国内外星群测控的研究现状及关键技术*

杨红生

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引言

随着卫星军事应用需求的快速发展，越来越多的航天任务已经不能仅靠单颗卫星来完成，而必须多颗卫星联合工作才能完成。比如，美国2000年发射的3颗小型商业遥感卫星分辨率高达1 m，达到了大型侦察卫星水平。

星群是指一组航天器以协同工作方式，构成一个大的“虚拟航天器”来完成测量、侦察、空间攻防对抗、战场态势感知等一系列联合行动任务的卫星系统。星群又分两类，一类是卫星编队，一类是模块化卫星群。卫星编队飞行是一组航天器构成和保持一个特定形状，以扩大测量基线为主要特征的星群，例如美国“21世纪技术卫星”[1]。编队飞行成员卫星需要严格的站位保持，因此对星间测量精度要求很高，经常是同构的。模块化卫星群是由一组具备各自不同功能的航天器组成，各模块执行自己的功能，但又通过星间链路相互配合，联合完成一系列任务的卫星系统，例如美国F6计划。与传统单星工作模式相比，星群工作模式具备低成本、高性能、任务灵活性、高可靠性和强抗毁能力等优点。

本文结合国内外星群测控技术的研究现状，基于我国航天测控技术的研究基础，开展星群测控的体系架构研究，并对其中的关键技术进行研究分析。

2 星群测控的问题

传统航天测控系统主要完成对独立目标的测控与在轨管理工作，采用点对点的烟囱式测量方式。对于单个卫星或数量很少的小规模星群，这种方法可以适用，但对于星群的多星测控实施点对点测控，在人力、物力上的费用将非常庞大，特别是星间距离较近时，地面站的测控天线实现对多星遥测信号的同时接收与分辨将非常困难。为了提高多目标测控能力，我国也已经发展了多种多目标测控方法，目前主要有地基相控阵多波束技术、地基单波束码分多址技术、中继星S频段多址接入(SMA)技术3种，这3种方法对每个目标仍然是采用“一对一”的测控方式，对多目标测控支持能力有限。随着航天任务需求的不断发展，星群内成员数量不断增多，可以达到几十甚至上百颗，对星群为特征的多目标测控，传统测控资源对多目标支持能力不足，不能适应未来对星群多目标测控的任务需求。因此，需要针对星群应用研究一种全新的星群测控方式。

3 国内外星群测控技术的研究现状

3.1 国外星群研究现状

3.1.1 国外星群研究及应用情况

从20世纪80年代中期以来，美国和欧洲都非常重视星群技术的发展，将其视为未来航天发展的一个关键技术，大力发展了一些用于侦察、预警、通信和多功能综合星群系统，取得了较多的研究成果。下面对国外典型的已有星群及在研的星群计划进行介绍。

2005年，NASA启动了自治纳卫星群(ANTS)计划中的“小行星探测任务(PAM)”项目中，拟发射1 000颗纳卫星组成10个子群，对小行星进行探测。这些星群由小型化、自治的、相似度高、可重构、可编址的卫星元素组成。这些小的卫星元素广泛分布且多层组织。ANTS计划可适合多种太空任务，未来ANTS将构成3D的mesh网络或者2D的结构网用以完成特定的任务。

2006年，美国航空航天局通过珀加索斯火箭发射了由若干25 kg小卫星组成的星群。小卫星间距离约为200 km，最终呈现为“链”状构型。该任务最终对地球磁场进行了为期90天的观测。

2006年，ESA实施的星群探测小行星带(APIES)项目，该星群由19颗微卫星(BEE)和1颗主星HIVE(Hub＆Interplanetary Vehicle)组成，构成星型网络。HIVE卫星绕太阳轨道运行，每颗BEE的探测数据最终通过HIVE传回地球。

