北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心 劉文華
天津津航計(jì)算技術(shù)研究所 李 鵬 鐘玲玲
天基平臺(tái)是目前各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性重大項(xiàng)目之一,微小衛(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)技術(shù)是天基平臺(tái)的重要研究方向。微小衛(wèi)星具有質(zhì)量輕、體積小、成本低和研制周期短等眾多優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用前景十分廣闊,因而受到了各國(guó)航天部門的高度重視。發(fā)展微小衛(wèi)星技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防系統(tǒng)的建設(shè)具有重要意義。在軍事領(lǐng)域,小衛(wèi)星在未來信息戰(zhàn)中不可或缺;在民用領(lǐng)域,小衛(wèi)星可用于技術(shù)演示、科學(xué)研究、空間探測(cè)、衛(wèi)星通信和對(duì)地觀測(cè)等。自20世紀(jì)80年代中期以來,全球已發(fā)射300余顆多種用途的現(xiàn)代小衛(wèi)星,并對(duì)各行業(yè)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。
微小衛(wèi)星具有質(zhì)量輕、積小、成本低和研制周期短等眾多優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用前景十分廣闊。單顆微小衛(wèi)星的功能無法與大衛(wèi)星相比。但隨著功能的日益復(fù)雜,大衛(wèi)星的研制成本越來越高,風(fēng)險(xiǎn)也越來越大。而由多顆微小衛(wèi)星以組網(wǎng)或編隊(duì)方式形成的微小衛(wèi)星星座,則不僅能完成單個(gè)大型空間飛行器的功能,而且可大幅降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。
與大顆單衛(wèi)星相比,微小衛(wèi)星星座的優(yōu)點(diǎn)主要有:
(1)單顆小衛(wèi)星質(zhì)量輕,功能簡(jiǎn)單,可有效降低衛(wèi)星的制造和發(fā)射成本,同時(shí)能簡(jiǎn)化日常的操作維護(hù),進(jìn)而減少衛(wèi)星的全壽命費(fèi)用。
(2)通過衛(wèi)星的互聯(lián),能以更高的性能完成任務(wù)。
(3)與單星相比,采用分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)更能容忍單點(diǎn)故障。當(dāng)某顆虛擬衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí),可通過系統(tǒng)重構(gòu)將其排除在系統(tǒng)外,最大限度地消除故障影響。若有意識(shí)地改變各虛擬衛(wèi)星間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),則能實(shí)時(shí)改變系統(tǒng)的性能指標(biāo),獲得最適于執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)所需的能力[1~4]。
隨著微小衛(wèi)星星座的出現(xiàn),小型化、更快、更便宜的用戶概念即將在空間進(jìn)行試驗(yàn)。如由3顆或3顆以上衛(wèi)星為一組編隊(duì)飛行,并可重新組合以滿足多種任務(wù)的需要。針對(duì)高指標(biāo)要求,強(qiáng)化并豐富微小衛(wèi)星在軌能力,需要全面突破新型編隊(duì)及組網(wǎng)技術(shù),解決衛(wèi)星星座組網(wǎng)總體設(shè)計(jì)、新型星間編隊(duì)維持等核心技術(shù),本文提出的方案重點(diǎn)解決微小衛(wèi)星組網(wǎng)時(shí)相互間的數(shù)據(jù)傳輸問題。
根據(jù)發(fā)展趨勢(shì),研究微小衛(wèi)星星座編隊(duì)組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是完全必要和適時(shí)的。綜合美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究項(xiàng)目局及科林斯(Rockwell Collins)公司公開的資料和演示驗(yàn)證試驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道,TTNT(Tactical Targeting Network Technology)技術(shù)采用的核心新技術(shù)主要集中在高動(dòng)態(tài)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大容量、高動(dòng)態(tài)、抗截獲、抗干擾的信息處理技術(shù)。微小衛(wèi)星星座編隊(duì)組網(wǎng)技術(shù)借鑒TTNT技術(shù),把基于IP的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)引入衛(wèi)星組網(wǎng),這種架構(gòu)在民用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,技術(shù)非常成熟,只需在其基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn),就可實(shí)現(xiàn)微小衛(wèi)星星座編隊(duì)組網(wǎng)的需求,可以極大的縮短開發(fā)周期,同時(shí)降低研制成本。
