航天器自組網(wǎng)技術實踐與展望

蘇繼東，徐偉琳，翟盛華，王偉，何亞婷

1.中國空間技術研究院西安分院 載荷總體部，西安 710100

2.中國空間技術研究院西安分院 空間通信與導航技術研究所，西安 710100

3.中國空間技術研究院西安分院 空間天線技術研究所，西安 710100

空間航天器間組網(wǎng)具有時空尺度變化跨度大，業(yè)務數(shù)據(jù)類型多樣，星間具有嚴格的時頻同步關系等特點，在這樣一種應用需求下，空間網(wǎng)絡拓撲的時變特性，使得傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡協(xié)議無法滿足通信的可靠性、安全性和實時性等要求。

因此，需要針對空間航天器間的網(wǎng)絡化需求，從系統(tǒng)層面重新進行網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)設計，開展數(shù)據(jù)路由、可靠傳輸、安全機制、時頻同步等關鍵技術研究，最終提供可靠的航天器間組網(wǎng)通信，星間網(wǎng)絡的自主組建與維護，以及高精度的星間時頻同步能力。

1 航天器自組網(wǎng)任務分析

由多顆衛(wèi)星按一定要求分別部署在一種或多種軌道上，共同完成某些空間飛行任務，稱為分布式衛(wèi)星系統(tǒng)［1-2］。分布式衛(wèi)星可以進一步細分為編隊飛行、星座和星群，其概念如下［3-4］：

1）編隊飛行（Formation Flying）。在軌道上，分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的各顆衛(wèi)星按自己的軌道特性運行，只有外加星間閉路控制系統(tǒng)才能保證它們按編隊飛行要求保持隊形。也就是說，分布式衛(wèi)星系統(tǒng)各顆衛(wèi)星必須有外加星間閉路軌道控制系統(tǒng)才能成為編隊飛行。

2）星座（Constellation）。分布在軌道上的各顆衛(wèi)星主要目的是增加對地面的覆蓋面積，或者縮短重訪時間。這里不須要外加星間閉路控制系統(tǒng)。一般通過地面站對單顆衛(wèi)星進行軌道位置調(diào)整就能滿足星座要求，這是由于各顆衛(wèi)星受到軌道攝動使軌道位置發(fā)生變化。星座軌道保持控制是定期的，例如幾天或幾十小時進行1 次控制，周期長短決定于星座軌道攝動大小和星座位置保持精度。

3）星群（Cluster）。根據(jù)空間飛行任務要求，設計各顆衛(wèi)星在軌位置，當衛(wèi)星發(fā)射成功以后，在運行期間不須要進行軌道操作，各衛(wèi)星若受軌道攝動，所產(chǎn)生的位置變化也不影響飛行任務的完成。也就是說，星群不需要外加星間閉路控制系統(tǒng)，也不需要軌道操作，是分布式衛(wèi)星系統(tǒng)最簡單的一種形式。星群大部分用于空間環(huán)境參數(shù)的觀測任務。

根據(jù)美國SpaceWorks 公司發(fā)布的《衛(wèi)星市場預測》，其中根據(jù)任務目標，將其分為3 類：對地觀測/遙感、通信、科學技術試驗。衛(wèi)星群多為微小衛(wèi)星為主，利用微小型衛(wèi)星“快、好、省”的特點，可以加速新技術成果的在軌演示驗證，推動空間星群技術的發(fā)展。各類星群任務的特點分析如表1 所示。

表1 各類星群任務的特點分析Table 1 Characteristics analysis of various sat cluster tasks

1.1 對地觀測任務

對地觀測是微小型衛(wèi)星的一個重要應用領域，但是由于衛(wèi)星體積、重量和功耗的限制，有效載荷及其獲得的地面分辨率和精度等指標仍舊無法和傳統(tǒng)的大型航天器相比，但是微小型衛(wèi)星具有研制周期短、成本低的優(yōu)勢，且通過組網(wǎng)或形成星座，星座協(xié)同工作容易獲得較高的時間分辨率和觀測覆蓋性，大大縮短重訪時間，達到甚至超越大型衛(wèi)星的功能，因而取得了較大發(fā)展，成為對地觀測領域的一個重要的發(fā)展方向［5-6］。

