星间链路技术研究现状及关键技术分析

刘向南，赵 卓，李晓亮，冷 涛，谌 明

星间链路技术研究现状及关键技术分析

刘向南，赵 卓，李晓亮，冷 涛，谌 明

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

星间链路作为联通航天器的重要桥梁，是天基信息网络的重要组成部分。系统回顾星间链路技术的发展历程，总结星间链路的发展趋势及特点，分析发展星间链路应重点研究的关键技术，最后国外星间链路的发展经验，提出我国星间链路技术的发展建议。

星间链路；微波链路；激光链路；卫星通信；激光通信

引 言

星间链路泛指在卫星之间（或航天器之间）直接进行星间通信或星间测量的无线链路。根据星间链路的应用特点，通常按空域和频域两种方式对其分类。按频域划分，星间链路可以分为微波星间链路和激光星间链路；按空域划分，星间链路可以分为同轨星间链路和异轨星间链路。借助星间链路，通信卫星系统可以减小星地跳数和通信时延以构建天基信息传输网络，中继卫星系统可以增加用户星的测控弧段实现全天候的天基测控，导航卫星系统则可以最大限度地摆脱对地面系统的依赖，实现真正意义上的自主运行。因此，利用星间链路可以将多颗卫星互联，建立完全独立于地面系统的智能卫星网络，在扩大系统通信容量的同时，还可以提升整个系统的抗毁性、自主性、机动性和灵活性[1-4]。可以预见，星间链路技术将是未来卫星网络中不可或缺的重要组成部分。

1 星间链路的发展现状

国外对星间链路的研究工作开展较早，目前已经得到了较为广泛的应用，涵盖了通信、中继、导航、预警等多种卫星系统，其工作频段也涵盖了UHF、S、Ku、Ka、V等频段和激光频段，且在同一星座中存在多种频段兼容共用的特点。纵观星间链路的发展历程，可以将其概括为以下两个阶段：小规模试验研究阶段和大规模工程应用阶段。

1.1 小规模试验研究阶段

在星间链路技术研究初期，国外只是小规模地开展了OSCAR-6/7（Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio 6/7）、ATS-6（Applications Technology Satellite-6）飞船和LES-8/9（Lincoln Experimental Satellites 8/9）等星间链路的在轨试验研究。此后，国际上逐渐开始大规模研发星间链路系统[5-7]。

1975年1月，业余无线电OSCAR-7卫星和OSCAR-6卫星建立了世界上第一条单向VHF频段星间链路。根据任务规划，两颗卫星均工作于VHF频段且对地透明转发。OSCAR-7卫星发射的145.95MHz宽波束信号可以由OSCAR-6接收并转换成中心频率为29.5MHz的下行信号播发到地面，此时OSCAR-7卫星与OSCAR-6卫星之间就实现了单向VHF频段的星间链路[5]。

1975年7月，美国的应用技术卫星ATS-6为阿波罗号飞船Apollo和联盟号飞船Soyuz飞行任务提供了与地面站之间的数据中继业务，并且在ATS-6卫星和飞船之间建立了星船链路，极大地扩展了飞船的地面可见弧段[6]。

在卫星军事通信试验方面，美国在LES-8卫星和LES-9卫星之间开展了Ka频段星间链路试验，采用BPSK调制实现了星间10kb/s和100kb/s两种通信速率[7]。

1.2 大规模工程应用阶段

得益于星间链路技术的优势，使其在通信卫星、中继卫星和导航卫星等领域得到了较为广泛的应用，星间链路的发展概况如表1所示。

表1 星间链路发展概览

①美国

GPS导航星座星间链路

美国的GPS（Global Positioning System）是最先在导航星座中实现星间链路的系统。GPS星间链路采用时分多址TDMA（Time Division Multiple Access）体制，每颗导航卫星分配一个1.5s时隙用于通信或测距。对于24颗卫星组成的星座，36秒可以对星座所有卫星轮询一遍，该时间定义为一帧。星间链路传输共有25帧，1个测距帧，24个数据帧。测距方式为伪随机码测距[8]。

