NASA空間通信與導航網絡現狀及未來發展

顏潔 彭玉婷（ 中國電子科技集團公司第五十四研究所 中國電子科技集團公司電子科學研究院）

美國的空間探測活動由美國國家航空航天局（NASA）的空間通信與導航（SCaN）網絡提供通信導航支持。SCaN網絡由三個網絡組成：深空網（DSN）、空間網（SN）和近地網（NEN），用戶一般根據任務需求選擇一個或多個網絡提供所需服務。為了建立綜合空間通信與跟蹤能力，NASA于2006年提出建設統一的空間通信與導航網絡，計劃將空間網、近地網和深空網形成一個功能相對獨立，用戶界面和運行管理統一的天基任務基礎設施。在此之前，這三個主要空間通信網絡的管理在很大程度上是獨立的，各種開發項的重用程度相對較低。

本文對相關的技術以及系統架構進行了討論和分析，論述了SCaN網絡的現狀、演進過程以及未來架構發展。

1 SCaN網絡發展階段

NASA通信與導航基礎設施網絡架構發展包括獨立網絡階段（2010年以前）、集成前網絡階段（第一階段：2010－2015年）、集成網絡階段（第二階段：2015－2020年）和集成后網絡階段（第三階段：2020－2025年）。通過后三個階段的發展，NASA空間通信與導航服務設施逐漸由分離走向統一，形成集成SCaN網絡，為整個太陽系內的空間飛行任務提供通信導航服務。在這一過程中，SCaN網絡提供的服務和能力不斷發展變化，并從松散耦合網絡配置向統一的集成網絡轉型。

2010年之前，SCaN網絡的三個網絡（空間網、近地網和深空網）及其支撐功能是相互獨立的，一直按照各自的路線獨立發展。2010年之后，SCaN網絡仍是三個獨立的網絡，但擴展了網絡功能，致力于結合用戶任務需求開發新的能力，并進一步開始實現集成網絡的主要特性（包括標準化服務和接口）。SCaN網絡目前已進入集成網絡階段，三個網絡升級成為統一的通信導航基礎設施。

SCaN網絡下一階段發展，將根據需要引入新技術滿足NASA長期探索及科學目標的需要，主要目標包括發展系統架構，實現系統采辦及運行成本大幅下降，同時提升SCaN網絡的靈活性及可升級性，從而能對預算和用戶需求的變化迅速做出反應。

2 SCaN網絡現狀

NASA當前運行著一個復雜的空間和地面基礎設施，支持該機構運行的空間任務以及美國國內及國際合作伙伴機構運行的任務。通過使用空間和地面資源，共同向所支持的用戶任務提供有效通信服務。每個網絡支持通信和跟蹤需求截然不同的特定運行域用戶任務。

近地網由NASA、商業資源和合作伙伴全球地面站和集成系統組成，為低軌、同步軌道、高橢圓軌道、月球軌道用戶任務提供空間通信和跟蹤服務，以及經濟有效的高速數據服務。

空間網即美國跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS），指位于同步軌道的中繼星座及相關地面系統，利用空間段和地面段為低軌用戶任務提供跟蹤和數據中繼服務?？臻g網支持低延遲需求任務，適合持續、高數據率通信，對于載人航天任務和關鍵事件所需安全可靠通信至關重要。

深空網由全球分布的大口徑天線地面站組成，為地球同步軌道到太陽系邊緣用戶任務平臺提供連續通信覆蓋。深空網重點關注從恒星噪聲中檢測和分辨微弱信號，針對近地域之外的深空量級距離捕獲數據進行優化。

空間網現狀及發展

根據NASA空間通信與導航計劃，空間網近期面臨的主要任務需求是月球探索需要的高速數傳和載人探索任務需要的可靠通信、高速率骨干鏈路、連續覆蓋以及對用戶任務的無縫支持?？臻g網近幾年的建設重點是：發射第三代衛星；對使用多年的地面系統進行更新和升級；進行未來天基中繼研究，以滿足未來航天保障需要。

