星间链路技术标准化思路与建议

张若禹 邰馨慧 袁亚博 汪勃

（北京跟踪与通信技术研究所， 北京， 100094）

星间链路主要指卫星之间建立的链路， 通过卫星之间无线链路进行精密测量和数据传输， 可以实现地面不可见卫星的测控数传， 支持卫星星座／编队构型保持， 实现信息获取、 信息传输、信息支援等装备的一体互联， 大幅提升航天装备整体效能。 国外早期将同轨道面卫星的星间链路称为Intra-Satellite Link （轨内链路）， 将异轨道面星间链路称为Inter-Satellite Link （轨间链路）， 目前逐渐统一为Inter-Satellite Link （星间链路）， 缩写为ISL[1]。

随着星间链路应用的不断拓展， 通常主用于卫星之间的链路在某些情况下也用于卫星—地面站、卫星—飞机、 卫星—舰船、 卫星—火箭之间的测量和数传， 统称为星间链路， 星间链路已成为卫星组网、 空间节点高速互联的必需手段。 可以说， 星间链路构成了空间信息网络互联的初步形态， 空间信息网络是星间链路发展的必然结果。

近年来， 以美国太空探索技术公司SpaceX 的星链计划Starlink 为代表， 世界各国中大规模卫星星座论证设计和组网建设快速推进。 星间链路技术成为航天领域的新技术增长点并受到广泛关注，相应标准化需求日趋迫切。 本文总结了国内外星间链路技术应用及其标准化现状， 提出了我国星间链路标准化原则、 思路与建议， 旨在为星间链路标准体系建设奠定基础。

1 星间链路标准化的范畴

正确认识星间链路标准化范畴是星间链路标准体系研究的重要前提和方向保证。 文献[2]在天基信息网络系统标准体系中规划了遥感、 中继、 通信和导航等卫星的星间链路， 但将星间链路定位为网络中的接口， 未涉及星间链路运行维护、 应用服务的标准化。 国外十分重视贯穿装备设计、 研制到应用的全生命周期标准化， 这一点在美国国防部体系结构框架DoD AF 2.02、 英国国防部体系结构框架MODAF 1.2.004 和北约体系结构框架NAF 3.0 中均得到明确体现[3-5]。

星间链路的应用范围快速扩展与技术进步，使其一方面更加注重时空基准、 信息传输、 信息获取、 卫星／星座的配合协同， 卫星／星座间互联互通的需求已逐步显现； 另一方面， 星间链路相关活动将扩展到运行管理、 维修保障和服务支持中， 涵盖系统间接口、 对接试验、 终端研制、 测试标校、 性能评估、 建链规划、 操作维护等诸多环节。

2 星间链路技术应用及其标准化现状

2.1 星间链路技术应用现状

2.1.1 国外星间链路技术应用

星间链路在美国跟踪与数据中继卫星（TDRS） 中应用已久， 主要指中继卫星与用户航天器之间的链路， 包括S 频段多址接入 （SMA）、S 频段单址接入 （SSA） 前／反向链路和Ka 频段单址接入 （KSA） 前／反向链路。 TDRS 星间链路采用二进制相移键控 （BPSK）、 正交相移键控（QPSK） 和扩频调制， 速率可调， 最高可达吉赫兹数量级。 中继卫星之间不具备星间链路， 尚不支持星间多跳传输， 还不具备网状互联互通形态。

Iridium 铱星通信系统采用Ka 频段相控阵链路实现星间互联。 每颗卫星与同轨道正向、 后向、 左右异轨道面侧向卫星建立链路。 同轨面卫星之间的位置关系固定， 异轨面卫星之间的相对位置关系时变切换。 工作频段为23.18GHz～23.38GHz， 采用QPSK 调制， 最大数据传输速率为25Mbps， 采用时分复用多址／频分复用多址 （TDMA／FDMA）方式。

美国GPS 卫星从Block IIA 起使用UHF （超高频） 频段、 分帧TDMA、 宽波束链路进行星间通信， 传输测控、 全球核爆监测等信息。 Block IIR 卫星星间链路增加了星间测距功能和时间同步用于支撑星座自主导航。 GPS-III 增加了抗干扰能力更强的V 频段点波束方向性星间链路，可获取全星座卫星连续遥测信息、 近实时监控和零数据龄期导航数据， 实现了 “一星通即整网通”， 开展了IPv4、 IPv6 等多种网络协议的比较论证。

2.1.2 国内星间链路技术应用

与国外类似， 我国中继卫星系统较早建成星间链路， 为火箭、 中低轨卫星等各类航天器提供S／Ka 频段测控数传支持。 其链路速率可达最高数百兆， 主要采取前向／返向链路， 可同时服务多路前向和返向用户。

