NASA空间通信与导航网络现状及未来发展

颜洁 彭玉婷（ 中国电子科技集团公司第五十四研究所 中国电子科技集团公司电子科学研究院）

美国的空间探测活动由美国国家航空航天局（NASA）的空间通信与导航（SCaN）网络提供通信导航支持。SCaN网络由三个网络组成：深空网（DSN）、空间网（SN）和近地网（NEN），用户一般根据任务需求选择一个或多个网络提供所需服务。为了建立综合空间通信与跟踪能力，NASA于2006年提出建设统一的空间通信与导航网络，计划将空间网、近地网和深空网形成一个功能相对独立，用户界面和运行管理统一的天基任务基础设施。在此之前，这三个主要空间通信网络的管理在很大程度上是独立的，各种开发项的重用程度相对较低。

本文对相关的技术以及系统架构进行了讨论和分析，论述了SCaN网络的现状、演进过程以及未来架构发展。

1 SCaN网络发展阶段

NASA通信与导航基础设施网络架构发展包括独立网络阶段（2010年以前）、集成前网络阶段（第一阶段：2010－2015年）、集成网络阶段（第二阶段：2015－2020年）和集成后网络阶段（第三阶段：2020－2025年）。通过后三个阶段的发展，NASA空间通信与导航服务设施逐渐由分离走向统一，形成集成SCaN网络，为整个太阳系内的空间飞行任务提供通信导航服务。在这一过程中，SCaN网络提供的服务和能力不断发展变化，并从松散耦合网络配置向统一的集成网络转型。

2010年之前，SCaN网络的三个网络（空间网、近地网和深空网）及其支撑功能是相互独立的，一直按照各自的路线独立发展。2010年之后，SCaN网络仍是三个独立的网络，但扩展了网络功能，致力于结合用户任务需求开发新的能力，并进一步开始实现集成网络的主要特性（包括标准化服务和接口）。SCaN网络目前已进入集成网络阶段，三个网络升级成为统一的通信导航基础设施。

SCaN网络下一阶段发展，将根据需要引入新技术满足NASA长期探索及科学目标的需要，主要目标包括发展系统架构，实现系统采办及运行成本大幅下降，同时提升SCaN网络的灵活性及可升级性，从而能对预算和用户需求的变化迅速做出反应。

2 SCaN网络现状

NASA当前运行着一个复杂的空间和地面基础设施，支持该机构运行的空间任务以及美国国内及国际合作伙伴机构运行的任务。通过使用空间和地面资源，共同向所支持的用户任务提供有效通信服务。每个网络支持通信和跟踪需求截然不同的特定运行域用户任务。

近地网由NASA、商业资源和合作伙伴全球地面站和集成系统组成，为低轨、同步轨道、高椭圆轨道、月球轨道用户任务提供空间通信和跟踪服务，以及经济有效的高速数据服务。

空间网即美国跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS），指位于同步轨道的中继星座及相关地面系统，利用空间段和地面段为低轨用户任务提供跟踪和数据中继服务。空间网支持低延迟需求任务，适合持续、高数据率通信，对于载人航天任务和关键事件所需安全可靠通信至关重要。

深空网由全球分布的大口径天线地面站组成，为地球同步轨道到太阳系边缘用户任务平台提供连续通信覆盖。深空网重点关注从恒星噪声中检测和分辨微弱信号，针对近地域之外的深空量级距离捕获数据进行优化。

空间网现状及发展

根据NASA空间通信与导航计划，空间网近期面临的主要任务需求是月球探索需要的高速数传和载人探索任务需要的可靠通信、高速率骨干链路、连续覆盖以及对用户任务的无缝支持。空间网近几年的建设重点是：发射第三代卫星；对使用多年的地面系统进行更新和升级；进行未来天基中继研究，以满足未来航天保障需要。

