全球星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用探析

申建華，高東博，宋海濤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，河北 石家莊　050081)

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全球星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用探析

申建華，高東博，宋海濤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，河北 石家莊050081)

星間鏈路網(wǎng)絡(luò)以衛(wèi)星為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，基于星間鏈路實(shí)現(xiàn)信息傳輸，覆蓋全球范圍的綜合信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。其具有全球的網(wǎng)絡(luò)特性、高度自主可控特性、時(shí)間同步特性、星地星間無(wú)縫組網(wǎng)等特色，可向用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展、信息交互與資源共享、測(cè)試、管理、認(rèn)證等多種接入服務(wù)。本文介紹了全球星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景，并分析探討了星間鏈路網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向及需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

星間鏈路； 信息監(jiān)測(cè)； 網(wǎng)絡(luò)傳輸

0　引言

21世紀(jì)是信息全球化大發(fā)展的時(shí)代，在信息站愈演愈烈的情況下，只有通過(guò)面向全球的星基網(wǎng)絡(luò)信息交互與傳輸，實(shí)現(xiàn)地面、星地、星間多網(wǎng)融合，建立全面、快速、有效的網(wǎng)絡(luò)管理體系，才能支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展[1]。

星間鏈路網(wǎng)絡(luò)，以衛(wèi)星作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)基于星間鏈路的信息傳輸，是當(dāng)前衛(wèi)星通訊、導(dǎo)航、偵查等領(lǐng)域探討與建設(shè)的創(chuàng)新性技術(shù)核心之一。完整的星間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，具備發(fā)展成為全球星基信息交互傳輸網(wǎng)絡(luò)的特質(zhì)，即全球的網(wǎng)絡(luò)特性、高度自主可控特性、時(shí)間同步特性、星地星間無(wú)縫組網(wǎng)等。基于星間組網(wǎng)的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)可向用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展、信息交互與資源共享、測(cè)試、管理、認(rèn)證等多種接入服務(wù)。其覆蓋的服務(wù)對(duì)象包括車(chē)載設(shè)備，彈載設(shè)備，艦載設(shè)備，在軌飛行器，處于高原、極地、遠(yuǎn)洋、外太空等各種環(huán)境下的接入設(shè)備等提供信息傳輸服務(wù)[2-5]。

星基網(wǎng)絡(luò)的核心作用主要體現(xiàn)在通過(guò)星間鏈路實(shí)現(xiàn)信息資源的交互與共享，將接入對(duì)象獲取的通信、遙感、測(cè)繪、預(yù)警等信息通過(guò)適當(dāng)?shù)膫鬏斅窂椒职l(fā)到各有關(guān)部門(mén)。通過(guò)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)的將任意位置飛機(jī)的ADSB信息發(fā)送給地面管控部門(mén)，從而有效降低MH370等航難事件發(fā)生的概率；各種應(yīng)用衛(wèi)星獲取的地形、氣象、水文與海洋環(huán)境等測(cè)繪信息，可以在全球范圍內(nèi)進(jìn)行高速的信息傳輸，提高信息更新時(shí)間的有效率；利用星間鏈路網(wǎng)絡(luò)，可以在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地連接指揮系統(tǒng)及作戰(zhàn)平臺(tái)，從而大大提高軍事作戰(zhàn)能力。

1　星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的組成

星基網(wǎng)絡(luò)在組成上包括攜帶各種傳感器、天線等設(shè)備的航天器、衛(wèi)星星座以及相關(guān)的地面支持系統(tǒng)，從而構(gòu)造多組成、分布廣泛、響應(yīng)智能化的天地一體綜合信息網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)以衛(wèi)星為主要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，信息種類(lèi)多樣化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)龐大的復(fù)雜系統(tǒng)[6-7]。如圖1所示，組成星基網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備可分為星間鏈路、星地鏈路兩大部分。

圖1　星基網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成圖

星間鏈路設(shè)備的核心為高軌道節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星、低軌道節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星組成的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)低軌道節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)與服務(wù)對(duì)象的信息交互；通過(guò)高軌道節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)低軌道衛(wèi)星間的信息傳遞，從而構(gòu)成星間鏈路。采用星間鏈路實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在空間組網(wǎng)，衛(wèi)星與衛(wèi)星之間可通過(guò)星間鏈路直接交換信息，從而大大增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的自主性、安全性和靈活性，最大限度的擺脫對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)的依賴(lài)，具備更短的路由時(shí)延和更大的通信容量。

