星間鏈路技術標準化思路與建議

張若禹 邰馨慧 袁亞博 汪勃

（北京跟蹤與通信技術研究所， 北京， 100094）

星間鏈路主要指衛星之間建立的鏈路， 通過衛星之間無線鏈路進行精密測量和數據傳輸， 可以實現地面不可見衛星的測控數傳， 支持衛星星座／編隊構型保持， 實現信息獲取、 信息傳輸、信息支援等裝備的一體互聯， 大幅提升航天裝備整體效能。 國外早期將同軌道面衛星的星間鏈路稱為Intra-Satellite Link （軌內鏈路）， 將異軌道面星間鏈路稱為Inter-Satellite Link （軌間鏈路）， 目前逐漸統一為Inter-Satellite Link （星間鏈路）， 縮寫為ISL[1]。

隨著星間鏈路應用的不斷拓展， 通常主用于衛星之間的鏈路在某些情況下也用于衛星—地面站、衛星—飛機、 衛星—艦船、 衛星—火箭之間的測量和數傳， 統稱為星間鏈路， 星間鏈路已成為衛星組網、 空間節點高速互聯的必需手段。 可以說， 星間鏈路構成了空間信息網絡互聯的初步形態， 空間信息網絡是星間鏈路發展的必然結果。

近年來， 以美國太空探索技術公司SpaceX 的星鏈計劃Starlink 為代表， 世界各國中大規模衛星星座論證設計和組網建設快速推進。 星間鏈路技術成為航天領域的新技術增長點并受到廣泛關注，相應標準化需求日趨迫切。 本文總結了國內外星間鏈路技術應用及其標準化現狀， 提出了我國星間鏈路標準化原則、 思路與建議， 旨在為星間鏈路標準體系建設奠定基礎。

1 星間鏈路標準化的范疇

正確認識星間鏈路標準化范疇是星間鏈路標準體系研究的重要前提和方向保證。 文獻[2]在天基信息網絡系統標準體系中規劃了遙感、 中繼、 通信和導航等衛星的星間鏈路， 但將星間鏈路定位為網絡中的接口， 未涉及星間鏈路運行維護、 應用服務的標準化。 國外十分重視貫穿裝備設計、 研制到應用的全生命周期標準化， 這一點在美國國防部體系結構框架DoD AF 2.02、 英國國防部體系結構框架MODAF 1.2.004 和北約體系結構框架NAF 3.0 中均得到明確體現[3-5]。

星間鏈路的應用范圍快速擴展與技術進步，使其一方面更加注重時空基準、 信息傳輸、 信息獲取、 衛星／星座的配合協同， 衛星／星座間互聯互通的需求已逐步顯現； 另一方面， 星間鏈路相關活動將擴展到運行管理、 維修保障和服務支持中， 涵蓋系統間接口、 對接試驗、 終端研制、 測試標校、 性能評估、 建鏈規劃、 操作維護等諸多環節。

2 星間鏈路技術應用及其標準化現狀

2.1 星間鏈路技術應用現狀

2.1.1 國外星間鏈路技術應用

星間鏈路在美國跟蹤與數據中繼衛星（TDRS） 中應用已久， 主要指中繼衛星與用戶航天器之間的鏈路， 包括S 頻段多址接入 （SMA）、S 頻段單址接入 （SSA） 前／反向鏈路和Ka 頻段單址接入 （KSA） 前／反向鏈路。 TDRS 星間鏈路采用二進制相移鍵控 （BPSK）、 正交相移鍵控（QPSK） 和擴頻調制， 速率可調， 最高可達吉赫茲數量級。 中繼衛星之間不具備星間鏈路， 尚不支持星間多跳傳輸， 還不具備網狀互聯互通形態。

Iridium 銥星通信系統采用Ka 頻段相控陣鏈路實現星間互聯。 每顆衛星與同軌道正向、 后向、 左右異軌道面側向衛星建立鏈路。 同軌面衛星之間的位置關系固定， 異軌面衛星之間的相對位置關系時變切換。 工作頻段為23.18GHz～23.38GHz， 采用QPSK 調制， 最大數據傳輸速率為25Mbps， 采用時分復用多址／頻分復用多址 （TDMA／FDMA）方式。