（1）完成第三代跟踪与数据中继卫星系统构建

发射第三代数据中继卫星（TDRS）是跟踪与数据中继卫星星座进行更新换代的主要内容。第三代卫星在第二代卫星的基础上进行了改进升级：升级了星上遥控遥测链路的通信安全系统；采用新的S频段多址天线技术；更换Ku/Ka频段和S频段用户支持设备，Ka频段数据率可达800 Mbit/s等。最后一颗卫星TDRS－M已于2017年8月发射升空，标志着NASA实现了第三代跟踪和数据中继卫星群的构建。最新的TDRS卫星将扩大空间网络能力并延长使用寿命，使NASA能够在未来十年内继续接收和传输任务数据。

（2）升级和改造地面系统

为了配合第三代跟踪与数据中继卫星的发射并解决地面系统陈旧问题，NASA近年来致力于空间网地面段增强计划（SGSS），对地面系统进行升级改造，提供一个灵活、可扩展、可升级的地面系统，能够使得空间网继续安全、可靠以及经济有效地运行。采用该地面系统后，设备性能提高，质量和体积减小。

空间网地面段增强计划旨在逐步升级现有空间网，在地面终端上更换过时的模拟地面硬件和数据系统，代之以数字化、现代化的地面段。该计划将以更高的数据速率提高性能，并提供新的编码/调制方案。

空间网地面段增强计划已经于2014年实施，原计划2017年进行验收评审，但该计划已经滞后于预定时间。目前计划2018年下半年进行TDRS下行链路测试及用户返向链路测试，2019年进行TDRS上行链路及下行链路测试及用户前向、返向及跟踪测试。

（3）开发未来天基中继体系和系统

随着第一代卫星逐步退役，跟踪与数据中继卫星星座中的在轨卫星数量会不断减少。到2020年，跟踪与数据中继卫星星座中第一代卫星将全部退役，第二代卫星也超出使用寿命，届时其性能将不足以满足任务需求。为了满足未来空间任务对空间网的需求，NASA近年来开始未来天基中继（SBR）研究，确定支持其2020年以后航天任务需求的天基中继通信与导航体系结构，主要包括2020年以后用户服务需求、体系结构、可用技术和实施途径等。天基中继系统将在第三阶段投入运行，补充/替换数据中继卫星系统。新一代中继卫星系统的初步部署时间为2025年。

深空网改造及进展

深空网是一个遍布全球的大型深空测控网，可为多个深空探测任务同时提供服务。深空网包括设在加州金石、堪培拉和马德里的大约呈120°分布的三个地面站，确保深空任意卫星在任何时间能够至少与一个地面站进行通信。由于其现有设备老化，大天线维护和运行费用过于昂贵，不能有效满足未来任务对灵敏度和导航的需求等问题，NASA自2006年之后开始对其深空网测控设备实施大范围升级和技术改造，提出了深空网孔径增强项目（DAEP）。

深空网孔径增强项目计划到2025年不再使用70m天线，用34m波束波导天线组阵替代所有70m天线。与70m天线相比，四个天线阵列易于维护并能提供相同或更好的性能。天线阵列将包括四个接收天线和一个34m发射天线。项目的第一步是在澳大利亚堪培拉增加两个新一代34m波束波导天线，于2010年12月正式启动，其中DSS－35天线已经于2014年9月建成并投入使用，DSS－36天线于2016年10月开始运行；到2025年，三个站点的70m天线都将退出服务。每个深空站均拥有五个34m波束波导天线，用34m波束波导天线组阵替代所有70m天线，每个深空站所有天线均具有X频段上行发射能力，以及X、Ka频段下行接收能力，满足其未来深空任务探测需要。

近地网扩展及升级

为了支持下一代载人航天飞行，近地网开始重建并扩展其发射通信站（LCS）。2013年7月NASA近地网正式提出了发射通信站发展计划，明确了与探索任务－1（EM－1）要求一致的现代化发射通信能力的定义、设计以及实现与测试计划。预计2019－2020年，NASA的新型火箭“航天发射系统”（SLS）将执行EM－1任务进行首飞，测试创新概念。

