地月空间信息网络体系架构对比研究

孙晨华，何 辞，张亚生，卢 山

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄050081）

1 引言

月球是距离地球最近的天体，既可作为深空探测的中继站，又是对外天文观测的理想基地［1］。自20世纪70年代起，美、苏等国就已陆续开展针对月球探测手段的研究［2］。近年来，全球新一轮月球与行星探索正拉开序幕，无论是各种人类与机器人任务（如在自主、半自主或遥控状态下执行远距离、恶劣环境巡视探测、采样分析、物资搬运等科学任务的月面机器人［1］），还是建立永久性基地（如欧空局提出的“月球村”通信导航集成网络计划［3］），都显示探月范围正逐步由月球正面向背面和两极拓展，探月活动也日趋复杂，对星座的覆盖率、通信传输速率和导航能力的要求也越来越高，仅靠单一的通信测控手段无法满足需求［4］。

我国载人探月起步较晚，目前虽已初步建成航天测控通信网、地球轨道中继、通信和导航卫星网络，能够基本保障当前载人航天器及探月工程的空间通信和测控，但各网系相对独立，数据融合和分布式协同处理能力较弱，难以满足未来载人月球探测对大数据、多节点、全空间和多业务空间信息交互的需求［6-7］。本文在介绍地月直连通信和地月中继通信的基础上，利用STK仿真软件对几种典型的地月通信架构进行仿真对比分析，以最终确定一种能够满足未来载人月球探测需求的地月空间信息网络体系架构。

2 信息传输需求分析

在载人月球探测任务中，地月空间传输与交互的数据包括遥控、遥测、数传、话音、视频、导航等类型，需要为各类用户航天器、月面功能设施提供不同的通信模式，包括点对点、点对多点、广播等［5］。各类业务传输时效性要求如表1所示，其中大部分业务为实时业务。地月网络体系架构设计需综合实时性业务的需求，设计能满足全空域、全时域覆盖特性的地月空间信息网络。

表1 业务传输时效性要求Table 1 Service transmission timeliness requirement

3 典型地月通信网络体系

3.1 地月直连通信

如图1所示，基于地月节点直连通信的体系由月球表面子网、地球表面子网两类子网组成。月球表面子网包括登陆器、漫游车、宇航员等多种类型的节点构成。由Wi-Fi技术提供月球表面子网的通信覆盖；登陆器采用全向天线或定向天线，与地球表面子网的地球站进行通信；地球表面子网由相距120°的三座地球站通过地面网络互联构成，用于实现地月之间节点的直连通信［6］。

3.2 中继通信

通过多跳链路来配合完成月面探测器与地球之间的数据传输任务是目前地月通信技术的趋势，例如NASA和JPL在本世纪初提出的星际互联网（InterPlanetary Network，IPN）概念［8］，通信节点之间通过选定若干个中继节点组成中继链路以完成点对点传输难以完成的数据传输任务。引入的中继节点分为两类：月球中继节点和地球中继节点。

图1 地月节点直连通信方式示意图Fig.1 Direct communication between Earth and Moon

3.2.1 月球中继

基于不同的月球卫星星座构型思路，分为两种：

1）月球登陆器-绕月卫星-地球站通信

在地月直连通信体系基础上，加入绕月卫星进行通信中继，架构如图2所示。由多颗绕月卫星的方式组成全连通的近月空间子网，做到完全覆盖月球表面，且任意时刻至少有一颗绕月卫星能与月球登陆器以及地球表面子网的一个地球站建立通信链路［9］。通信链路多采用 X-Band或Ka-Band，提供Mbps级的链路速率和高可靠传输。通信链路为：月球登陆器＜—＞绕月卫星＜—＞地球站。该体系架构能够保证在地球自转和月球自转的前提下，任意时刻都可以进行地月之间的通信任务。

