小卫星在空间信息网络中的应用

上海船舶研究设计院：潘俊宇

在我国几代人的不懈努力下，我国航天事业在近几年来取得了很大的进步，空间任务也逐渐呈现出多样化、长期化的特点，同时，也面临着与其他国家合作的急迫性，这对于我国的网络信息传输来说既是一项挑战，也是一项机遇。目前，我国的空间信息传输还是采用的点对点的数据传输方式。该传输模式无法确保卫星等航天器传输给用户的数据是否及时、准确和安全。另外，随着信息技术的不断发展，地面通信技术也取得了突破性进展，在OSI和TCP/IP网络模型的基础上发展起来的网络体系结构和协议也在逐渐的成熟和强化，地面上的有线、无线网络中进行了大规模的普及和应用。网络在人们的生活、工作中已经成为了不可或缺的部分，网络缩短了人和人之间的距离。但是，空间和地面用户的互联和信息交换也十分重要，比如地面上的信息不能及时得到更新，地理位置不够精确获取，偏远和贫困地区的网络服务不够。用户希望能够将空间信息网络用于航天器平台，这样地面的网络和空间信息之间能够形成网络互联，航天器由之前的对地传输转向星际、星地传输；天地之间的通信需要结合多种传输方式，对交互性和业务能力的要求更高，同时，也要求更宽的带宽、更灵活的接入、更高的效率和更好的延展性，以便形成更好的网络空间结构，让空间信息模式由现有的点到点转变为端到端的传输模，因此，怎样构建星与星之间、星与用户之间更加完善的信息交互网络是阻碍我国空间技术进一步发展的难题。但是，这个问题的解决是基于空间网络体系的标准。现阶段，国内外的相关航天机构做了大量的概念设计和项目实践，在依据我国空间信息传输系统的实际情况，有利于我国构建更加先进的空间体系结构网络。相较于其他航天器，小卫星有着体型小、能效高、部署快等特有的优势和特征，将其与空间网络信息技术应用进行结合，有利于推动我国航天技术的发展。但是，在快速发展的空间信息网络时代背景下，如何将两者之间进行更好的结合，如何定位小卫星以便更好的发挥其功能和优势，这是未来航天事业需要研究的重点。

1.国内外空间信息网络体系结构的发展现状

1.1 NASA 面向未来的空间网络体系架构

随着通信环境的日益复杂，Kul Bhasin等人结合美国的航天发展状况，首次提出空间因特网技术并对其组成进行了详细描述。该空间信息网络主要是由骨干网络、接入网络、航天器间网络、临近网络四部分组成。其中，骨干网络是由地面和天机骨干网络组成，然后航天器借助无线网络或者通信接口连接骨干网络，此外，包括编队、集群或者星群飞行在内的航天器之间也是借助无线网络或者是光通信接口进行网络互联，最后，各飞行器、着陆器和传感器之间通过无线或者光通信接口构成自组织网络。

骨干网络主要包含NASA地面网（GN）、深空网（DSN）、天基网[SN-跟踪和数据中继卫星系统（TDRSS）、国际空间站（ISS）]以及能够为NASA航天器的通信业务提供服务的商业卫星系统和连接NASA设施的虚拟网路（VPN）。借助骨干网络，能够利用其他航天器、太空车、传感器网络等设施的信息和数据。同时，网络还可以覆盖到全球，以便能够收集到更加及时、更加准确的空间信息资源。

接入网是通过微波或者光通信的方式将航天器、太空车等设备连接到骨干网络中，形成一个系统化的网络。网络接口主要包括远地对象的调制解调器、接收器、发射器和骨干网配套的设备等。航天器的内网主要是为了协助飞行的航天器，比如星座、稀疏的星群和紧密的编队等构建的，可以用于协调或通信，以及通过微波或者光等形式的无线接口或者是有线或光纤等形式的接口与相邻的航天器进行连接。

邻近网络主要是指借助小功率的临近网络，利用Adhoc的方式连接相邻的太空车、空间站、传感器等。骨干网、接入网航天器内网和邻近网络之间组建的新体系，能够在很大程度上满足NASA的通信需求。在此结构的基础上，能够满足多项任务需求，有效避免了通信设备的再次建设。

1.2 我国的空间信息网络体系

我国的天地一体化全球信息网（图1）的建设是遵循全球化、网络化、智能化以及标准化的原则，全球化是为了更好的服务海、陆、空上的用户地球站、接近空间层的用户飞行器、空间层的航天器的用户，实现全球全天全气候的覆盖。网络化是各个飞行器和地球之间通过星间链路和地面线路构成的。借助网络平台实现了信息资源的及时共享，最大程度的发挥出了航天事业的应用性，推动了航天事业的发展。

网络化能够通过国内测控站在外不设置站点的条件下测控全球的卫星，国内的遥感站可以在第一时间接收到全球各个遥感卫星的输送信息和数据，国内的关口站能够对各个空间站之间发送的消息进行管理。智能化在面对庞大和繁杂的天基网络能够提供较高的自主运行和管理能力。网络管理的一部分使用功能能够脱离地面设备而实现卫星的自主管理。使用统一、标准和规范化的天地一体化全球信息网络系统是满足资源共享和互联互通的基础。