2011年10月，欧空局发射了3颗400～550 km的极轨道卫星组成星群，该3颗卫星将组成星群最终实现对地球的3D地磁重构，用以检测地磁变化。

美国DARPA的SeeMe计划，目前正在研究通过20颗卫星组成超低轨道大星群计划。计划总投资超过1 200万美元，于2012－2015年左右发射。基于SeeMe计划，士兵可在需要时按下手持设备上的“SeeMe”按键，90 min内士兵便可通过手持设备，近实时地获得从太空中拍摄的其周边环境的高精度图像信息。

美国F6计划，通过一个分离模块航天器，构成一个虚拟大卫星来完成特定任务。DARPA计划在2013－2014年进行F6计划的飞行示范。示范内容包括:针对星群的更新“模块”进行簇的重配置;利用星间网络将更新的“模块”纳入星群的网络资源;根据任务需要，对星群进行快速分散和汇聚;整体星群任务的协作[2]。

3.1.2 国外星群测控通信技术研究情况

(1)星间相对测量定位技术

目前，星间相对测量方法主要包括无线电、激光、导航和可见光测量等，从文献上看国外星间测量的时间同步精度达到了0.1 ns，相对距离测量精度达到了nm量级;而国内报道的星群时间同步精度与距离测量精度差距较大。表1是几个国外典型星间测量的例子，图1和图2是其中两个项目的星间相对测量原理图。

图1 下一代全球重力场测量计划星间激光干涉测距概念Fig.1 Concept of inter－satellite laser ranging of GRACE Follow on

图2 VISNAV传感器系统的相对导航原理图Fig.2 Configuration of relative navigation of VISNAV sensor system

表1 国外星间测量的研究情况Table1 Studies of inter－satellite relative measurement abroad

(2)空间互联网技术方面

从20世纪末期开始，国外航天大国均致力于将地面网络技术进一步发展到空间应用的研究，开展了许多空间互联网的相关研究工作，目前正处于空间互联网技术演示验证阶段。星群测控网建设可借鉴或采用的协议主要包括以下3种[9]。

1)空间IP协议体系

地球互联网的快速发展，产生了在空间通信中直接采用IP技术的想法。空间IP协议体系的优势是技术成熟度高、能大大缩减航天成本、易于升级以满足未来航天任务的需要。2001年，美国哥达德航天中心开展了名为OMNI的研究项目，主要研究利用地面商用IP协议实现空间通信方案。OMNI基于IP的思想开展了地面试验，并进行了“航天飞机上的通信与导航演示验证(CANDOS)”试验。空间IP协议体系虽然可以基本满足地面与近地轨道航天器间的信息传输，但TCP协议是基于端到端重传的协议，需要假定传输延迟很小，与空间通信不符;此外，按照分级方式实现的地面路由协议不适用于空间通信的操作环境。

2)CCSDS建议的体系结构

CCSDS开发了一组统称为空间通信协议规范(SCPS)的协议用以满足下列需求:支持可靠数据传输的标准协议需求;满足正在开展的多空间节点任务配置对空间网络选路的需求;大幅度压缩运行成本且保持从空间任务获得结果的能力的需求;与因特网兼容的互操作需求。基于这些考虑，SCPS照搬了因特网的协议层次模型，但根据空间与地面的差异对因特网协议的 IP、IP－SESC、TCP/IP、FTP协议根据空间环境特点在仿制的同时进行了若干修改，相应的开发了SCPS网络协议(SCPS－NP)、SCPS安全协议(SCPS－SP)、SCPS传输协议(SCPS－TP)、SCPS文件协议(SCPS－FP)。CCSDS允许在网络层使用Ipv4和Ipv6数据包，同时参考地面IP技术开发了一套涵盖网络层到应用层的SCPS，与地面因特网协议相比，SCPS增强了对空间通信环境的适应性。

近年来，还产生了CCSDS协议体系与空间IP协议体系相结合的思想，即在数据链路层仍然可以使用 CCSDS建议，如分包遥测、分包遥控、AOS、Proximity－1等;网络层应用IP及其扩展技术;传输层和应用层选用商业标准协议或CCSDS协议。这种解决方案具有较为灵活的协议配置能力，但没有从根本上消除空间IP协议体系和当前CCSDS协议体系在深空通信中的固有缺陷，协议堆栈的可适应感知能力较弱，仍面临许多挑战。