美國新一代“白云”海洋監(jiān)視衛(wèi)星星座4 組l6 顆星，將地面的多站有源/無源主動/被動探測定位雷達系統(tǒng)在多顆衛(wèi)星上實現(xiàn)，特別是可對地表、海面、空中的運動電磁輻射源進行精確地無源被動定位，采用了S 頻段小型化和集成化的收發(fā)跟蹤星間鏈路設備，主星與3 顆子星距離30～110 km，傳送中、低速探測數(shù)據(jù)和指令。

對地衛(wèi)星編隊應存在星間通信鏈路，包括同軌道面臨星間的通信鏈路和兩相鄰軌道面臨星間的通信鏈路?？梢詫崿F(xiàn)不同區(qū)域的成像數(shù)據(jù)通過星間鏈路實時下傳地面站。通過匹配星群內(nèi)不同載荷間的聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)融合處理，可以獲取目標區(qū)域的高精度和多維度信息。

1.2 廣域通信任務

微小型衛(wèi)星由于質(zhì)量輕、體積小、可提供功率有限，在實際應用中，對有效載荷的微小型化和低功耗要求十分苛刻，近年來隨著手持通信設備和微電子技術的飛速發(fā)展，使得微小型化和低功耗的通信有效載荷容易實現(xiàn)，因此基于通信應用的衛(wèi)星系統(tǒng)獲得了較大發(fā)展。另外，通信衛(wèi)星星座可為海上、邊疆、復雜山區(qū)、沙漠等特殊區(qū)域提供通信組網(wǎng)能力，是值得重點關注的領域［7］。

美國太空探索技術公司計劃在2019—2024年間在太空搭建由約1.2 萬顆衛(wèi)星組成的“星鏈”網(wǎng)絡提供地面互聯(lián)網(wǎng)通信服務，其中1 584 顆將部署在地球上空550 km 處的近地軌道，并從2020 年開始工作。

通信衛(wèi)星星座的主要技術是星間鏈路通信，通信性能由衛(wèi)星間的通信鏈路完整率和冗余率決定。一是軌道面內(nèi)臨星的通信鏈路、二是相鄰軌道面的臨星鏈路。對于通信衛(wèi)星星座還涉及通信鏈路的尋徑優(yōu)化方法。對于區(qū)域通信需求，應考慮區(qū)域星座覆蓋時間均勻性，軌道面內(nèi)均布。當某一顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障時，應及時調(diào)整相位以滿足時間覆蓋要求。

1.3 科學技術實驗任務

科學技術試驗是微小型衛(wèi)星最重要的應用之一。由于微小型衛(wèi)星領域的技術發(fā)展和更新非常迅速，因此加強高技術演示驗證就成為一項極為重要的工作。

利用小衛(wèi)星星群對空間環(huán)境測量將有助于對空間環(huán)境的了解，為以后的航天器積累試驗數(shù)據(jù)。美國NASA 受昆蟲社會行為的啟發(fā)，計劃于2020—2030 年利用群衛(wèi)星系統(tǒng)探索小行星帶，該計劃暫命名為“自主納型航天器”（ANTS）系統(tǒng)。ANTS 系統(tǒng)由1 000 顆皮星組成，其任務是利用群智能技術，探索和勘測小行星帶的小行星。ANTS 系統(tǒng)運行在小行星帶內(nèi)，而在小行星帶里，空間環(huán)境十分惡劣，傳統(tǒng)的大衛(wèi)星是不能生存的。而對于小衛(wèi)星星群，可以增加存活率，在損失一定數(shù)量衛(wèi)星的條件下不影響衛(wèi)星群的總體功能。

上面科學實驗任務都是以群族為單位的探測單元。系統(tǒng)設計時應考慮群族內(nèi)各衛(wèi)星的功能劃分、構(gòu)型布局和重構(gòu)、族群內(nèi)鏈路分析等。

基于上述分析，在不同的星群任務中，針對拓撲構(gòu)型、鏈路特點、軌道類型、業(yè)務數(shù)據(jù)量、時延要求等特點，對星群組網(wǎng)都提出了不同的服務要求，因此，在系統(tǒng)設計時應有相對應的設計規(guī)劃。

