集群航天器網絡發展現狀及關鍵技術

陳 慶，張錦繡，曹喜濱

(哈爾濱工業大學 衛星技術研究所，哈爾濱 150001)

集群航天器網絡發展現狀及關鍵技術

陳 慶，張錦繡，曹喜濱

(哈爾濱工業大學 衛星技術研究所，哈爾濱 150001)

為研究新興集群航天器網絡的發展現狀及其亟需解決的關鍵技術難題，對目前該領域的文獻進行了分析與總結.集群航天器是一種通過無線鏈路進行信息交互的，多航天器間協同工作的新型航天器構架，服務于未來日益復雜多樣的空間探索任務.首先，結合衛星集群的定義，明晰了集群航天器網絡的概念.然后，分析目前分布式協同工作的空間探索任務，闡述了集群航天器的發展歷程，并從圖論和軌道動力學角度描述了集群航天器網絡的特征.最后，總結了集群航天器網絡發展過程中亟需解決的關鍵技術難題，包括網絡拓撲控制技術、路由技術、空間互聯協議技術、協議跨層資源調配技術等，并結合其他領域研究熱點提出了相應的發展建議.研究表明,集群航天器網絡的技術研究尚處于初始階段，仍有許多技術難題亟需解決，同時，成熟的互聯網、移動傳感器網絡等可作為關鍵技術難題突破的參考.

集群航天器網絡；拓撲控制；數據路由；空間互聯協議；跨層資源調配

隨著航天事業飛速發展，航天器所承擔的各類空間科學探索任務愈發復雜多樣，傳統依賴單顆大衛星的空間任務解決方案成本高昂，靈活性差，難以滿足當前日益增長且復雜多變的航天任務需求.傳統的大衛星研發和維護難度大，研制周期長，實際應用中存在較長的真空期；其次，單顆大衛星需要實現的功能復雜繁多，一定程度降低了其可靠性和安全性[1].

同時，伴隨著高新技術產業飛速發展，航天器的集成化程度不斷提高，單顆航天器的質量、體積和成本隨之下降，數據處理能力、自主性等性能也相應提升[2].近幾年，微小衛星技術在航天領域的工程應用愈發被重視.2014年，全球共發射近300顆衛星，近1/2衛星的質量小于10 kg[3].由于微小衛星具有研發應用成本低，平臺通用性強等優勢，大批企業、研究機構、學校等開始投資研發基于微小衛星技術的各類產品，如谷歌的互聯網衛星計劃[4].

考慮到目前單顆大衛星面臨的問題以及多顆微小衛星組網協同工作的優勢，已有許多基于網絡服務的分布式航天器項目被提出[5-8].集群航天器(spacecraft cluster)[9]是近幾年繼星座、編隊之后興起的一種分布式航天器系統，結合了航天器編隊飛行的優點，又融入了模塊化航天器(fractionated spacecraft)[10]的理念，使其設計更為靈活多變、響應更快速、生存能力更強、功能可重構，為未來自然災害災情快速評估等突發的對地觀測任務以及大規模小行星探測等科學研究任務的順利展開帶來了巨大優勢.

1 集群航天器網絡概念

目前，對于由多顆微小衛星協同工作的系統，學術界普遍采用衛星集群(satellite cluster)的概念，但由于側重點不同，對其定義存在差異.本文為了方便討論，基于航天器集群飛行的概念[11]，給出如下定義：集群航天器是一類由多個近距離相伴飛行的航天器構成的分布式系統，如圖1所示.

圖1 集群航天器示意

不同于衛星集群，集群航天器概念更加寬泛，該分布式系統不僅含有各類衛星，還可以包括空間站、傳感器網絡等其他空間系統，可理解為各類異構系統構建的空間分布式航天器系統.由集群航天器內各個航天器基于無線通信鏈路構建的信息交互網絡，即為集群航天器網絡(spacecraft cluster networks).該分布式網絡內部資源采用全局管理方式，各個航天器地位平等，可以任意調用其他航天器資源以完成空間任務.另外，類似于移動無線自組織網絡(mobile ad hoc networks, MANETs)，集群航天器網絡拓撲隨時間改變，且變化規律具有周期性和可預測的特點.

近幾年，空間信息網絡[12-13]作為一個以多種空間平臺(如同步衛星或中、低軌道衛星、平流層氣球等)為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網絡系統，得到了廣泛的討論與研究.空間信息網絡的設計理念也是一個信息共享的分布式網絡系統，而集群航天器網絡則是構成該信息網絡的一類網絡系統，承擔著空間信息采集與傳輸的任務，如圖2所示.

