輸模式向星際、星地中繼網絡化模式轉變；要求天地間通信提供多種數據傳輸方式，其交互性和多業務能力更強、帶寬更寬、接入更靈活、效率更高、擴展性更好，形成有效網絡結構，使空間信息傳輸從當前點到點傳輸向端到端傳輸轉變。因此，如何建立星與星，星與用戶之間更為廣泛的信息交互網絡是擺在我國空間技術發展面前的問題。而這一問題的基礎是建立空間信息網絡體系結構標準。目前，國外研究機構做了有益的概念設計和驗證項目實踐，結合我國航天信息傳輸結構現狀，有助于建立我國自己的空間體系結構網絡。

小衛星由于其相較于其他航天器的固有特點與優勢，再與急速發展的信息軟硬件技術相結合，已成為航天技術發展的一片新高地。小而精悍，能效比高，快速部署等系列小衛星層出不窮。但是，在井噴發展的同時是否需要思考在空間信息網絡發展的大背景下，小衛星如何定位與發展，充分發揮其特點與功能，又很好的服務和應用于空間信息網絡，這是本文重點闡述的內容。

二、國外空間信息網絡體系結構現狀與規劃

1. NASA面向未來的空間網絡體系架構

面向未來空間復雜通信環境，Kul Bhasin等人根據美國宇航發展現狀，提出了空間因特網并描述其組成元素如圖1所示。他們將整個空間信息網絡劃分為四部分：骨干網絡—由地面和天基骨干網絡共同構成;接入網絡—航天器通過無線或光通信接口接入骨干網絡；航天器間網絡—編隊、集群或星群飛行的航天器之間通過無線或光通信接口互聯網絡；臨近網絡—飛行器、著陸器、傳感器組成無線或光通信接口互聯的自組織（Adhoc）網絡。

骨干網包括NASA的地面網（GN）、深空網（DSN）、天基網[SN-跟蹤和數據中繼衛星系統（TDRSS）、國際空間站（ISS）]和可以為NASA航天器提供通信業務的任何商業衛星系統，以及將NASA設施聯在一起的虛擬專用網（VPN）。通過骨干網可供利用的信息有來自其他航天器、太空車、傳感器網絡、運作中心、歸檔數據庫和用戶的數據及任務指令等。網絡還能進一步擴大到全球范圍，獲得更多的空間信息資源。

接入網是利用微波或光通信手段為航天器、太空車等接入骨干網所形成的網絡。這些網絡接入接口包括遠地對象的調制解調器、接收機、發射機和天線，以及骨干網的匹配裝置。

航天器內網是為協同飛行的航天器，例如星座、緊密編隊或松散星群建立的，用于局域通信和協調，其間可利用無線接口（微波或光）或其他接口（有線或光纖）連接到相鄰的航天器。

鄰近網絡是指相距甚近的登陸或空間的太空車、空間站、傳感器、氣球等，利用低功率的鄰近網絡，以Adhoc方式互聯。

由骨干網、接入網、航天器內網和鄰近網絡組成的新架構，能很好地滿足NASA對未來空間通信的需要。基于此框架，無需為新出現的任務構建一套新的通信基礎設施，避免了重復建設。

圖1 NASA面向未來的空間網絡體系結構

2.歐洲天基互聯網計劃(ISICOM)空間信息網絡體系架構

歐洲天基互聯網計劃面向對有天基互聯潛在需求用戶群（如個人用戶，集體用戶，專業用戶和中小型組織／企業用戶，公共機構和大型企業用戶，電信運營商和業務提供商）提出的。該計劃能提供的業務有：對各類用戶可提供廣播服務、公眾信息服務、應急服務、遠程醫療和遠程教育服務、互聯網接入、語音和數據服務、導航服務、固定和移動的寬帶服務以及物聯網服務等等。該體系結構如圖2。

圖2 ISICOM空間網絡體系結構

GEO/GSO星座：圖2中頂層為GEO/GSO（地球靜止軌道/地球同步軌道）軌道弧線，通常由3顆等間距GEO衛星節點構成星座，3顆衛星間用激光或寬帶無線鏈路互連互通覆蓋全球。GEO星座是空間段的核心基礎結構。GEO/GSO星座的主要用途：通過星間鏈路為對地觀測衛星和NGO軌道星座等各種衛星提供信息傳輸和處理服務；通過星地鏈路直接為對地覆蓋波束內中央站、地面關口站（GW）和各種用戶終端提供通信廣播服務。

NGO 星座：圖中次層為NGO（非地球同步軌道）軌道弧線，通常由多顆NGO 衛星節點構成星座，各星間用光學或無線電鏈路互聯互通，無縫覆蓋全球。NGO 星座的主要用途：通過星間鏈路與GEO衛星互通信息并接受其管理；通過無線電鏈路為高空平臺（HAPS）等飛行器提供信息傳輸服務；通過星地鏈路為對地覆蓋波束內中央站、地面關口站（GW）和各種用戶終端提供通信服務。

