全球星间链路网络的发展与应用探析

申建华，高东博，宋海涛

(中国电子科技集团公司第54研究所，河北 石家庄　050081)



全球星间链路网络的发展与应用探析

申建华，高东博，宋海涛

(中国电子科技集团公司第54研究所，河北 石家庄050081)

星间链路网络以卫星为网络节点，基于星间链路实现信息传输，覆盖全球范围的综合信息传输网络。其具有全球的网络特性、高度自主可控特性、时间同步特性、星地星间无缝组网等特色，可向用户提供网络扩展、信息交互与资源共享、测试、管理、认证等多种接入服务。本文介绍了全球星间链路网络的应用前景，并分析探讨了星间链路网络发展的方向及需要重点研究的问题。

星间链路； 信息监测； 网络传输

0　引言

21世纪是信息全球化大发展的时代，在信息站愈演愈烈的情况下，只有通过面向全球的星基网络信息交互与传输，实现地面、星地、星间多网融合，建立全面、快速、有效的网络管理体系，才能支撑国民经济的快速发展[1]。

星间链路网络，以卫星作为网络节点，从而实现基于星间链路的信息传输，是当前卫星通讯、导航、侦查等领域探讨与建设的创新性技术核心之一。完整的星间网络拓扑，具备发展成为全球星基信息交互传输网络的特质，即全球的网络特性、高度自主可控特性、时间同步特性、星地星间无缝组网等。基于星间组网的信息传输网络可向用户提供网络扩展、信息交互与资源共享、测试、管理、认证等多种接入服务。其覆盖的服务对象包括车载设备，弹载设备，舰载设备，在轨飞行器，处于高原、极地、远洋、外太空等各种环境下的接入设备等提供信息传输服务[2-5]。

星基网络的核心作用主要体现在通过星间链路实现信息资源的交互与共享，将接入对象获取的通信、遥感、测绘、预警等信息通过适当的传输路径分发到各有关部门。通过星间链路网络，可以实时的将任意位置飞机的ADSB信息发送给地面管控部门，从而有效降低MH370等航难事件发生的概率；各种应用卫星获取的地形、气象、水文与海洋环境等测绘信息，可以在全球范围内进行高速的信息传输，提高信息更新时间的有效率；利用星间链路网络，可以在全球范围内实时、稳定地连接指挥系统及作战平台，从而大大提高军事作战能力。

1　星间链路网络的组成

星基网络在组成上包括携带各种传感器、天线等设备的航天器、卫星星座以及相关的地面支持系统，从而构造多组成、分布广泛、响应智能化的天地一体综合信息网络，是一个以卫星为主要网络节点，信息种类多样化，网络结构庞大的复杂系统[6-7]。如图1所示，组成星基网络的主要设备可分为星间链路、星地链路两大部分。

图1　星基网络构成图

星间链路设备的核心为高轨道节点卫星、低轨道节点卫星组成的信息传输网络。通过低轨道节点卫星实现与服务对象的信息交互；通过高轨道节点卫星实现大范围内低轨道卫星间的信息传递，从而构成星间链路。采用星间链路实现卫星在空间组网，卫星与卫星之间可通过星间链路直接交换信息，从而大大增强网络运行的自主性、安全性和灵活性，最大限度的摆脱对地面网络的依赖，具备更短的路由时延和更大的通信容量。

星地链路可实现各种地面接入终端、空中接入终端之间的信息传输，并提供接入地面网信息传输的路径星间链路，也可直接服务于在轨飞行器等外太空设备。为处于盲区内的飞行器提供有效且稳定的对地信息传输路径，从而支撑人类探索未知空域的能力。

2　星间链路时间频率性能测试评估技术

星间链路系统作为一个复杂的空间系统，高稳定、高精度的系统时间频率是其功能实现和性能提升的基本保障。目前对卫星间链路系统的时间频率指标体系测试评估存在多方面的困难，缺乏系统级的时间频率评估理论与方法，时间频率功能指标体系不易独立测量，同时缺乏时间频率理论的信号平稳性分析和指标分解工具。

目前时间频率指标体系的测评方法有时间频率性能带限方法，时间频率可微度方法等。时间频率性能带限方法是将系统中的时间频率体系功能进行分解，对其指标体系相关性进行分析，对指标的合理性进行评估，对指标的浮动性进行分析，并最终建立多目标优化的评估指标体系过程，整个过程主要分为指标的关联性分析、指标带限分析和指标体系的优化测评3个过程。时间频率可微度主要用于分析评估时间频率信号和数据的平稳性。通过可微度分析计算来评估数据更新、参数建模、模型预报、以及冗余切换、信号控制和保持驾驭的策略和技术的有效性。

国内外有多家科研机构在具体从事时间频率性能测试评估工作，如中科院国家授时中心采用了多径联合监测和双向链路直接比对的方法对北斗系统进行时间偏差监测与预报，取得了较为理想的成果。

3　卫星星座及有效载荷性能监测评估技术

有效载荷是卫星空间段的重要组成部分，星间链路系统在全球范围内提供信息交互传输等服务，各节点卫星有效载荷必须能够提供连续的、精确的、高完善性的信号。

卫星有效载荷的集成测试评估技术研究关系到工程卫星性能评估、批量测试的技术支撑，同时集成测试的相关技术还可以从地面段延伸到空间段的在轨测试。卫星星座及有效载荷测试验证主要包括：上行注入测试评估技术、下行接收信号评估技术、星间链路性能测试评估技术、星上时频系统测试评估技术、在轨卫星星上处理交换及传输实时性测试技术以及通信功能测试技术。美国和欧洲针对各自的卫星都建立了专用的试验测试平台和试验场，可以对卫星的卫星天线及有效载荷的多通道DC、数字、模拟、RF/微波进行测试。在在轨卫星有效载荷实时检测评估技术方面，美国是最早开展相关研究的国家，NASA将人工智能、神经网络等多项技术应用到卫星在轨的状态监视、故障检测、故障诊断等领域，并取得了较好的成果。

