上海船舶研究設(shè)計(jì)院：潘俊宇

在我國幾代人的不懈努力下，我國航天事業(yè)在近幾年來取得了很大的進(jìn)步，空間任務(wù)也逐漸呈現(xiàn)出多樣化、長期化的特點(diǎn)，同時(shí)，也面臨著與其他國家合作的急迫性，這對于我國的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸來說既是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，也是一項(xiàng)機(jī)遇。目前，我國的空間信息傳輸還是采用的點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式。該傳輸模式無法確保衛(wèi)星等航天器傳輸給用戶的數(shù)據(jù)是否及時(shí)、準(zhǔn)確和安全。另外，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，地面通信技術(shù)也取得了突破性進(jìn)展，在OSI和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議也在逐漸的成熟和強(qiáng)化，地面上的有線、無線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了大規(guī)模的普及和應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)在人們的生活、工作中已經(jīng)成為了不可或缺的部分，網(wǎng)絡(luò)縮短了人和人之間的距離。但是，空間和地面用戶的互聯(lián)和信息交換也十分重要，比如地面上的信息不能及時(shí)得到更新，地理位置不夠精確獲取，偏遠(yuǎn)和貧困地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不夠。用戶希望能夠?qū)⒖臻g信息網(wǎng)絡(luò)用于航天器平臺，這樣地面的網(wǎng)絡(luò)和空間信息之間能夠形成網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，航天器由之前的對地傳輸轉(zhuǎn)向星際、星地傳輸；天地之間的通信需要結(jié)合多種傳輸方式，對交互性和業(yè)務(wù)能力的要求更高，同時(shí)，也要求更寬的帶寬、更靈活的接入、更高的效率和更好的延展性，以便形成更好的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，讓空間信息模式由現(xiàn)有的點(diǎn)到點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎说蕉说膫鬏斈＃虼?，怎樣?gòu)建星與星之間、星與用戶之間更加完善的信息交互網(wǎng)絡(luò)是阻礙我國空間技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的難題。但是，這個(gè)問題的解決是基于空間網(wǎng)絡(luò)體系的標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段，國內(nèi)外的相關(guān)航天機(jī)構(gòu)做了大量的概念設(shè)計(jì)和項(xiàng)目實(shí)踐，在依據(jù)我國空間信息傳輸系統(tǒng)的實(shí)際情況，有利于我國構(gòu)建更加先進(jìn)的空間體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。相較于其他航天器，小衛(wèi)星有著體型小、能效高、部署快等特有的優(yōu)勢和特征，將其與空間網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行結(jié)合，有利于推動(dòng)我國航天技術(shù)的發(fā)展。但是，在快速發(fā)展的空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)代背景下，如何將兩者之間進(jìn)行更好的結(jié)合，如何定位小衛(wèi)星以便更好的發(fā)揮其功能和優(yōu)勢，這是未來航天事業(yè)需要研究的重點(diǎn)。

1.國內(nèi)外空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 NASA 面向未來的空間網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

隨著通信環(huán)境的日益復(fù)雜，Kul Bhasin等人結(jié)合美國的航天發(fā)展?fàn)顩r，首次提出空間因特網(wǎng)技術(shù)并對其組成進(jìn)行了詳細(xì)描述。該空間信息網(wǎng)絡(luò)主要是由骨干網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)、航天器間網(wǎng)絡(luò)、臨近網(wǎng)絡(luò)四部分組成。其中，骨干網(wǎng)絡(luò)是由地面和天機(jī)骨干網(wǎng)絡(luò)組成，然后航天器借助無線網(wǎng)絡(luò)或者通信接口連接骨干網(wǎng)絡(luò)，此外，包括編隊(duì)、集群或者星群飛行在內(nèi)的航天器之間也是借助無線網(wǎng)絡(luò)或者是光通信接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，最后，各飛行器、著陸器和傳感器之間通過無線或者光通信接口構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)。

