微小衛星星座編隊組網數據傳輸系統

北京空間信息中繼傳輸技術研究中心 劉文華

天津津航計算技術研究所 李 鵬 鐘玲玲

1 引言

天基平臺是目前各國重點發展的戰略性重大項目之一，微小衛星編隊組網技術是天基平臺的重要研究方向。微小衛星具有質量輕、體積小、成本低和研制周期短等眾多優點，應用前景十分廣闊，因而受到了各國航天部門的高度重視。發展微小衛星技術對國民經濟和國防系統的建設具有重要意義。在軍事領域，小衛星在未來信息戰中不可或缺；在民用領域，小衛星可用于技術演示、科學研究、空間探測、衛星通信和對地觀測等。自20世紀80年代中期以來，全球已發射300余顆多種用途的現代小衛星，并對各行業的發展作出了巨大貢獻。

微小衛星具有質量輕、積小、成本低和研制周期短等眾多優點，應用前景十分廣闊。單顆微小衛星的功能無法與大衛星相比。但隨著功能的日益復雜，大衛星的研制成本越來越高，風險也越來越大。而由多顆微小衛星以組網或編隊方式形成的微小衛星星座，則不僅能完成單個大型空間飛行器的功能，而且可大幅降低成本和風險。

與大顆單衛星相比，微小衛星星座的優點主要有：

（1）單顆小衛星質量輕，功能簡單，可有效降低衛星的制造和發射成本，同時能簡化日常的操作維護，進而減少衛星的全壽命費用。

（2）通過衛星的互聯，能以更高的性能完成任務。

（3）與單星相比，采用分布式結構的系統更能容忍單點故障。當某顆虛擬衛星出現故障時，可通過系統重構將其排除在系統外，最大限度地消除故障影響。若有意識地改變各虛擬衛星間的拓撲結構，則能實時改變系統的性能指標，獲得最適于執行當前任務所需的能力[1～4]。

隨著微小衛星星座的出現，小型化、更快、更便宜的用戶概念即將在空間進行試驗。如由3顆或3顆以上衛星為一組編隊飛行，并可重新組合以滿足多種任務的需要。針對高指標要求，強化并豐富微小衛星在軌能力，需要全面突破新型編隊及組網技術，解決衛星星座組網總體設計、新型星間編隊維持等核心技術，本文提出的方案重點解決微小衛星組網時相互間的數據傳輸問題。

根據發展趨勢，研究微小衛星星座編隊組網數據傳輸技術是完全必要和適時的。綜合美國國防高級研究項目局及科林斯（Rockwell Collins）公司公開的資料和演示驗證試驗的相關報道，TTNT（Tactical Targeting Network Technology）技術采用的核心新技術主要集中在高動態的互聯網絡技術和大容量、高動態、抗截獲、抗干擾的信息處理技術。微小衛星星座編隊組網技術借鑒TTNT技術，把基于IP的網絡架構引入衛星組網，這種架構在民用互聯網絡已經得到廣泛應用，技術非常成熟，只需在其基礎上進行適當改進，就可實現微小衛星星座編隊組網的需求，可以極大的縮短開發周期，同時降低研制成本。

2 研究現狀和技術發展趨勢

近年來，各國利用多顆微小衛星組成全球分布式星座、星網，實現單顆大衛星的功能。

在軍事方面，現代小衛星以其快速靈活的發射方式和非常短的研制周期，在局部突發戰爭的軍事偵察中顯示出了獨特的優勢。另外，現代小型戰術成像衛星的地面分辨率可優于1m，覆蓋寬度達數百公里，與以往的大偵察衛星相當，但質量僅為200～300kg，壽命可達5年。用多顆低軌道偵察小衛星組成的星網，可對戰爭敏感地區進行準實時監視，在局部或周邊戰爭中發揮至關重要的作用。如在科索沃戰爭中，美軍就動用了包括KH12、長曲棍球、太陽神l和其他小衛星在內的，由10～12顆衛星組成的成像偵察衛星系統，并獲得了大量的情報。

在美國空軍的2025年作戰設想中，小衛星組成的星座系統將承擔起向參戰人員提供實時不間斷信息服務的任務，同時成為對付反衛星武器的有效手段。美國防部將小型通信衛星、偵察衛星和預警衛星作為小衛星發展的重點。其中，最具代表性的是包括20～30顆小型低軌道預警衛星的SBIRS-Low及至少有20 顆小型偵察衛星的Starlite系統等。

英國國防部也考慮用由數百顆如壘球大小的衛星組成的低軌衛星網，滿足作戰部隊戰術通信的需求。它由50～100顆衛星組成一條衛星鏈路，地面用戶使用超高頻（UHF）向衛星發送信息，信息在衛星間快速傳送到目的地。