2 研究現(xiàn)狀與關鍵技術

不同的星群任務應用要求具有不同的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，無線信道變化的不規(guī)則性、節(jié)點的移動、加入、退出等也會引起網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。星群通過主動認知網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化特性，依據(jù)星間鏈路質(zhì)量，聯(lián)合網(wǎng)絡路由信息，尋找高質(zhì)量的星間鏈路，并且選擇合適的鄰居節(jié)點進行拓撲發(fā)現(xiàn)，從而降低組網(wǎng)開銷，提升對不同類型星群任務的支持能力。

2.1 基于節(jié)點拓撲規(guī)劃的時頻同步測量技術

編隊飛行相比于以往的星座或組網(wǎng)來說，要求各個參與編隊飛行的衛(wèi)星平臺之間的相互位置測量更為精確，并且編隊構(gòu)形更加穩(wěn)定，同時各個平臺之間發(fā)生信息交換，衛(wèi)星平臺之間的時鐘嚴格統(tǒng)一。編隊內(nèi)部各衛(wèi)星平臺之間時間同步的精度需求與具體任務目標有關，以本文第1 節(jié)列出的應用領域中，雖然都需要時間同步，但是比較而言，天基目標探測定位以及空間虛擬探測具有納秒級的高精度時間同步需求［8-10］。

在衛(wèi)星編隊網(wǎng)絡中完成全網(wǎng)時頻同步，需要將整個網(wǎng)絡中所有衛(wèi)星節(jié)點的時頻特性高精度同步到以一個或者數(shù)個衛(wèi)星節(jié)點所代表的時頻基準之上。由于衛(wèi)星編隊網(wǎng)絡的特殊性，相鄰衛(wèi)星節(jié)點距離較遠、相對運動速度抖動大、星上處理資源稀缺，在完成時頻同步的過程中，一個良好的網(wǎng)絡時頻同步方案，不僅僅需要從精度方面獲得精準的同步結(jié)果，還需要從收斂性、時效性、操作復雜度、資源占用度等多方面綜合考慮其性能。

對于全網(wǎng)時頻同步，需要從網(wǎng)絡時頻基準源選擇和同步過程規(guī)劃2 個階段進行考慮。

在時頻基準來源方面，通?？梢苑譃? 類：

1）外置基準：一些嚴格要求的絕對時頻同步的衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng)，其時頻基準一般由GPS、北斗等外置系統(tǒng)提供，或者從地面站獲取。在這樣的場景中，衛(wèi)星編隊網(wǎng)絡只能從能夠獲取這些絕對時頻信息的節(jié)點中選取一個（或者數(shù)個）時頻基準中心。

2）內(nèi)部基準：對于僅要求衛(wèi)星網(wǎng)絡內(nèi)部相對時頻進行同步的衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng)，其時頻基準中心的選取沒有外置因素的約束，只需要從網(wǎng)絡內(nèi)部選擇一個（或者數(shù)個）時頻基準中心，其他的節(jié)點與其進行同步。

從同步過程規(guī)劃方面，可以選用基于優(yōu)先級的星群時頻基準同步中心降級選擇方法。在這種方法中，星群衛(wèi)星的優(yōu)先級參數(shù)以是否存在外置基準作為衡量，以降低全網(wǎng)時頻同步時的級數(shù)作為目標，在網(wǎng)絡范圍內(nèi)計算并選取合適的一個（或者數(shù)個）衛(wèi)星節(jié)點作為星群網(wǎng)絡的時頻基準同步中心。該方法通過降級處理搜索的節(jié)點在作為時頻基準同步中心，可以減少同步過程中的收斂時間和精度誤差。

圖1 示意了同一網(wǎng)絡2 種不同時頻同步方案形成的處理情況。從圖中可以看到：方案1 時間基準節(jié)點位于網(wǎng)絡的邊緣位置，與網(wǎng)內(nèi)最遠節(jié)點距離達到4 跳，在第1 個時間周期（Slot1），其時間信息擴散到了與其相鄰的3 個節(jié)點上，在第2 個時間周期（Slot2），時間信息進一步擴散到了更遠的4 個節(jié)點上，最終，網(wǎng)絡需要4 個時間周期進行時間信息擴散，直到Slot4 才完成全網(wǎng)同步；而方案2 由于其時間基準節(jié)點位于全網(wǎng)的中心位置，與網(wǎng)內(nèi)最遠節(jié)點僅2 跳，僅使用2 個時間周期就可以達到同樣的效果。這個收斂時效性在一個變化的較大的衛(wèi)星編隊網(wǎng)絡中非常顯著和重要。