近年來,各國(guó)利用多顆微小衛(wèi)星組成全球分布式星座、星網(wǎng),實(shí)現(xiàn)單顆大衛(wèi)星的功能。
在軍事方面,現(xiàn)代小衛(wèi)星以其快速靈活的發(fā)射方式和非常短的研制周期,在局部突發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)的軍事偵察中顯示出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。另外,現(xiàn)代小型戰(zhàn)術(shù)成像衛(wèi)星的地面分辨率可優(yōu)于1m,覆蓋寬度達(dá)數(shù)百公里,與以往的大偵察衛(wèi)星相當(dāng),但質(zhì)量?jī)H為200~300kg,壽命可達(dá)5年。用多顆低軌道偵察小衛(wèi)星組成的星網(wǎng),可對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)敏感地區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)視,在局部或周邊戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。如在科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中,美軍就動(dòng)用了包括KH12、長(zhǎng)曲棍球、太陽(yáng)神l和其他小衛(wèi)星在內(nèi)的,由10~12顆衛(wèi)星組成的成像偵察衛(wèi)星系統(tǒng),并獲得了大量的情報(bào)。
在美國(guó)空軍的2025年作戰(zhàn)設(shè)想中,小衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)將承擔(dān)起向參戰(zhàn)人員提供實(shí)時(shí)不間斷信息服務(wù)的任務(wù),同時(shí)成為對(duì)付反衛(wèi)星武器的有效手段。美國(guó)防部將小型通信衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星和預(yù)警衛(wèi)星作為小衛(wèi)星發(fā)展的重點(diǎn)。其中,最具代表性的是包括20~30顆小型低軌道預(yù)警衛(wèi)星的SBIRS-Low及至少有20 顆小型偵察衛(wèi)星的Starlite系統(tǒng)等。
英國(guó)國(guó)防部也考慮用由數(shù)百顆如壘球大小的衛(wèi)星組成的低軌衛(wèi)星網(wǎng),滿足作戰(zhàn)部隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)通信的需求。它由50~100顆衛(wèi)星組成一條衛(wèi)星鏈路,地面用戶使用超高頻(UHF)向衛(wèi)星發(fā)送信息,信息在衛(wèi)星間快速傳送到目的地。
在民用方面,由多顆小衛(wèi)星構(gòu)成的通信衛(wèi)星網(wǎng)不僅可實(shí)現(xiàn)全球直接通信,使手機(jī)成為名副其實(shí)的全球通,而且具有發(fā)射功率低、延遲小和無死角等優(yōu)點(diǎn),市場(chǎng)前景十分廣闊。由小衛(wèi)星組成的遙感衛(wèi)星星座,可同時(shí)具備高的時(shí)間和空間分辨率,在獲取環(huán)保等與人類生存有關(guān)的信息方面,具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。如美國(guó)全球星公司的全球星原星座由分布于8個(gè)軌道平面的48顆低軌道衛(wèi)星組成,可提供全球無縫覆蓋的話音、傳真、數(shù)據(jù)、短信息等移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。當(dāng)數(shù)顆在軌衛(wèi)星業(yè)務(wù)失敗后,公司通過變軌等手段,對(duì)在軌運(yùn)行衛(wèi)星進(jìn)行重組,形成由分布于8個(gè)軌道平面的40顆衛(wèi)星組成的新星座。印度擁有目前世界上最大的全球遙感衛(wèi)星星群,由66顆星6軌道組成,目前在軌運(yùn)行的有IRS-1C,IRS-1D,IRS-P3,IRS-P4和TES等衛(wèi)星。2003年10月17日,又發(fā)射了運(yùn)行于高800km的IRS-P6太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星,除提供與IRS-1C和IRS-1D類似的業(yè)務(wù)外,還用于加強(qiáng)地面、海岸監(jiān)測(cè)及農(nóng)業(yè)和災(zāi)難管理[5~8]。
