小卫星在空间信息网络中的发展方向研究

● 文| 航天东方红卫星有限公司 张敬一 刘志佳 宁金枝

小卫星在空间信息网络中的发展方向研究

● 文| 航天东方红卫星有限公司 张敬一 刘志佳 宁金枝

空间信息网络日益成为我国提升空间活动能力的重要组成部分，探索适合我国航天发展的空间信息网络体系结构是当前重要的研究方向。借鉴和研究国际通用和经历项目实践的空间信息网络体系结构，有助于结合当前空间能力建立自己的网络体系结构。最后探讨了小卫星在空间信息网络中的定位及发展方向。

空间信息网络体系结构 骨干网 接入网 局域网 邻近网 小卫星

一、引言

近10年来我国航天事业获得长足发展，空间任务呈现多样性、长期性及国际合作的迫切性，这对空间信息传输提出了更高的要求和更严峻的挑战。现阶段我国空间信息传输仍处于点对点数据传输模式阶段。在这种传输体制下，卫星等航天器所获取数据对用户的传输缺乏及时性、可靠性和安全性。另一方面，随着信息革命的到来，地面通信网络技术突飞猛进的发展，以OSI网络模型和TCP/IP模型为基础的网络体系结构和协议族不断成熟与加强，在地面有线网络和无线网络中得到了广泛的普及与应用。网络已成为人们日常生活中的生活方式，实现人与人的互联与信息交互。而空间和地面用户之间的信息交互也显得日益重要，例如地图信息的更新周期漫长，位置信息的不够精确，地面网络欠发达地区对网络服务需求，多维信息综合处理生成关键信息等。

用户要求空间信息网络支持航天器平台联网，地面用户网络与空间信息网络互联，航天器对地传输模式向星际、星地中继网络化模式转变；要求天地间通信提供多种数据传输方式，其交互性和多业务能力更强、带宽更宽、接入更灵活、效率更高、扩展性更好，形成有效网络结构，使空间信息传输从当前点到点传输向端到端传输转变。因此，如何建立星与星，星与用户之间更为广泛的信息交互网络是摆在我国空间技术发展面前的问题。而这一问题的基础是建立空间信息网络体系结构标准。目前，国外研究机构做了有益的概念设计和验证项目实践，结合我国航天信息传输结构现状，有助于建立我国自己的空间体系结构网络。

小卫星由于其相较于其他航天器的固有特点与优势，再与急速发展的信息软硬件技术相结合，已成为航天技术发展的一片新高地。小而精悍，能效比高，快速部署等系列小卫星层出不穷。但是，在井喷发展的同时是否需要思考在空间信息网络发展的大背景下，小卫星如何定位与发展，充分发挥其特点与功能，又很好的服务和应用于空间信息网络，这是本文重点阐述的内容。

二、国外空间信息网络体系结构现状与规划

1. NASA面向未来的空间网络体系架构

面向未来空间复杂通信环境，Kul Bhasin等人根据美国宇航发展现状，提出了空间因特网并描述其组成元素如图1所示。他们将整个空间信息网络划分为四部分：骨干网络—由地面和天基骨干网络共同构成;接入网络—航天器通过无线或光通信接口接入骨干网络；航天器间网络—编队、集群或星群飞行的航天器之间通过无线或光通信接口互联网络；临近网络—飞行器、着陆器、传感器组成无线或光通信接口互联的自组织（Adhoc）网络。

骨干网包括NASA的地面网（GN）、深空网（DSN）、天基网[SN-跟踪和数据中继卫星系统（TDRSS）、国际空间站（ISS）]和可以为NASA航天器提供通信业务的任何商业卫星系统，以及将NASA设施联在一起的虚拟专用网（VPN）。通过骨干网可供利用的信息有来自其他航天器、太空车、传感器网络、运作中心、归档数据库和用户的数据及任务指令等。网络还能进一步扩大到全球范围，获得更多的空间信息资源。

接入网是利用微波或光通信手段为航天器、太空车等接入骨干网所形成的网络。这些网络接入接口包括远地对象的调制解调器、接收机、发射机和天线，以及骨干网的匹配装置。

航天器内网是为协同飞行的航天器，例如星座、紧密编队或松散星群建立的，用于局域通信和协调，其间可利用无线接口（微波或光）或其他接口（有线或光纤）连接到相邻的航天器。

邻近网络是指相距甚近的登陆或空间的太空车、空间站、传感器、气球等，利用低功率的邻近网络，以Adhoc方式互联。

由骨干网、接入网、航天器内网和邻近网络组成的新架构，能很好地满足NASA对未来空间通信的需要。基于此框架，无需为新出现的任务构建一套新的通信基础设施，避免了重复建设。

图1 NASA面向未来的空间网络体系结构

2.欧洲天基互联网计划(ISICOM)空间信息网络体系架构

欧洲天基互联网计划面向对有天基互联潜在需求用户群（如个人用户，集体用户，专业用户和中小型组织／企业用户，公共机构和大型企业用户，电信运营商和业务提供商）提出的。该计划能提供的业务有：对各类用户可提供广播服务、公众信息服务、应急服务、远程医疗和远程教育服务、互联网接入、语音和数据服务、导航服务、固定和移动的宽带服务以及物联网服务等等。该体系结构如图2。