（1）完成第三代跟蹤與數據中繼衛星系統構建

發射第三代數據中繼衛星（TDRS）是跟蹤與數據中繼衛星星座進行更新換代的主要內容。第三代衛星在第二代衛星的基礎上進行了改進升級：升級了星上遙控遙測鏈路的通信安全系統；采用新的S頻段多址天線技術；更換Ku/Ka頻段和S頻段用戶支持設備，Ka頻段數據率可達800 Mbit/s等。最后一顆衛星TDRS－M已于2017年8月發射升空，標志著NASA實現了第三代跟蹤和數據中繼衛星群的構建。最新的TDRS衛星將擴大空間網絡能力并延長使用壽命，使NASA能夠在未來十年內繼續接收和傳輸任務數據。

（2）升級和改造地面系統

為了配合第三代跟蹤與數據中繼衛星的發射并解決地面系統陳舊問題，NASA近年來致力于空間網地面段增強計劃（SGSS），對地面系統進行升級改造，提供一個靈活、可擴展、可升級的地面系統，能夠使得空間網繼續安全、可靠以及經濟有效地運行。采用該地面系統后，設備性能提高，質量和體積減小。

空間網地面段增強計劃旨在逐步升級現有空間網，在地面終端上更換過時的模擬地面硬件和數據系統，代之以數字化、現代化的地面段。該計劃將以更高的數據速率提高性能，并提供新的編碼/調制方案。

空間網地面段增強計劃已經于2014年實施，原計劃2017年進行驗收評審，但該計劃已經滯后于預定時間。目前計劃2018年下半年進行TDRS下行鏈路測試及用戶返向鏈路測試，2019年進行TDRS上行鏈路及下行鏈路測試及用戶前向、返向及跟蹤測試。

（3）開發未來天基中繼體系和系統

隨著第一代衛星逐步退役，跟蹤與數據中繼衛星星座中的在軌衛星數量會不斷減少。到2020年，跟蹤與數據中繼衛星星座中第一代衛星將全部退役，第二代衛星也超出使用壽命，屆時其性能將不足以滿足任務需求。為了滿足未來空間任務對空間網的需求，NASA近年來開始未來天基中繼（SBR）研究，確定支持其2020年以后航天任務需求的天基中繼通信與導航體系結構，主要包括2020年以后用戶服務需求、體系結構、可用技術和實施途徑等。天基中繼系統將在第三階段投入運行，補充/替換數據中繼衛星系統。新一代中繼衛星系統的初步部署時間為2025年。

深空網改造及進展

深空網是一個遍布全球的大型深空測控網，可為多個深空探測任務同時提供服務。深空網包括設在加州金石、堪培拉和馬德里的大約呈120°分布的三個地面站，確保深空任意衛星在任何時間能夠至少與一個地面站進行通信。由于其現有設備老化，大天線維護和運行費用過于昂貴，不能有效滿足未來任務對靈敏度和導航的需求等問題，NASA自2006年之后開始對其深空網測控設備實施大范圍升級和技術改造，提出了深空網孔徑增強項目（DAEP）。

深空網孔徑增強項目計劃到2025年不再使用70m天線，用34m波束波導天線組陣替代所有70m天線。與70m天線相比，四個天線陣列易于維護并能提供相同或更好的性能。天線陣列將包括四個接收天線和一個34m發射天線。項目的第一步是在澳大利亞堪培拉增加兩個新一代34m波束波導天線，于2010年12月正式啟動，其中DSS－35天線已經于2014年9月建成并投入使用，DSS－36天線于2016年10月開始運行；到2025年，三個站點的70m天線都將退出服務。每個深空站均擁有五個34m波束波導天線，用34m波束波導天線組陣替代所有70m天線，每個深空站所有天線均具有X頻段上行發射能力，以及X、Ka頻段下行接收能力，滿足其未來深空任務探測需要。

近地網擴展及升級

為了支持下一代載人航天飛行，近地網開始重建并擴展其發射通信站（LCS）。2013年7月NASA近地網正式提出了發射通信站發展計劃，明確了與探索任務－1（EM－1）要求一致的現代化發射通信能力的定義、設計以及實現與測試計劃。預計2019－2020年，NASA的新型火箭“航天發射系統”（SLS）將執行EM－1任務進行首飛，測試創新概念。