圖1 2 種不同時間同步方案處理情況Fig.1 Two different time synchronization schemes

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡時頻同步是逐級在相鄰衛(wèi)星節(jié)點間進行的，級間相對時頻同步存在微小誤差，隨同步級數(shù)逐次增加，和時頻基準的絕對誤差將會被放大，圖1 中方案1 形成的網(wǎng)絡同步誤差將遠大于方案2。當網(wǎng)絡范圍較大時，可以考慮降低處理的級數(shù)從而提升全網(wǎng)同步的精度。

采用基于優(yōu)先級的星群時頻基準同步中心降級選擇方法，星群衛(wèi)星的優(yōu)先級參數(shù)以是否存在外置基準作為衡量，以降低全網(wǎng)時頻同步時的級數(shù)作為目標，在網(wǎng)絡范圍內(nèi)計算并選取合適的一個（或者數(shù)個）衛(wèi)星節(jié)點作為星群網(wǎng)絡的時頻基準同步中心。該方法通過降級處理搜索的節(jié)點作為時頻基準同步中心，可以減少同步過程中的收斂時間和精度誤差。

在全聯(lián)通的衛(wèi)星網(wǎng)絡中，時頻同步需要所有的節(jié)點同步到時頻基準的一個（或者數(shù)個）節(jié)點上，這個過程符合廣播式處理方式。在解決這個問題時，基于生成樹的方式可以很好規(guī)避環(huán)路重復，泛洪方法從分布式角度考慮具有管理簡單、無需拓撲信息支持等優(yōu)點。結(jié)合兩者的技術優(yōu)勢，并考慮節(jié)點資源受限、同步任務均衡等方面考慮，采用基于任務均衡的樹形泛洪降級同步算法，需要基于衛(wèi)星節(jié)點處理能力的狀態(tài)，形成具體的重量權(quán)值參數(shù)，從而支持進行有限資源對全網(wǎng)時頻同步任務的均衡分擔。最終形成的同步處理過程可以具有資源與任務匹配、無資源浪費、處理級數(shù)少、操作簡單等特點。

2.2 網(wǎng)絡多域信息主動認知的組網(wǎng)路由技術

在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中，由于衛(wèi)星的移動導致星間鏈路存在不穩(wěn)定的情況，鏈路的壽命可定義為鏈路從形成到中斷的時間。任何一條路徑的通信壽命的穩(wěn)定性由路徑中的每條通信鏈路的穩(wěn)定性決定，具有更高壽命穩(wěn)定性的路徑可以大大降低在通信中出現(xiàn)的鏈路故障。與此同時，鏈路的通信能力受到衛(wèi)星資源，如頻譜、波束、天線、能源等的約束，為應對此類問題，自主組網(wǎng)協(xié)議通過聯(lián)合多維網(wǎng)絡狀態(tài)信息，采用主動認知的方式，能提前預防由于衛(wèi)星移動、干擾等因素導致的鏈路中斷［11-13］。如圖2 所示，衛(wèi)星節(jié)點依據(jù)移動狀態(tài)信息預測與其他衛(wèi)星之間鏈路的穩(wěn)定性，同時，依據(jù)多種資源信息預測鏈路狀態(tài)的變化趨勢。當衛(wèi)星節(jié)點預測到鏈路質(zhì)量處于下降趨勢時，主動中斷鏈路；當預測到新的鏈路性能滿足要求時，主動發(fā)送組網(wǎng)信令建立連接。主動組網(wǎng)的優(yōu)點在于可以提前預防網(wǎng)絡突發(fā)中斷，并且可預先建立穩(wěn)定鏈路，降低組網(wǎng)時延。

圖2 主動認知組網(wǎng)示意圖Fig.2 Active cognitive networking diagram

采用基于預測的運動路由準則，目的就是增加路由路徑通信壽命的穩(wěn)定性，從而來提高路由的性能。路由協(xié)議有能力提供多條用于源端和目的端通信的路徑，可以選擇其中通信壽命穩(wěn)定性最高的路徑作為通信鏈路。在衛(wèi)星通信中，利用最短的路徑（跳數(shù)最少）不一定是最優(yōu)的，因為衛(wèi)星具有較高的移動性，因而這種“最短路由”所產(chǎn)生的路徑可能在傳輸過程中中斷，而基于通信壽命穩(wěn)定性的這種路徑會更穩(wěn)定和具有更長的存活時間。