骨干網(wǎng)絡(luò)主要包含NASA地面網(wǎng)（GN）、深空網(wǎng)（DSN）、天基網(wǎng)[SN-跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）、國際空間站（ISS）]以及能夠?yàn)镹ASA航天器的通信業(yè)務(wù)提供服務(wù)的商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)和連接NASA設(shè)施的虛擬網(wǎng)路（VPN）。借助骨干網(wǎng)絡(luò)，能夠利用其他航天器、太空車、傳感器網(wǎng)絡(luò)等設(shè)施的信息和數(shù)據(jù)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)還可以覆蓋到全球，以便能夠收集到更加及時(shí)、更加準(zhǔn)確的空間信息資源。

接入網(wǎng)是通過微波或者光通信的方式將航天器、太空車等設(shè)備連接到骨干網(wǎng)絡(luò)中，形成一個(gè)系統(tǒng)化的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)接口主要包括遠(yuǎn)地對象的調(diào)制解調(diào)器、接收器、發(fā)射器和骨干網(wǎng)配套的設(shè)備等。航天器的內(nèi)網(wǎng)主要是為了協(xié)助飛行的航天器，比如星座、稀疏的星群和緊密的編隊(duì)等構(gòu)建的，可以用于協(xié)調(diào)或通信，以及通過微波或者光等形式的無線接口或者是有線或光纖等形式的接口與相鄰的航天器進(jìn)行連接。

鄰近網(wǎng)絡(luò)主要是指借助小功率的臨近網(wǎng)絡(luò)，利用Adhoc的方式連接相鄰的太空車、空間站、傳感器等。骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)航天器內(nèi)網(wǎng)和鄰近網(wǎng)絡(luò)之間組建的新體系，能夠在很大程度上滿足NASA的通信需求。在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，能夠滿足多項(xiàng)任務(wù)需求，有效避免了通信設(shè)備的再次建設(shè)。

1.2 我國的空間信息網(wǎng)絡(luò)體系

我國的天地一體化全球信息網(wǎng)（圖1）的建設(shè)是遵循全球化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化以及標(biāo)準(zhǔn)化的原則，全球化是為了更好的服務(wù)海、陸、空上的用戶地球站、接近空間層的用戶飛行器、空間層的航天器的用戶，實(shí)現(xiàn)全球全天全氣候的覆蓋。網(wǎng)絡(luò)化是各個(gè)飛行器和地球之間通過星間鏈路和地面線路構(gòu)成的。借助網(wǎng)絡(luò)平臺實(shí)現(xiàn)了信息資源的及時(shí)共享，最大程度的發(fā)揮出了航天事業(yè)的應(yīng)用性，推動(dòng)了航天事業(yè)的發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)化能夠通過國內(nèi)測控站在外不設(shè)置站點(diǎn)的條件下測控全球的衛(wèi)星，國內(nèi)的遙感站可以在第一時(shí)間接收到全球各個(gè)遙感衛(wèi)星的輸送信息和數(shù)據(jù)，國內(nèi)的關(guān)口站能夠?qū)Ω鱾€(gè)空間站之間發(fā)送的消息進(jìn)行管理。智能化在面對龐大和繁雜的天基網(wǎng)絡(luò)能夠提供較高的自主運(yùn)行和管理能力。網(wǎng)絡(luò)管理的一部分使用功能能夠脫離地面設(shè)備而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的自主管理。使用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范化的天地一體化全球信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是滿足資源共享和互聯(lián)互通的基礎(chǔ)。

圖1：我國天地一體化全球信息網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

2.小衛(wèi)星在空間信息網(wǎng)絡(luò)中的定位及發(fā)展

2.1 小衛(wèi)星與骨干網(wǎng)絡(luò)

