張玲玲

摘 要：與現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，未來(lái)空天信息傳輸網(wǎng)絡(luò)支持的終端類型、業(yè)務(wù)類型、服務(wù)質(zhì)量要求更為豐富。因此，為保證接入終端能夠高速、可靠地進(jìn)行大容量的數(shù)據(jù)收發(fā)，適用于多個(gè)用戶接入的空天信息網(wǎng)絡(luò)研究就顯得尤為迫切。

關(guān)鍵詞：空天信息；通信；傳輸

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.129

0 引言

目前，世界各國(guó)的航天技術(shù)和航天工程快速發(fā)展，空間信息交換、傳輸技術(shù)發(fā)展取得了巨大的成就?？仗煨畔⑼ㄐ畔到y(tǒng)功能的日趨完善，終端種類以及各用戶獲取的信息量逐漸增加，然而各個(gè)系統(tǒng)之間存在著自成體系、互不兼容的矛盾，通過(guò)單顆衛(wèi)星進(jìn)行空地鏈路的傳統(tǒng)通信模式已經(jīng)無(wú)法滿足多元化的空天信息網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用需求。因此世界主要航天國(guó)家都將發(fā)展目標(biāo)定位為建立空天地一體化的綜合網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)空間信息資源的互通互聯(lián)，空天信息網(wǎng)絡(luò)的概念正是在這種背景下提出的。

1 空天信息網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

1.1 開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)集成了多種現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)的各種特征和功能，各個(gè)平臺(tái)之間為達(dá)到資源共享和信息傳遞的目的，必須解決它們互相獨(dú)立的問(wèn)題，為達(dá)到此要求，空天信息網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)通信終端需通過(guò)相關(guān)的網(wǎng)關(guān)同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確、多樣性的數(shù)據(jù)通信，為此，空天信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)必須具備開(kāi)放性，以便做到不同網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)、多個(gè)系統(tǒng)相互兼容。

1.2 立體的信息交換

空天信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)立體化，此特點(diǎn)決定了通信服務(wù)的立體化?？仗煨畔⒕W(wǎng)絡(luò)覆蓋了不同層次空間上性能各異的通信終端，并依賴于空天網(wǎng)絡(luò)立體的信息交換的特點(diǎn)，有效地保障了空間信息和頻譜資源地充分利用，實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)資源的合理配置。

1.3 通信的特殊性

與地面通信網(wǎng)絡(luò)相比，空天網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋范圍大、智能程度高、延時(shí)大、支持的業(yè)務(wù)種類多等特點(diǎn)，特別是天基骨干鏈路，其傳輸距離遠(yuǎn)、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化大但鏈路變化規(guī)律可循。同時(shí)對(duì)終端功耗、體積、重量的要求更為嚴(yán)格，使得空天傳輸網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)計(jì)更給困難。

1.4 動(dòng)態(tài)的組網(wǎng)機(jī)制

在空天傳輸網(wǎng)絡(luò)中，即要滿足基于天基骨干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有通信終端進(jìn)行動(dòng)態(tài)整合以獲取不同的信息資源，又需要滿足區(qū)域網(wǎng)絡(luò)具備一定程度的智能自組特性，以便應(yīng)對(duì)各種突發(fā)狀況并滿足抗毀性等特殊需要，所以空天傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)滏溄?、資源調(diào)度必須具有動(dòng)態(tài)重組的能力。

2 空天信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代至90年代，美國(guó)成功部署了跟蹤數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（Tracking and Data Relay Satellite，TDRS）系統(tǒng)，TDRS被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，其中，多址鏈路是TDRS的重要組成部分，美國(guó)的TDRS多址鏈路技術(shù)演變分為三個(gè)階段：

第一代TDRSS系統(tǒng)的多址體制采用空分多址結(jié)合碼分多址方式，星上采用一個(gè)S 頻段多址相控天線，具有30個(gè)陣元，全部用作接收陣列，發(fā)射陣列由其中的12個(gè)具有收發(fā)雙工性能的陣元承擔(dān)，在通信過(guò)程中，只需24個(gè)接收陣元、8個(gè)發(fā)射陣元即可達(dá)到TDRSS通信要求[1]。系統(tǒng)采用空分多址和碼分多址方式，在一個(gè)波束內(nèi)的用戶采用偽噪聲碼分多址技術(shù)，每個(gè)信道最大速率可達(dá)到50kb/s。其空分多址的波束形成是在地面完成的，各個(gè)天線單元接收到返向鏈路的信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪放等處理過(guò)程送給星上處理器，并將信號(hào)頻分復(fù)用（頻點(diǎn)間隔設(shè)置為7.5MHz）后形成中頻信號(hào)，再通過(guò)上變頻處理將信號(hào)從K頻段傳輸下去送給地面基站，在地面接收到多個(gè)陣元的信號(hào)進(jìn)行波束形成。