图2 ISICOM空间网络体系结构

GEO/GSO星座：图2中顶层为GEO/GSO（地球静止轨道/地球同步轨道）轨道弧线，通常由3颗等间距GEO卫星节点构成星座，3颗卫星间用激光或宽带无线链路互连互通覆盖全球。GEO星座是空间段的核心基础结构。GEO/GSO星座的主要用途：通过星间链路为对地观测卫星和NGO轨道星座等各种卫星提供信息传输和处理服务；通过星地链路直接为对地覆盖波束内中央站、地面关口站（GW）和各种用户终端提供通信广播服务。

NGO 星座：图中次层为NGO（非地球同步轨道）轨道弧线，通常由多颗NGO 卫星节点构成星座，各星间用光学或无线电链路互联互通，无缝覆盖全球。NGO 星座的主要用途：通过星间链路与GEO卫星互通信息并接受其管理；通过无线电链路为高空平台（HAPS）等飞行器提供信息传输服务；通过星地链路为对地覆盖波束内中央站、地面关口站（GW）和各种用户终端提供通信服务。

导航/定位卫星星座：导航/定位卫星星座拟用伽利略（Galileo）导航系统。主要为对地观测卫星、各种地球站和各种用户站(车辆、汽车、无人机、高空平台等运动物体)提供导航定位信息。

对地观测卫星星座：对地观测（Earth Observation）卫星星座拟选用全球环境与安全监测系统（GMES）。当对地观测卫星飞行在其地面设施遥感接收站视区以外时，可通过GEO卫星将其获取的遥感信息实时中继到遥感接收站；还可将对地观测卫星系统中央站经处理和融合后的综合信息通过GEO卫星转发广播给各用户站。

高空平台系列：高空平台（HAPS）NGO星座通过星台链路互通信息，接NGO卫星服务；向无人机（UAV）通台机链路转发NGO卫星信息，为UAV务；通过台地链路与提供快速应急通信务的Ad hoc网络互传信息；通过台地路直接向热点(Hot spot)地区提供专通信服务；通过台地链路直接向相关地提供广播和宽带通信接入服务。

UAV系列： UAV高空平台（HAPS）过机台链路互传信息，接受高空平台（HAPS）服务。

地面设施：用作物联网通信的卫星传感器网络（Satellite Sensor Network）；用以进行干扰管理等任务的协同波束成形（Cooperative beamforming）分布式天线系统；对地观测卫星地面网站（On-ground observation network）；通信卫星关口站（GW）等。

3.我国空间信息网络体系结构

我国天地一体化全球信息网设计原则应遵循四化：全球化、网络化、智能化和标准化。

全球化：服务区实现全球全时全气候覆盖地面层（含海、陆、空）用户地球站、临近空间层的用户飞行器、空间层的用户航天器三层用户。

网络化：各飞行器和地球站主要依靠星间链路、国内星地链路和地面线路组成天地一体化全球信息网络。通过网络化实现相关系统资源共享，充分发挥航天应用效益，促进航天资源整合优化。通过网络化实现国外不设站情况下，由国内测控站测控全球运行的卫星，国内遥感站实时接收全球遥感卫星发送的信息，国内关口站管理全球用户站间互通信息。

智能化：为应对庞大和复杂的天基网络，全网运行和管理必须具备高度的自主运行和管理能力。网络管理的部分功能可不依赖于地面设备由星上自主管理。

标准化：统一的标准和规范是天地一体化全球信息网各系统实现互联互通和资源共享的前提和条件。研究和采用统一的、先进的、有发展前途的标准和规范将贯彻于研究和建立天地一体化全球信息网全过程。

考虑到作为中低轨道用户航天器的跟踪与数据中继卫星星座使用地球静止轨道（GEO）或地球同步轨道（GSO）星座最合适，作为实现全球（含南北两极）无缝覆盖的星座采用非静止轨道即中轨道（MEO）或低轨道（LEO）星座最合适，为此本天地一体化全球信息网至少应有地球静止轨道星座和非静止轨道星座两层不同高度的覆盖全球的卫星星座组成，见图3。

图3 我国多层次天地一体化全球信息网架构

三、小卫星在空间信息网络中的定位及发展方向

1.小卫星与骨干网络

在空间信息网络中，骨干网是重点，它需要大容量、高速率、可靠的微波或光通信技术的支持；在软件开发中，基于分层结构和对时延不敏感、数据开销最小运作的协议是十分重要的。大多数基于在空间的架构元素，其硬件将是高度小型化、低功耗、体积小、重量轻的，并采用智能元件来增强网络的功能和自主性。现在国际上通行的是以大型通信中继卫星在空间组织高速宽带骨干网络架构，并与地面建立高速宽带链接。