近地網將利用包括NASA近地網和近地網商業地面系統等全球資源，為EM－1任務和未來立方體衛星探索任務提供高增益地面系統解決方案。NASA近地網正在考慮為現有近地網地面站增加X頻段上行鏈路能力，通過這項升級，地面站可以對EM－1任務、EM－2任務以及未來使用X頻段上行鏈路無線電的立方體衛星任務提供早期軌道階段以外的支持。

SCaN網絡當前進展

SCaN網絡的發展共分為三個階段，早期最重要的步驟之一就是向用戶任務提供一組通用的標準服務、接口、過程和協議，使SCaN用戶能夠與所有的網絡服務無縫連接。

在這一過程中，SCaN項目致力于發展其網絡能力，并對老化的SCaN系統進行了補充和現代化改造。SCaN項目還規劃了幾次“探路者”（Pathfinder）任務，演示驗證諸如月球附近激光通信等技術。這些“探路者”任務設計用來消除風險，使NASA在這些技術投入運行使用之前獲得運行經驗。

近年來，SCaN項目還實施了DTN通信協議的開發工作，其目標在于：為便于空間任務使用創建現成的國際標準化互操作DTN協議；為地面系統引入DTN協議，由此實現多任務協同，改進任務數據回傳和可靠性，同時減小成本和風險。

（1）SCaN網絡架構由分離走向統一

第一階段結束時，SCaN網絡運行概念建立了一組空間網、深空網、近地網及其用戶之間的通用服務和服務管理接口。這種運行概念的關鍵特征是引入三個網絡中通用的、國際互操作的接口、協議和過程，以及初步實現集成網絡管理和集成服務實施。這種接口和過程的通用性使SCaN網絡可通過通用規劃和調度接口幫助用戶，而無需考慮最終為用戶服務的SCaN資源。在整個網絡中使用通用協議也使NASA可利用一組通用測試設備和程序進行用戶通信系統兼容性驗證和確認。這些變化為NASA實現SCaN集成網絡體系結構，并為NASA提供高層路由和存儲轉發網絡互聯業務奠定了基礎。SCaN體系結構發展的第二階段把三個現有網絡集成為一個統一網絡，從松散耦合的SCaN網絡過渡到集成網絡管理結構，提高了NASA網絡管理功能的端對端操作能力和成本效益。

（2）SCaN網絡能力大幅增強

第一階段中，SCaN網絡微波數據吞吐能力大大增加，在近地域可提供至少1.2 Gbit/s的速率，深空域至少150 Mbit/s的速率。第一階段也對不斷老化的SCaN系統進行了補充和現代化改造，包括向SCaN基礎設施增加專用通信資源，如深空網孔徑增強項目中的34m天線等。

第二階段中，NASA繼續擴大微波組陣，通過增強軟故障能力（陣列中單一天線的故障不會引起服務丟失，但會造成系統性能輕微降級）和子陣能力，提高SCaN服務的可靠性和靈活性。第二階段發展提供的主要能力包括：集成網絡管理和集成服務；特定用戶任務使用采用了DTN和IP協議的空間網絡互聯；深空網孔徑增強項目為預期的70m天線退役增加新天線。

（3）引入新技術，演示驗證激光通信

2013年，NASA首個激光通信“探路者”任務——月球激光通信演示驗證（LLCD）取得階段性成功，驗證了從40000km的繞月軌道上實現20 Mbit/s的上行速率和622 Mbit/s的下行速率能力。該任務驗證了天基激光通信系統的可行性，及其在發射和太空環境中的可生存性。

NASA目前正在規劃名為“激光通信中繼演示驗證”（LCRD）的后續任務。該任務旨在驗證激光通信在不同時間和不同氣象條件下性能，并了解如何更充分利用激光通信。LCRD預計在2019年發射，計劃運行2年時間，將使用“國際空間站”（ISS）上的測試有效載荷以及兩個專用地面站，模擬真實的通信支持。

（4）DTN通信協議測試取得重大進展

NASA的DTN工作開始于SCaN辦公室的標準化項目。2014年，SCaN項目將原型及部署工作移交給先進探測系統（AES）項目，負責在“國際空間站”部署DTN。當前，SCaN及AES互為補充，呈現螺旋式發展，即首先由AES開發能力并建立原型，之后由SCaN實現標準化。這樣，不同空間機構的多個任務就可利用標準化及可互操作的DTN版本。