GPS系统自Block IIR卫星开始，安装了星间链路收发设备，实现星间通信和星间测距功能，以保证系统在180天时间内不靠地面支持而依然能保持URE小于6m的精度。目前，GPS III也正在部署中，计划增加V频段星间链路[9,10]。2018年12月23日，GPS III第一颗卫星发射成功，代表GPS系统现代化进程步入新的发展阶段。

TDRS中继卫星星间链路

美国先后发展了三代跟踪与数据中继卫星系统TDRS（Tracking and Data Relay Satellite）。第一代TDRS星间链路采用S频段和Ku频段。其中，SMA（S-band Multiple Access）前、返向速率可达300kb/s，SSA（S-band Single Access）最高传输速率可达10Mb/s，KSA（Ku-band Single Access）前向速率可达25Mb/s，返向速率达150Mb/s。第二代TDRS增加了Ka频段，其他系统配置和功能与第一代TDRS基本相同。为了继续维持TDRS天基网在未来10年星座的完整性，美国于2010年开始第三代中继卫星的研制，其Ka频段数据率可达800Mb/s[11]。

图1 TDRS星座及星间链路

目前，NASA（National Aeronautics and Space Administration）正在实施激光通信中继验证计划LCRD（Laser Communication Relay Demonstration），验证下一代跟踪与数据中继卫星系统TDRS的关键技术，为未来设计、建造和运行高效费比的激光通信系统和中继激光网络积累经验[12,13]。

铱星星座星间链路

美国铱星星座由66颗卫星组成，每颗卫星支持4条星间链路，工作在Ka频段。第二代铱星系统Iridium NEXT的星间链路依旧采用Ka频段，每颗卫星支持四条星间链路，其中两条用于与同一轨道面内前后相邻卫星之间的通信，另两条用于与左右相邻轨道面上相邻卫星之间的通信[14]。

Milstar通信卫星星间链路

Milstar（Military Strategic & Tactical Relay）是美国军用通信卫星发展的代表，是世界上第一个具有星间链路的GEO（Geosynchronous Orbits）卫星星座。Milstar系统由六颗卫星组成，其星间链路工作在V频段（60GHz），每颗卫星支持两条通信链路，具有很强的抗干扰性和抗截获能力。后续的AEHF（Advanced Extremely High Frequency）系统也继承了Milstar系统的星间链路设计。与Milstar卫星相比，AEHF系统的星间链路增强了路由功能和抗干扰能力，星间链路的最大传输速率也由10Mb/s提升至60Mb/s[15,16]。

②俄罗斯

LUCH中继卫星星间链路

俄罗斯LUCH中继卫星系统先后发射并使用了三代。第一代系统从1985年-1989年共发射和部署了3颗中继卫星，主要为低轨卫星、和平号空间站、联盟TM飞船以及早期的礼炮号空间站等任务提供测控和数据传输支持。星间链路采用UHF和Ku频段[17]。

1990年，俄罗斯开始研制第二代中继卫星，即LUCH-2，与第一代配置和功能基本相同。2009年，俄罗斯开始研制第三代中继卫星。目前，三颗卫星LUCH-5A、LUCH-5B和LUCH-5V组成中继星座为国际空间站、中低轨卫星等用户提供测控和数据中继服务。第三代LUCH中继卫星系统星间链路增加了S频段，Ku和S链路最大传输速率分别为150Mb/s和5Mb/s[18]。

GLONASS导航星座星间链路

图2 GLONASS星间链路

为了提升全球导航卫星系统GLONASS（Global Navigation Satellite System）性能，俄罗斯的GLONASS-M系列卫星采用了S频段宽波束星间链路，采用单工模式、BPSK（Binary Phase Shift Keying）调制、时分多址，每颗卫星每次发射时间持续5秒，整星座工作周期不超过15分钟，具备对地服务和伪卫星功能。

2005年，俄罗斯决定在GLONASS-K卫星上装载星间激光导航通信终端并开展在轨试验，每颗卫星安装2套激光导航通信终端，以保证其具备与GLONASS导航星座中两颗其它卫星进行独立协同的能力。GLONASS-K卫星星间链路采用脉冲激光体制，实现星间高精度测距（10cm）和中等速率数据交换（50kb/s），链路建立最快时间小于10s[19]。