美國GPS 衛星從Block IIA 起使用UHF （超高頻） 頻段、 分幀TDMA、 寬波束鏈路進行星間通信， 傳輸測控、 全球核爆監測等信息。 Block IIR 衛星星間鏈路增加了星間測距功能和時間同步用于支撐星座自主導航。 GPS-III 增加了抗干擾能力更強的V 頻段點波束方向性星間鏈路，可獲取全星座衛星連續遙測信息、 近實時監控和零數據齡期導航數據， 實現了 “一星通即整網通”， 開展了IPv4、 IPv6 等多種網絡協議的比較論證。

2.1.2 國內星間鏈路技術應用

與國外類似， 我國中繼衛星系統較早建成星間鏈路， 為火箭、 中低軌衛星等各類航天器提供S／Ka 頻段測控數傳支持。 其鏈路速率可達最高數百兆， 主要采取前向／返向鏈路， 可同時服務多路前向和返向用戶。

北斗全球系統配置了Ka 頻段星間鏈路載荷，星間鏈路設計了并發時分空分、 雙向單程測距、點波束指向性天線的星間鏈路[6]， 實現了星座星間的互聯互通、 高精度測量、 層次化信息傳輸，解決境外布站受限條件下的星座不間斷運行控制問題， 滿足測控對星座的100%覆蓋要求， 形成了星間星地一體的空間信息網絡初步形態， 支撐星座自主導航、 全球導航、 全球短報文等服務。

在一些衛星編隊和小型衛星星座中， 也部署了S、 X 或Ka 等頻段星間鏈路載荷， 用于建立其內部各衛星之間的通信鏈路， 有些通信鏈路還具備星間測量和時間同步功能， 用于數據的星間構型保持、 載荷控制與任務協同等。 不同型號星間鏈路的工作頻率、 多址方式、 傳輸速率、 調制形式、 編碼方法、 工作模式等差別較大， 相應載荷尚未形成清晰型譜， 基本不具備互聯互通可能。

近年來， 國內多個航天型號和民商衛星系統啟動了星間鏈路研制建設和論證工作。 星間鏈路應用已覆蓋S、 X、 Ka 頻段乃至激光等頻段， 需求強勁， 但也存在不足， 主要體現在： 各系統呈“煙囪式” 發展模式， 主要依靠自己的力量探索，在頻段選擇、 調制解調、 編碼譯碼等技術體制方面形式多、 兼容性差， 技術狀態統籌優化不夠，已有技術應用推廣不足， 后續互聯互通難度較大， 不利于整個技術領域的融合發展。

2.2 星間鏈路技術標準化現狀

2.2.1 CCSDS 的星間鏈路標準化

空間數據系統咨詢委員會 （CCSDS） 采用了TCP／IP 協議模型， 針對空間通信開發了一系列的協議標準[7]。 CCSDS 不區分星間鏈路、 星地鏈路， 而是統稱空間鏈路[8]， 其系列協議適應于空間通信的環境特點， 且可與地面網絡兼容，給國際組織間合作提供了便利。 其協議分為5層： 物理層、 數據鏈路層 （分為同步與信道編碼子層和數據鏈路協議子層）、 網絡層、 傳輸層、應用層， 實現了不同層協議之間的解耦， 可結合任務需求選用， 有效緩解了因航天任務不同而出現的協議 “煙囪式” 發展問題。 該協議從點對點的測量通信發展演變而來， 協議體系的數據功能較為完備， 但路由控制、 網絡組播、 網絡管理等控制、 管理功能需要豐富完善， 網絡層的協議完備性不足。

2.2.2 3GPP 的星間鏈路標準化

作為全球最大最重要的國際通信標準組織，第三代合作伙伴計劃3GPP 面向大眾應用提供語音、 數據、 視頻和多媒體業務通信基礎設施， 在衛星與移動通信網的融合方面開展了大量工作。2020 年9 月發布的標準TR 38.811 《支持非地面網絡的新型無線電研究》 中明確提出： 采用空基或者天基飛行器作為傳輸裝備中繼節點或者基站的網絡或者網段的非地面網絡 （Non-Terrestrial Networks， NTN）， 衛星可以使用傳統的彎管連接模式 （衛星僅作為中繼節點）， 也可以使用更先進的組網連接模式。 衛星網絡在其中作為空中路由器或者中繼站， 承載不同類型的業務。