同時，空間信息網絡技術的研究發展面臨著諸多關鍵技術，如網絡存在物理環路，傳輸時延大、誤碼率高，空間網絡協議不完善，空間網絡帶寬受限，異構網絡的互聯互通問題，安全性問題，網絡擴展問題等.而航天器集群網絡作為空間信息網絡的主要構成成員之一，也面臨著類似的問題.

圖2 空間信息網絡組成

2 集群航天器發展概況

為有效提高航天器的靈活性和機動性，同時降低空間探索任務的研發成本和風險，美國麻省理工學院的Mathieu等[14-15]于2005年提出了模塊化航天器概念(assessing the fractionated spacecraft concept)，打破了常規整體式航天器構建理念，將傳統航天器依照載荷功能不同劃分為多個模塊航天器，并基于無線通信、無線能量傳輸等關鍵技術實現整星的功能.2007年，美國國防高級研究項目局(DARPA)率先基于模塊化航天器這一理念提出了F6項目[16](future, fast, flexible, fractionated, free-flying spacecraft)，并計劃于2015～2016年期間進行系統在軌演示驗證.2013年，由于無線能量傳輸等關鍵技術遭遇技術瓶頸以及F6項目龐大的經費開支，DARPA終止了該項目的繼續研發，并將其取得各項成果作為技術儲備運用到后續的各個項目中，如“鳳凰”(phoenix)計劃[17]等.

F6計劃的取消并未阻礙其多航天器分布式協同工作的核心理念的廣泛傳播.當前，全球范圍內各大研究機構已經認識到這一理念的獨特優勢，針對集群航天器聯網工作問題，結合不同的應用需求，提出了眾多研究計劃.

圖3 F6計劃概念

2.1 EDSN

NASA提出的EDSN項目[18](edison demonstration of smallsat networks)，通過一箭多星技術將8顆CubeSat衛星送入500 km高度的軌道，并基于星間組網通信技術構成松散的集群航天器網絡，以驗證星間通信能力以及組網技術，如圖4所示.每顆衛星重約2 kg，為1.5 U的CubeSat納衛星，均搭載了一個監測空間環境的輻射變化情況的輻射探測器.EDSN作為集群航天器網絡技術的驗證項目，為未來構建能夠容納上百顆衛星的分布式集群網絡奠定了技術基礎.

圖4 EDSN小衛星項目

2.2 ANTS

ANTS計劃[19](the autonomic nano technology swarm)是由NASA提出的一項用于發現和開發空間資源的航天發展戰略規劃.該計劃依據技術發展的不同階段，制定了一系列空間探測任務，如ALI(Autonomous Lunar Investigator)、PAM(Prospecting Asteroid Mission)、SARA(Saturn Autonomous Ring Array)等.其中，PAM計劃預計于2020～2025年構建由1 000顆皮衛星組成的集群航天器系統，用于對小行星帶進行科研觀測.類似于社會性生物集群智能行為，每顆皮星將搭載特定的檢測設備以及智能化的星載計算機，使得整個分布式系統針對空間任務的不同工況具有自主性，能夠智能調配網絡中資源以保證任務的順利執行.

圖5 ANTS小行星探測任務

2.3 L5SWS

2014年7月，美國Keck研究所為監測地球電磁場和太陽風暴，并對其進行早期預報，提出L5SWS計劃[20-21](space weather prediction with satellite at L5).該計劃將發射5顆衛星至L5拉格朗日點，其中1顆衛星作為母星和地面進行S/Ka頻段通信，其余4顆搭載不同載荷的子星分布在母星周圍，構成一個星型的通信拓撲集群網絡.區別于傳統大型化學推進的太空天氣預報衛星，這個項目將搭建的集群網絡不僅能夠有效地節省成本，而且面向的空間任務更加靈活，可靠性更強.

3 集群航天器網絡表征

集群航天器網絡內各航天器周期性地相互繞飛，通過基于無線通信鏈路的信息共享構成一個協同工作的分布式網絡系統.參考地面成熟的網絡系統，如MANETs等，集群航天器網絡描述可以采用圖論相關理論.

