簡述空天信息傳輸網絡的特點、現狀及發展趨勢

張玲玲

摘 要：與現有的衛星通信系統相比，未來空天信息傳輸網絡支持的終端類型、業務類型、服務質量要求更為豐富。因此，為保證接入終端能夠高速、可靠地進行大容量的數據收發，適用于多個用戶接入的空天信息網絡研究就顯得尤為迫切。

關鍵詞：空天信息；通信；傳輸

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.129

0 引言

目前，世界各國的航天技術和航天工程快速發展，空間信息交換、傳輸技術發展取得了巨大的成就。空天信息通信系統功能的日趨完善，終端種類以及各用戶獲取的信息量逐漸增加，然而各個系統之間存在著自成體系、互不兼容的矛盾，通過單顆衛星進行空地鏈路的傳統通信模式已經無法滿足多元化的空天信息網絡的實際應用需求。因此世界主要航天國家都將發展目標定位為建立空天地一體化的綜合網絡體系，實現空間信息資源的互通互聯，空天信息網絡的概念正是在這種背景下提出的。

1 空天信息網絡的特點

1.1 開放的通信網絡

該網絡集成了多種現存網絡的各種特征和功能，各個平臺之間為達到資源共享和信息傳遞的目的，必須解決它們互相獨立的問題，為達到此要求，空天信息網絡中各個通信終端需通過相關的網關同異構網絡進行及時、準確、多樣性的數據通信，為此，空天信息網絡設計必須具備開放性，以便做到不同網絡之間互聯、多個系統相互兼容。

1.2 立體的信息交換

空天信息網絡拓撲結構立體化，此特點決定了通信服務的立體化。空天信息網絡覆蓋了不同層次空間上性能各異的通信終端，并依賴于空天網絡立體的信息交換的特點，有效地保障了空間信息和頻譜資源地充分利用，實現各種網絡資源的合理配置。

1.3 通信的特殊性

與地面通信網絡相比，空天網絡通信覆蓋范圍大、智能程度高、延時大、支持的業務種類多等特點，特別是天基骨干鏈路，其傳輸距離遠、拓撲動態變化大但鏈路變化規律可循。同時對終端功耗、體積、重量的要求更為嚴格，使得空天傳輸網絡的接入設計更給困難。

1.4 動態的組網機制

在空天傳輸網絡中，即要滿足基于天基骨干網實現對所有通信終端進行動態整合以獲取不同的信息資源，又需要滿足區域網絡具備一定程度的智能自組特性，以便應對各種突發狀況并滿足抗毀性等特殊需要，所以空天傳輸網絡的拓撲鏈接、資源調度必須具有動態重組的能力。

2 空天信息網絡的發展現狀

20世紀80年代至90年代，美國成功部署了跟蹤數據中繼衛星（Tracking and Data Relay Satellite，TDRS）系統，TDRS被稱為“衛星的衛星”，其中，多址鏈路是TDRS的重要組成部分，美國的TDRS多址鏈路技術演變分為三個階段：

第一代TDRSS系統的多址體制采用空分多址結合碼分多址方式，星上采用一個S 頻段多址相控天線，具有30個陣元，全部用作接收陣列，發射陣列由其中的12個具有收發雙工性能的陣元承擔，在通信過程中，只需24個接收陣元、8個發射陣元即可達到TDRSS通信要求[1]。系統采用空分多址和碼分多址方式，在一個波束內的用戶采用偽噪聲碼分多址技術，每個信道最大速率可達到50kb/s。其空分多址的波束形成是在地面完成的，各個天線單元接收到返向鏈路的信號，經過低噪放等處理過程送給星上處理器，并將信號頻分復用（頻點間隔設置為7.5MHz）后形成中頻信號，再通過上變頻處理將信號從K頻段傳輸下去送給地面基站，在地面接收到多個陣元的信號進行波束形成。

第二代TDRSS系統星上采用的多址天線為S頻段六角形相控陣模式，并且因為星上形成波束，天線增益提高約6dB，返向鏈路為32條，前向鏈路為15條，系統增強了多址業務返向能力，占用2.0Ghz～2.3Ghz波段進行多址訪問，前向鏈路的數據傳輸率為300Kbit/s，并能以傳輸速率3Mb/s同時接收五個用戶星的信息[2]。

空天信息網絡第三代TDRSS完成了空間對接、高覆蓋率和返回著陸等方面的衛星測控任務，并能夠做到對于圖像信號的實時傳輸，關于其多址鏈路技術，最近美國提出了按需接入的第三代中繼衛星地面合成方案，第三代多波束合成方案采用地面接收DBF多波束合成技術，可以滿足更多用戶按需接址的通信要求。

3 空天信息網絡未來的發展趨勢

隨著各航天大國對于空天網絡研究越發重視，空天網絡的測控技術也不斷完善，未來發展趨勢有：

（1）加強中繼衛星的用戶測定軌道功能。隨著中繼衛星在航天測控領域發揮了越來越重要的作用，世界各國在于中繼衛星的后續發展規劃設計，都強調了空天信息傳輸網絡的各個用戶終端精確定軌功能。

（2）進一步發展相控陣天線技術。相控陣天線采用全固態電路，由多個有源陣列元組成，每個陣元有獨立的發射機，少數陣元故障不會引起天線的完全失效。為獲得更高的天線增益， 目前各國正在開展相控陣天線在Ku/Ka 頻段領域的研制開發和應用 。

（3）加強空天信息網絡的國際互聯。鑒于空天網絡自身發展水平的不足和中繼衛星的陰影區的問題，為了滿足各國空天信息網絡的發展，歐洲、日本和俄羅斯等國家都加強了與美國交流合作，產生了大聯合的構思——建立國際空天網絡，并很快付諸于行動，目前，就S頻段互操作已經確定了相關鏈路參數，而 Ka頻段互操作活動有條不紊地進展且效果明顯。

（4）增大中繼衛星天線增益。天線增益作為一個決定空天信息網絡性能的關鍵參數，其特點是若系統天線增益高，則可為收發信號提供足夠的上行和下行載波功率，從而大大減輕了星上負擔，所以針對此參數的設計，目前NASA正在通過增加中繼衛星的星間天線口徑來得到系統高天線增益的支持，在 NASA下一代中繼衛星頂層設計上， 相對于當前空天網的數據， 用戶航天器減少 3 dB 以上的用戶負擔。

參考文獻：

[1]趙靜，趙尚弘，李勇軍等.星間激光鏈路數據中繼技術研究進展[J].紅外與激光工程，2013（11）：3103-3110.

[2]吉雯龍，于小紅.國外中繼衛星系統發展與應用分析[J].四川兵工學報，2014，35（10）：118-120，12.