近地网将利用包括NASA近地网和近地网商业地面系统等全球资源，为EM－1任务和未来立方体卫星探索任务提供高增益地面系统解决方案。NASA近地网正在考虑为现有近地网地面站增加X频段上行链路能力，通过这项升级，地面站可以对EM－1任务、EM－2任务以及未来使用X频段上行链路无线电的立方体卫星任务提供早期轨道阶段以外的支持。

SCaN网络当前进展

SCaN网络的发展共分为三个阶段，早期最重要的步骤之一就是向用户任务提供一组通用的标准服务、接口、过程和协议，使SCaN用户能够与所有的网络服务无缝连接。

在这一过程中，SCaN项目致力于发展其网络能力，并对老化的SCaN系统进行了补充和现代化改造。SCaN项目还规划了几次“探路者”（Pathfinder）任务，演示验证诸如月球附近激光通信等技术。这些“探路者”任务设计用来消除风险，使NASA在这些技术投入运行使用之前获得运行经验。

近年来，SCaN项目还实施了DTN通信协议的开发工作，其目标在于：为便于空间任务使用创建现成的国际标准化互操作DTN协议；为地面系统引入DTN协议，由此实现多任务协同，改进任务数据回传和可靠性，同时减小成本和风险。

（1）SCaN网络架构由分离走向统一

第一阶段结束时，SCaN网络运行概念建立了一组空间网、深空网、近地网及其用户之间的通用服务和服务管理接口。这种运行概念的关键特征是引入三个网络中通用的、国际互操作的接口、协议和过程，以及初步实现集成网络管理和集成服务实施。这种接口和过程的通用性使SCaN网络可通过通用规划和调度接口帮助用户，而无需考虑最终为用户服务的SCaN资源。在整个网络中使用通用协议也使NASA可利用一组通用测试设备和程序进行用户通信系统兼容性验证和确认。这些变化为NASA实现SCaN集成网络体系结构，并为NASA提供高层路由和存储转发网络互联业务奠定了基础。SCaN体系结构发展的第二阶段把三个现有网络集成为一个统一网络，从松散耦合的SCaN网络过渡到集成网络管理结构，提高了NASA网络管理功能的端对端操作能力和成本效益。

（2）SCaN网络能力大幅增强

第一阶段中，SCaN网络微波数据吞吐能力大大增加，在近地域可提供至少1.2 Gbit/s的速率，深空域至少150 Mbit/s的速率。第一阶段也对不断老化的SCaN系统进行了补充和现代化改造，包括向SCaN基础设施增加专用通信资源，如深空网孔径增强项目中的34m天线等。

第二阶段中，NASA继续扩大微波组阵，通过增强软故障能力（阵列中单一天线的故障不会引起服务丢失，但会造成系统性能轻微降级）和子阵能力，提高SCaN服务的可靠性和灵活性。第二阶段发展提供的主要能力包括：集成网络管理和集成服务；特定用户任务使用采用了DTN和IP协议的空间网络互联；深空网孔径增强项目为预期的70m天线退役增加新天线。

（3）引入新技术，演示验证激光通信

2013年，NASA首个激光通信“探路者”任务——月球激光通信演示验证（LLCD）取得阶段性成功，验证了从40000km的绕月轨道上实现20 Mbit/s的上行速率和622 Mbit/s的下行速率能力。该任务验证了天基激光通信系统的可行性，及其在发射和太空环境中的可生存性。

NASA目前正在规划名为“激光通信中继演示验证”（LCRD）的后续任务。该任务旨在验证激光通信在不同时间和不同气象条件下性能，并了解如何更充分利用激光通信。LCRD预计在2019年发射，计划运行2年时间，将使用“国际空间站”（ISS）上的测试有效载荷以及两个专用地面站，模拟真实的通信支持。

（4）DTN通信协议测试取得重大进展

NASA的DTN工作开始于SCaN办公室的标准化项目。2014年，SCaN项目将原型及部署工作移交给先进探测系统（AES）项目，负责在“国际空间站”部署DTN。当前，SCaN及AES互为补充，呈现螺旋式发展，即首先由AES开发能力并建立原型，之后由SCaN实现标准化。这样，不同空间机构的多个任务就可利用标准化及可互操作的DTN版本。

