小衛(wèi)星在空間信息網絡中的應用

上海船舶研究設計院：潘俊宇

在我國幾代人的不懈努力下，我國航天事業(yè)在近幾年來取得了很大的進步，空間任務也逐漸呈現出多樣化、長期化的特點，同時，也面臨著與其他國家合作的急迫性，這對于我國的網絡信息傳輸來說既是一項挑戰(zhàn)，也是一項機遇。目前，我國的空間信息傳輸還是采用的點對點的數據傳輸方式。該傳輸模式無法確保衛(wèi)星等航天器傳輸給用戶的數據是否及時、準確和安全。另外，隨著信息技術的不斷發(fā)展，地面通信技術也取得了突破性進展，在OSI和TCP/IP網絡模型的基礎上發(fā)展起來的網絡體系結構和協(xié)議也在逐漸的成熟和強化，地面上的有線、無線網絡中進行了大規(guī)模的普及和應用。網絡在人們的生活、工作中已經成為了不可或缺的部分，網絡縮短了人和人之間的距離。但是，空間和地面用戶的互聯(lián)和信息交換也十分重要，比如地面上的信息不能及時得到更新，地理位置不夠精確獲取，偏遠和貧困地區(qū)的網絡服務不夠。用戶希望能夠將空間信息網絡用于航天器平臺，這樣地面的網絡和空間信息之間能夠形成網絡互聯(lián)，航天器由之前的對地傳輸轉向星際、星地傳輸；天地之間的通信需要結合多種傳輸方式，對交互性和業(yè)務能力的要求更高，同時，也要求更寬的帶寬、更靈活的接入、更高的效率和更好的延展性，以便形成更好的網絡空間結構，讓空間信息模式由現有的點到點轉變?yōu)槎说蕉说膫鬏斈?，因此，怎樣構建星與星之間、星與用戶之間更加完善的信息交互網絡是阻礙我國空間技術進一步發(fā)展的難題。但是，這個問題的解決是基于空間網絡體系的標準。現階段，國內外的相關航天機構做了大量的概念設計和項目實踐，在依據我國空間信息傳輸系統(tǒng)的實際情況，有利于我國構建更加先進的空間體系結構網絡。相較于其他航天器，小衛(wèi)星有著體型小、能效高、部署快等特有的優(yōu)勢和特征，將其與空間網絡信息技術應用進行結合，有利于推動我國航天技術的發(fā)展。但是，在快速發(fā)展的空間信息網絡時代背景下，如何將兩者之間進行更好的結合，如何定位小衛(wèi)星以便更好的發(fā)揮其功能和優(yōu)勢，這是未來航天事業(yè)需要研究的重點。

1.國內外空間信息網絡體系結構的發(fā)展現狀

1.1 NASA 面向未來的空間網絡體系架構

隨著通信環(huán)境的日益復雜，Kul Bhasin等人結合美國的航天發(fā)展狀況，首次提出空間因特網技術并對其組成進行了詳細描述。該空間信息網絡主要是由骨干網絡、接入網絡、航天器間網絡、臨近網絡四部分組成。其中，骨干網絡是由地面和天機骨干網絡組成，然后航天器借助無線網絡或者通信接口連接骨干網絡，此外，包括編隊、集群或者星群飛行在內的航天器之間也是借助無線網絡或者是光通信接口進行網絡互聯(lián)，最后，各飛行器、著陸器和傳感器之間通過無線或者光通信接口構成自組織網絡。

骨干網絡主要包含NASA地面網（GN）、深空網（DSN）、天基網[SN-跟蹤和數據中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）、國際空間站（ISS）]以及能夠為NASA航天器的通信業(yè)務提供服務的商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)和連接NASA設施的虛擬網路（VPN）。借助骨干網絡，能夠利用其他航天器、太空車、傳感器網絡等設施的信息和數據。同時，網絡還可以覆蓋到全球，以便能夠收集到更加及時、更加準確的空間信息資源。

接入網是通過微波或者光通信的方式將航天器、太空車等設備連接到骨干網絡中，形成一個系統(tǒng)化的網絡。網絡接口主要包括遠地對象的調制解調器、接收器、發(fā)射器和骨干網配套的設備等。航天器的內網主要是為了協(xié)助飛行的航天器，比如星座、稀疏的星群和緊密的編隊等構建的，可以用于協(xié)調或通信，以及通過微波或者光等形式的無線接口或者是有線或光纖等形式的接口與相鄰的航天器進行連接。