集群航天器網絡內，若將單顆航天器看作一個網絡節點V，兩顆航天器之間的無線通信鏈路(所有航天器地位平等)看作無向邊E，那么整個集群網絡G可表示為Gt=(Vt,Et)，且其鄰接矩陣At=(aij)t滿足如下條件：

集群航天器網絡內各航天器在一定范圍內相互繞飛，如圖6所示，其網絡拓撲結構會不斷改變，即鄰接矩陣At=(aij)t隨時間變化.同時，由集群航天器的定義可知，該航天器系統必須滿足在一定時間內近距離相伴飛行條件.文獻[11]中指出了航天器集群飛行的基本條件是有界性，同時依據C-W方程得到航天器的初始狀態應滿足的約束：

一個集群內航天器一般處于同一軌道高度，且為了滿足不同空間任務需求，網絡內包含多種載荷類型的航天器，且分布在相對距離從幾百米到幾十千米的范圍內.集群航天器網絡作為空間信息網絡的重要組成成員，其基于網絡的分布式協同工作模式，以及周期性相互運動的特性，為該集群網絡的發展提出了諸多挑戰，涉及航天器硬件和軟件領域，如小型化的載荷研制、智能化的網絡通信協議設計等.

圖6 集群航天器拓撲時變

4 關鍵技術發展現狀分析

傳統的衛星網絡技術研究主要是集中在以星座組網以及編隊飛行衛星組網兩個方面.新興的集群航天器網絡的節點數目要遠大于編隊和星座系統，并可依據空間任務需求進行擴展.同時，由于星間相對運動的影響，集群網絡拓撲更新和維護更加頻繁.另外，目前出于空間探索項目成本考慮，集群航天器系統一般采用CubeSat這一類的超小型衛星，攜帶的載荷有限，生命周期一般較短，那么為了盡可能獲得最長的網絡服務時間，該集群系統對整個網絡數據傳輸的能耗控制要求較高.

雖然目前集群航天器組網領域的研究還在初步階段，但是地面相關組網技術的研究已經十分成熟，在欠缺資源條件下自組織網絡協議及相關理論等方面也卓有成效.參考地面無線傳感器網絡等技術進展[22-23]，并結合空間分布式網絡自身的特性，為解決集群航天器穩定組網難題，依據OSI協議棧自下而上的分層模型，將其面臨的關鍵技術劃分為：網絡拓撲控制技術、數據路由技術、空間互聯協議、跨層資源調配技術等，即設計一套面向分布式空間網絡系統的智能化的網絡通信協議.

4.1 網絡拓撲控制技術

網絡拓撲結構是研究網絡的基礎，描述了網絡中各節點的狀態以及相互連接方式，對其整體特性的分析能夠全面地了解整個網絡系統的性能與狀態，為網絡性能的優化提供參考.網絡拓撲控制的目的是為了面向不同的網絡任務需求，優化節點狀態和網絡連接方式，維護整個網絡性能穩定.

拓撲控制算法是網絡拓撲控制的實現方法，種類較多，且分類依據不統一，包括算法的假設條件、節點發射功率是否相同、拓撲構建參考信息來源、生成的拓撲結構、所參考的理論模型等.考慮到本文研究對象集群航天器網絡中容錯能力的重要性，現將拓撲控制算法依據網絡的容錯特性進行分類，見表1.

表1 拓撲控制算法分類

基于節點度的拓撲控制算法不具備容錯能力，且不一定保證網絡連通，代表性算法包括：LMA/LMN[24]、MobileGrid[25]和LINT/LILT[26]等.單連通拓撲控制算法以基于鄰近圖理論的算法為主，如CBTC[27]、RNG[28]、GG[29]、YG[30]等，還包括各類層次型拓撲，如LEACH[31]、HEED[32]等.為了適用于異構網絡，Li等[33]基于MG模型提出了強連通拓撲算法，包括RNG(MG)、ERNG(MG)等.

具有拓撲容錯能力的控制算法可大致分為k連通和拓撲自主恢復兩種.FGSS/FLSS[34]、STPS等是典型的k連通拓撲控制算法，確保網絡中每個節點的可通信鏈路數目大于某一數值.拓撲自主恢復算法主要通過引入故障檢測算法實現，如Staddon等[35]通過分析整個網絡的拓撲數據，定位失效節點，從而實現拓撲自主恢復.

現有服務于無線網絡的拓撲控制技術大多應用于MANETs等，其網絡模型和集群航天器網絡模型存在區別.集群航天器網絡拓撲變化頻繁，網絡中傳輸的數據包含各類控制參數，如編隊控制指令等，網絡對數據傳輸時延、丟包率等指標的要求更為嚴格.