2）月球登陆器-拉格朗日点中继节点-地球站通信

地月拉格朗日L2点位于地月连线的延长线上，在地月拉格朗日点L2［9］部署中继节点，由于地月相对位置恒定，校准和维护相对简单，且不需要绕月球轨道运转［10］。L2点始终在月球背后，在地球上始终是看不到的。为了保证部署在L2点的中继节点始终与地球具有视距通信条件，通常采用晕轨道的方式［11］。晕轨道在地月连线垂直并通过L2点的平面附近，中继节点距离L2点超过3500 km，围绕L2点的运动周期约为半个月［12-13］。通信链路如图3所示，为月球登陆器＜—＞L2中继节点＜—＞地球站。该体系架构能够确保L2中继节点运行的卫星可以连续观测月球背面，以解决月球背面与地球之间的通信问题。

图2 地月节点通过绕月卫星中继通信方式Fig.2 Relay communication based on the Lunar orbiter

图3 地月节点通过拉格朗日点中继通信方式Fig.3 Relay communication based on Lagrange point

3.2.2 地球中继

本文融合近月空间子网和近地空间子网，提出一种月球登陆器-月球中继节点-地球中继节点-地球站通信方案，架构设计如图4所示。在部署月球中继节点的基础上，引入近地空间子网，即新增地球中继节点，近地空间子网由地球数据中继卫星、空间站或未来逐步部署的天基网络节点等近地空间航天器组成。

图4 地月节点通过月球和地球中继通信方式Fig.4 Relay communication based on Lunar relay and Earth relay

4 架构仿真分析对比

考虑月球自转的影响，地月直连通信方式无法满足面向月球的全时域、全空域的通信覆盖要求。本文主要针对3.2节所述3种中继通信方式，利用STK仿真软件搭建不同的地月空间信息网络仿真场景进行分析对比。

4.1 月球中继轨道构型仿真

4.1.1 绕月卫星中继

近月空间子网常见六星和八星两种异轨面极圆轨道星座构型方案［14-16］，各自仿真设置如下：

1）六星异轨面极圆轨道：两颗中继卫星运行在升焦点赤经相差60°的两个轨道平面上，半长轴为6946 km，倾角为90°，相邻轨道面上的相邻卫星之间的星相位相差1°。

2）八星异轨面极圆轨道：两颗中继卫星运行在升焦点赤经相差45°的两个轨道平面上，半长轴为6084 km，倾角为90°，相邻轨道面上的相邻卫星之间的星相位相差1°。

仿真结果分别如图5、6所示。图5中绿色为一重覆盖区域，紫红色为二重覆盖区域，黄色为三重覆盖区域，深蓝色为四重覆盖区域；可见六星异轨面极圆轨道星座可实现对全月面的全时覆盖。图6中绿色为一重覆盖区域，紫红色为二重覆盖区域，黄色为三重覆盖区域，深蓝色为四重覆盖区域；可见八星异轨面极圆轨道星座可实现对全月面的全时覆盖。

4.1.2 拉格朗日点中继

图5 六星异轨面极圆轨道星座2D覆盖图Fig.5 The 2D coverage of six-star constellation with noncoplanar polar circular orbits

图6 八星异轨面极圆轨道星座2D覆盖图Fig.6 The 2D coverage of eight-star constellation with noncoplanar polar circular orbits

基于拉格朗日点中继的通信网络仿真设置如下：1颗中继卫星运行在距离地球约3.2×105km的地月系统第一拉格朗日点（L1点）上，第二颗中继星在距离地球约4.5×105km的第二拉格朗日点（L2点）运行［17］；在 L1和 L2点晕轨道上部署四星星座，分别在拉格朗日点L1、L2点的晕轨道放置两颗卫星，星间相位 180°。晕轨道直径1.2×104km；地面选择三个站。分别对月面的覆盖情况和地面各测控站的可见时间进行仿真，可得覆盖情况分别如图7、8所示。

由图7可知，L2单颗对月球背面可实现的最大覆盖率为86.66%，最小覆盖率为74.73%；L2两颗对月球背面可以实现累积全覆盖，最多可实现两重覆盖。一重覆盖的最高覆盖率为99.12%，最小覆盖率为94.24%，且累计覆盖率为100%；二重覆盖的最高覆盖率为68.54%，最小覆盖率为58.74%，且累计覆盖率能实现92.4%。