導航/定位衛星星座：導航/定位衛星星座擬用伽利略（Galileo）導航系統。主要為對地觀測衛星、各種地球站和各種用戶站(車輛、汽車、無人機、高空平臺等運動物體)提供導航定位信息。

對地觀測衛星星座：對地觀測（Earth Observation）衛星星座擬選用全球環境與安全監測系統（GMES）。當對地觀測衛星飛行在其地面設施遙感接收站視區以外時，可通過GEO衛星將其獲取的遙感信息實時中繼到遙感接收站；還可將對地觀測衛星系統中央站經處理和融合后的綜合信息通過GEO衛星轉發廣播給各用戶站。

高空平臺系列：高空平臺（HAPS）NGO星座通過星臺鏈路互通信息，接NGO衛星服務；向無人機（UAV）通臺機鏈路轉發NGO衛星信息，為UAV務；通過臺地鏈路與提供快速應急通信務的Ad hoc網絡互傳信息；通過臺地路直接向熱點(Hot spot)地區提供專通信服務；通過臺地鏈路直接向相關地提供廣播和寬帶通信接入服務。

UAV系列： UAV高空平臺（HAPS）過機臺鏈路互傳信息，接受高空平臺（HAPS）服務。

地面設施：用作物聯網通信的衛星傳感器網絡（Satellite Sensor Network）；用以進行干擾管理等任務的協同波束成形（Cooperative beamforming）分布式天線系統；對地觀測衛星地面網站（On-ground observation network）；通信衛星關口站（GW）等。

3.我國空間信息網絡體系結構

我國天地一體化全球信息網設計原則應遵循四化：全球化、網絡化、智能化和標準化。

全球化：服務區實現全球全時全氣候覆蓋地面層（含海、陸、空）用戶地球站、臨近空間層的用戶飛行器、空間層的用戶航天器三層用戶。

網絡化：各飛行器和地球站主要依靠星間鏈路、國內星地鏈路和地面線路組成天地一體化全球信息網絡。通過網絡化實現相關系統資源共享，充分發揮航天應用效益，促進航天資源整合優化。通過網絡化實現國外不設站情況下，由國內測控站測控全球運行的衛星，國內遙感站實時接收全球遙感衛星發送的信息，國內關口站管理全球用戶站間互通信息。

智能化：為應對龐大和復雜的天基網絡，全網運行和管理必須具備高度的自主運行和管理能力。網絡管理的部分功能可不依賴于地面設備由星上自主管理。

標準化：統一的標準和規范是天地一體化全球信息網各系統實現互聯互通和資源共享的前提和條件。研究和采用統一的、先進的、有發展前途的標準和規范將貫徹于研究和建立天地一體化全球信息網全過程。

考慮到作為中低軌道用戶航天器的跟蹤與數據中繼衛星星座使用地球靜止軌道（GEO）或地球同步軌道（GSO）星座最合適，作為實現全球（含南北兩極）無縫覆蓋的星座采用非靜止軌道即中軌道（MEO）或低軌道（LEO）星座最合適，為此本天地一體化全球信息網至少應有地球靜止軌道星座和非靜止軌道星座兩層不同高度的覆蓋全球的衛星星座組成，見圖3。

圖3 我國多層次天地一體化全球信息網架構

三、小衛星在空間信息網絡中的定位及發展方向

1.小衛星與骨干網絡

在空間信息網絡中，骨干網是重點，它需要大容量、高速率、可靠的微波或光通信技術的支持；在軟件開發中，基于分層結構和對時延不敏感、數據開銷最小運作的協議是十分重要的。大多數基于在空間的架構元素，其硬件將是高度小型化、低功耗、體積小、重量輕的，并采用智能元件來增強網絡的功能和自主性。現在國際上通行的是以大型通信中繼衛星在空間組織高速寬帶骨干網絡架構，并與地面建立高速寬帶鏈接。

但是，中低軌移動通信衛星系統可以作為高速寬帶骨干網絡的補充，形成較低速率的空間骨干網絡，為空間與地面提供網絡通信服務。如美國的銥星系統，歐洲的Globalstar等中低軌小衛星移動通信系統。該類系統為小范圍多目標提供遠程通信服務。銥星系統可以很好地覆蓋兩極區域，為骨干網通信系統提供補充。而Globalstar系統更多的關注全球人口稠密的低緯度地區覆蓋，注意加強對稠密區域通信服務能力。這些都為我們設計小衛星通信系統提供有益借鑒，推動我國小衛星發展。