骨干網(wǎng)是空間信息網(wǎng)絡(luò)的核心，骨干網(wǎng)的順利運(yùn)行離不開高容量、高速率的微波或者光通信技術(shù)；在開發(fā)軟件的過程中，十分有必要在分層結(jié)構(gòu)和延時(shí)、數(shù)據(jù)較小的基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)議。在考慮到空間結(jié)構(gòu)的影響下，硬件一般都設(shè)計(jì)的體型較小、能耗較低、質(zhì)量較輕，并結(jié)合智能化技術(shù)豐富空間網(wǎng)絡(luò)的功能和提高其自主能力。

但是，中低軌的移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)是高速寬帶骨干網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)補(bǔ)充，能夠?yàn)榭臻g和地上提供低速率的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并能夠在一定范圍內(nèi)為多個(gè)目標(biāo)做遠(yuǎn)程的通信服務(wù)。例如美國使用的銥星系統(tǒng)，可以為兩級地區(qū)提供全面的通信服務(wù)；Globalstar系統(tǒng)主要應(yīng)用在維度較低且人口密度較大的區(qū)域，提升該地區(qū)的通信水平。通過借鑒這些小衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠促進(jìn)我國小衛(wèi)星領(lǐng)域的發(fā)展。

2.2 小衛(wèi)星與接入網(wǎng)

目前，我國小衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)的方式主要有：星上載荷收集到數(shù)據(jù)后經(jīng)過簡單的分析和處理之后再反饋給地面。但是這種方式具有局限性：首先，過境的時(shí)間是有限的，需要投入大量的精力借助過境時(shí)間輸送數(shù)據(jù)信息；其次，環(huán)境對的不確定性將會限制數(shù)據(jù)信息的傳送。

由于骨干網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積較大，通信帶寬較寬，能夠?yàn)樾⌒l(wèi)星創(chuàng)造更有全面的空間信息輸送環(huán)境，如大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，在全球都可以接收、上傳小衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并且還能連接地上多個(gè)站點(diǎn)，從根本上改變的小衛(wèi)星與地面之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。

在構(gòu)建骨干網(wǎng)絡(luò)之后，接入點(diǎn)（小衛(wèi)星）應(yīng)考慮和骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的頻段與帶寬是否一致，對底層的接口進(jìn)行調(diào)節(jié)，并確定接入和建立鏈接的時(shí)間和方式，最后通過網(wǎng)絡(luò)和上層傳輸、應(yīng)用協(xié)議等落實(shí)端和端服務(wù)。高效的接入網(wǎng)協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)信息資源的有效利用和空間網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。小衛(wèi)星在這樣的網(wǎng)絡(luò)條件下，能夠完全獨(dú)立地運(yùn)行，和能夠與空間信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈接運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星由單一向多樣化轉(zhuǎn)變。

2.3 小衛(wèi)星與空間局域網(wǎng)

區(qū)別于NASA的概念，這里有以下兩種空間局網(wǎng)的定義：

（1）航天器內(nèi)包含多個(gè)子系統(tǒng)，不同的子系統(tǒng)之間會進(jìn)行信息共享，但是，隨著子系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)信息的增加，數(shù)據(jù)輸送僅僅依靠傳統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足需求，歐洲國家提出了spacewire路由技術(shù)，多個(gè)國家的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了各個(gè)子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，信息的傳輸方式也變?yōu)榱颂W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息輸送不再需要使用計(jì)算機(jī)，從而提升了信息共享的效率。另外，建立航太器內(nèi)外的傳感器網(wǎng)絡(luò)離不開航天器內(nèi)部的局域網(wǎng)，確保了新時(shí)代航天器的智能化、現(xiàn)代化發(fā)展。