對(duì)于實(shí)現(xiàn)微小衛(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸,傳統(tǒng)的編碼方式和數(shù)據(jù)處理器很難滿足多星編隊(duì)組網(wǎng)飛行需要,傳統(tǒng)的通信設(shè)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(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)飛行有要進(jìn)行大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制指令的傳播與處理。
本文涉及的小衛(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案通過一種基于因特網(wǎng)協(xié)議、高速、動(dòng)態(tài)和無中心的網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)多個(gè)平臺(tái)(衛(wèi)星)動(dòng)態(tài)組網(wǎng),對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)、抗干擾、信號(hào)處理、集成化小型化等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究攻關(guān);借鑒國(guó)內(nèi)外成功產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn),研究自組織網(wǎng)絡(luò)核心端機(jī);按照工程化方法,完成項(xiàng)目方案的研究開發(fā)工作。
本文以下一代戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈空間組網(wǎng)研究為基礎(chǔ),深入研究微小衛(wèi)星星座編隊(duì)組網(wǎng)技術(shù),其具體的研究目標(biāo)為:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、小型化網(wǎng)絡(luò)終端、專用路由協(xié)議,構(gòu)成分布式、無中心、基于IP的網(wǎng)絡(luò)。
(1)基于因特網(wǎng)協(xié)議、高速、動(dòng)態(tài)和無中心的網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)多個(gè)平臺(tái)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。
(2)使用包括文本對(duì)話、視頻流以及靜止圖像在內(nèi)的各種類型IP應(yīng)用。
(3)高速,寬帶,低時(shí)延。
(4)支持用戶數(shù)量多。網(wǎng)絡(luò)可以支持20個(gè)成員以上。
(5)具備較高的抗干擾、抗截獲能力。
(1)系統(tǒng)控制和媒體接入
主要研究用戶如何入網(wǎng)出網(wǎng)、如何管理發(fā)射功率、如何建立/拆除邏輯鏈路等。對(duì)于功率控制與管理而言,需降低能耗,在保證網(wǎng)絡(luò)連通性前提下降低發(fā)射功率,保證網(wǎng)絡(luò)壽命。對(duì)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(fā)送沖突”和“隱蔽終端”。
(2)服務(wù)質(zhì)量
主要研究網(wǎng)絡(luò)向衛(wèi)星交聯(lián)保證提供一組滿足預(yù)定的服務(wù)性約束,如端到端的延遲,抖動(dòng),帶寬和分組丟失率等。
(3)基于IP的路由協(xié)議
星座網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無線網(wǎng)絡(luò),與地面其它無線網(wǎng)絡(luò)相比有幾個(gè)顯著特點(diǎn):1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間距離遠(yuǎn);2)節(jié)點(diǎn)之間不僅傳輸數(shù)據(jù),還要進(jìn)行測(cè)距;3)網(wǎng)絡(luò)可維修性差。導(dǎo)航星間網(wǎng)絡(luò)的這幾個(gè)特點(diǎn)和星間鏈路的多種功能,決定了星間網(wǎng)絡(luò)需要采取一種靈活的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,以便于滿足星載靈活組網(wǎng)和空間高可靠性的需求。
傳統(tǒng)的距離矢量路由協(xié)議和鏈路狀態(tài)路由協(xié)議不適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)處于高動(dòng)態(tài)變化的移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò),應(yīng)研究適用于衛(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)的實(shí)時(shí)路由協(xié)議,優(yōu)先策略,能夠感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的細(xì)微變化,維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母哌B通性和高適應(yīng)性。