3)DTN的设计思想及体系结构

容延迟网络研究小组(DTNRG)将整合高度优化的区域网络协议的能力作为开发未来空间/地面协议堆栈的目标，提出了一种基于容延迟网络(DTN)的协议体系。为解决深空环境下的可靠传输问题，JPL于2002年12月提交了一份支持DTN网络的协议草案，命名为Licklider传输协议(LTP)，以替代IP协议和TCP协议。DTN采用了如下的设计理念:传输层与网络层要适应本地的通信环境;采用了“non－chatty”的通信模型;采用了存储－转发的技术进行数据传输;针对丢失数据采用了重传机制。

因此，DTN是一种基于存储－转发消息的体系结构，并在应用层与传输层之间加入了一个bundle层。通过bundle层内进行存储－转发路由，在一定程度上解决了长的可变时延、非对称的数据传输问题;同时，采用custody hop－by－hop传输机制提供端到端的可靠传输，解决了链路数据传输高丢包、高错误率的问题。

3.2 国内星群技术的研究情况

目前，国内对星群方面的研究处于起步阶段，与国外差距较大。清华大学、浙江大学、南京航空航天大学、国防科技大学等高校开展了皮纳卫星的研究与试验工作，自2000年以来，陆续发射了“清华1号”、“皮星1号”A/B星、“天拓1号”、“天巡1号”等多颗皮纳卫星，为星群编队飞行和组网奠定了基础。

在多星测控方面，我国也已开展了单波束多目标测控、多波束多目标测控技术方面的研究。

在空间数据传输协议方面，我国从20世纪90年代起对CCSDS建议进行了跟踪和研究，主要集中在分包遥控、分包遥测和高级在轨系统(AOS)建议方面。目前，一些航天任务的有效载荷已经部分采用了CCSDS建议，正在建设的天基航天测控网等也开始部分采用CCSDS建议。一些航天任务的地面通信链路也已完成了IP化改造，并成功执行任务。对于空间IP协议和DTN协议有一些理论研究，但尚未在工程中得到应用。

另外，我国也开展了卫星编队的研究，但目前的星间相对位置测量精度、星间时间同步精度、编队绝对位置测量精度相比国外还有一定差距。

综上所述，国内虽已在多目标测控技术和测控系统网络化方面取得了一些研究成果，但从相关文献上来看，目前国内对星群的研究工作主要侧重于星群编队构型方面，尚未开展基于星间组网的星群测控网方面的研究。

3.3 国内外星群技术对比分析及差距

表2是在星群应用、星间相对测量、网络技术等相关方面国内外研究情况的对比。

表2 国内外星群研究对比Table2 Contrast of satellite group research at home and abroad

从表2的国内外对比情况可以看出，我国在星群应用情况、星群研究应用的规模、星间相对测量方法、测量元素、测量精度以及空间互联网的网络协议等方面，与国外差距都较大。目前，国外在星群领域已经进入应用阶段，而我国仍处于规划论证阶段，需要借鉴国外的研究成果和经验，开展相关技术的研究。

4 星群应用需要解决的关键技术

针对卫星数量比较多的星群，一种可行的方法是采用空地骨干网+星群内部组网的星群测控体系架构，通过空地骨干网实现对主星的绝对测量定位，星群内部组网实现星间相对测量定位，以空地骨干网+星群内部组网的方式，实现对星群的整体测控，并完成安全可靠的测控信息和业务信息传输。这种体系架构通过自主测量技术可以使卫星成员仅依靠空间设备完成自身的定位、定轨任务;此外，空间卫星相对测量还可以有效避免大气层带来的测量误差，有利于测量精度的提高。

星群测控体系架构如图3所示，由任务中心、骨干链路和星群子网组成。骨干链路分为“地面站－星群”的直接链路和“地面站－中继星－星群”的中继链路两种方式。在这种体系架构下有以下几个关键技术问题需要重点解决。