同時，本文為了明確后續的研究工作，對集群航天器網絡拓撲控制給出如下定義：在盡量保證網絡連通性的前提下，結合集群航天器網絡特點，針對不同的應用場景，通過節點發射功率的調節和鄰居節點的選擇，形成優化的網絡結構，以保證空間任務穩定高效地完成.

4.2 數據路由技術

數據路由協議是MANETs的關鍵技術之一，依據拓撲控制信息確定穩定可靠的數據傳輸路徑，從而為協議上層各類應用的實現提供必要的數據通信支持.MANETs路由協議依據業務對象的數目可分為單播路由和組播路由兩種，詳細分類見表2.

主動式單播路由經路由表驅動，周期性地更新信息，如基于距離的WRP[36]算法，但該種路由方式開銷較大，占用較多資源.目前，已有許多方法被提出用以改善這種情況，如功率感知路由度量.按需響應式單播路由僅僅維護路由表中部分關鍵節點的信息，如基于無環路徑路由機制的ADOV[37]算法.組播路由是一種面向多個業務對象的路由方式，要么通過共享組播路由樹，要么通過泛洪實現路由構建與維護.

表2 MANETs路由算法分類

受限于航天器上資源不足，集群航天器網絡路由技術首要解決的一個關鍵性問題降低數據傳輸的能量消耗，提高系統資源的利用率.能量優化路由作為一個能夠降低無線網絡通信能量消耗的重要手段已經成為當前研究的熱點問題.近年來，很多針對地面網絡能量優化的路由協議不斷出現，成為集群航天器組網的重要技術參考，基于概率分布實現負載均衡的能量感知路由[38]等.

目前，空間網絡路由技術的研究方向除了提高資源利用率，降低系統開銷，還包括面向深空網絡的容延遲路由技術，如DTN路由技術[39].該技術主要應用于高延遲的深空通信網絡，提供了一種具備“儲存、攜帶、轉發”功能的路由能力.

4.3 空間互聯協議技術

空間通信協議是集群航天器網絡通信的核心技術，直接影響到組網通信服務質量，以及網絡的兼容性、可擴展性等.目前，空間通信協議的研究方向主要包括CCSDS協議體系[40]、TCP/IP協議體系[41]以及DTN(delay/disruption tolerant networks)協議體系[39].

空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)基于TCP/IP協議進行修改和擴展，提出了適用于空間環境的通信協議體系，包括安全協議SCPS-SP、傳輸協議SCPS-TP、網絡層協議SCPS-NP以及文件傳輸協議SCPS-FP等[42].在協議物理層，CCSDS在Prox-1協議中定義了鄰近空間鏈路的特性.在數據鏈路層，引入虛擬信道思想，對多個數據流進行動態管理，從而給定了3個編碼規范：TM同步和信道編碼、TC同步和信道編碼以及Prox-1空間鏈路協議的編碼.在網絡層，類似于TCP/IP協議中的UDP和TCP，同樣規定了有無“握手”兩種情況下的路由協議：SPP和SCPS-NP.在傳輸層和應用層，CCSDS同樣提出了針對空間任務特性的相關技術策略，如傳輸協議SCPS-TP等.

TCP/IP協議體系是指在軌衛星直接采用商用的IP設備，并進行簡單的功能擴展，如路由器添加支持信道糾錯/譯碼功能等.但該體系目前運用到航天器組網通信還存在一些問題，如針對高延時的空間網絡，建立在小傳輸延時的TCP/IP協議不太適用等.

DTN協議體系是一種面向高延時、高誤碼率、帶寬不對稱等空間特性的信息傳輸的協議框架，在傳統互聯網5層協議棧的應用層和傳輸層之間引入“包裹層”，數據以“包裹”的形式進行異步通信[43].DTN協議體系的思想能夠有效地優化不同網絡間底層協議，解決空間組網通信面臨的一些問題.但是，該體系尚只有一個框架，許多關鍵技術仍在開發中.目前，學術界針對該體系的研究主要包括：DS-TP(deep-space transport protocol)協議、BP(bundle protocol)協議、CFDP(CCSDS file delivery protocol)協議和LTP (licklider transmission protocol)協議.

4.4 協議跨層資源調配技術

傳統的有線網絡分層協議中物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸層等層間數據相互獨立，互不影響.但無線網絡信號以廣播的形式傳輸，由于傳輸介質不可靠，帶寬緊缺等，無線網絡中數據干擾、信號衰落等情況遠比有線網絡復雜，致使無線網絡的服務質量QoS難以保障，特別是在工況更為復雜的空間環境中.