③中国

天链一号星间链路

2008年，我国首颗中继卫星——天链一号01星与神舟七号飞船成功进行了在轨双向跟踪与通信试验，标志着我国开启了天基测控的新时代。2012年，我国天链一号三颗卫星的组网运行，实现了对中、低轨航天器近100%的轨道覆盖，使我国成为世界上继美国之后第二个拥有对中、低轨道航天器具备全球覆盖能力的中继卫星系统的国家。2016年，天链一号04星发射，与01星—03星进一步完善全球组网运行[20]。

图3 天链一号卫星三星组网

2019年3月31日，天链二号01星成功发射，这是我国第二代地球同步轨道数据中继卫星的首颗星。该星在第一代中继卫星的基础上，服务目标数量和传输速率有了较大提升，具有服务目标更多、传输速率更高、覆盖范围更广等特征。

北斗三号星间链路

我国在北斗三号全球卫星导航系统中规划配置了Ka频段星间链路，采用相控阵天线等星间链路设备，实现星间双向精密测距和通信。通过星间链路相互测距和校时，实现多星测量，增加观测量，改善自主定轨的几何观测结构[21]。

嫦娥四号星间链路

2018年5月21日，我国成功发射“鹊桥”月球中继卫星，该卫星于6月14日进入了地月拉格朗日2点（L2点）的晕轨道，这是世界上第一个进入到该轨道的月球中继卫星。

“鹊桥”在地、月、星之间建立了三条链路：对月前向链路、对月返向链路和对地数传链路，这三条链路可以实现“鹊桥”与嫦娥四探测器的双向通信，以及其与地面的通信。其中，面向嫦娥四，前向链路采用X频段统一载波体制，返向链路采用X频段BPSK抑制载波体制。“鹊桥”对嫦娥四着陆器的最高通信速率为560kb/s，对嫦娥四巡视器的最高通信速率为280kb/s。面向地面站，“鹊桥”采用S频段螺旋状中增益天线，码速率最大为2Mb/s。在分时工作模式下，可改用伞状天线来实现X频段对地数据传输，码速率可达10Mb/s[22]。

图4 “鹊桥”月球中继卫星星间链路

④欧盟

Galileo导航星座星间链路

Galileo导航星座目前没有采用星间链路，但是下一代Galileo导航星座计划采用星间链路进行相互测量和信息传递。然而，运用星间测量并没有完全脱离地面段，只是最低限度地依赖地面段，将地面站的数量缩减。此外，下一代Galileo导航星座计划实施中继通信任务，将在每颗导航卫星上装载激光星间链路设备，与低轨遥感卫星建立数传链路[23]。

EDRS中继卫星星间链路

1989年，ESA（European Space Agency）正式开始研制试验型数据中继卫星Artemis，主要用于验证星间微波和激光通信技术，并为欧洲货运飞船和国际空间站交会对接、对地观测卫星、极轨平台及其他科学卫星提供数据中继业务。Artemis主要装载S/Ka频段数据中继和光学数据中继有效载荷。用于微波通信的转发器为透明式，而用于激光通信的转发器为再生式。S/Ka频段数据中继可以同时提供两个前向链路和四个返向链路，激光通信前向链路速率为2048kb/s，返向链路速率为50Mb/s。2001年，Artemis与法国的地球观测卫星SPOT-4之间成功进行了世界上第一个星间激光通信链路试验，该链路采用强度调制/直接探测方式，800nm通信波长[24]。