2014年10月，NASA和歐洲航天局（ESA）宣布，成功測試DTN通信協議，這將成為未來行星間互聯網通信的基礎。試驗中，“國際空間站”的航天員遠程控制地面上的一臺樂高機器人，模擬了航天員在月球或火星軌道上控制月球車或火星車的場景。這一測試未來可能被用于火星軌道太空飛船內的航天員與地面的通信，或是利用軌道衛星作為中繼站，從地面進行通信。

NASA于2016年6月在“國際空間站”測試了DTN網絡，這種自動儲存和轉發網絡服務能為深空和火星探索任務提供可靠的通信選項。這意味著NASA在建立可靠星際互聯網過程中取得了顯著的進展，其可容忍延遲網絡計劃將互聯網擴展向整個太陽系。

3 SCaN網絡的未來發展

SCaN網絡架構的愿景是構建并保持一個具有可伸縮性的集成基礎設施，可提供綜合的、經濟劃算的、更高量級數據速率的空間通信服務，實現NASA科學探測任務。這一基礎設施易于發展，能適應不斷變化的新技術，將保持支持用戶任務關鍵事件及緊急情況的能力。

SCaN網絡架構將實現一個包括一套相容國際標準、接口和過程的體系結構，將作為一個單一的綜合網絡運行。當不同的運行域以及特定用戶需求需要某些不同能力時，集成網絡將盡最大可能使用通用橫向標準實現。集成網絡管理功能將作為所有SCaN網絡用戶的接口。除了現有物理、信息技術以及通信方法之外，將采用新的標準安全措施管理訪問控制并確保機密性、系統完整性以及可用性。

SCaN網絡架構有以下特性：①太陽系范圍內覆蓋；②任意時間任意地點地球、月球及火星的連通性；③系統地引入光通信對射頻通信基線進行補充（如第三階段近地及深空通信）；④基于服務的集成架構及集成網絡管理；⑤開發月球中繼能力并增強火星中繼能力（如第三階段探索及科學任務）；⑥向更高頻率射頻鏈路遷移（如第一階段到第三階段Ka頻段應用）；⑦增加和替換現有過時老化的基礎設施；⑧SCaN網絡引入新技術（如SDR、陣列等）；⑨使用標準接口實現國際及商業互操作性。

SCaN網絡未來架構包括一個高度可靠的低數據率到高數據率微波鏈路基線，并通過高數據率光鏈路進行補充，為用戶任務提供直接到地球以及中繼資源的通信。SCaN項目采用合適的國際標準化協議以及接口，確保SCaN資源與空間或地面資源之間的互操作性。

（1）采用集成網絡服務架構

SCaN網絡當前已經遷移到一種集成網絡服務架構并將繼續演進，用戶可無縫使用任意SCaN資源支持其任務。該架構也將允許SCaN項目優化其資源應用以有效滿足機構任務共性需求。所有現有SCaN各子網完全集成到集成網絡的最終構型中。該網絡架構包括集成服務管理功能、通用網絡控制功能和通用服務接口，也包括在整個網絡中采用通用和集中式控制與數據交付服務。

NASA集成服務架構主要由三部分組成，分別是地球中繼子系統、近地子系統和深空子系統，將原來構成SCaN網絡的三個網變為統一SCaN網下的三個子系統。這三個子系統采用統一的用戶服務管理機制，形成一個統一的有機整體。該集成空間通信體系建構在地面綜合服務網絡（NISN）上。這一基于服務的架構包括通用服務、網絡資源及用戶任務通用處理、國際互操作性標準化服務、以及集成網絡管理及數據交付，以最大化接入所有SCaN項目的能力。

除了通信資源的現實物理約束和限制之外，SCaN網絡中所有標準服務都可用。SCaN項目發布一個標準服務編目并通過一組相容的規劃、請求、交付、管理及報告接口確保進行安全訪問服務。

（2）實現集成網絡管理

SCaN網絡提供一套在整個網絡中通用的服務和接口。為減少用戶負擔，提高SCaN集成度并實現集成服務交付處理，SCaN項目提供集成網絡管理功能。該功能可以使用所有SCaN網絡提供的服務，以及由國內、國際和商業合作伙伴/提供商提供的兼容服務。