聯(lián)合網(wǎng)絡多維信息的組網(wǎng)機制的主要目標是，通過考慮源端衛(wèi)星和目的端衛(wèi)星之間的衛(wèi)星的移動特性（位置、速度和方向）來選擇最穩(wěn)定的路由路徑。通過分析路徑中衛(wèi)星的移動特性信息，可以初步預測在最近的一段時間內(nèi)這些衛(wèi)星的位置，從而來預測每對源和目的衛(wèi)星之間路徑的壽命。這種方法在最小化斷鏈風險、降低數(shù)據(jù)丟失和鏈路層傳輸層重傳方面同樣也是很有幫助的。

通過選擇s 和d 之間通信壽命穩(wěn)定性最高的鏈路作為其通信鏈路，假設s 和d 之間存在k條路徑，每條路徑有若干跳的中間節(jié)點，一跳路徑的穩(wěn)定性（PS）由該路徑中穩(wěn)定性最差的那條鏈路的穩(wěn)定性（LS）決定，如圖3 所示。

圖3 鏈路穩(wěn)定性計算示意圖Fig.3 Link stability calculation diagram

對于每條鏈路的穩(wěn)定性的計算：

其中分母部分是常量參數(shù)，主要由路由算法來決定，與路由表的有效期等因素有關。主要來看分子部分的計算，Lt［i，j］表示2 個相鄰的衛(wèi)星節(jié)點i和j從互相進入彼此的通信范圍以后到離開彼此的通信范圍為止的時間，這里設2 個相鄰衛(wèi)星節(jié)點之間的有效通信距離為R。對于Lt［i，j］的計算，通過如圖4 所示的笛卡爾直角坐標系X-Y進行分析，衛(wèi)星i和j在坐標系中的速度表示為

圖4 笛卡爾坐標系計算鏈路存活壽命Fig.4 Calculation of link lifetime with Cartesian coordinate system

鏈路的存活壽命進行如下的推導：

其中

所以有

因此為了計算鏈路的壽命只需要解方程式

當計算出相鄰衛(wèi)星之間的通信壽命以后，即可選擇中繼節(jié)點進行路由建立工作。

對于鄰居節(jié)點的選擇可以采用基于一跳的鏈路穩(wěn)定度或基于兩跳的鏈路穩(wěn)定度2 種方式進行選擇。

當采取基于一跳的鏈路穩(wěn)定度選擇時，衛(wèi)星節(jié)點i首先計算它到每個鄰居節(jié)點之間鏈路的全局穩(wěn)定性值，然后選擇穩(wěn)定性最高的鏈路所對應的鄰居衛(wèi)星作為第1 個鄰居成員，以此類推直到達到鄰居成員的上限。衛(wèi)星i到其某個鄰居衛(wèi)星j之間的全局穩(wěn)定性可計算如下：

當采取基于兩跳的鏈路穩(wěn)定度選擇時，衛(wèi)星節(jié)點i不僅考慮一跳可接入的鄰居衛(wèi)星，還要進一步考慮其兩跳可接入的衛(wèi)星，同樣也是考慮相鄰衛(wèi)星間鏈路的穩(wěn)定性，然后選擇穩(wěn)定性最高的鏈路所對應的鄰居衛(wèi)星作為第1 個鄰居成員，以此類推直到達到鄰居成員的上限。其全局穩(wěn)定性計算方式如下：

路徑構(gòu)建時，各衛(wèi)星節(jié)點對其鄰居成員集合中的節(jié)點進行控制信息的泛洪，以使得所有衛(wèi)星節(jié)點可以掌握全網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)從而建立路由信息表。由于之前已經(jīng)進行了鏈路穩(wěn)定性的分析和衛(wèi)星運動的預測，將這些信息增加到路由協(xié)議中，選擇傳輸壽命最穩(wěn)定的路由。通過考慮衛(wèi)星進行TC 消息傳輸時，在TC 消息中每個條目（其中保存有鄰居衛(wèi)星的ID）中加入相應的鏈路穩(wěn)定值，通過衛(wèi)星間進行消息交互即可使每個衛(wèi)星都可以建立一個全網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖，并且對于每個拓撲鏈路都有相應的鏈路穩(wěn)定度信息，有了這個拓撲結(jié)構(gòu)圖和相應的鏈路穩(wěn)定度信息，每個衛(wèi)星都可以計算通信壽命最穩(wěn)定的路由來建立路由列表，從而實現(xiàn)了組網(wǎng)的過程。