鄰近網絡主要是指借助小功率的臨近網絡，利用Adhoc的方式連接相鄰的太空車、空間站、傳感器等。骨干網、接入網航天器內網和鄰近網絡之間組建的新體系，能夠在很大程度上滿足NASA的通信需求。在此結構的基礎上，能夠滿足多項任務需求，有效避免了通信設備的再次建設。

1.2 我國的空間信息網絡體系

我國的天地一體化全球信息網（圖1）的建設是遵循全球化、網絡化、智能化以及標準化的原則，全球化是為了更好的服務海、陸、空上的用戶地球站、接近空間層的用戶飛行器、空間層的航天器的用戶，實現全球全天全氣候的覆蓋。網絡化是各個飛行器和地球之間通過星間鏈路和地面線路構成的。借助網絡平臺實現了信息資源的及時共享，最大程度的發(fā)揮出了航天事業(yè)的應用性，推動了航天事業(yè)的發(fā)展。

網絡化能夠通過國內測控站在外不設置站點的條件下測控全球的衛(wèi)星，國內的遙感站可以在第一時間接收到全球各個遙感衛(wèi)星的輸送信息和數據，國內的關口站能夠對各個空間站之間發(fā)送的消息進行管理。智能化在面對龐大和繁雜的天基網絡能夠提供較高的自主運行和管理能力。網絡管理的一部分使用功能能夠脫離地面設備而實現衛(wèi)星的自主管理。使用統(tǒng)一、標準和規(guī)范化的天地一體化全球信息網絡系統(tǒng)是滿足資源共享和互聯(lián)互通的基礎。

圖1：我國天地一體化全球信息網的結構

2.小衛(wèi)星在空間信息網絡中的定位及發(fā)展

2.1 小衛(wèi)星與骨干網絡

骨干網是空間信息網絡的核心，骨干網的順利運行離不開高容量、高速率的微波或者光通信技術；在開發(fā)軟件的過程中，十分有必要在分層結構和延時、數據較小的基礎上進行協(xié)議。在考慮到空間結構的影響下，硬件一般都設計的體型較小、能耗較低、質量較輕，并結合智能化技術豐富空間網絡的功能和提高其自主能力。

但是，中低軌的移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)是高速寬帶骨干網絡的一個補充，能夠為空間和地上提供低速率的網絡服務，并能夠在一定范圍內為多個目標做遠程的通信服務。例如美國使用的銥星系統(tǒng)，可以為兩級地區(qū)提供全面的通信服務；Globalstar系統(tǒng)主要應用在維度較低且人口密度較大的區(qū)域，提升該地區(qū)的通信水平。通過借鑒這些小衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠促進我國小衛(wèi)星領域的發(fā)展。

2.2 小衛(wèi)星與接入網

目前，我國小衛(wèi)星傳輸數據的方式主要有：星上載荷收集到數據后經過簡單的分析和處理之后再反饋給地面。但是這種方式具有局限性：首先，過境的時間是有限的，需要投入大量的精力借助過境時間輸送數據信息；其次，環(huán)境對的不確定性將會限制數據信息的傳送。

由于骨干網絡的覆蓋面積較大，通信帶寬較寬，能夠為小衛(wèi)星創(chuàng)造更有全面的空間信息輸送環(huán)境，如大數據存儲技術，在全球都可以接收、上傳小衛(wèi)星數據，并且還能連接地上多個站點，從根本上改變的小衛(wèi)星與地面之間的數據傳輸方式。

在構建骨干網絡之后，接入點（小衛(wèi)星）應考慮和骨干網絡節(jié)點之間的頻段與帶寬是否一致，對底層的接口進行調節(jié)，并確定接入和建立鏈接的時間和方式，最后通過網絡和上層傳輸、應用協(xié)議等落實端和端服務。高效的接入網協(xié)議能夠實現信息資源的有效利用和空間網絡的建設。小衛(wèi)星在這樣的網絡條件下，能夠完全獨立地運行，和能夠與空間信息網絡進行鏈接運行，實現小衛(wèi)星由單一向多樣化轉變。