圖1 為提供衛星固定和移動業務的衛星接入網星間鏈路的使用場景。 星間鏈路可采用射頻或者光學頻段， 為甚小口徑衛星終端站 （VSAT）等寬帶用戶設備提供衛星固定和移動業務。 在3GPP 網絡架構下， 星間鏈路僅是服務鏈路與饋電鏈路之間的傳輸通道。 移動通信主要關注用于語音和數據交互業務的衛星網絡， 軍用和空間探測的數據中繼網絡不在其討論范圍之內[9]。 TR 38.811 標準沒有給出星間鏈路的具體技術規范，僅提出了星間鏈路有聯邦式、 非聯邦式兩種方式， 未就具體設計給出明確的解決方案。

圖1 配置星間鏈路的衛星接入網絡

2.2.3 IEEE 星間鏈路標準化

IEEE 在 《國際網絡世代路線圖》 技術報告中定義了衛星網絡用于6G 地面網絡回傳的12 種用例， 包括多跳低軌 （Low-Earth Orbit， LEO） 衛星非聯邦網絡分布單元 （DU） 向中心單元 （CU）傳輸、 多跳LEO 聯邦網絡DU 向CU 傳輸， 多跳LEO 非聯邦網絡DU 向網關回傳、 多跳LEO 聯邦網絡DU 向網關回傳， 多跳LEO 非聯邦網絡地面小基站 （SBS） 向eNodeB／eNodeG 傳輸、 多跳LEO 聯邦網絡DU 向eNodeB／eNodeG 傳輸等。 報告未給出星間鏈路的具體協議。

2.2.4 我國星間鏈路標準化

全國宇航技術及其應用標準化技術委員會空間數據與信息傳輸分技術委員會TC 425／SC3 在2021 年4 月召開的工作推進會上啟動了總體、 空間通信、 航天器內部通信、 任務操控與交互支持等4 個工作組的籌備會， 星間星地激光通信標準化工作納入空間通信工作組。 目前已計劃相應的標準立項工作， 主要面向空間探測和空間操作。

全國通信標準化技術委員會CCSA 于2019年成立了TC 12 航天通信工作委員會， 目前下設航天通信系統工作組WG1 （主要負責航天通信網絡的接入和傳輸協議、 資源管理、 與基礎電信的互聯互通和融合）、 航天通信應用工作組WG2 （主要負責航天通信技術在垂直行業的應用以及衛星互聯網技術和應用）、 協同組網通信工作組WG3 （主要負責空、 天、 地多種模式下的協同組網）， 現已啟動天地一體化協同組網系統架構、 天地一體5G 網絡場景及需求、 衛星網絡與邊緣計算網絡融合組網技術等研究工作。

我國現已開展了衛星互聯網標準體系架構規劃設計。 衛星互聯網整體包括3 部分： 無線接入網、 承載網、 核心網。 其中， 核心網是一種與3GPP 系統相關、 獨立于終端連接技術 （無線或有線） 的通信網絡架構， 以實現用戶的認證鑒權、 移動性管理、 會話管理、 計費等功能。 衛星互聯網標準體系劃分為總體、 無線接入、 核心網、 承載網、 通信安全、 接口、 設備、 測試和其他共9 大系列， 目前已完成部分標準編制， 這些標準相對偏向于通信網絡應用。

綜上， 國內外目前涉及星間鏈路的標準化工作總體上可分為兩大類： ①由3GPP、 IEEE 組織牽頭， 主要以移動通信為基礎的衛星+B5G 或衛星+6G 應用， 面向網絡運營和對外服務， 與用戶、 地面站松耦合， 星座構型較為簡單， 連接關系固定， 星間建鏈和組網相對容易。 ②由CCSDS 組織牽頭， 主要以空間觀測和空間操作任務為主。 因空間任務差異性較大， 星座異構特征十分明顯， 星間鏈路的應用場景更為復雜，標準化工作的難度和復雜度更大。 站在國家層面和航天領域看， 我國星間鏈路標準化重點是后者。