图1：我国天地一体化全球信息网的结构

2.小卫星在空间信息网络中的定位及发展

2.1 小卫星与骨干网络

骨干网是空间信息网络的核心，骨干网的顺利运行离不开高容量、高速率的微波或者光通信技术；在开发软件的过程中，十分有必要在分层结构和延时、数据较小的基础上进行协议。在考虑到空间结构的影响下，硬件一般都设计的体型较小、能耗较低、质量较轻，并结合智能化技术丰富空间网络的功能和提高其自主能力。

但是，中低轨的移动通信卫星系统是高速宽带骨干网络的一个补充，能够为空间和地上提供低速率的网络服务，并能够在一定范围内为多个目标做远程的通信服务。例如美国使用的铱星系统，可以为两级地区提供全面的通信服务；Globalstar系统主要应用在维度较低且人口密度较大的区域，提升该地区的通信水平。通过借鉴这些小卫星通信系统，能够促进我国小卫星领域的发展。

2.2 小卫星与接入网

目前，我国小卫星传输数据的方式主要有：星上载荷收集到数据后经过简单的分析和处理之后再反馈给地面。但是这种方式具有局限性：首先，过境的时间是有限的，需要投入大量的精力借助过境时间输送数据信息；其次，环境对的不确定性将会限制数据信息的传送。

由于骨干网络的覆盖面积较大，通信带宽较宽，能够为小卫星创造更有全面的空间信息输送环境，如大数据存储技术，在全球都可以接收、上传小卫星数据，并且还能连接地上多个站点，从根本上改变的小卫星与地面之间的数据传输方式。

在构建骨干网络之后，接入点（小卫星）应考虑和骨干网络节点之间的频段与带宽是否一致，对底层的接口进行调节，并确定接入和建立链接的时间和方式，最后通过网络和上层传输、应用协议等落实端和端服务。高效的接入网协议能够实现信息资源的有效利用和空间网络的建设。小卫星在这样的网络条件下，能够完全独立地运行，和能够与空间信息网络进行链接运行，实现小卫星由单一向多样化转变。

2.3 小卫星与空间局域网

区别于NASA的概念，这里有以下两种空间局网的定义：

（1）航天器内包含多个子系统，不同的子系统之间会进行信息共享，但是，随着子系统收集到的数据信息的增加，数据输送仅仅依靠传统的总线结构已经不能满足需求，欧洲国家提出了spacewire路由技术，多个国家的卫星实现了各个子系统的网络数据共享，信息的传输方式也变为了太网状结构，各个子系统之间的信息输送不再需要使用计算机，从而提升了信息共享的效率。另外，建立航太器内外的传感器网络离不开航天器内部的局域网，确保了新时代航天器的智能化、现代化发展。

（2）小卫星的主要特征就是体型较小并且较为灵便、成本较低，在此基础上人们需要考虑的是多个卫星的联合应用，这也离不开多星间网络的相互关联，进一步实现信息的共享和性能的提高。这种小范围内的多星间互联就是我们所说的空间局域网，美国国防部的DARPA在2006年首次提出了分离模块航天器这一概念，也叫F6计划，主要是用于验证通过小型的模块航天器群能否具备以往的大卫星的功能。但是，该项目还处于实验阶段；此外，该互联也能是大范围进行，既进行局域网、航天器之间的互联，这种互联也叫空间广域网，代表性有千星计划，像这种规模的星群的信息输送就可以称为广域网。一旦广域网的范围达到全球的规模，又可以成为骨干网络。

结合我国的小卫星的发展现状，可以分为两个方面列举小卫星的轨组网：第一，对小卫星的资源进行整合，也就是完成不同的载荷小卫星之间的信息共享，彼此之间合作完成任务；第二，研究一些具有特长的卫星，也就是在设计和建造集群、模块卫星的前期进行分工合作，比如卫星群中有专门的光学载荷、电子载荷、数据处理中心等功能的卫星。

以上两个方面主要是针对怎样完成局域网和广域网的标准化设计，在空间环境、卫星轨道等多种条件的制约下，怎样进行高效率、准确、及时的数据通信，以及空间网络是未来发展中需要深入探究的问题。

2.4 小卫星与空间邻近网络

在军民融合方面，卫星覆盖内的各用户可以和卫星构建高效率的邻近空间网络，建立系统化的卫星网络应用。低轨小卫星采取什么方式、何时何地获取数据，这些问题都可以通过邻近空间网络技术决定，临近空间网络是一个立体的网状结构，不再是传统的串状网络结构。小卫星载荷如何通过网络进行端与端的数据输送主要在以下几点：

该网络是以低轨道小卫星、地上各种类型的用户为主体进行互联的，借助卫星对多用户、多用户间、多用户对卫星网络实现数据的传输。

卫星信息和地上用户之间的网络信息是共享的，从而实现数据输送的及时、准确，提升卫星的功能和应用范围。同样地，邻近空间网络还能够依靠其他的网络通道丰富其功能。

3.结束语

对空间的进一步探索和开发以及利用随着空间任务的增加而增加，现有的点到点通信模式已经远远不能满足未来的空间发展需求，空间通信逐渐向更高水平的网络化发展。但是，空间任务的需求增加也意味着需要更多的成本投入，因此，开发出更加高效且经济的通信技术是亟待解决的难题。在空间信息网络发展的时代背景下，充分发挥小卫星自身的优势和特点，使其在空间信息网络技术的发展过程中异军突起成为航天事业的先行者。骨干网络系统工程的设计规划和理论验证，在接入网、空间局域网以及空间邻网中以自身独有的优势进行了资源整合、快速发展，是未来小卫星领域进一步创新发展、性能优化的关键。