北斗全球系统配置了Ka 频段星间链路载荷，星间链路设计了并发时分空分、 双向单程测距、点波束指向性天线的星间链路[6]， 实现了星座星间的互联互通、 高精度测量、 层次化信息传输，解决境外布站受限条件下的星座不间断运行控制问题， 满足测控对星座的100%覆盖要求， 形成了星间星地一体的空间信息网络初步形态， 支撑星座自主导航、 全球导航、 全球短报文等服务。

在一些卫星编队和小型卫星星座中， 也部署了S、 X 或Ka 等频段星间链路载荷， 用于建立其内部各卫星之间的通信链路， 有些通信链路还具备星间测量和时间同步功能， 用于数据的星间构型保持、 载荷控制与任务协同等。 不同型号星间链路的工作频率、 多址方式、 传输速率、 调制形式、 编码方法、 工作模式等差别较大， 相应载荷尚未形成清晰型谱， 基本不具备互联互通可能。

近年来， 国内多个航天型号和民商卫星系统启动了星间链路研制建设和论证工作。 星间链路应用已覆盖S、 X、 Ka 频段乃至激光等频段， 需求强劲， 但也存在不足， 主要体现在： 各系统呈“烟囱式” 发展模式， 主要依靠自己的力量探索，在频段选择、 调制解调、 编码译码等技术体制方面形式多、 兼容性差， 技术状态统筹优化不够，已有技术应用推广不足， 后续互联互通难度较大， 不利于整个技术领域的融合发展。

2.2 星间链路技术标准化现状

2.2.1 CCSDS 的星间链路标准化

空间数据系统咨询委员会 （CCSDS） 采用了TCP／IP 协议模型， 针对空间通信开发了一系列的协议标准[7]。 CCSDS 不区分星间链路、 星地链路， 而是统称空间链路[8]， 其系列协议适应于空间通信的环境特点， 且可与地面网络兼容，给国际组织间合作提供了便利。 其协议分为5层： 物理层、 数据链路层 （分为同步与信道编码子层和数据链路协议子层）、 网络层、 传输层、应用层， 实现了不同层协议之间的解耦， 可结合任务需求选用， 有效缓解了因航天任务不同而出现的协议 “烟囱式” 发展问题。 该协议从点对点的测量通信发展演变而来， 协议体系的数据功能较为完备， 但路由控制、 网络组播、 网络管理等控制、 管理功能需要丰富完善， 网络层的协议完备性不足。

2.2.2 3GPP 的星间链路标准化

作为全球最大最重要的国际通信标准组织，第三代合作伙伴计划3GPP 面向大众应用提供语音、 数据、 视频和多媒体业务通信基础设施， 在卫星与移动通信网的融合方面开展了大量工作。2020 年9 月发布的标准TR 38.811 《支持非地面网络的新型无线电研究》 中明确提出： 采用空基或者天基飞行器作为传输装备中继节点或者基站的网络或者网段的非地面网络 （Non-Terrestrial Networks， NTN）， 卫星可以使用传统的弯管连接模式 （卫星仅作为中继节点）， 也可以使用更先进的组网连接模式。 卫星网络在其中作为空中路由器或者中继站， 承载不同类型的业务。

图1 为提供卫星固定和移动业务的卫星接入网星间链路的使用场景。 星间链路可采用射频或者光学频段， 为甚小口径卫星终端站 （VSAT）等宽带用户设备提供卫星固定和移动业务。 在3GPP 网络架构下， 星间链路仅是服务链路与馈电链路之间的传输通道。 移动通信主要关注用于语音和数据交互业务的卫星网络， 军用和空间探测的数据中继网络不在其讨论范围之内[9]。 TR 38.811 标准没有给出星间链路的具体技术规范，仅提出了星间链路有联邦式、 非联邦式两种方式， 未就具体设计给出明确的解决方案。

图1 配置星间链路的卫星接入网络

2.2.3 IEEE 星间链路标准化

IEEE 在 《国际网络世代路线图》 技术报告中定义了卫星网络用于6G 地面网络回传的12 种用例， 包括多跳低轨 （Low-Earth Orbit， LEO） 卫星非联邦网络分布单元 （DU） 向中心单元 （CU）传输、 多跳LEO 联邦网络DU 向CU 传输， 多跳LEO 非联邦网络DU 向网关回传、 多跳LEO 联邦网络DU 向网关回传， 多跳LEO 非联邦网络地面小基站 （SBS） 向eNodeB／eNodeG 传输、 多跳LEO 联邦网络DU 向eNodeB／eNodeG 传输等。 报告未给出星间链路的具体协议。

2.2.4 我国星间链路标准化

全国宇航技术及其应用标准化技术委员会空间数据与信息传输分技术委员会TC 425／SC3 在2021 年4 月召开的工作推进会上启动了总体、 空间通信、 航天器内部通信、 任务操控与交互支持等4 个工作组的筹备会， 星间星地激光通信标准化工作纳入空间通信工作组。 目前已计划相应的标准立项工作， 主要面向空间探测和空间操作。