星地鏈路可實(shí)現(xiàn)各種地面接入終端、空中接入終端之間的信息傳輸，并提供接入地面網(wǎng)信息傳輸?shù)穆窂叫情g鏈路，也可直接服務(wù)于在軌飛行器等外太空設(shè)備。為處于盲區(qū)內(nèi)的飛行器提供有效且穩(wěn)定的對(duì)地信息傳輸路徑，從而支撐人類(lèi)探索未知空域的能力。

2　星間鏈路時(shí)間頻率性能測(cè)試評(píng)估技術(shù)

星間鏈路系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的空間系統(tǒng)，高穩(wěn)定、高精度的系統(tǒng)時(shí)間頻率是其功能實(shí)現(xiàn)和性能提升的基本保障。目前對(duì)衛(wèi)星間鏈路系統(tǒng)的時(shí)間頻率指標(biāo)體系測(cè)試評(píng)估存在多方面的困難，缺乏系統(tǒng)級(jí)的時(shí)間頻率評(píng)估理論與方法，時(shí)間頻率功能指標(biāo)體系不易獨(dú)立測(cè)量，同時(shí)缺乏時(shí)間頻率理論的信號(hào)平穩(wěn)性分析和指標(biāo)分解工具。

目前時(shí)間頻率指標(biāo)體系的測(cè)評(píng)方法有時(shí)間頻率性能帶限方法，時(shí)間頻率可微度方法等。時(shí)間頻率性能帶限方法是將系統(tǒng)中的時(shí)間頻率體系功能進(jìn)行分解，對(duì)其指標(biāo)體系相關(guān)性進(jìn)行分析，對(duì)指標(biāo)的合理性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)指標(biāo)的浮動(dòng)性進(jìn)行分析，并最終建立多目標(biāo)優(yōu)化的評(píng)估指標(biāo)體系過(guò)程，整個(gè)過(guò)程主要分為指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性分析、指標(biāo)帶限分析和指標(biāo)體系的優(yōu)化測(cè)評(píng)3個(gè)過(guò)程。時(shí)間頻率可微度主要用于分析評(píng)估時(shí)間頻率信號(hào)和數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性。通過(guò)可微度分析計(jì)算來(lái)評(píng)估數(shù)據(jù)更新、參數(shù)建模、模型預(yù)報(bào)、以及冗余切換、信號(hào)控制和保持駕馭的策略和技術(shù)的有效性。

國(guó)內(nèi)外有多家科研機(jī)構(gòu)在具體從事時(shí)間頻率性能測(cè)試評(píng)估工作，如中科院國(guó)家授時(shí)中心采用了多徑聯(lián)合監(jiān)測(cè)和雙向鏈路直接比對(duì)的方法對(duì)北斗系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間偏差監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)，取得了較為理想的成果。

3　衛(wèi)星星座及有效載荷性能監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)

有效載荷是衛(wèi)星空間段的重要組成部分，星間鏈路系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)提供信息交互傳輸?shù)确?wù)，各節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星有效載荷必須能夠提供連續(xù)的、精確的、高完善性的信號(hào)。

衛(wèi)星有效載荷的集成測(cè)試評(píng)估技術(shù)研究關(guān)系到工程衛(wèi)星性能評(píng)估、批量測(cè)試的技術(shù)支撐，同時(shí)集成測(cè)試的相關(guān)技術(shù)還可以從地面段延伸到空間段的在軌測(cè)試。衛(wèi)星星座及有效載荷測(cè)試驗(yàn)證主要包括：上行注入測(cè)試評(píng)估技術(shù)、下行接收信號(hào)評(píng)估技術(shù)、星間鏈路性能測(cè)試評(píng)估技術(shù)、星上時(shí)頻系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估技術(shù)、在軌衛(wèi)星星上處理交換及傳輸實(shí)時(shí)性測(cè)試技術(shù)以及通信功能測(cè)試技術(shù)。美國(guó)和歐洲針對(duì)各自的衛(wèi)星都建立了專(zhuān)用的試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)和試驗(yàn)場(chǎng)，可以對(duì)衛(wèi)星的衛(wèi)星天線及有效載荷的多通道DC、數(shù)字、模擬、RF/微波進(jìn)行測(cè)試。在在軌衛(wèi)星有效載荷實(shí)時(shí)檢測(cè)評(píng)估技術(shù)方面，美國(guó)是最早開(kāi)展相關(guān)研究的國(guó)家，NASA將人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到衛(wèi)星在軌的狀態(tài)監(jiān)視、故障檢測(cè)、故障診斷等領(lǐng)域，并取得了較好的成果。

在衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)估方面，美國(guó)斯坦福大學(xué)、日本電子導(dǎo)航研究所、德國(guó)宇航研究院等機(jī)構(gòu)都構(gòu)建了各自的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，采用高增益天線及全向天線相結(jié)合的方式，利用通用儀器設(shè)備及專(zhuān)用檢測(cè)接收機(jī)，對(duì)空間質(zhì)量信號(hào)開(kāi)展監(jiān)測(cè)和評(píng)估。這些機(jī)構(gòu)間也開(kāi)展了國(guó)際合作，共同對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估。通過(guò)完善的信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析和研究，為故障排除提供了有價(jià)值的參考依據(jù)，從而幫助衛(wèi)星系統(tǒng)故障得到及時(shí)解決。

與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平比較，我國(guó)對(duì)于有效載荷測(cè)試評(píng)估方法的研究起步相對(duì)較晚，但是經(jīng)過(guò)眾多專(zhuān)家學(xué)者以及科研機(jī)構(gòu)的多年的努力，在有效載荷的集成測(cè)試評(píng)估和在軌衛(wèi)星載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)方面[5]都取得了一系列成果。而在測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)建設(shè)方面存在較大差距，國(guó)內(nèi)主要利用各類(lèi)分離、不成體系的大型地面站系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行對(duì)接測(cè)試，比較浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力。針對(duì)北斗全球系統(tǒng)建設(shè)，也需要研究一體化的衛(wèi)星有效載荷集成測(cè)試與評(píng)估系統(tǒng)和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星有效載荷方便、成體系的測(cè)試評(píng)估。

4　星間鏈路的發(fā)展與應(yīng)用

星間鏈路及其管理系統(tǒng)是由空間節(jié)點(diǎn)和地面節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的動(dòng)態(tài)測(cè)量、通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具有全時(shí)段、全空域覆蓋能力，同時(shí)具有雙向數(shù)據(jù)通信和高精度測(cè)量功能。星間鏈路采用毫米波頻段信號(hào)傳輸，頻段高，可用帶寬寬，有利于設(shè)備的小型化和高速數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)信息傳輸采用擴(kuò)頻調(diào)制體制，具有一定“三抗、三防”能力。隨著我國(guó)星間鏈路建設(shè)的展開(kāi)與完善，星間鏈路可著重在以下方面進(jìn)行服務(wù)。

第一層次應(yīng)用：在目前設(shè)計(jì)的星間鏈路技術(shù)狀態(tài)下，為接入用戶(hù)提供服務(wù)。

?支持衛(wèi)星等在軌航天器的測(cè)控通信。利用其全時(shí)段、全空域覆蓋能力，為重點(diǎn)航天設(shè)備提供跟蹤、測(cè)量、遙測(cè)、遙控等測(cè)控支持。

?運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈的跟蹤測(cè)量、彈道修正和精度評(píng)估；

?支持新型武器試驗(yàn)；

?支持空間作戰(zhàn)對(duì)抗。

第二層次擴(kuò)展應(yīng)用：瞄準(zhǔn)建設(shè)天地一體化通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。

?以北斗星間鏈路為基礎(chǔ)，構(gòu)建天基測(cè)控通信網(wǎng)絡(luò)，作為我國(guó)未來(lái)天地一體化測(cè)控通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

未來(lái)的星間鏈路擴(kuò)展應(yīng)用需著重對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行研究探索：

(1)按照“低速率捷變鏈路”加“高速率固定鏈路”模式配置星間鏈路?！暗退俾式葑冩溌贰庇糜陟`活建鏈，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通；“高速率固定鏈路”用于連接空中和地面骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)的整體承載能力，可以采用光通信和毫米波頻段高速數(shù)傳的實(shí)現(xiàn)方式。