跨層資源調配技術通過各協議層資源共享，自適應調節各協議部分的資源分配，實現通信性能的提高.跨層設計方法[44]的核心思想就是將通信協議作為一個整體進行設計，模糊層與層之間的界限，并依據應用需求和當前系統狀態聯合優化.結合排隊論、信息論等相關理論，普林斯頓大學的Chiang等[45]提出了“Layering as optimization decomposition”的跨層設計框架.Ruzzelli等[46]通過耦合MAC層和路由數據提出了MERLIN協議，在降低網絡傳輸時延的同時延長網絡壽命.GeRaF協議[47]綜合了基于地理位置額MAC和路由算法，通過將轉發區域劃分為若干個子區域，依據地理位置優先性決定每個子區域的優先權，實現數據的快速傳遞.類似于GeRaF協議，MACRO協議[48]利用每個節點的功率控制的特征提高能量的利用率.

集群航天器網絡對網絡QoS的要求遠遠高于常規商用通信網絡.源于有線網絡的傳統分層網絡協議靈活性差，難以滿足未來空間任務的發展需要，而利用協議跨層資源調配技術提高網絡質量，增強網絡自適應性、靈活性能有效滿足未來復雜多變空間任務需求.

5 集群航天器網絡技術發展建議

結合當前航天技術發展現狀以及未來航天產業的潛在需求，集群航天器網絡的主要研究任務可分為以下幾點：

1)針對以CubeSat等超小型航天器為主的大規模集群航天器組網信息傳輸需求，探索在欠缺資源條件下建立面向集群任務需求的空間網絡拓撲管理優化的新方法和新機理.

2)結合地面網絡路由技術的最新發展，以及集群航天器網絡拓撲可預知以及鏈路的連通時變特性，提出一種面向集群航天器群內和群間的網絡路由算法.

3)分析現有空間互聯協議特性，提出一種適合中國空間探索任務需要以及空間信息網絡建設需求，并能兼容國際通用空間協議CCSDS的網絡通信協議體系.

4)基于當前的研究熱門機器學習理論，并結合地面跨層設計的最新進展和空間網絡通信需求，構建具備自我學習能力的高可靠性協議跨層資源調度技術.

6 結 論

1)集群航天器是一類由多個近距離相伴飛行的航天器構成的分布式系統.由集群航天器內各個航天器成員基于無線通信鏈路構建的信息交互網絡即為集群航天器網絡.

2)眾多研究機構、企業等依據集群航天器理念研究并提出了各種未來微小型航天器分布式協同工作方案，如EDSN[18]、ANTS[19]等.但目前這類空間探索任務處于集群航天器核心技術初始研究與驗證階段，為實現集群航天器的大規模應用仍有大量問題亟需解決.

3)面向集群航天器的智能分布式協同工作通信協議的研究包括網絡拓撲控制技術、數據路由技術、空間互聯協議、跨層資源調配技術等關鍵技術.這些技術在互聯網、物聯網等其他領域已被廣泛且深入研究，可作為集群航天器關鍵技術難題研究與突破的參考.

4)隨著航天器微小型化、批量化等各項關鍵技術的發展，航天器成本不斷降低，空間資源的商用項目和科學研究項目將得到更加廣泛的重視.可以預見，未來空間任務的一個重要研究方向是突破集群航天器網絡的各項關鍵技術，實現集群航天器的大規模應用.

[1] 賈世樓,曹喜濱.發展微小衛星迎接21世紀挑戰[J]. 世界科技研究與發展,1998,20(6):102-106. DOI: 10. 16507 /j. issn.1006-6055. 1998. 06. 033. JIA Shilou, CAO Xibin. Develping miero satellite and receiving challenge in the 21st century[J]. World Sci-tech R&D,1998, 20(6):102-106. DOI: 10.16507/j.issn.1006-6055. 1998. 06. 033.

[2] 孫杰,孫兆偉,趙陽.微型航天器模塊化設計及其關鍵技術研究[J].哈爾濱工業大學學報, 2007, 39(12): 1908-1911. DOI: 10.3321/j.issn:0367-6234.2007.12.014. SUN Jie, SUN Zhaowei, ZHAO Yang. Key technologies of modular design of micro-spacecraft facing micro-spacecraft family[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2007, 39(12):1908-1911.DOI: 10.3321/j.issn:0367-6234.2007.12.014.