全国通信标准化技术委员会CCSA 于2019年成立了TC 12 航天通信工作委员会， 目前下设航天通信系统工作组WG1 （主要负责航天通信网络的接入和传输协议、 资源管理、 与基础电信的互联互通和融合）、 航天通信应用工作组WG2 （主要负责航天通信技术在垂直行业的应用以及卫星互联网技术和应用）、 协同组网通信工作组WG3 （主要负责空、 天、 地多种模式下的协同组网）， 现已启动天地一体化协同组网系统架构、 天地一体5G 网络场景及需求、 卫星网络与边缘计算网络融合组网技术等研究工作。

我国现已开展了卫星互联网标准体系架构规划设计。 卫星互联网整体包括3 部分： 无线接入网、 承载网、 核心网。 其中， 核心网是一种与3GPP 系统相关、 独立于终端连接技术 （无线或有线） 的通信网络架构， 以实现用户的认证鉴权、 移动性管理、 会话管理、 计费等功能。 卫星互联网标准体系划分为总体、 无线接入、 核心网、 承载网、 通信安全、 接口、 设备、 测试和其他共9 大系列， 目前已完成部分标准编制， 这些标准相对偏向于通信网络应用。

综上， 国内外目前涉及星间链路的标准化工作总体上可分为两大类： ①由3GPP、 IEEE 组织牵头， 主要以移动通信为基础的卫星+B5G 或卫星+6G 应用， 面向网络运营和对外服务， 与用户、 地面站松耦合， 星座构型较为简单， 连接关系固定， 星间建链和组网相对容易。 ②由CCSDS 组织牵头， 主要以空间观测和空间操作任务为主。 因空间任务差异性较大， 星座异构特征十分明显， 星间链路的应用场景更为复杂，标准化工作的难度和复杂度更大。 站在国家层面和航天领域看， 我国星间链路标准化重点是后者。

3 星间链路标准化原则

3.1 紧贴需求

标准项目面向航天实际， 紧盯空间信息传输应用需求， 固化星间链路已有技术成果， 充分发挥标准的引领和先导作用， 预先布局新技术相关标准， 既规范卫星载荷也规范地面设备， 既指导建设又服务运维， 减少不必要的重复性工作， 简化流转程序， 配合装备建设使用环节， 推动装备快速形成能力发展、 发挥最大效益。

3.2 各有侧重

尽管星间链路技术在我国航天领域得到了一定的应用， 但是各类卫星系统职能定位不同。 通信与中继类卫星网络主要功能是为各类公众用户以及部分特定用户群提供网络和信息传输服务，公共性和通用性是必然要求， 因此星间链路标准化重点关注技术本身的通用性和面向各类用户的产品型谱等方面。 观测感知类卫星网络属于空间网络的末端子网， 呈卫星编队或者是由少量卫星相连， 重在内部协同完成特定观测任务， 因此星间链路标准化重点关注跨域协同和互联互通等方面。 导航卫星网络覆盖范围广， 可提供必需的时空基准信息， 能够支撑全域覆盖， 因此星间链路标准化注重于发挥其有限的冗余资源效用， 为用户提供跨域互联支持。

3.3 分类实施

星间链路标准体系既涵盖微波链路， 也涵盖应用前景广泛的激光链路等新技术方向。 鉴于现阶段微波星间链路在一些工程中已经应用， 不同的工程采用的工作频段、 调制方式、 技术体制各异， 其标准化工作主要面向装备定型开展标准化， 固化产品生产规范和使用规程。 激光星间链路主要应用于高速传输， 由于标准化起步较早，已经开展了型谱化工作， 可以在此基础上进一步开展互联互通标准化工作， 提升系统间交互支持能力。

3.4 内外协调

星间链路标准体系内部标准之间应当具备协调性， 各标准内容相对完整， 标准之间界面清晰， 减少交叉重复； 同时， 准确理解把握标准体系各层各类的内容界定， 保证在航天领域体系框架下与其他标准之间的关系协调， 适应空间信息技术的发展和空间任务信息传输的交互要求。

3.5 融合集约

星间链路是我国众多卫星的一类共用技术，涉及通信与中继类卫星、 观测感知类卫星、 导航卫星等， 是未来空间网络的重要组成部分和雏形。 对各类星间链路技术体制进行合理归类合并， 纳入现有相关标准规范， 统筹考虑不同工程之间的互联互通性需求， 推动和引导不同型号在星间链路技术方面的融合发展， 有利于实现系统间互联互通， 为空间组网奠定基础， 并确保标准的集约高效。