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)星間鏈路的快速、自主接入。有的星間鏈路的擴(kuò)展用戶(hù)不具有其它通信鏈路，自身的運(yùn)動(dòng)軌跡也并非預(yù)知，無(wú)法提前裝訂，因此不管是從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展還是應(yīng)用需求來(lái)看，星間鏈路需要具有快速、自主接入能力，在作用距離范圍實(shí)現(xiàn)自主建鏈。需要解決天線自主搜索指向、自主雙向建鏈判決、自主信息交換等關(guān)鍵技術(shù)。在這方面，可以借鑒移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、美軍戰(zhàn)術(shù)通信數(shù)據(jù)鏈等相關(guān)技術(shù)。

(3)提高捕獲能力，降低對(duì)時(shí)鐘精度和鐘差的要求。星間鏈路的擴(kuò)展用戶(hù)大多為中低軌道航天器、火箭、導(dǎo)彈等高動(dòng)態(tài)目標(biāo)，需要具有高效的建鏈能力，自主獲取鐘差并進(jìn)行補(bǔ)償，降低對(duì)時(shí)鐘精度和鐘差的要求。

(4)網(wǎng)絡(luò)化星間鏈路信息交換協(xié)議。要構(gòu)建包括星間鏈路在內(nèi)的天地一體化測(cè)控通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)化信息交換協(xié)議是實(shí)現(xiàn)鏈路自主接入，空間信息按需、靈活、快速交換的基礎(chǔ)。需要借鑒互聯(lián)網(wǎng)，并結(jié)合星間鏈路的特點(diǎn)，制定根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化星間鏈路信息交換協(xié)議。

(5)星間鏈路的軟件可重構(gòu)技術(shù)。星間鏈路的技術(shù)發(fā)展需要分階段逐步推進(jìn)，因此在星間鏈路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上宜采用軟件無(wú)線電的體系架構(gòu)，能夠通過(guò)軟件加載的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)充、版本升級(jí)。

5　總結(jié)

對(duì)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍與應(yīng)用前景進(jìn)行了深入的分析探討，星間鏈路網(wǎng)絡(luò)以其100%的全球覆蓋能力，將會(huì)成為支撐通信、導(dǎo)航、偵查與外太空探測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的重要基礎(chǔ)技術(shù)。目前，星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的研究還比較薄弱，未來(lái)星間鏈路的大發(fā)展需要在網(wǎng)絡(luò)時(shí)頻性能、衛(wèi)星信號(hào)測(cè)試評(píng)估以及應(yīng)用能力等多個(gè)方面進(jìn)行更深入的研究。

[1]羅大成，劉巖，劉曉飛，徐萍，王秋妍.導(dǎo)間鏈路技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電訊技術(shù)，2014,54(7):1016-1024.

[2]林益明，何善寶，鄭晉軍，初海彬.全球?qū)Ш叫亲情g鏈路技術(shù)發(fā)展建議[J].航天器工程,2010,19(6):1-7.

[3]劉宇宏,葉曦,姚崇斌. 星間鏈路在空間態(tài)勢(shì)感知中的應(yīng)用研究[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),2014,33(5):427-434.

[4]馬凱學(xué),陳明章,管仲成.星間通信技術(shù)發(fā)展及共性問(wèn)題研究[J].空間電子技術(shù),2002,3:18-23.

[5]徐勇,常青,于志堅(jiān).GNSS星間鏈路測(cè)量與通信新方法研究[J].中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué)，2012，(02):230-240.

[6]田雍容,盧曉春,黃飛江.多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星間鏈路性能分析與設(shè)計(jì)[J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2010，(02):140-145.

[7]吳廷勇.非靜止軌道衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)和星際鏈路研究[D].電子科技大學(xué)，2008.

Analysis about development and applications of global inter-satellite link

SHEN Jian-hua，GAO Dong-bo,SONG Hai-tao

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The inter-satellite link utilizes the satellite as network node and realizes a global-covered comprehensive information transmission network.The inter-satellite link has many advantages,as the global network,high autonomous control,time synchronous,and efficiency netting between satellite-to-ground and satellite-to-satellite,and it can provide the net extend service,information exchanges,examination,management and identifications. This paper introduces the applications of the global inter-satellite link and discusses its development trends.

Inter-satellite link; Information monitoring; Network transmission

2016-03-30

申建華(1986-)，男，工程師,主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航.

1001-9383(2016)02-0035-04

TN713

A