2.3 基于相控陣捷變波束指向的自組網(wǎng)通信技術

目前，將自組織網(wǎng)絡應用于組網(wǎng)通信系統(tǒng)的大多數(shù)研究都是使用基于全向天線的簡單射頻物理層方案。在全向天線方案中，處于通信距離范圍中的節(jié)點均可接收到任一發(fā)送節(jié)點的無線信號，便于自組織網(wǎng)絡中的鄰居發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡拓撲探測，在進行時間同步交互時，無需進行復雜的天線指向控制［14］。

采用全向天線會帶來如下問題：①低數(shù)據(jù)速率；②在業(yè)務流量需要的范圍內(nèi)鏈路的余量不足；③不可控制的空間射頻信號；④對干擾極其敏感以致無法工作；⑤信道復用共享效率低［15-16］。

在一些低軌衛(wèi)星星座組網(wǎng)項目中，典型星間距離為3 000 km，星間通信頻段為Ka 頻段，采用捷變波束的相控陣天線實現(xiàn)遠距離高增益的波束指向。星間自組網(wǎng)方案采用TDMA 體制，簇內(nèi)各衛(wèi)星間通過主從同步方式進行精確的時間同步，傳統(tǒng)的自組網(wǎng)通信采用全向天線，便于節(jié)點在全空間內(nèi)發(fā)現(xiàn)待同步節(jié)點，并進行同步信令的交互，完成主從節(jié)點間的開環(huán)同步和閉環(huán)同步。

在由移動節(jié)點構(gòu)成的動態(tài)網(wǎng)絡中應用定向天線時，要求在鏈路的發(fā)送和接收兩端保持天線指向的協(xié)調(diào)一致，以實現(xiàn)星簇內(nèi)所有節(jié)點間同步信令的交互。

在這種定向波束指向下，如何提供一種能控制大量具有定向天線的移動節(jié)點之間通信，在星簇多節(jié)點間實現(xiàn)高效、有序的星間同步方法是急需解決的問題。

為了支持快響應和高動態(tài)的網(wǎng)絡，需要應用一種算法或協(xié)議來控制大量具有定向天線的移動節(jié)點之間的通信。

可以采用基于捷變波束指向的自組織網(wǎng)絡時間同步方法采用節(jié)點身份預先配置的方式；非基準節(jié)點在收到同步消息前保持監(jiān)聽狀態(tài)，其相控陣波束始終指向基準節(jié)點，基準節(jié)點在開機后以輪詢的方式分別指向各非基準節(jié)點，并發(fā)送時間同步廣播；非基準節(jié)點在確認了各自與基準節(jié)點的同步時隙后，其余時隙用于輪詢其他無法與基準節(jié)點直接相連的下一級子節(jié)點；輪詢下級子節(jié)點時，下級子節(jié)點均保持靜默狀態(tài)，接收到上級節(jié)點的同步輪詢幀后，確認自身的同步時隙位置，并在其他非同步時隙輪詢下一級子節(jié)點，依次類推，完成網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點同步時隙的選取及校時；根據(jù)相控陣天線“預先設置、到點執(zhí)行”的控制特點，設置合適的控制時隙用于傳輸時延保護及相控陣天線的指向計算和波控執(zhí)行時延，以此避免收發(fā)狀態(tài)沖突。

2.3.1 節(jié)點初始化及節(jié)點同步拓撲確認流程

節(jié)點開機后根據(jù)已上注的同步拓撲參數(shù)將自身的角色設置為時間同步基準節(jié)點和非基準節(jié)點?；鶞使?jié)點建立系統(tǒng)超幀，并確定收發(fā)時隙。所有非基準節(jié)點確認自身在同步拓撲中的上級節(jié)點和下級節(jié)點，所有下級節(jié)點在與上級節(jié)點完成時間同步前，均使其天線始終指向上級節(jié)點并維持接收狀態(tài)，等待接收上級節(jié)點發(fā)送給自已的同步幀。天線指向由相控陣天線根據(jù)本星軌道和目標星軌道計算得出。節(jié)點初始化及節(jié)點同步拓撲確認流程如圖5 所示。