在民用方面，由多顆小衛星構成的通信衛星網不僅可實現全球直接通信，使手機成為名副其實的全球通，而且具有發射功率低、延遲小和無死角等優點，市場前景十分廣闊。由小衛星組成的遙感衛星星座，可同時具備高的時間和空間分辨率，在獲取環保等與人類生存有關的信息方面，具有非常明顯的優勢。如美國全球星公司的全球星原星座由分布于8個軌道平面的48顆低軌道衛星組成，可提供全球無縫覆蓋的話音、傳真、數據、短信息等移動通信業務。當數顆在軌衛星業務失敗后，公司通過變軌等手段，對在軌運行衛星進行重組，形成由分布于8個軌道平面的40顆衛星組成的新星座。印度擁有目前世界上最大的全球遙感衛星星群，由66顆星6軌道組成，目前在軌運行的有IRS-1C，IRS-1D，IRS-P3，IRS-P4和TES等衛星。2003年10月17日，又發射了運行于高800km的IRS-P6太陽同步軌道衛星，除提供與IRS-1C和IRS-1D類似的業務外，還用于加強地面、海岸監測及農業和災難管理[5～8]。

3 實現微小衛星編隊組網的技術方案

3.1 整體方案

對于實現微小衛星編隊組網的數據傳輸，傳統的編碼方式和數據處理器很難滿足多星編隊組網飛行需要，傳統的通信設備也不利于多星飛行的管理。星間、星地間通信鏈路的建立將使衛星編隊組網飛行有要進行大量實時數據和控制指令的傳播與處理。

本文涉及的小衛星編隊組網數據傳輸方案通過一種基于因特網協議、高速、動態和無中心的網絡，可實現多個平臺（衛星）動態組網，對網絡架構、軟件結構、抗干擾、信號處理、集成化小型化等關鍵技術問題進行研究攻關；借鑒國內外成功產品的技術開發經驗，研究自組織網絡核心端機；按照工程化方法，完成項目方案的研究開發工作。

3.2 研究目標

本文以下一代戰術數據鏈空間組網研究為基礎，深入研究微小衛星星座編隊組網技術，其具體的研究目標為：網絡拓撲、小型化網絡終端、專用路由協議，構成分布式、無中心、基于IP的網絡。

3.3 技術指標

（1）基于因特網協議、高速、動態和無中心的網絡，可實現多個平臺動態組網。

（2）使用包括文本對話、視頻流以及靜止圖像在內的各種類型IP應用。

（3）高速，寬帶，低時延。

（4）支持用戶數量多。網絡可以支持20個成員以上。

（5）具備較高的抗干擾、抗截獲能力。

3.4 主要研究內容

（1）系統控制和媒體接入

主要研究用戶如何入網出網、如何管理發射功率、如何建立/拆除邏輯鏈路等。對于功率控制與管理而言，需降低能耗，在保證網絡連通性前提下降低發射功率，保證網絡壽命。對于信道訪問控制而言，合理的信道方式等決定了能否克服“發送沖突”和“隱蔽終端”。

（2）服務質量

主要研究網絡向衛星交聯保證提供一組滿足預定的服務性約束，如端到端的延遲，抖動，帶寬和分組丟失率等。

（3）基于IP的路由協議

星座網絡是一種特殊的無線網絡，與地面其它無線網絡相比有幾個顯著特點：1)網絡節點之間距離遠；2)節點之間不僅傳輸數據，還要進行測距；3)網絡可維修性差。導航星間網絡的這幾個特點和星間鏈路的多種功能，決定了星間網絡需要采取一種靈活的網絡協議，以便于滿足星載靈活組網和空間高可靠性的需求。

傳統的距離矢量路由協議和鏈路狀態路由協議不適用于拓撲結構處于高動態變化的移動IP網絡，應研究適用于衛星編隊組網的實時路由協議，優先策略，能夠感知網絡拓撲結構的細微變化，維護網絡拓撲的高連通性和高適應性。

（4）星間鏈路頻段選擇

目前空間無線電技術正在向更高頻段發展，有兩個主要原因：1)更高頻段尤其是Ka及其以上頻段尚未被大規模開發，干擾較少且易于申請；2)高頻自身也有很多優點，如波長短帶來的設備尺寸小和重量輕。

（5）星間天線與衛星總體的聯合設計

星座星間鏈路的設計與衛星總體設計是密不可分的，尤其對于窄波束體制的星間鏈路而言，星間天線與衛星總體的聯合設計將是工程實現的關鍵。主要研究包括：1)星間鏈路天線與星座網絡拓撲的聯合設計；2)星間鏈路天線與總裝布局的迭代設計；3)星間鏈路天線與衛星姿態的聯合控制。

（6）抗干擾技術

主要研究混合體制抗干擾技術。采用基于跳頻+跳時的混合體制抗干擾技術，其具有三大抗干擾能力，即抗全頻帶干擾能力、抗頻率瞄準式干擾的能力、抗跟蹤式干擾能力。

3.5 星載終端設備組成

星載數據鏈終端設備是本方案的關鍵核心硬件設備，其主要由星載設備終端、星載射頻前端、射頻濾波器及收發天線等部分組成，考慮到微小衛星上空間有限，在數據鏈設備設計過程中充分整合硬件資源，將圖像采集、圖像壓縮、基帶編碼、數據調制、信號上變頻、功率放大、低噪接收、信號下變頻、基帶解調等功能集成至一個星載端機中，實現了終端設備的小型化和一體化。