2008年3月，德国TerraSAR-X卫星与相距5000km的美国NFIRE卫星之间实现了码速率为5.625Gb/s的双向激光通信试验。该链路采用BPSK调制/零差相干探测方式，1064nm工作波长[25]。同年，ESA启动欧洲数据中继卫星系统EDRS（European Data Relay Satellite）研制。EDRS一期系统的空间段包括两个地球静止轨道卫星，即EDRS-A和EDRS-C卫星。在后续的规划中，欧空局计划寻求合作扩展，在2020年前发射EDRS-D和EDRS-E两颗卫星完成二期系统建设，形成可覆盖全球的“全球网”GlobeNet（如图5所示），形成以激光数据中继卫星为骨干的天基信息网，实现卫星、空中平台观测数据的近实时传输。根据规划，EDRS星间激光链路的通信速率为1.8Gb/s[26]。

图5 EDRS中继卫星系统及星间链路

⑤日本

DRTS中继卫星星间链路

2002年9月，日本发射了首颗数据中继试验卫星DRTS（Data Relay Test Satellite）。该卫星可以提供一条星间S频段测控通信链路和一条Ka频段高速数据传输链路。其中，S频段前向链路数据率5Mb/s，返向链路10Mb/s；Ka频段前向链路数据率30Mb/s，返向链路278Mb/s。该卫星为日本对地观测卫星ALOS、国际空间站日本舱等六个用户航天器提供测控和数据中继服务[27]。

JDRS光学数据中继卫星星间链路

为了满足高分辨率对地观测卫星传输大容量数据的需求，2008年日本开始研制下一代中继卫星激光通信终端，其通信波长为1064nm，返向通信速率为2.5Gb/s，通信体制为DPSK（Differential Phase Shift Keying）/相干探测，捕跟方式采用无独立信标光方式[28]。

2015年12月，日本制定了光学数据中继系统JDRS（Japanese Data Relay System）的任务目标，并成立了JDRS研制团队。JDRS系统的链路类型包括高轨-低轨激光链路和高轨-地面馈电链路。其中，激光通信波长采用1550nm波段，返向调制探测方式为RZ-DPSK-DD、返向通信速率1.8Gb/s（编码后2.5Gb/s），前向调制探测方式为强度调制/直接探测、前向通信速率50Mb/s（编码后60Mb/s）。星间激光链路采用无独立信标光捕跟策略，链路建立时间小于60s[29]。

2 星间链路的发展趋势及特点

目前，国内外在星间链路方面均取得了瞩目的成就。通过分析星间链路的发展历程，总结得到如下五方面的发展趋势及特点。

①微波星间链路向THz频段等更高的频段发展

目前，Ka频段星间链路已经发展成为主流频段。然而，随着信息传输需求的不断增长，微波频谱资源日益紧张，推动星间链路技术向更高频率方向发展。相比于UHF、S、Ka等频段，V频段星间链路具有对地球近乎完全屏蔽、更强的抗干扰能力、更宽的信道带宽等优势，现已有实际工程应用。但对于未来更高的数据传输速率需求，采用V频段的星间链路仍具有一定的局限性，THz技术有望成为新型星间链路的主要技术手段。

②激光通信是提升星间链路系统性能的有效手段

相比于微波通信，激光通信具有传输速率高、可用带宽大、抗电磁干扰能力强、保密安全性好以及激光终端体积小、重量轻和功耗低等优点，使激光链路逐渐成为构建未来星间链路的重要手段，成为解决高速空间通信和精密测距问题的最佳途径之一。

③微波激光混合链路是星间链路发展的必然趋势

针对未来星间链路发展需求，国外目前也在积极开展新型星间链路的研究和工程实现，且呈现出不同的技术路线。其中，GPS III星间链路将在原UHF宽波束星间链路的基础上增加V频段点波束星间链路，GLONASS将在原S频段宽波束星间链路的基础上增加激光星间链路。因此，微波激光混合链路将会持续共存发展。

④星间链路是构建天基信息传输网络的重要基础

随着航天技术的不断发展，未来将更加注重和强调星座、星群间的配合与协同。因此，利用星间链路构建天基信息网络是卫星系统向网络化发展的必然趋势。其中，星间链路的频率选择、信号体制、建链方式、通信容量、测量精度、扩展能力等关键特性，决定了天基信息网络的综合效能。