2.小衛星與接入網

當前我國小衛星數據傳輸主要方式為：星上載荷獲取數據簡單處理后直接傳輸給地面站。該種方式有一定的局限性：①過境時間有限，需要繁復的任務安排來充分利用過境時間傳輸數據；②傳輸環境不確定導致信息數據傳輸受到限制。

而一旦形成骨干網絡，骨干網絡覆蓋面積廣、通信帶寬寬，可以為小衛星提供一系列空間信息傳輸服務，包括大數據存儲，全球范圍內可接收小衛星數據上傳，與地面多個站點保持鏈接等。這樣可以根本性的改變小衛星對地數據傳輸的方式和方法。

骨干網建立之后，小衛星作為接入節點，須考慮與骨干網絡節點的頻段，帶寬，調制方式底層接口規范，然后鏈路協議，什么時候，什么方式接入和建立鏈接，最后是網絡及上層傳輸、應用協議來實現端到端的服務。接入網協議的高效直接可以有效的利用信息資源和完成空間網絡的建立、拓展與融合。在這種網絡環境下，小衛星可以獨立運行，也可與空間信息網絡接入運行， 使得小衛星的運行效能從單一受限固化向多樣靈活自由轉變。

3.小衛星與空間局域網

本文這里在定義上有兩種不同的空間局域網概念有別于NASA定義：

1）航天器內部空間局域網：眾所周知，航天器是由多個分系統組成，而這些不同的分系統間信息的交互，隨著分系統數據獲取能力與體量的增加，它們之間的數據傳輸不能是簡單的總線結構所能夠滿足，在歐洲提出spacewire路由技術標準后，多國衛星已實現各分系統網絡化數據交互，信息傳輸方式從總線型結構向以太網狀結構轉變，各分系統之間信息轉發無須中心計算機介入，提高分系統間信息交互效率。

此外，附著于航天器內部與外部傳感器網絡的建立同樣需要航天器內部局域網，為未來航天器整體智能化提供必要保證。

2）航天器外部空間局域網、廣域網：小衛星重要特點是機動靈活，成本低廉，而在這一背景下人們更多的去考量多衛星聯合應用場景，而這正需要多星間網絡互聯，實現信息交互及聯合提升效能。這種互聯可以是小范圍的，稱之為空間局域網。例如，2006年美國國防先進計劃局（DARPA）提出分離模塊航天器概念，即F6計劃，主要是驗證以小型模塊航天器群實現傳統大衛星功能。該計劃正在穩步推進中；這種互聯也可以是大范圍的，完成局域網與局域網間互聯，航天器與航天器間互聯，稱之為空間廣域網，例如千星計劃，如此大規模的星群，信息傳輸應考慮為廣域網。當廣域網擴展為全球范圍，也可以成為骨干網絡。

根據我國小衛星發展狀況對于小衛星在軌組網方面應該兩方面并舉：①整合小衛星資源，即實現不同載荷小衛星間信息互通互聯協同工作；②發展特長化衛星，即從開始設計建造集群或模塊衛星之初，設計分工協作，例如多個衛星下，專門的光學載荷若干，專門電子載荷若干，專門數據處理中心若干，專門對地傳輸若干。

而這兩個方面所涉及到的主要是如何實現局域網與廣域網設計的標準化，在空間環境、衛星姿態軌道控制等多元約束下，如何實現高效、有效的數據通信，空間以太網，Adhoc組網是下一步需要深入探討的問題核心。

4.小衛星與空間鄰近網絡

在軍民融合應用方面，用戶都需要衛星所能覆蓋的鄰近空間內的各種用戶能夠與衛星組成高效的鄰近空間網絡，形成衛星網絡應用系統。低軌小衛星數據獲取，該如何獲取，什么位置獲取，什么時間獲取等限制條件都將由這個鄰近空間網絡來交互決定，整個網絡是立體網狀，而不再是以前的串行信息傳輸。小衛星載荷獲取的數據如何以網絡方式實現對地面用戶端到端的傳輸是這里討論的重點。

這個網絡中以低軌小衛星、地面各類型用戶作為主體互聯，需要實現3種方式數據傳遞：①衛星對多用戶網絡；②多用戶間網絡；③多用戶對衛星網絡。

在鄰近網絡中，衛星信息與地面用戶網絡中信息的直接交互，以達成數據傳輸的及時性、可靠性實現衛星效能與應用提升。當然，鄰近空間網絡也可以借助其他網絡提供的通道完成對功能的擴展與補償。

四、結論

在空間信息網絡發展的大趨勢中，小衛星應充分發揮其自身特點，異軍突起，成為空間信息網絡技術及空間發展與創新的先行者。骨干網大系統工程中積極規劃立項論證，在接入網、空間局域網和空間鄰近網上發揮自身優勢迅速整合資源、積極推進，是小衛星整體創新發展與效能提升重要研究方向。

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