圖5 節(jié)點初始化及節(jié)點同步拓撲確認流程Fig.5 Node initialization and topology synchronization confirmation process

2.3.2 時間同步逐級傳遞流程

不是所有的節(jié)點都可與基準節(jié)點一跳可見，因此，時間基準應根據(jù)同步拓撲的連接關系，逐級從離基準節(jié)點一跳可見的節(jié)點擴散到全網(wǎng)，實現(xiàn)全網(wǎng)所有節(jié)點均具有統(tǒng)一的時間基準，即完成全網(wǎng)的時間同步。

時間逐級傳遞的流程包含以下幾個階段：

1）節(jié)點在非同步狀態(tài)下

步驟1節(jié)點天線始終指向上級節(jié)點，等待來自上級節(jié)點的同步幀。

步驟2與上組節(jié)點完成一次同步交互后，更新本地時間，進入同步狀態(tài)。

2）節(jié)點在同步狀態(tài)下

步驟1判斷當前復幀是否為本節(jié)點向上級節(jié)點的同步維持復幀。

步驟2若是，則控制相控陣天線指向上級節(jié)點，等待來自上級節(jié)點的同步幀；若不是，則控制相控陣天線依次指向下級節(jié)點，并向下級節(jié)點發(fā)送同步幀，以觸發(fā)同步流程。

步驟3上、下級節(jié)點完成時間同步流程交互，下級節(jié)點調(diào)整本地時鐘。

時間同步逐級傳遞流程如圖6 所示。

圖6 時間同步逐級傳遞流程Fig.6 Step by step transmission process in time synchronization

2.3.3 上下級節(jié)點時間同步過程

上下級節(jié)點時間同步過程分為上級節(jié)點發(fā)送同步幀、下級節(jié)點發(fā)送請求幀和上級節(jié)點應答下級節(jié)點3 個主要過程，具體同步流程如下：

步驟1節(jié)點間的上下級節(jié)點時間同步流程在復幀起始的若干個時隙中進行，首先由上級節(jié)點向待同步下級節(jié)點發(fā)送同步幀，用于確定本次進行時間同步的目標下級節(jié)點，接收到同步幀的下級節(jié)點開始后續(xù)同步流程，未收到同步幀的下級節(jié)點不執(zhí)行后續(xù)同步流程。

步驟2接收到同步幀的下級節(jié)點將本地鐘面時tson_send填入請求幀后，向上級時鐘節(jié)點發(fā)送請求幀，上級節(jié)點利用接收到的下級節(jié)點發(fā)送前沿的鐘面時tson_send與接收到請求幀前沿的時間tfather_arrive計算本地偽距tα：

步驟3上級節(jié)點將本地鐘面時tfather_send與本地偽距tα填寫到應答幀發(fā)送回下級節(jié)點。下級節(jié)點利用接收到的上級節(jié)點發(fā)送前沿的鐘面時tfather_send與接收到同步幀前沿的時間tson_arrive計算本地偽距tβ：

步驟4下級節(jié)點根據(jù)測得的本地偽距tβ及接收到上級節(jié)點的本地偽距tα可計算得到2 節(jié)點間鐘差Δt：

步驟5并據(jù)此對時鐘進行調(diào)整，下級節(jié)點的時間加上Δt即可實現(xiàn)下級節(jié)點與上級節(jié)點的時間同步。

上下級節(jié)點時間同步過程如圖7 所示。

圖7 上下級節(jié)點間的時間同步過程Fig.7 Time synchronization process between upper and lower nodes

基于捷變波束指向的自組織網(wǎng)絡時間同步方法，根據(jù)各節(jié)點的收發(fā)需求，控制各接收節(jié)點的波束隨動指向發(fā)送節(jié)點，在時隙編排中設計一定數(shù)量的同步時隙，結(jié)合相控陣天線的使用要求，以提前預約的方式，分別對主從節(jié)點的波束指向進行控制，在各同步時隙中有序完成同步信令的交互，實現(xiàn)節(jié)點間時間同步。同時，在復幀的時隙安排中，各節(jié)點以輪詢的方式，分別與主節(jié)點完成時間同步，最終實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步和多用戶數(shù)據(jù)通信。