2014年10月，NASA和欧洲航天局（ESA）宣布，成功测试DTN通信协议，这将成为未来行星间互联网通信的基础。试验中，“国际空间站”的航天员远程控制地面上的一台乐高机器人，模拟了航天员在月球或火星轨道上控制月球车或火星车的场景。这一测试未来可能被用于火星轨道太空飞船内的航天员与地面的通信，或是利用轨道卫星作为中继站，从地面进行通信。

NASA于2016年6月在“国际空间站”测试了DTN网络，这种自动储存和转发网络服务能为深空和火星探索任务提供可靠的通信选项。这意味着NASA在建立可靠星际互联网过程中取得了显著的进展，其可容忍延迟网络计划将互联网扩展向整个太阳系。

3 SCaN网络的未来发展

SCaN网络架构的愿景是构建并保持一个具有可伸缩性的集成基础设施，可提供综合的、经济划算的、更高量级数据速率的空间通信服务，实现NASA科学探测任务。这一基础设施易于发展，能适应不断变化的新技术，将保持支持用户任务关键事件及紧急情况的能力。

SCaN网络架构将实现一个包括一套相容国际标准、接口和过程的体系结构，将作为一个单一的综合网络运行。当不同的运行域以及特定用户需求需要某些不同能力时，集成网络将尽最大可能使用通用横向标准实现。集成网络管理功能将作为所有SCaN网络用户的接口。除了现有物理、信息技术以及通信方法之外，将采用新的标准安全措施管理访问控制并确保机密性、系统完整性以及可用性。

SCaN网络架构有以下特性：①太阳系范围内覆盖；②任意时间任意地点地球、月球及火星的连通性；③系统地引入光通信对射频通信基线进行补充（如第三阶段近地及深空通信）；④基于服务的集成架构及集成网络管理；⑤开发月球中继能力并增强火星中继能力（如第三阶段探索及科学任务）；⑥向更高频率射频链路迁移（如第一阶段到第三阶段Ka频段应用）；⑦增加和替换现有过时老化的基础设施；⑧SCaN网络引入新技术（如SDR、阵列等）；⑨使用标准接口实现国际及商业互操作性。

SCaN网络未来架构包括一个高度可靠的低数据率到高数据率微波链路基线，并通过高数据率光链路进行补充，为用户任务提供直接到地球以及中继资源的通信。SCaN项目采用合适的国际标准化协议以及接口，确保SCaN资源与空间或地面资源之间的互操作性。

（1）采用集成网络服务架构

SCaN网络当前已经迁移到一种集成网络服务架构并将继续演进，用户可无缝使用任意SCaN资源支持其任务。该架构也将允许SCaN项目优化其资源应用以有效满足机构任务共性需求。所有现有SCaN各子网完全集成到集成网络的最终构型中。该网络架构包括集成服务管理功能、通用网络控制功能和通用服务接口，也包括在整个网络中采用通用和集中式控制与数据交付服务。

NASA集成服务架构主要由三部分组成，分别是地球中继子系统、近地子系统和深空子系统，将原来构成SCaN网络的三个网变为统一SCaN网下的三个子系统。这三个子系统采用统一的用户服务管理机制，形成一个统一的有机整体。该集成空间通信体系建构在地面综合服务网络（NISN）上。这一基于服务的架构包括通用服务、网络资源及用户任务通用处理、国际互操作性标准化服务、以及集成网络管理及数据交付，以最大化接入所有SCaN项目的能力。

除了通信资源的现实物理约束和限制之外，SCaN网络中所有标准服务都可用。SCaN项目发布一个标准服务编目并通过一组相容的规划、请求、交付、管理及报告接口确保进行安全访问服务。

（2）实现集成网络管理

SCaN网络提供一套在整个网络中通用的服务和接口。为减少用户负担，提高SCaN集成度并实现集成服务交付处理，SCaN项目提供集成网络管理功能。该功能可以使用所有SCaN网络提供的服务，以及由国内、国际和商业合作伙伴/提供商提供的兼容服务。