（1）星載設備終端：接收圖像載荷輸入的圖像信息，完成圖像信源編碼、信道編解碼、帶通信號處理、跳擴頻處理、中頻信號調制解調、將接收到的發射中頻信號上變頻到射頻輸出，將接收到的射頻信號下變頻至接收中頻信號輸出，并在變換過程中實現對信號的濾波放大等處理，實現多通道控制，同時實現上電自檢、地址碼和ID號等信息的裝訂功能。

（2）星載射頻前端：發送通道按照系統指標要求對射頻信號進行多級放大，該信號由末級功率放大器提供足夠增益后，經濾波后輸出至天線，進行無線發射；接收通道通過開關切換，接收天線輸出的微波信號，對該信號進行濾波、放大后輸出至彈載射頻終端，實現整機的半雙工工作。

（3）射頻濾波器：為了保證星載設備良好的電磁兼容性能，在射頻前端與收發天線間設置了射頻濾波器，該濾波器采用腔體濾波器形式，諧振器全部由機械結構組成，腔體濾波器具有相當高的Q值，非常適合于本系統中要求低插入損耗，大功率傳輸的應用場合。

4 實現微小衛星編隊組網的關鍵技術及解決途徑

4.1 提高服務質量的措施——采用基于統計優先級的接入控制（SPMA）技術

為了保證服務質量，將服務類型按照重要性映射為不同的服務等級，利用信道統計策略實時監測信道的忙碌狀態，采用SPMA協議控制報文發送，在信道過載時控制較低優先級業務量，保障高優先級、低延遲業務的通信質量；信道不忙碌時，各種優先級的業務都能夠按時發送。經過SPMA控制，保持網絡負載量維持在一個比較穩定的水平，在動態環境下提供持續穩健的網絡性能，從而保證系統的首次接入成功率。

4.2 提高網絡承載能力措施——采用單發多收并行工作的通信方式

其具體實現方式為：每個用戶按照占空比控制脈沖的發送時長；將發送脈沖在時域和頻域二維空間隨機化；單個用戶向網內其他用戶發送信息，并可接收多個用戶發來的信息。與傳統單發單收通信體制相比較，單發單收體制網容量=單個用戶發送的信息速率；單發多收體制網容量=單個用戶發送的信息速率×網內用戶數，可見單發多收體制網絡容量遠大于單發單收體制

4.3 支持高速信息傳輸能力的解決措施——恒包絡高效聯合編碼調制體制

其主要包括多進制連續相位調制技術及編碼調制技術。多進制連續相位調制技術優點如下：與二進制系統相比，相同的頻帶下所傳輸的信息速率更高；包絡恒定，適用于非線性信道；帶外輻射小；旁瓣衰減快。編碼調制技術優點如下：將編碼和調制結合為一個整體進行最優化設計；通過加大調制信號集來為糾錯編碼提供所需的冗余度；不增加信號發射功率的條件下，能擴大信號點之間的歐氏距離，從而在接收端獲得最大的信噪比。信噪比增益達3～6dB。

4.4 增強抗干擾能力的解決措施——采用基于跳頻+跳時的混合體制抗干擾技術

其具有三大抗干擾能力，即抗全頻帶干擾能力、抗頻率瞄準式干擾的能力、抗跟蹤式干擾能力。抗全頻帶干擾能力：通過高達數百兆的跳頻帶寬設計，有效對抗全頻帶干擾。抗頻率瞄準式干擾的能力：縮短在每一頻點的駐留時間，僅達數十微秒，且連續兩個跳頻點的頻率隔開一定的頻率，以減小相鄰跳頻點的頻率相關性，提高系統抗頻率瞄準式干擾的能力。抗跟蹤式干擾能力：通過采用單發多收的通信方式，保證信道中有多個用戶并行傳輸業務信息，使對單一用戶的跟蹤式干擾變得更加困難。

5 結語

衛星編隊組網飛行是繼星座之后衛星應用方面的又一新發展。空間技術已從單顆衛星發展到了分布式衛星。編隊飛行即是分布式衛星的最新應用。這些應用的不斷出現，除了能得到巨大的經濟、國防和社會效益外，還對衛星技術提出了許多新要求，直接促進衛星技術加快發展。本文主要論述微小衛星星座編隊組網數據傳輸方案技術的研發與實現，通過一種基于因特網協議、高速、動態和無中心的網絡，可實現多個平臺（衛星）動態組網，其方案的實現將顯著提高我軍的通信和信息裝備水平，將作戰平臺拓展到空基領域，使作戰方式由“平臺中心戰”轉移到以信息和信息技術為基礎的“網絡中心戰”，大大提高對移動目標的遠程精確打擊能力和快速反應能力，軍事效益明顯；在民用方面，星座編隊組網技術在手機通信、地面/海岸監測及農業和災難管理等方面市場前景也十分廣闊。

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