在卫星信号质量检测和评估方面，美国斯坦福大学、日本电子导航研究所、德国宇航研究院等机构都构建了各自的信号检测系统，采用高增益天线及全向天线相结合的方式，利用通用仪器设备及专用检测接收机，对空间质量信号开展监测和评估。这些机构间也开展了国际合作，共同对卫星进行监测评估。通过完善的信号质量监测系统，能够及时发现问题，并通过对信号的分析和研究，为故障排除提供了有价值的参考依据，从而帮助卫星系统故障得到及时解决。

与国外先进技术水平比较，我国对于有效载荷测试评估方法的研究起步相对较晚，但是经过众多专家学者以及科研机构的多年的努力，在有效载荷的集成测试评估和在轨卫星载荷实时监测和故障预测方面[5]都取得了一系列成果。而在测试评估系统建设方面存在较大差距，国内主要利用各类分离、不成体系的大型地面站系统对卫星进行对接测试，比较浪费人力、物力和财力。针对北斗全球系统建设，也需要研究一体化的卫星有效载荷集成测试与评估系统和技术，实现对卫星有效载荷方便、成体系的测试评估。

4　星间链路的发展与应用

星间链路及其管理系统是由空间节点和地面节点构成的动态测量、通信无线网络，具有全时段、全空域覆盖能力，同时具有双向数据通信和高精度测量功能。星间链路采用毫米波频段信号传输，频段高，可用带宽宽，有利于设备的小型化和高速数据传输。同时信息传输采用扩频调制体制，具有一定“三抗、三防”能力。随着我国星间链路建设的展开与完善，星间链路可着重在以下方面进行服务。

第一层次应用：在目前设计的星间链路技术状态下，为接入用户提供服务。

•支持卫星等在轨航天器的测控通信。利用其全时段、全空域覆盖能力，为重点航天设备提供跟踪、测量、遥测、遥控等测控支持。

•运载火箭、导弹的跟踪测量、弹道修正和精度评估；

•支持新型武器试验；

•支持空间作战对抗。

第二层次扩展应用：瞄准建设天地一体化通信互联网络的发展方向。

•以北斗星间链路为基础，构建天基测控通信网络，作为我国未来天地一体化测控通信互联网络的重要组成部分。

未来的星间链路扩展应用需着重对以下几点进行研究探索：

(1)按照“低速率捷变链路”加“高速率固定链路”模式配置星间链路。“低速率捷变链路”用于灵活建链，实现互联互通；“高速率固定链路”用于连接空中和地面骨干网络节点，提高网络的整体承载能力，可以采用光通信和毫米波频段高速数传的实现方式。

(2)能够实现星间链路的快速、自主接入。有的星间链路的扩展用户不具有其它通信链路，自身的运动轨迹也并非预知，无法提前装订，因此不管是从长远发展还是应用需求来看，星间链路需要具有快速、自主接入能力，在作用距离范围实现自主建链。需要解决天线自主搜索指向、自主双向建链判决、自主信息交换等关键技术。在这方面，可以借鉴移动通信网络、美军战术通信数据链等相关技术。

(3)提高捕获能力，降低对时钟精度和钟差的要求。星间链路的扩展用户大多为中低轨道航天器、火箭、导弹等高动态目标，需要具有高效的建链能力，自主获取钟差并进行补偿，降低对时钟精度和钟差的要求。

(4)网络化星间链路信息交换协议。要构建包括星间链路在内的天地一体化测控通信互联网络，网络化信息交换协议是实现链路自主接入，空间信息按需、灵活、快速交换的基础。需要借鉴互联网，并结合星间链路的特点，制定根据网络化星间链路信息交换协议。

(5)星间链路的软件可重构技术。星间链路的技术发展需要分阶段逐步推进，因此在星间链路的设计与实现上宜采用软件无线电的体系架构，能够通过软件加载的方式实现系统重构，以实现功能扩充、版本升级。

5　总结

对星间链路网络的应用范围与应用前景进行了深入的分析探讨，星间链路网络以其100%的全球覆盖能力，将会成为支撑通信、导航、侦查与外太空探测领域发展的重要基础技术。目前，星间链路网络的研究还比较薄弱，未来星间链路的大发展需要在网络时频性能、卫星信号测试评估以及应用能力等多个方面进行更深入的研究。

[1]罗大成，刘岩，刘晓飞，徐萍，王秋妍.导间链路技术的研究现状与发展趋势[J].电讯技术，2014,54(7):1016-1024.

[2]林益明，何善宝，郑晋军，初海彬.全球导航星座星间链路技术发展建议[J].航天器工程,2010,19(6):1-7.

[3]刘宇宏,叶曦,姚崇斌. 星间链路在空间态势感知中的应用研究[J].飞行器测控学报,2014,33(5):427-434.

[4]马凯学,陈明章,管仲成.星间通信技术发展及共性问题研究[J].空间电子技术,2002,3:18-23.

[5]徐勇,常青,于志坚.GNSS星间链路测量与通信新方法研究[J].中国科学:技术科学，2012，(02):230-240.

[6]田雍容,卢晓春,黄飞江.多层卫星网络星间链路性能分析与设计[J].时间频率学报，2010，(02):140-145.

[7]吴廷勇.非静止轨道卫星星座设计和星际链路研究[D].电子科技大学，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

申建华(1986-)，男，工程师,主要研究方向：卫星导航.

1001-9383(2016)02-0035-04

TN713

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