[3] 陳旭光,高浩.美國航天基金會發布2015年《航天報告》[J].衛星應用, 2015(9): 53-54.

[4] 朱貴偉.冷靜看待谷歌互聯網衛星計劃[J].國際太空, 2014(7):10.

[5] ENGELEN S, VERHOEVEN C J M, BENTUM M J. OLFAR a radio telescope based on nano satellites in moon orbit[C]//Proceedings of the 24th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. Utal: AIAA, 2010.

[6] SUNDARAMOORTHY P P, GILL E, VERHOEVEN C J M. Systematic identification of applications for a cluster of femto-satellites[C]//Proceedings of the 61st International Astronautical Congress. Prague, CZ: International Astronautical Federation, 2010.

[7] CURTIS S A, MICA J, NUTH J, et al. ANTS(Autonomous Nano Technology Swarm): an artificial intelligence approach to asteroid belt resource exploration[C]// Proceedings of the 51st International Astronautical Congress. Rio de Janeiro (Brazil): AIAA, 2000.

[8] LIEWER P C, KLESH A T, LO M W, et al. Advances in solar sailing[M]. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2014: 269-288. DOI:10.1007/978-3-642-34907-2.

[9] 張錦繡,曹喜濱,蘭盛昌.分離式集群航天器新概念及發展趨勢研究[C]//中國空間科學學會第七次學術年會會議手冊及文集.北京：中國空間科學學會, 2009. ZHANG Jinxiu，CAO Xibin，LAN Shengchang. Advanced concept and development tendency of fractionated swarm spacecraft[C]//China’s Space Science Society Academic Conference Handbook And Corpus For The Seventh Time. Beijing: Chinese Society of Space Research，2009.

[10]MATHIEU C, WEIGEL A L. Assessing the fractionated spacecraft concept[C]// SPACE Conferences and Exposition. San Jose: AIAA, 2006: 7212. DOI: 10.2514/6.2006-7212.

[11]黨朝輝.航天器集群邊界建模與控制方法研究[D]. 長沙:國防科學技術大學,2015.

[12]黃英君.空間綜合信息網絡管理關鍵技術研究與仿真[D]. 長沙: 國防科技大學, 2006. HUANG Yingjun. Research and simulation of the aerospace integrated information network management[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2006.

[13]王曉海.天基綜合信息網絡的發展[J].中國航天, 2007,(1): 25-27. WANG Xiaohai. Development of space-based integrated information network[J]. Aerospace China, 2007, (1): 25-27.

[14]MATHIEU C, WEIGEL A L. Assessing the flexibility provided by fractionated spacecraft[C]//Proceedings of the AIAA Space 2005 Conference and Exposition. Long Beach, California：AIAA，2005. DOI: 10.2514/6.2005-6700.

[15]BROWN O, EREMENKO P. The value proposition for fractionated space architectures[C]//Proceedings of the AIAA Space 2006 Conference & Exposition. San Jose, California: AIAA, 2006. DOI: 10.2514/6.2006-7506.

[16]DARPA TTO. System F6 On-Orbit Demonstration Testbed Broad Agency Announcement, Amendment 1. DARPA-BAA-12-32[R/OL].[2012-05-11]. https://www.fbo.gov/spg/ODA/DARPA/CMO/DARPA-BAA-12-32/listing.html.

[17]BARNHART D, SULLIVAN B, HUNTER R, et al. Phoenix project status 2013[C]//Proceedings of the AIAA Space 2013 Conference and Exposition. San Diego, CA:AIAA, 2013. DOI: 10.2514/6.2013-5341.

[18]LOURA HALL. Edison Demonstration of Smallsat Networks (EDSN)[EB/OL].(2013-11-04)[2015-09-03]. http://www.nasa.gov/directorates/spacetech/small_spacecraft/edsn.html#.VH2vEXBmsxk.

[19]CLARK P E, CURTIS S A, RILEE M L. ANTS: applying a new paradigm to Lunar and planetary exploration[C]//Proceedings of Solar System Remote Sensing Symposium. Greenbelt, MD: NASA Goddard Space Flight Center, 2002: 20-21. DOI: 10.1007/978-0-306-47970-0_7.

[20]NORTON C D, PELLEGRINO S, JOHNSON M. Findings of the KECK institute for space studies program on small satellites: a revolution in space science[C]//Proceedings of the 27th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. Logan, UT: NASA, 2013.