2.3 小衛(wèi)星與空間局域網

區(qū)別于NASA的概念，這里有以下兩種空間局網的定義：

（1）航天器內包含多個子系統(tǒng)，不同的子系統(tǒng)之間會進行信息共享，但是，隨著子系統(tǒng)收集到的數據信息的增加，數據輸送僅僅依靠傳統(tǒng)的總線結構已經不能滿足需求，歐洲國家提出了spacewire路由技術，多個國家的衛(wèi)星實現了各個子系統(tǒng)的網絡數據共享，信息的傳輸方式也變?yōu)榱颂W狀結構，各個子系統(tǒng)之間的信息輸送不再需要使用計算機，從而提升了信息共享的效率。另外，建立航太器內外的傳感器網絡離不開航天器內部的局域網，確保了新時代航天器的智能化、現代化發(fā)展。

（2）小衛(wèi)星的主要特征就是體型較小并且較為靈便、成本較低，在此基礎上人們需要考慮的是多個衛(wèi)星的聯(lián)合應用，這也離不開多星間網絡的相互關聯(lián)，進一步實現信息的共享和性能的提高。這種小范圍內的多星間互聯(lián)就是我們所說的空間局域網，美國國防部的DARPA在2006年首次提出了分離模塊航天器這一概念，也叫F6計劃，主要是用于驗證通過小型的模塊航天器群能否具備以往的大衛(wèi)星的功能。但是，該項目還處于實驗階段；此外，該互聯(lián)也能是大范圍進行，既進行局域網、航天器之間的互聯(lián)，這種互聯(lián)也叫空間廣域網，代表性有千星計劃，像這種規(guī)模的星群的信息輸送就可以稱為廣域網。一旦廣域網的范圍達到全球的規(guī)模，又可以成為骨干網絡。

結合我國的小衛(wèi)星的發(fā)展現狀，可以分為兩個方面列舉小衛(wèi)星的軌組網：第一，對小衛(wèi)星的資源進行整合，也就是完成不同的載荷小衛(wèi)星之間的信息共享，彼此之間合作完成任務；第二，研究一些具有特長的衛(wèi)星，也就是在設計和建造集群、模塊衛(wèi)星的前期進行分工合作，比如衛(wèi)星群中有專門的光學載荷、電子載荷、數據處理中心等功能的衛(wèi)星。

以上兩個方面主要是針對怎樣完成局域網和廣域網的標準化設計，在空間環(huán)境、衛(wèi)星軌道等多種條件的制約下，怎樣進行高效率、準確、及時的數據通信，以及空間網絡是未來發(fā)展中需要深入探究的問題。

2.4 小衛(wèi)星與空間鄰近網絡

在軍民融合方面，衛(wèi)星覆蓋內的各用戶可以和衛(wèi)星構建高效率的鄰近空間網絡，建立系統(tǒng)化的衛(wèi)星網絡應用。低軌小衛(wèi)星采取什么方式、何時何地獲取數據，這些問題都可以通過鄰近空間網絡技術決定，臨近空間網絡是一個立體的網狀結構，不再是傳統(tǒng)的串狀網絡結構。小衛(wèi)星載荷如何通過網絡進行端與端的數據輸送主要在以下幾點：

該網絡是以低軌道小衛(wèi)星、地上各種類型的用戶為主體進行互聯(lián)的，借助衛(wèi)星對多用戶、多用戶間、多用戶對衛(wèi)星網絡實現數據的傳輸。

衛(wèi)星信息和地上用戶之間的網絡信息是共享的，從而實現數據輸送的及時、準確，提升衛(wèi)星的功能和應用范圍。同樣地，鄰近空間網絡還能夠依靠其他的網絡通道豐富其功能。

3.結束語

對空間的進一步探索和開發(fā)以及利用隨著空間任務的增加而增加，現有的點到點通信模式已經遠遠不能滿足未來的空間發(fā)展需求，空間通信逐漸向更高水平的網絡化發(fā)展。但是，空間任務的需求增加也意味著需要更多的成本投入，因此，開發(fā)出更加高效且經濟的通信技術是亟待解決的難題。在空間信息網絡發(fā)展的時代背景下，充分發(fā)揮小衛(wèi)星自身的優(yōu)勢和特點，使其在空間信息網絡技術的發(fā)展過程中異軍突起成為航天事業(yè)的先行者。骨干網絡系統(tǒng)工程的設計規(guī)劃和理論驗證，在接入網、空間局域網以及空間鄰網中以自身獨有的優(yōu)勢進行了資源整合、快速發(fā)展，是未來小衛(wèi)星領域進一步創(chuàng)新發(fā)展、性能優(yōu)化的關鍵。