3.6 适度前瞻

星间链路未来必将发展为空间网络。 星间链路标准体系研究应当参照地面网络技术标准体系， 在基础共性技术 （如网络地址分配等）、 运行维护等方面预先布局， 兼容空间信息网络系列标准研究和建设， 满足未来5 到10 年航天应用的需求。

4 星间链路技术标准化思路与建议

4.1 注重星间链路标准体系化建设

我们在国外建站的数量较为有限， 因此基于星间链路的空间组网是突破全球地面布站限制、实现全球无缝服务的唯一选择。 近年来， 随着星间链路技术的广泛应用， 我们需要站在航天装备体系化建设和运用的高度， 破除星间链路是单项技术、 少量卫星型号才配置的传统观念， 充分梳理分析我国现阶段在研星座组网建设需求， 结合已成功组网运行星座的经验和标准化研究成果，先期布局并持续推进建用一体的星间链路标准建设， 覆盖产品全生命周期， 为通信星座、 导航星座、 遥感星座、 卫星编队等各类星座的建设提供参考依据。

4.2 加强大型骨干空间信息装备互联互通

星间资源调度灵活、 异构星座互联互通是有效支撑全域联合的重要技术途径。 通信与中继卫星应承担天基骨干通信网络作用。 星座规模大、覆盖区域广、 网络属性好且能够对外部提供信息传输和测量控制的系统， 应当推广使用经过在轨验证的成熟体制、 接口控制文件、 专项标准规范等， 带动星间链路技术领域的健康发展， 强化互联互通和技术体制兼容性， 逐步推进航天器之间异构联网、 按需建链、 互联互通、 协作运行， 及时启动网络层面的IP 地址分配和网络交换载荷标准制定工作， 发挥好标准的引领作用， 避免因技术体制不同造成联通壁垒。

4.3 加强小型星座和卫星编队星间链路型谱化

专门用途卫星星座、 紧耦合卫星编队、 小型星座， 属于空间信息网络的末端， 功能相对独立， 不具备对外部提供传输服务协作的能力， 可通过标准化固化技术状态， 避免产品规格型号过多， 为项目招标、 产品研制、 试验鉴定、 验收测试、 运行维护全生命周期提供方便获取的技术文件， 有利于完成产品快速组批生产、 装备订购采购， 实现充分竞争择优。

4.4 规范星间链路测试验证

针对星间链路的系统地面对接、 大系统间联调、 星地对接、 在轨标校、 在轨测试， 部分型号已积累了一定的工程实践经验， 并在工程系统内部开展测试验证方法和技术的标准化工作。 在航天领域标准体系中可采用引用专项标准或者进一步补充完善相关标准， 扩大标准的知悉范围， 固化成果并推广应用， 规范星间链路相关测试和试验等流程， 避免同类型号装备建设走弯路， 确保工程建设质量。

4.5 规范星间链路运行管理和应用服务

星间链路运行管理主要对星间链路进行资源管理与调度、 状态监测和故障诊断、 性能测试与评估等， 使星间链路协调、 高效、 稳定运行； 星间链路应用服务主要是利用星间链路提供星间测量、 时频传递、 信息传输等服务。 随着一些重大工程星间链路运行管理地面站、 中心计算机系统正式投入使用， 任务实施、 装备运用、 服务支持等相关经验不断积累， 星间链路运维服务标准化需求将不断增加， 需要加强地面设备交互支持能力设计， 利用云计算、 虚拟化和微服务等技术共享共用计算机系统硬件资源， 以插件形式部署，实现多型号星间链路运行管理， 逐渐形成建管用一体的星间链路标准体系， 降低星间链路日常运维的成本， 避免出现地面系统 “重复搞建设、统筹资源难” 的问题， 推动整体技术水平的发展提升。

4.6 加强星间链路技术标准化引导

加强统型管理和引导， 建议装备管理部门、技术总体单位统筹优化卫星／星座间星间互联互通设计， 在项目综合立项阶段就对互联互通及其标准化开展分析论证， 给出是否有星间链路使用标准化需求的分析。 对于大型星座， 若无星间链路协作需求， 可给出境外信息回传实现途径。 对于一般卫星工程， 则给出是否有星间链路测量、通信需求。 同时， 可成立专门的审查小组， 在评审阶段加强对星间链路技术标准化方面的审查。

5 小结

卫星工程建设经费体量相对较大， 一旦技术上未开展互联互通设计， 后续调整的难度和复杂度都很大， 并且大型航天装备从启动建设到形成能力要10 年甚至更长的时间， 即便调整， 也可能导致装备技术状态的振动。 在航天领域标准体系下统筹星间链路资源共建共享共用， 尽快开展标准体系建设论证工作， 对于推动我国星间链路领域相关技术发展， 规范航天装备的研制、 设计和运用， 走出一条符合自身特点的发展路线具有重要意义。