3 星間鏈路標準化原則

3.1 緊貼需求

標準項目面向航天實際， 緊盯空間信息傳輸應用需求， 固化星間鏈路已有技術成果， 充分發揮標準的引領和先導作用， 預先布局新技術相關標準， 既規范衛星載荷也規范地面設備， 既指導建設又服務運維， 減少不必要的重復性工作， 簡化流轉程序， 配合裝備建設使用環節， 推動裝備快速形成能力發展、 發揮最大效益。

3.2 各有側重

盡管星間鏈路技術在我國航天領域得到了一定的應用， 但是各類衛星系統職能定位不同。 通信與中繼類衛星網絡主要功能是為各類公眾用戶以及部分特定用戶群提供網絡和信息傳輸服務，公共性和通用性是必然要求， 因此星間鏈路標準化重點關注技術本身的通用性和面向各類用戶的產品型譜等方面。 觀測感知類衛星網絡屬于空間網絡的末端子網， 呈衛星編隊或者是由少量衛星相連， 重在內部協同完成特定觀測任務， 因此星間鏈路標準化重點關注跨域協同和互聯互通等方面。 導航衛星網絡覆蓋范圍廣， 可提供必需的時空基準信息， 能夠支撐全域覆蓋， 因此星間鏈路標準化注重于發揮其有限的冗余資源效用， 為用戶提供跨域互聯支持。

3.3 分類實施

星間鏈路標準體系既涵蓋微波鏈路， 也涵蓋應用前景廣泛的激光鏈路等新技術方向。 鑒于現階段微波星間鏈路在一些工程中已經應用， 不同的工程采用的工作頻段、 調制方式、 技術體制各異， 其標準化工作主要面向裝備定型開展標準化， 固化產品生產規范和使用規程。 激光星間鏈路主要應用于高速傳輸， 由于標準化起步較早，已經開展了型譜化工作， 可以在此基礎上進一步開展互聯互通標準化工作， 提升系統間交互支持能力。

3.4 內外協調

星間鏈路標準體系內部標準之間應當具備協調性， 各標準內容相對完整， 標準之間界面清晰， 減少交叉重復； 同時， 準確理解把握標準體系各層各類的內容界定， 保證在航天領域體系框架下與其他標準之間的關系協調， 適應空間信息技術的發展和空間任務信息傳輸的交互要求。

3.5 融合集約

星間鏈路是我國眾多衛星的一類共用技術，涉及通信與中繼類衛星、 觀測感知類衛星、 導航衛星等， 是未來空間網絡的重要組成部分和雛形。 對各類星間鏈路技術體制進行合理歸類合并， 納入現有相關標準規范， 統籌考慮不同工程之間的互聯互通性需求， 推動和引導不同型號在星間鏈路技術方面的融合發展， 有利于實現系統間互聯互通， 為空間組網奠定基礎， 并確保標準的集約高效。

3.6 適度前瞻

星間鏈路未來必將發展為空間網絡。 星間鏈路標準體系研究應當參照地面網絡技術標準體系， 在基礎共性技術 （如網絡地址分配等）、 運行維護等方面預先布局， 兼容空間信息網絡系列標準研究和建設， 滿足未來5 到10 年航天應用的需求。

4 星間鏈路技術標準化思路與建議

4.1 注重星間鏈路標準體系化建設

我們在國外建站的數量較為有限， 因此基于星間鏈路的空間組網是突破全球地面布站限制、實現全球無縫服務的唯一選擇。 近年來， 隨著星間鏈路技術的廣泛應用， 我們需要站在航天裝備體系化建設和運用的高度， 破除星間鏈路是單項技術、 少量衛星型號才配置的傳統觀念， 充分梳理分析我國現階段在研星座組網建設需求， 結合已成功組網運行星座的經驗和標準化研究成果，先期布局并持續推進建用一體的星間鏈路標準建設， 覆蓋產品全生命周期， 為通信星座、 導航星座、 遙感星座、 衛星編隊等各類星座的建設提供參考依據。