(4)星間鏈路頻段選擇
目前空間無線電技術(shù)正在向更高頻段發(fā)展,有兩個(gè)主要原因:1)更高頻段尤其是Ka及其以上頻段尚未被大規(guī)模開發(fā),干擾較少且易于申請(qǐng);2)高頻自身也有很多優(yōu)點(diǎn),如波長(zhǎng)短帶來的設(shè)備尺寸小和重量輕。
(5)星間天線與衛(wèi)星總體的聯(lián)合設(shè)計(jì)
星座星間鏈路的設(shè)計(jì)與衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)是密不可分的,尤其對(duì)于窄波束體制的星間鏈路而言,星間天線與衛(wèi)星總體的聯(lián)合設(shè)計(jì)將是工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。主要研究包括:1)星間鏈路天線與星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆?lián)合設(shè)計(jì);2)星間鏈路天線與總裝布局的迭代設(shè)計(jì);3)星間鏈路天線與衛(wèi)星姿態(tài)的聯(lián)合控制。
(6)抗干擾技術(shù)
主要研究混合體制抗干擾技術(shù)。采用基于跳頻+跳時(shí)的混合體制抗干擾技術(shù),其具有三大抗干擾能力,即抗全頻帶干擾能力、抗頻率瞄準(zhǔn)式干擾的能力、抗跟蹤式干擾能力。
星載數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)備是本方案的關(guān)鍵核心硬件設(shè)備,其主要由星載設(shè)備終端、星載射頻前端、射頻濾波器及收發(fā)天線等部分組成,考慮到微小衛(wèi)星上空間有限,在數(shù)據(jù)鏈設(shè)備設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)調(diào)制、信號(hào)上變頻、功率放大、低噪接收、信號(hào)下變頻、基帶解調(diào)等功能集成至一個(gè)星載端機(jī)中,實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備的小型化和一體化。
(1)星載設(shè)備終端:接收?qǐng)D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(hào)處理、跳擴(kuò)頻處理、中頻信號(hào)調(diào)制解調(diào)、將接收到的發(fā)射中頻信號(hào)上變頻到射頻輸出,將接收到的射頻信號(hào)下變頻至接收中頻信號(hào)輸出,并在變換過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波放大等處理,實(shí)現(xiàn)多通道控制,同時(shí)實(shí)現(xiàn)上電自檢、地址碼和ID號(hào)等信息的裝訂功能。
(2)星載射頻前端:發(fā)送通道按照系統(tǒng)指標(biāo)要求對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大,該信號(hào)由末級(jí)功率放大器提供足夠增益后,經(jīng)濾波后輸出至天線,進(jìn)行無線發(fā)射;接收通道通過開關(guān)切換,接收天線輸出的微波信號(hào),對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波、放大后輸出至彈載射頻終端,實(shí)現(xiàn)整機(jī)的半雙工工作。
(3)射頻濾波器:為了保證星載設(shè)備良好的電磁兼容性能,在射頻前端與收發(fā)天線間設(shè)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(jī)械結(jié)構(gòu)組成,腔體濾波器具有相當(dāng)高的Q值,非常適合于本系統(tǒng)中要求低插入損耗,大功率傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合。
為了保證服務(wù)質(zhì)量,將服務(wù)類型按照重要性映射為不同的服務(wù)等級(jí),利用信道統(tǒng)計(jì)策略實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道的忙碌狀態(tài),采用SPMA協(xié)議控制報(bào)文發(fā)送,在信道過載時(shí)控制較低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)量,保障高優(yōu)先級(jí)、低延遲業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量;信道不忙碌時(shí),各種優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)都能夠按時(shí)發(fā)送。經(jīng)過SPMA控制,保持網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的水平,在動(dòng)態(tài)環(huán)境下提供持續(xù)穩(wěn)健的網(wǎng)絡(luò)性能,從而保證系統(tǒng)的首次接入成功率。