[21]LIEWER C, KLESH T, LO W, et al. A fractionated space weather base at L5 using CubeSats and solar sails[J]. Advances in Solar Sailing. Springer Berlin Heidelberg, 2014: 269-288.

[22]錢志鴻,王義君.面向物聯網的無線傳感器網絡綜述[J].電子與信息學報,2013, 35(1):215-227. DOI: 10.3724/SP.J.1146.2012.00876. QIAN Zhihong, WANG Yijun. Internet of things-oriented wireless sensor networks review[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2013,35(1):215-227.DOI: 10.3724/SP.J.1146.2012.00876.

[23]尚興宏.無線傳感器網絡若干關鍵技術的研究[D].南京：南京理工大學, 2013. SHANG Xinghong. Research on several key technologies of wireless sensor networks[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technolog, 2013.

[24]KUBISCH M, KARL H, WOLISZ A, et al. Distributed algorithms for transmission power control in wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 2003 IEEE Wireless Communications and Networking Conference Record. New Orleans, LA: IEEE, 2003: 558-563. DOI: 10.1109/WCNC.2003.1200410.

[25]LIU Jilei, LI Baochun. MobileGrid: capacity-aware topology control in mobile ad hoc networks[C]// Proceedings of 11st International Conference on Computer Communications and Networks. Washington, DC: IEEE, 2002:570-574. DOI: 10.1109/ICCCN.2002.1043127.

[26]RAMANATHAN R, ROSALES-HAIN R. Topology control of multihop wireless networks using transmit power adjustment[C]//Proceedings of the 19th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Piscataway, NJ: IEEE, 2000: 404-413. DOI: 10.1109/INFCOM.2000.832213.

[27]WATTENHOFER R, LI Li, BAHL P, et al. Distributed topology control for power efficient operation in multihop wireless ad hoc networks[C]//Proceedings of the 20th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Society. Washington, DC: IEEE, 2001:1388-1397. DOI: 10.1109/INFCOM.2001.916634.

[28]TOUSSAINT G T. The relative neighborhood graph of finite planar set[J]. Pattern Recognition, 1998, 12(4):261-268. DOI: 10.1016/0031-3203(80)90066-7.

[29]GABRIEL K R, SOKAL R R. A new statistical approach to geographic variation analysis[J]. Systematic Biology, 1969, 18(3):259-278. DOI: 10.2307/2412323.

[30]YAO A C. On constructing minimum spanning trees ink-dimensional spaces and related problems[J]. Siam Journal on Computing, 1982, 11(4):721-736. DOI: 10.1137/0211059.

[31]HEINZELMAN W R, CHANDRAKASAN A, BALAKRISHNAN H. Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C]//Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences. Washington, DC: IEEE，2000: 8020. DOI: 10.1109/HICSS.2000.926982.

[32]YOUNIS O, FAHMY S. HEED: a hybrid, energy-efficient, distributed clustering approach for ad hoc sensor networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2004, 3(4):366-379. DOI:10.1109/TMC.2004.41.

[33]LI Xiangyang, SONG Wenzhan, WANG Yu. Localized topology control for heterogeneous wireless sensor networks[J]. ACM Transaction on Sensor Network, 2006, 2(1):129-153. DOI: 10.1145/1138127.1138132.

[34]LI Ning, HOU J C. Localized fault-tolerant topology control in wireless ad hoc networks[J]. IEEE Transactions on Parallel & Distributed Systems, 2006, 17(4):307-320.DOI: 10.1109/TPDS.2006.51.

[35]STADDON J, BALFANZ D, DURFEE G. Efficient tracing of failed nodes in sensor networks[C]//Proceedings of ACM International Workshop on Wireless Sensor Networks and Applications. New York, NY: ACM, 2002: 122-130. DOI: 10.1145/570738.570756.

[36]MURTHY S, GARCIA-LUNA-ACEVES J J. An efficient routing protocol for wireless networks[J]. Mobile Networks and Applications, 1996, 1(2): 183-197. DOI: 10.1007/BF01193336.

[37]PERKINS C E, ROYER E M. Ad-hoc on-demand distance vector routing[C]//Proceedings of the Second IEEE Workshop on mobile Computer systems & Applications. Washington, DC: IEEE Computer Society, 1999:90-100. DOI: 10.1109/MCSA.1999.749281.