集成網絡管理接口使用安全接口向用戶任務提供一組標準服務管理功能。集成網絡管理功能使用類似安全接口向用戶任務提供標準數據交付服務。

（3）增強和創新SCaN網絡能力

隨著對太空探索的深入，SCaN集成網絡提供的服務和能力將不斷發展變化，SCaN網絡將增強現有能力并實現新能力，滿足并超越用戶任務的總體需求。主要包括以下四個方面的能力：

① 增強近地域能力

到2022年，近地光通信初始運行能力將提供至少1.2 Gbit/s的地球返向鏈路速率以及100 Mbit/s前向鏈路速率。增強的射頻返向鏈路使用Ka頻段在L2點將提供至少150 Mbit/s速率，在地球中低軌道至少達到1.2 Gbit/s。使用Ka頻段，射頻前向鏈路將為用戶任務提供從25～70 Mbit/s的低地球軌道至月球速率。地球視距條件下提供全球范圍任意時間任意地點的連接能力。在整個SCaN網絡上提供標準服務。

② 提高深空域能力

通過系統升級和嵌入天線陣列，SCaN項目將提高NASA射頻資源性能，為火星探測和外層星球用戶任務提供支持。深空通信能力將使用射頻持續提供穩健的標準服務及應急通信服務，高速率數據返向鏈路將重點使用Ka頻段。采用可伸縮射頻天線陣列提供穩健的應急X頻段測控和高功率上行鏈路能力，并提供地球視距內任意時間任意地點連接。采用天線組陣，通過提供子陣列能力以及軟故障功能，改進SCaN服務的可靠性、靈敏性、靈活性。

SCaN將加入光通信補充射頻鏈路，實現更高速率數據返向鏈路。深空光通信初始運行能力提供至少100 Mbit/s返向鏈路速率，未來將擴展到1 Gbit/s，前向數據速率大于2 Mbit/s。由于天氣影響以及電子器件對太陽粒子事件的敏感性，光通信性能可能受到某些限制，將利用“探路者”任務促進技術成熟并評估潛在約束條件。

③ 引入月球中繼能力

將月球中繼資源引入到SCaN集成網絡中，將大大改進月球及近地域SCaN服務。月球中繼架構將具備擴展能力，可根據用戶需求、在軌資源數量提供動態變化的覆蓋范圍。月球中繼資源將通過射頻及光鏈路提供高速前向及返向能力，以及射頻測量能力支持精確著陸及月球表面漫游。月球中繼資源將實現國際及商業合作以及互操作性，也提供多址通信技術和協議，向多個在軌和月球表面資源提供同步通信。月球中繼資源為地球可視區域之外提供高速率通信和高精度導航服務，填補覆蓋缺口。單一用戶任務僅僅在某個特定時間窗口需要服務，而永久月球基地則將有不同通信需求。為支持月球表面系統，需要改造或擴展通信鏈路調度服務。

④ 改進火星中繼能力

未來，預期在火星表面或附近運行的探索飛行器和科學航天器將通過SCaN開發和運行的火星中繼資源接收通信、導航以及定位服務?；鹦侵欣^資源架構將合并入SCaN集成網絡，并且可能繼續使用科學軌道器上的中繼通信有效載荷，或使用具有存儲轉發、空間網絡互聯能力的專用中繼衛星?；鹦窃谲壷欣^將支持DTN存儲、轉發網絡服務、以及沒有人員調度或干預情況下的按需網絡訪問能力。

火星中繼架構將具有可伸縮性，易于演進到支持載人探索以及使用高數據率設備，例如綜合孔徑雷達以及超頻譜成像儀?；谠缙趯崿F的航天器設計，近期射頻返向數據率可達到6 Mbit/s，通過使用功能更強的發射機和組陣天線，遠期可達到150 Mbit/s。與地球之間的光主干線路數據率至少可達到600 Mbit/s（火星最接近點狀態）。

4 結語

SCaN集成網絡體系架構將形成一個能向未來空間任務提供所需通信服務的NASA基礎設施。該集成網絡體系架構通過標準化、通用性和技術引入，提升SCaN網絡的運行效率和互操作性，實現NASA任務所需先進通信和跟蹤能力。通過對該體系及相關技術的研究，可為未來空間通信系統的發展及相關技術領域的探索提供參考。