⑤深空链路是星间链路的延伸扩展及发展新方向

随着深空探测的发展需要，目前国际上已经开展深空探测领域的星间链路技术研究。我国在嫦娥四号任务中成功实施了“鹊桥”月球中继卫星星间链路，具有十分重要的意义。美国空间通信与导航服务设施也将逐渐形成统一的SCaN（Space Communications and Navigation）网络，为位于整个太阳系内的空间飞行任务提供通信与导航服务。因此，随着深空探测技术的不断发展，深空链路将成为星间链路的重要扩展及发展新方向。

3 星间链路的关键技术分析

①星间链路的信号体制设计

星间链路信号体制设计包括频率选择、通信体制和测量体制设计。信号体制设计不仅影响到星间链路的测量精度、有效数据的传输速率以及抗干扰性能等关键指标，而且涉及到相关终端设备的工程可实现性及复杂度。

图6 各种太赫兹源的频率功率关系

通信体制设计包括调制方式、编码方式等内容，测量体制设计包括星间测距、钟差测量等内容。此外，卫星频率资源固定有限，且争夺激烈。因此，在星间链路设计过程中，频率选择是首要考虑的问题。这也是是各国迫切关注Q、V乃至THz频段和激光通信技术的原因。目前，UHF、Ka和激光等频段的器件相对成熟，均可以作为星间链路的使用频率。而对于THz等更高频率载波的生成和功率放大需要重点攻关。以THz频率载波频率的生成和功率放大为例，图6从其频率功率关系较为直观地反映了各种THz源的特点[30]，需结合星间链路总体设计选取THz源的实现途径。

②星间链路快速建立与稳定维持技术

快速捕获与稳定维持是建立星间链路的前提条件。在两个高速运行的卫星之间实现精确的捕获并跟踪，难度较大。因此，需要根据实际的星间链路场景，分析不确定区域等参量，设计合适的捕获策略和跟踪方案。

随着星间链路载波频率的升高，天线波束变得越来越窄，对跟踪精度的要求也越来越高。参照目前Ka频段星间数传系统，程序跟踪精度为0.2°左右。采用多模跟踪体制，自跟踪精度则可以优于0.05°。对于星间激光链路的跟踪精度，通常需要优于3μrad。因此，对于新型星间链路，传统的程序跟踪已无法满足系统需求，必须增加全程高精度的自动闭环跟踪实现天线波束的相互捕获跟踪。同时，需在跟踪过程中对卫星平台的扰动以及天线跟踪对平台姿态的影响进行补偿。

③激光微波混合星间链路组网技术

天基信息网络的庞大性和复杂性决定了无法用一种单一的载波频段来完成网络中所有链路功能，未来的天基信息网络将是一种多频段混合链路通信网络。天基网络的多用户接入、多种业务服务的应用特点使星间链路具有更加复杂的拓扑动态变化特性。

针对高动态连接的星间链路网络，星间链路终端物理层面需解决两大核心问题：一是如何实现一对多多波束的快速、自由接入；二是如何实现多用户同时捕获的捕获跟踪能力。为实现激光微波混合星间链路组网，需同时开展星间拓扑与路由设计、星间网络协议设计以及星间网络安全等技术研究。

④星间链路综合多功能集成技术

针对星间链路多频化、宽带化、网络化和标准化的发展特点，星间链路终端需适应多信息传输、多功能集成的要求，即采用综合多功能集成设计。综合多功能集成主要指通过硬件集成设计、体制与波形设计、帧格式设计等方法，将多个通过星间链路传输的信息统一实现，不需要额外增加硬件设备，可以最大限度地节省资源消耗。

图7 星间链路综合多功能集成

星间链路综合多功能集成设计思路如图7所示。其中，星间数据通信主要指终端采集数据、星间通信数据、测控数据等编译码、调制解调与传输；星间测量主要包括测距、多星定位测量信息传输、时频传递等；数据处理与智能管理主要包括数据存储、数据处理、数据分发、通信路由与协议、终端管理等。