但是，中低轨移动通信卫星系统可以作为高速宽带骨干网络的补充，形成较低速率的空间骨干网络，为空间与地面提供网络通信服务。如美国的铱星系统，欧洲的Globalstar等中低轨小卫星移动通信系统。该类系统为小范围多目标提供远程通信服务。铱星系统可以很好地覆盖两极区域，为骨干网通信系统提供补充。而Globalstar系统更多的关注全球人口稠密的低纬度地区覆盖，注意加强对稠密区域通信服务能力。这些都为我们设计小卫星通信系统提供有益借鉴，推动我国小卫星发展。

2.小卫星与接入网

当前我国小卫星数据传输主要方式为：星上载荷获取数据简单处理后直接传输给地面站。该种方式有一定的局限性：①过境时间有限，需要繁复的任务安排来充分利用过境时间传输数据；②传输环境不确定导致信息数据传输受到限制。

而一旦形成骨干网络，骨干网络覆盖面积广、通信带宽宽，可以为小卫星提供一系列空间信息传输服务，包括大数据存储，全球范围内可接收小卫星数据上传，与地面多个站点保持链接等。这样可以根本性的改变小卫星对地数据传输的方式和方法。

骨干网建立之后，小卫星作为接入节点，须考虑与骨干网络节点的频段，带宽，调制方式底层接口规范，然后链路协议，什么时候，什么方式接入和建立链接，最后是网络及上层传输、应用协议来实现端到端的服务。接入网协议的高效直接可以有效的利用信息资源和完成空间网络的建立、拓展与融合。在这种网络环境下，小卫星可以独立运行，也可与空间信息网络接入运行， 使得小卫星的运行效能从单一受限固化向多样灵活自由转变。

3.小卫星与空间局域网

本文这里在定义上有两种不同的空间局域网概念有别于NASA定义：

1）航天器内部空间局域网：众所周知，航天器是由多个分系统组成，而这些不同的分系统间信息的交互，随着分系统数据获取能力与体量的增加，它们之间的数据传输不能是简单的总线结构所能够满足，在欧洲提出spacewire路由技术标准后，多国卫星已实现各分系统网络化数据交互，信息传输方式从总线型结构向以太网状结构转变，各分系统之间信息转发无须中心计算机介入，提高分系统间信息交互效率。

此外，附着于航天器内部与外部传感器网络的建立同样需要航天器内部局域网，为未来航天器整体智能化提供必要保证。

2）航天器外部空间局域网、广域网：小卫星重要特点是机动灵活，成本低廉，而在这一背景下人们更多的去考量多卫星联合应用场景，而这正需要多星间网络互联，实现信息交互及联合提升效能。这种互联可以是小范围的，称之为空间局域网。例如，2006年美国国防先进计划局（DARPA）提出分离模块航天器概念，即F6计划，主要是验证以小型模块航天器群实现传统大卫星功能。该计划正在稳步推进中；这种互联也可以是大范围的，完成局域网与局域网间互联，航天器与航天器间互联，称之为空间广域网，例如千星计划，如此大规模的星群，信息传输应考虑为广域网。当广域网扩展为全球范围，也可以成为骨干网络。

根据我国小卫星发展状况对于小卫星在轨组网方面应该两方面并举：①整合小卫星资源，即实现不同载荷小卫星间信息互通互联协同工作；②发展特长化卫星，即从开始设计建造集群或模块卫星之初，设计分工协作，例如多个卫星下，专门的光学载荷若干，专门电子载荷若干，专门数据处理中心若干，专门对地传输若干。

而这两个方面所涉及到的主要是如何实现局域网与广域网设计的标准化，在空间环境、卫星姿态轨道控制等多元约束下，如何实现高效、有效的数据通信，空间以太网，Adhoc组网是下一步需要深入探讨的问题核心。

4.小卫星与空间邻近网络

在军民融合应用方面，用户都需要卫星所能覆盖的邻近空间内的各种用户能够与卫星组成高效的邻近空间网络，形成卫星网络应用系统。低轨小卫星数据获取，该如何获取，什么位置获取，什么时间获取等限制条件都将由这个邻近空间网络来交互决定，整个网络是立体网状，而不再是以前的串行信息传输。小卫星载荷获取的数据如何以网络方式实现对地面用户端到端的传输是这里讨论的重点。

这个网络中以低轨小卫星、地面各类型用户作为主体互联，需要实现3种方式数据传递：①卫星对多用户网络；②多用户间网络；③多用户对卫星网络。

在邻近网络中，卫星信息与地面用户网络中信息的直接交互，以达成数据传输的及时性、可靠性实现卫星效能与应用提升。当然，邻近空间网络也可以借助其他网络提供的通道完成对功能的扩展与补偿。

四、结论

在空间信息网络发展的大趋势中，小卫星应充分发挥其自身特点，异军突起，成为空间信息网络技术及空间发展与创新的先行者。骨干网大系统工程中积极规划立项论证，在接入网、空间局域网和空间邻近网上发挥自身优势迅速整合资源、积极推进，是小卫星整体创新发展与效能提升重要研究方向。

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