第二代TDRSS系統(tǒng)星上采用的多址天線為S頻段六角形相控陣模式，并且因?yàn)樾巧闲纬刹ㄊ?，天線增益提高約6dB，返向鏈路為32條，前向鏈路為15條，系統(tǒng)增強(qiáng)了多址業(yè)務(wù)返向能力，占用2.0Ghz～2.3Ghz波段進(jìn)行多址訪問(wèn)，前向鏈路的數(shù)據(jù)傳輸率為300Kbit/s，并能以傳輸速率3Mb/s同時(shí)接收五個(gè)用戶星的信息[2]。

空天信息網(wǎng)絡(luò)第三代TDRSS完成了空間對(duì)接、高覆蓋率和返回著陸等方面的衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)，并能夠做到對(duì)于圖像信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，關(guān)于其多址鏈路技術(shù)，最近美國(guó)提出了按需接入的第三代中繼衛(wèi)星地面合成方案，第三代多波束合成方案采用地面接收DBF多波束合成技術(shù)，可以滿足更多用戶按需接址的通信要求。

3 空天信息網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著各航天大國(guó)對(duì)于空天網(wǎng)絡(luò)研究越發(fā)重視，空天網(wǎng)絡(luò)的測(cè)控技術(shù)也不斷完善，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)有：

（1）加強(qiáng)中繼衛(wèi)星的用戶測(cè)定軌道功能。隨著中繼衛(wèi)星在航天測(cè)控領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，世界各國(guó)在于中繼衛(wèi)星的后續(xù)發(fā)展規(guī)劃設(shè)計(jì)，都強(qiáng)調(diào)了空天信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)用戶終端精確定軌功能。

（2）進(jìn)一步發(fā)展相控陣天線技術(shù)。相控陣天線采用全固態(tài)電路，由多個(gè)有源陣列元組成，每個(gè)陣元有獨(dú)立的發(fā)射機(jī)，少數(shù)陣元故障不會(huì)引起天線的完全失效。為獲得更高的天線增益， 目前各國(guó)正在開(kāi)展相控陣天線在Ku/Ka 頻段領(lǐng)域的研制開(kāi)發(fā)和應(yīng)用 。

（3）加強(qiáng)空天信息網(wǎng)絡(luò)的國(guó)際互聯(lián)。鑒于空天網(wǎng)絡(luò)自身發(fā)展水平的不足和中繼衛(wèi)星的陰影區(qū)的問(wèn)題，為了滿足各國(guó)空天信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，歐洲、日本和俄羅斯等國(guó)家都加強(qiáng)了與美國(guó)交流合作，產(chǎn)生了大聯(lián)合的構(gòu)思——建立國(guó)際空天網(wǎng)絡(luò)，并很快付諸于行動(dòng)，目前，就S頻段互操作已經(jīng)確定了相關(guān)鏈路參數(shù)，而 Ka頻段互操作活動(dòng)有條不紊地進(jìn)展且效果明顯。

（4）增大中繼衛(wèi)星天線增益。天線增益作為一個(gè)決定空天信息網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵參數(shù)，其特點(diǎn)是若系統(tǒng)天線增益高，則可為收發(fā)信號(hào)提供足夠的上行和下行載波功率，從而大大減輕了星上負(fù)擔(dān)，所以針對(duì)此參數(shù)的設(shè)計(jì)，目前NASA正在通過(guò)增加中繼衛(wèi)星的星間天線口徑來(lái)得到系統(tǒng)高天線增益的支持，在 NASA下一代中繼衛(wèi)星頂層設(shè)計(jì)上， 相對(duì)于當(dāng)前空天網(wǎng)的數(shù)據(jù)， 用戶航天器減少 3 dB 以上的用戶負(fù)擔(dān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙靜，趙尚弘，李勇軍等.星間激光鏈路數(shù)據(jù)中繼技術(shù)研究進(jìn)展[J].紅外與激光工程，2013（11）：3103-3110.

[2]吉雯龍，于小紅.國(guó)外中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用分析[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2014，35（10）：118-120，12.