4 思考与建议

近年来，随着国家利益向全球拓展，我国天基信息网络的建设需求愈加迫切。主要表现为：经济贸易的全球化决定了国家战略向全球拓展延伸，远洋运输、编队护航、国际航班等均需要天基信息网络的支持；对于难以抵达的地震灾害等突发事件区域，在地面网络严重毁坏的情况下，应急抢险救援等紧急事件的实时跟踪与快速响应依赖于天基信息网络的有效支持；受国土面积限制，对境外卫星或航天器的测控、通信和管理也需要借助天基信息网络的支持。星间链路为联通卫星、实现天基测控、星座自主运行等功能提供了保障，是构建天基信息网络的重要基础。随着天基信息网络的发展与融合，我国各卫星系统对星间链路的需求将更加迫切。

结合我国实际国情，针对我国星间链路技术的发展，提出以下几点建议：

①加强天基信息网络顶层设计，提前部署星间链路标准化工作。

我国相继在天链一号、北斗三号以及嫦娥四号中应用了星间链路技术。针对未来天基信息网络的建设需求，需关注和研究各类系统中星间链路与天基信息网络之间的关系、作用及定位，加强顶层设计，统筹星间链路的后续发展，对星间链路终端设备的信号体制、网络协议、接口要求等方面做出标准化部署。

②借鉴国外星间链路发展经验，提前开展星间链路新技术研究。

国外星间链路技术总体呈现向更高频段发展且多频段混合应用的特点，并成功应用于中继、通信和导航等多种卫星系统，覆盖了UHF、S、Ku、Ka等多个频段，并逐渐向更高的V频段和激光频段发展；星间链路的功能也从单一的测距或通信向测量通信一体化转变。我国应充分借鉴国外星间链路发展经验，对新型星间链路技术进行规划、攻关和验证，实现跨越式发展，缩小我国星间链路技术水平与国外的差距。

③加大新型星间链路研发投入，解决新型链路器件国产化问题。

星间链路的本质是实现通信和测量的无线通道。新型星间链路将重点关注高速率通信和高精度测量，以及高精度时频传递等技术。THz频段、激光通信、飞秒光频梳、微波光子学等新技术的发展，为新型星间链路的实现提供了诸多技术途径，也将是未来发展的重要方向。因此，建议加大新型星间链路研发投入力度，突破相关关键技术，自主研制核心器部件，实现器部件的国产化。

5 结束语

随着航天技术的不断发展，航天系统的应用愈加注重星群、星座间的协同与配合，用以发挥并进一步提升航天系统的整体效能。推进各类卫星融合发展，建立天基信息网络，成为航天技术发展的必然趋势。星间链路作为构建天基信息网络的重要基础，是联通航天器集体的重要桥梁。国外星间链路技术经过四十多年的发展，已经进入应用阶段，并开启了新技术的研究热潮。国外星间链路技术总体呈现向更高频段发展且多频段混合应用的特点，星间通信已由点到点通信向星座组网通信发展，星间链路功能也从单一的测距或通信向测量通信一体化转变。通过研究星间链路技术的发展历程，可为我国星间链路技术的发展提供参考，有利于我国星间链路技术的快速发展和提升。

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Research status and key technologies analysis of inter-satellite link

LIU Xiangnan, ZHAO Zhuo, LI Xiaoliang, LENG Tao, CHEN Ming

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

Inter-satellite link or crosslink is an important bridge for connecting spacecraft and an essential part of the space-based information network. In this article, the history of this technology is reviewed. The trends and characteristics of inter-satellite links development are summarized, while key technologies that should be studied in the development of inter-satellite links are analyzed. Finally, drawing on the development experience of foreign inter-satellite links, some suggestions are proposed for the development of inter-satellite link technology in our country.

Inter-satellite link/Crosslink; Microwave link; Laser link; Satellite communication; Laser communication

TN927.2

A

CN11-1780(2019)04-0001-09

刘向南 1985年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为空间激光通信总体技术。

赵卓 1993年生，硕士研究生，主要研究方向为空间激光通信技术。

李晓亮 1979年生，硕士，研究员，主要研究方向为测控通信技术。

冷涛 1980年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为卫星数据传输技术。

谌明 1977年生，博士，研究员，主要研究方向为测控通信技术。

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2019-04-29

2019-06-03