（2）小衛(wèi)星的主要特征就是體型較小并且較為靈便、成本較低，在此基礎(chǔ)上人們需要考慮的是多個(gè)衛(wèi)星的聯(lián)合應(yīng)用，這也離不開多星間網(wǎng)絡(luò)的相互關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信息的共享和性能的提高。這種小范圍內(nèi)的多星間互聯(lián)就是我們所說的空間局域網(wǎng)，美國國防部的DARPA在2006年首次提出了分離模塊航天器這一概念，也叫F6計(jì)劃，主要是用于驗(yàn)證通過小型的模塊航天器群能否具備以往的大衛(wèi)星的功能。但是，該項(xiàng)目還處于實(shí)驗(yàn)階段；此外，該互聯(lián)也能是大范圍進(jìn)行，既進(jìn)行局域網(wǎng)、航天器之間的互聯(lián)，這種互聯(lián)也叫空間廣域網(wǎng)，代表性有千星計(jì)劃，像這種規(guī)模的星群的信息輸送就可以稱為廣域網(wǎng)。一旦廣域網(wǎng)的范圍達(dá)到全球的規(guī)模，又可以成為骨干網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)合我國的小衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀，可以分為兩個(gè)方面列舉小衛(wèi)星的軌組網(wǎng)：第一，對小衛(wèi)星的資源進(jìn)行整合，也就是完成不同的載荷小衛(wèi)星之間的信息共享，彼此之間合作完成任務(wù)；第二，研究一些具有特長的衛(wèi)星，也就是在設(shè)計(jì)和建造集群、模塊衛(wèi)星的前期進(jìn)行分工合作，比如衛(wèi)星群中有專門的光學(xué)載荷、電子載荷、數(shù)據(jù)處理中心等功能的衛(wèi)星。

以上兩個(gè)方面主要是針對怎樣完成局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在空間環(huán)境、衛(wèi)星軌道等多種條件的制約下，怎樣進(jìn)行高效率、準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)通信，以及空間網(wǎng)絡(luò)是未來發(fā)展中需要深入探究的問題。

2.4 小衛(wèi)星與空間鄰近網(wǎng)絡(luò)

在軍民融合方面，衛(wèi)星覆蓋內(nèi)的各用戶可以和衛(wèi)星構(gòu)建高效率的鄰近空間網(wǎng)絡(luò)，建立系統(tǒng)化的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。低軌小衛(wèi)星采取什么方式、何時(shí)何地獲取數(shù)據(jù)，這些問題都可以通過鄰近空間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)決定，臨近空間網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不再是傳統(tǒng)的串狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。小衛(wèi)星載荷如何通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行端與端的數(shù)據(jù)輸送主要在以下幾點(diǎn)：

該網(wǎng)絡(luò)是以低軌道小衛(wèi)星、地上各種類型的用戶為主體進(jìn)行互聯(lián)的，借助衛(wèi)星對多用戶、多用戶間、多用戶對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

衛(wèi)星信息和地上用戶之間的網(wǎng)絡(luò)信息是共享的，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸送的及時(shí)、準(zhǔn)確，提升衛(wèi)星的功能和應(yīng)用范圍。同樣地，鄰近空間網(wǎng)絡(luò)還能夠依靠其他的網(wǎng)絡(luò)通道豐富其功能。

3.結(jié)束語

對空間的進(jìn)一步探索和開發(fā)以及利用隨著空間任務(wù)的增加而增加，現(xiàn)有的點(diǎn)到點(diǎn)通信模式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來的空間發(fā)展需求，空間通信逐漸向更高水平的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。但是，空間任務(wù)的需求增加也意味著需要更多的成本投入，因此，開發(fā)出更加高效且經(jīng)濟(jì)的通信技術(shù)是亟待解決的難題。在空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的時(shí)代背景下，充分發(fā)揮小衛(wèi)星自身的優(yōu)勢和特點(diǎn)，使其在空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展過程中異軍突起成為航天事業(yè)的先行者。骨干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)規(guī)劃和理論驗(yàn)證，在接入網(wǎng)、空間局域網(wǎng)以及空間鄰網(wǎng)中以自身獨(dú)有的優(yōu)勢進(jìn)行了資源整合、快速發(fā)展，是未來小衛(wèi)星領(lǐng)域進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展、性能優(yōu)化的關(guān)鍵。