集成网络管理接口使用安全接口向用户任务提供一组标准服务管理功能。集成网络管理功能使用类似安全接口向用户任务提供标准数据交付服务。

（3）增强和创新SCaN网络能力

随着对太空探索的深入，SCaN集成网络提供的服务和能力将不断发展变化，SCaN网络将增强现有能力并实现新能力，满足并超越用户任务的总体需求。主要包括以下四个方面的能力：

① 增强近地域能力

到2022年，近地光通信初始运行能力将提供至少1.2 Gbit/s的地球返向链路速率以及100 Mbit/s前向链路速率。增强的射频返向链路使用Ka频段在L2点将提供至少150 Mbit/s速率，在地球中低轨道至少达到1.2 Gbit/s。使用Ka频段，射频前向链路将为用户任务提供从25～70 Mbit/s的低地球轨道至月球速率。地球视距条件下提供全球范围任意时间任意地点的连接能力。在整个SCaN网络上提供标准服务。

② 提高深空域能力

通过系统升级和嵌入天线阵列，SCaN项目将提高NASA射频资源性能，为火星探测和外层星球用户任务提供支持。深空通信能力将使用射频持续提供稳健的标准服务及应急通信服务，高速率数据返向链路将重点使用Ka频段。采用可伸缩射频天线阵列提供稳健的应急X频段测控和高功率上行链路能力，并提供地球视距内任意时间任意地点连接。采用天线组阵，通过提供子阵列能力以及软故障功能，改进SCaN服务的可靠性、灵敏性、灵活性。

SCaN将加入光通信补充射频链路，实现更高速率数据返向链路。深空光通信初始运行能力提供至少100 Mbit/s返向链路速率，未来将扩展到1 Gbit/s，前向数据速率大于2 Mbit/s。由于天气影响以及电子器件对太阳粒子事件的敏感性，光通信性能可能受到某些限制，将利用“探路者”任务促进技术成熟并评估潜在约束条件。

③ 引入月球中继能力

将月球中继资源引入到SCaN集成网络中，将大大改进月球及近地域SCaN服务。月球中继架构将具备扩展能力，可根据用户需求、在轨资源数量提供动态变化的覆盖范围。月球中继资源将通过射频及光链路提供高速前向及返向能力，以及射频测量能力支持精确着陆及月球表面漫游。月球中继资源将实现国际及商业合作以及互操作性，也提供多址通信技术和协议，向多个在轨和月球表面资源提供同步通信。月球中继资源为地球可视区域之外提供高速率通信和高精度导航服务，填补覆盖缺口。单一用户任务仅仅在某个特定时间窗口需要服务，而永久月球基地则将有不同通信需求。为支持月球表面系统，需要改造或扩展通信链路调度服务。

④ 改进火星中继能力

未来，预期在火星表面或附近运行的探索飞行器和科学航天器将通过SCaN开发和运行的火星中继资源接收通信、导航以及定位服务。火星中继资源架构将合并入SCaN集成网络，并且可能继续使用科学轨道器上的中继通信有效载荷，或使用具有存储转发、空间网络互联能力的专用中继卫星。火星在轨中继将支持DTN存储、转发网络服务、以及没有人员调度或干预情况下的按需网络访问能力。

火星中继架构将具有可伸缩性，易于演进到支持载人探索以及使用高数据率设备，例如综合孔径雷达以及超频谱成像仪。基于早期实现的航天器设计，近期射频返向数据率可达到6 Mbit/s，通过使用功能更强的发射机和组阵天线，远期可达到150 Mbit/s。与地球之间的光主干线路数据率至少可达到600 Mbit/s（火星最接近点状态）。

4 结语

SCaN集成网络体系架构将形成一个能向未来空间任务提供所需通信服务的NASA基础设施。该集成网络体系架构通过标准化、通用性和技术引入，提升SCaN网络的运行效率和互操作性，实现NASA任务所需先进通信和跟踪能力。通过对该体系及相关技术的研究，可为未来空间通信系统的发展及相关技术领域的探索提供参考。