3 總結(jié)與展望

當前空間自組網(wǎng)技術已經(jīng)有了一些技術積累和工程實踐，論文基于對空間自組網(wǎng)技術發(fā)展現(xiàn)狀的認識，思考總結(jié)一些開放性問題及其發(fā)展趨勢如下。

3.1 提升衛(wèi)星鏈路抗干擾能力

低軌衛(wèi)星飛行軌道高度通常在數(shù)百～1千公里，組網(wǎng)微波通信鏈路易受地面復雜電磁環(huán)境影響，受國際電聯(lián)頻譜選用限制，可選工作頻段、帶寬有限。境內(nèi)與海外不同區(qū)域的頻譜使用狀況缺少足夠數(shù)據(jù)支撐，給頻段選擇帶來了困難，空間頻譜詳查與數(shù)據(jù)積累十分必要。

低軌衛(wèi)星群網(wǎng)規(guī)模快速增長，軌道、軌位、頻譜資源短缺與沖突等問題更加突顯。不同集群、系統(tǒng)、網(wǎng)絡間的互聯(lián)需求快速增長，需要統(tǒng)籌規(guī)劃頻段與鏈路以解決互聯(lián)互通問題。

低軌衛(wèi)星通常為微小型衛(wèi)星，重量、功耗等要求嚴苛，抗干擾技術應用受到一定限制；一方面要保證星間的連通性、可見性，另一方面需要考慮干擾抑制，對星間天線設計提出了較高的要求；系統(tǒng)設計需要綜合運用擴頻、跳頻、天線調(diào)零等多維域抗干擾通信技術手段，以盡量低的資源開銷獲得較好的抗干擾效果。

3.2 提升衛(wèi)星網(wǎng)絡抗毀自愈能力

中、低軌衛(wèi)星地面可見時段受限，空間任務環(huán)境復雜，完全依賴地面控制的方式存在響應不及時、無法操作等風險，難以滿足多樣化的任務要求。同時，當網(wǎng)絡規(guī)模持續(xù)擴大時，完全依賴地面集中控制將變得非常復雜，應用衛(wèi)星群網(wǎng)自主構(gòu)建與維護技術將成為必然的發(fā)展趨勢［17］。

針對由于故障導致拓撲發(fā)生改變的衛(wèi)星網(wǎng)絡，可以采用節(jié)點遷移的方式，利用衛(wèi)星變軌技術等，調(diào)度衛(wèi)星節(jié)點的臨近鏈接關系，從而克服故障導致的網(wǎng)絡割裂障礙，恢復剩余節(jié)點的網(wǎng)絡聯(lián)通能力。而星群自主運行涉及衛(wèi)星間通信組網(wǎng)及衛(wèi)星單星運控2 個專業(yè)方向，跨專業(yè)的技術深度融合發(fā)展，才能使得星群在面臨節(jié)點動態(tài)遷移、任務重構(gòu)等情況下，保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行，使得網(wǎng)絡具有更強的魯棒性，為星群連通提供可靠的網(wǎng)絡基礎。

3.3 星間激光通信面臨技術挑戰(zhàn)

空間激光通信技術結(jié)合了無線電通信和光纖通信的優(yōu)點，以激光為載波進行通信。空間激光通信技術具有抗干擾能力強、安全性高、通信速率高、波段選擇方便及信息容量大的優(yōu)勢［18-19］。

隨著空間圖像、視頻等大帶寬業(yè)務應用被不斷發(fā)掘，星間鏈路能力需求必然會迅速提升；激光通信等技術的不斷成熟，其大帶寬的優(yōu)勢，必將成為星間鏈路的首選。

2017 年我國在實踐十三號高通量衛(wèi)星的星地激光通信終端開展的首次高軌衛(wèi)星對地高速激光雙向通信試驗取得成功，40 000 km 星地距離最高速率為5 Gbps，這些試驗在系統(tǒng)設計、捕獲得跟蹤技術和光波的大氣傳輸特性等方面為我國空間激光通信技術的研究積累了寶貴經(jīng)驗。

但激光通信應用于低軌衛(wèi)星間的最大技術難點在于：衛(wèi)星平臺的姿態(tài)穩(wěn)定性難以滿足激光鏈路捕獲跟蹤容限的最大范圍要求。實現(xiàn)快速、大概率、大范圍的光束捕獲和穩(wěn)定的高帶寬、高精度光束跟蹤是空間激光通信瞄準、捕獲、跟蹤技術研究的核心目標。