[38]SHAH R C, RABAEY J M. Energy aware routing for low energy ad hoc sensor networks[C]//Proceedings of IEEE Wireless Communications and Networking Conference, WCNC. Orlando, FL: IEEE, 2002: 350-355. DOI:10.1109/WCNC.2002.993520.

[39]PAPASTERGIOU G, PSARAS I,TSAOUSSIDIS V. Deep-space transport protocol: a novel transport scheme for space DTNs[J]. Computer Communications, 2009, 32(16): 1757-1767. DOI：10.1016/j.comcom.2009.02.012．

[40]The Consultative Committee for Space Data Systems. Report. concerning space data system standards: Overview of space communications protocols: CCSDS 130.0-G-2. Green Book, Issue 2[S]. Washington，DC: CCSDS, 2007.

[41]ISRAEL D, HOGIE K, PARISE R, et al. Space communications demonstration using internet technology[C]//Proceedings of the International Telemetering Conference ITC/USA. [S.l.]: International Foundation for Telemetering, 2002．

[42]The Consultative Committee for Space Data Systems. Space Communications Protocol Specification (SCPS) -Network Protocol(SCPS-NP): CCSDS 713.0-B-1, Blue Book, Issue 1[S]. Newport Beach, California: CCSDS, 1999.

[43]CERF V, BURLEIGH S, TORGERSON L, et al. Delay-tolerant networking architecture[J]. Heise Zeitschriften Verlag, 2007: 1-35. DOI: 10.1017/CBO9781107415324.004.

[44]GOLDSMITH A J, WICKER S B. Design challenges for energy-constrained ad hoc wireless network[J]. IEEE Wireless Communications, 2002, 9(4):8-27. DOI: 10.1109/MWC.2002.1028874.

[45]CHIANG M, LOW S H, CALDERBANK A R, et al. Layering as optimization decomposition: a mathematical theory of network architectures[J]. Proceedings of the IEEE, 2007, 95(1): 255-312. DOI: 10.1109/JPROC.2006.887322.

[46]RUZZELLI A G, O’HARE G M P, JURDAK R. MERLIN: cross-layer integration of MAC and routing for low duty-cycle sensor networks[J]. Ad Hoc Networks, 2008, 6(8): 1238-1257.DOI: 10.1016/j.adhoc.2007.11.012.

[47]ZORZI M, RAO R R. Geographic random forwarding (GeRaF) for ad hoc and sensor networks: energy and latency performance[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2003, 2(4):337-348.DOI: 10.1109/TMC.2003.1255648.

[48]FERRARA D, GALLUCCIO L, LEONARDI A, et al. MACRO: an integrated MAC/routing protocol for geographic forwarding in wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Miami, FL: IEEE, 2005:1770-1781. DOI:10.1109/INFCOM.2005.1498457.

(編輯 張 紅)

Development status and key technology of spacecraft cluster network

CHEN Qing, ZHANG Jinxiu, CAO Xibin

(Research Center of Satellite Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

To study the development status and technical problems of the emerging spacecraft cluster network, this paper analyzes the latest literatures in this field. Spacecraft cluster is a kind of novel multiple spacecraft collaborative work framework, which performs information interaction via wireless links and serves to the increasingly complex and diverse space exploration missions in the future. First, this paper makes the concept of spacecraft cluster network clear by involving the definition of satellite cluster. Then, it analyzes the current status and development course of the distributed space exploration missions as well as describes the spacecraft cluster network from the perspective of theory and orbital dynamics. Finally, it summarizes the key technical problems when studying spacecraft cluster network, including topology control strategies, data routing algorithm, space inter-communication protocol, cross-layer resource allocation algorithms. It also puts forward some corresponding suggestions of development. The result shows that technologies in spacecraft cluster network are still at the initial stage, and several key technical problems need to be solved. Some mature networks, e.g., Internet and Mobile Sensor Network, can serve as technical reference models for the breakthrough of these problems.

spacecraft cluster network; topology control; data routing; space inter-communication protocol; cross-layer resource allocation

2015-10-08

國家自然科學基金重大計劃項目(91438202)；國家自然科學基金(61273096)；黑龍江省自然科學基金重點項目(ZD201414)

陳 慶(1989—)，男，博士研究生； 張錦繡(1978—)，男，教授，博士生導師； 曹喜濱(1963—)，男，“長江學者”特聘教授，博士生導師

曹喜濱，xbcao@hit.edu.cn

10.11918/j.issn.0367-6234.201510012

V11

A

0367-6234(2017)04-0001-07