4.2 加強大型骨干空間信息裝備互聯互通

星間資源調度靈活、 異構星座互聯互通是有效支撐全域聯合的重要技術途徑。 通信與中繼衛星應承擔天基骨干通信網絡作用。 星座規模大、覆蓋區域廣、 網絡屬性好且能夠對外部提供信息傳輸和測量控制的系統， 應當推廣使用經過在軌驗證的成熟體制、 接口控制文件、 專項標準規范等， 帶動星間鏈路技術領域的健康發展， 強化互聯互通和技術體制兼容性， 逐步推進航天器之間異構聯網、 按需建鏈、 互聯互通、 協作運行， 及時啟動網絡層面的IP 地址分配和網絡交換載荷標準制定工作， 發揮好標準的引領作用， 避免因技術體制不同造成聯通壁壘。

4.3 加強小型星座和衛星編隊星間鏈路型譜化

專門用途衛星星座、 緊耦合衛星編隊、 小型星座， 屬于空間信息網絡的末端， 功能相對獨立， 不具備對外部提供傳輸服務協作的能力， 可通過標準化固化技術狀態， 避免產品規格型號過多， 為項目招標、 產品研制、 試驗鑒定、 驗收測試、 運行維護全生命周期提供方便獲取的技術文件， 有利于完成產品快速組批生產、 裝備訂購采購， 實現充分競爭擇優。

4.4 規范星間鏈路測試驗證

針對星間鏈路的系統地面對接、 大系統間聯調、 星地對接、 在軌標校、 在軌測試， 部分型號已積累了一定的工程實踐經驗， 并在工程系統內部開展測試驗證方法和技術的標準化工作。 在航天領域標準體系中可采用引用專項標準或者進一步補充完善相關標準， 擴大標準的知悉范圍， 固化成果并推廣應用， 規范星間鏈路相關測試和試驗等流程， 避免同類型號裝備建設走彎路， 確保工程建設質量。

4.5 規范星間鏈路運行管理和應用服務

星間鏈路運行管理主要對星間鏈路進行資源管理與調度、 狀態監測和故障診斷、 性能測試與評估等， 使星間鏈路協調、 高效、 穩定運行； 星間鏈路應用服務主要是利用星間鏈路提供星間測量、 時頻傳遞、 信息傳輸等服務。 隨著一些重大工程星間鏈路運行管理地面站、 中心計算機系統正式投入使用， 任務實施、 裝備運用、 服務支持等相關經驗不斷積累， 星間鏈路運維服務標準化需求將不斷增加， 需要加強地面設備交互支持能力設計， 利用云計算、 虛擬化和微服務等技術共享共用計算機系統硬件資源， 以插件形式部署，實現多型號星間鏈路運行管理， 逐漸形成建管用一體的星間鏈路標準體系， 降低星間鏈路日常運維的成本， 避免出現地面系統 “重復搞建設、統籌資源難” 的問題， 推動整體技術水平的發展提升。

4.6 加強星間鏈路技術標準化引導

加強統型管理和引導， 建議裝備管理部門、技術總體單位統籌優化衛星／星座間星間互聯互通設計， 在項目綜合立項階段就對互聯互通及其標準化開展分析論證， 給出是否有星間鏈路使用標準化需求的分析。 對于大型星座， 若無星間鏈路協作需求， 可給出境外信息回傳實現途徑。 對于一般衛星工程， 則給出是否有星間鏈路測量、通信需求。 同時， 可成立專門的審查小組， 在評審階段加強對星間鏈路技術標準化方面的審查。

5 小結

衛星工程建設經費體量相對較大， 一旦技術上未開展互聯互通設計， 后續調整的難度和復雜度都很大， 并且大型航天裝備從啟動建設到形成能力要10 年甚至更長的時間， 即便調整， 也可能導致裝備技術狀態的振動。 在航天領域標準體系下統籌星間鏈路資源共建共享共用， 盡快開展標準體系建設論證工作， 對于推動我國星間鏈路領域相關技術發展， 規范航天裝備的研制、 設計和運用， 走出一條符合自身特點的發展路線具有重要意義。