其具體實(shí)現(xiàn)方式為:每個(gè)用戶按照占空比控制脈沖的發(fā)送時(shí)長(zhǎng);將發(fā)送脈沖在時(shí)域和頻域二維空間隨機(jī)化;單個(gè)用戶向網(wǎng)內(nèi)其他用戶發(fā)送信息,并可接收多個(gè)用戶發(fā)來的信息。與傳統(tǒng)單發(fā)單收通信體制相比較,單發(fā)單收體制網(wǎng)容量=單個(gè)用戶發(fā)送的信息速率;單發(fā)多收體制網(wǎng)容量=單個(gè)用戶發(fā)送的信息速率×網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù),可見單發(fā)多收體制網(wǎng)絡(luò)容量遠(yuǎn)大于單發(fā)單收體制
其主要包括多進(jìn)制連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)及編碼調(diào)制技術(shù)。多進(jìn)制連續(xù)相位調(diào)制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下:與二進(jìn)制系統(tǒng)相比,相同的頻帶下所傳輸?shù)男畔⑺俾矢?;包絡(luò)恒定,適用于非線性信道;帶外輻射?。慌园晁p快。編碼調(diào)制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下:將編碼和調(diào)制結(jié)合為一個(gè)整體進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì);通過加大調(diào)制信號(hào)集來為糾錯(cuò)編碼提供所需的冗余度;不增加信號(hào)發(fā)射功率的條件下,能擴(kuò)大信號(hào)點(diǎn)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(dá)3~6dB。
其具有三大抗干擾能力,即抗全頻帶干擾能力、抗頻率瞄準(zhǔn)式干擾的能力、抗跟蹤式干擾能力??谷l帶干擾能力:通過高達(dá)數(shù)百兆的跳頻帶寬設(shè)計(jì),有效對(duì)抗全頻帶干擾??诡l率瞄準(zhǔn)式干擾的能力:縮短在每一頻點(diǎn)的駐留時(shí)間,僅達(dá)數(shù)十微秒,且連續(xù)兩個(gè)跳頻點(diǎn)的頻率隔開一定的頻率,以減小相鄰跳頻點(diǎn)的頻率相關(guān)性,提高系統(tǒng)抗頻率瞄準(zhǔn)式干擾的能力??垢櫴礁蓴_能力:通過采用單發(fā)多收的通信方式,保證信道中有多個(gè)用戶并行傳輸業(yè)務(wù)信息,使對(duì)單一用戶的跟蹤式干擾變得更加困難。
衛(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)飛行是繼星座之后衛(wèi)星應(yīng)用方面的又一新發(fā)展??臻g技術(shù)已從單顆衛(wèi)星發(fā)展到了分布式衛(wèi)星。編隊(duì)飛行即是分布式衛(wèi)星的最新應(yīng)用。這些應(yīng)用的不斷出現(xiàn),除了能得到巨大的經(jīng)濟(jì)、國(guó)防和社會(huì)效益外,還對(duì)衛(wèi)星技術(shù)提出了許多新要求,直接促進(jìn)衛(wèi)星技術(shù)加快發(fā)展。本文主要論述微小衛(wèi)星星座編隊(duì)組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案技術(shù)的研發(fā)與實(shí)現(xiàn),通過一種基于因特網(wǎng)協(xié)議、高速、動(dòng)態(tài)和無中心的網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)多個(gè)平臺(tái)(衛(wèi)星)動(dòng)態(tài)組網(wǎng),其方案的實(shí)現(xiàn)將顯著提高我軍的通信和信息裝備水平,將作戰(zhàn)平臺(tái)拓展到空基領(lǐng)域,使作戰(zhàn)方式由“平臺(tái)中心戰(zhàn)”轉(zhuǎn)移到以信息和信息技術(shù)為基礎(chǔ)的“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”,大大提高對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的遠(yuǎn)程精確打擊能力和快速反應(yīng)能力,軍事效益明顯;在民用方面,星座編隊(duì)組網(wǎng)技術(shù)在手機(jī)通信、地面/海岸監(jiān)測(cè)及農(nóng)業(yè)和災(zāi)難管理等方面市場(chǎng)前景也十分廣闊。
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