图7 L2单颗（左）、两颗（右）对月球背面的覆盖情况图Fig.7 The coverage of back of Moon with single（Left） and double（right） L2

图8 L1单颗（左）、两颗（右）对月球正面的覆盖情况图Fig.8 The coverage of back of Moon with single（Left） and double（right） L1

由图8可知，L1单颗对月球正面可实现的最大覆盖率为86.60%，最小覆盖率为84.25%；L1两颗对月球正面可以实现累积全覆盖，最多可实现两重覆盖。一重覆盖的最高覆盖率为91.18%，最小覆盖率为95.78%，且累计覆盖率为100%；二重覆盖的最高覆盖率为76.65%，最小覆盖率为82.00%，且累计覆盖率能实现94.55%。

4.1.3 对比分析

上述仿真结果显示，使用绕月卫星和基于拉格朗日点的轨道方案均能够实现全月面的覆盖。使用绕月卫星的轨道方案具有实现方式简单、距离月球较近、地球卫星轨道理论研究基础可借鉴等优势；但其轨道特性和运动特点决定单颗卫星无法实现对月球背面不可见区域的大面积覆盖和连续通信，如果利用多颗卫星组成星座，又会带来测控复杂和成本增加等问题。而将中继通信或导航卫星放置于地月拉格朗日点，借助拉格朗日点轨道运动特性，则可以利用单颗卫星实现对月球背面大部分不可见区域的连续通信［17］。另外，拉格朗日点的轨道方案还具备光照时间长，月面用户的视运动慢而易于天线跟踪，发射成本较低等优点［18］。因此，选择基于拉格朗日点中继通信的方式可作为地月空间全月球覆盖探测任务的架构设计的首选。

4.2 地球中继轨道构型仿真

根据图3所示地球中继通信方案，在拉格朗日点的四星轨道方案仿真的基础上［17］，再设置3颗位于同步地球轨道的中继卫星节点和3个相距120°的地面测控站（位于南美、吉布提和北京），分别对有无地球中继节点两种情况下，月球中继卫星对地面各测控站的可见时间进行仿真。结果如表2～3所示，无地球中继节点时，三个测控站分别对L1、L2中继卫星的可见时间最长为14.97 h，间断连接时间最长为18.31 h。

表2 地面各测控站分别对L1、L2中继卫星的可见时间Table 2 The visible time of L1 and L2 from ground monitoring stations ／h

表3 地面各测控站分别对L1、L2中继卫星的最长间断时间Table 3 The interruption time of L1 and L2 from ground monitoring stations ／h

作为对比，仅在国土（北京）部署一个测控站，在近地空间部署三颗GEO卫星，仿真可得北京L1点的可见时间如图9～10所示。

图9 北京测控站对L1的可见时间Fig.9 The visible time of L1 from Beijing ground monitoring station

如图9所示，如果未部署近地空间单元的中继卫星（GEO卫星），单纯在国土范围（北京）部署测控站，测控站无法实现对L1点月球中继卫星的全时通信。如图10所示，如果部署近地空间单元的中继卫星（GEO卫星），借助GEO卫星的星间链路，位于国土的北京测控站可实现对L1点月球中继卫星的全时通信。

图10 北京测控站对L1的可见时间（部署GEO卫星）Fig.10 The visible time of L1 from Beijing ground monitoring station（Deployment GEO Satellite）

上述结果表明：部署近地空间的节点一方面能在很大程度上增加地月网络链路和节点的冗余性，实现地月网络的弹性组网；另一方面可有效增加地面测控站对测控对象的测控时间，从布设站点的角度考虑，可减少测控站的部署，尤其减少海外建站需求，仅在国土布站即可满足对全月面测控和通信的需求。

5 结论

1）在直连通信方式下，受月球自转的影响，地球测控站无法与月球背面直接通信，而中继通信方式可以解决这个问题，并满足面向月球的全时域、全空域覆盖的通信要求。

2）融合近月子网和近地子网的中继通信网络构型在覆盖范围、链路与节点冗余性、测控时间、信号强度、传输可靠性、部署灵活性等方面均较其他中继通信构型有明显优势，是目前的最优方案。