图3 星群测控体系示意图Fig.3 Schematic diagram of satellite group TT＆C system

4.1 星群的自主运行体系

本文所提星群测控网需要自适应组网、自主测量定位能力、协同操控能力等自主运行能力的支持。星群的这些自主运行能力，受到网络形态动态变化、任务重构、群间永久/非永久链路混杂、飞行力学摄动影响、信息复杂关联、测量精度要求高等多种因素影响，这些因素对星群的自主运行都提出了巨大的挑战，贯穿着星群的系统设计、组织管理、测控模式、协同操控机理、安全防护等各个方面。因此，星群的自主运行体系是星群应用需要解决的一个基础问题。

4.2 星群自适应组网技术

不同的星群应用要求具有不同的网络拓扑结构，因此，在星群自适应组网研究中，要针对不同的星群应用类型、不同的功能需求、不同的指标要求，深入研究对星群运行有影响的各种因素，构造适合不同场景的星群拓扑模型。同时，针对星群基于网络的自主测量定位和信息传输功能，开展星群网络的通信协议体系、路由、流量与拥塞控制机制等研究。另外，从实际应用角度出发，星群可能会面临单点故障、任务重构等情况，要求星群网络具有动态性，需要研究不同拓扑模型间自适应转换方法、节点动态加入退出技术。

4.3 星间相对测量技术

当前已有的星间相对测量方法中，利用导航(美国的GPS、中国的“北斗”)测量方法的优势是技术相对成熟，能进行卫星位置、速度的绝对和相对测量，测量设备的体积小、重量轻，并且不受天气条件的限制，但随轨道高度增加，可视导航卫星数量逐渐减少。激光测量方法的精度比较高，抗干扰能力也比较强，但是波束窄，不能同时进行多目标测量，应用于多星组成的星群时，需要搭配扫描系统来辅助工作，而扫描系统又会给卫星的控制和系统的温控带来困难。可见光星间相对状态测量方法的测量精度随星间距离增大而变差，因此该方法仅适用于星间距离近的星群。无线电测量的波束宽，作用距离远，实现全天空覆盖仅需少量天线，因此对于多星组成的星群，相比其他测量手段具有一定的优势。

星间相对测量除了要对各种测量方法的原理进行深入研究，还需要考虑应用环境的限制，包括卫星的大小、星间距离、轨道高度、系统任务对测量精度的要求等多方面因素。比如，小卫星星群要求测量设备的体积小、重量轻、功耗低，会影响测量方法的选择和测量设备的研制。

4.4 星群协同操作技术

具备自主运行能力的星群具有节点众多、网络形态动态变化、任务需求重配置和群间链路、信息复杂关联等特性。现有资源受限的地面、天基测控系统无法适应星群的以上特点，无法支持不具备自主运行能力星群测控任务，无法实现星群有效、安全地自主运行。

星群自主运行包括星群常态化运行和任务重构两个方面。为实现星群的有效、安全运行，星群在常态化运行时，需要各星群节点协同工作，完成相邻群内多目标的信息互感知、融合处理，进行轨道的自维持和协同定轨;星群任务重构时，会导致星群节点的拓扑结构、群间链路的变化，需要对飞行任务进行合理设计，对轨迹变化进行监控，对天、地、群间测控资源进行合理分配。因此，需要从常态化运行和任务重构两个方面对星群协同操作技术进行深入研究，为星群自主运行提供重要支撑，确保其有效、安全运行。

4.5 星群的信息安全防护技术

星群各成员节点通过时空信息和数据信息的交互，可高效灵活地为各类用户应用提供服务支持。传统上单纯基于地面控制系统的运行管理方式难以应对星群复杂的应用挑战及动态多样的影响因素，在客观上要求星群内部各成员节点构成感知互动自治域，以相对自治的方式维持正常在轨运行管理。

星群测控网各成员节点构成的感知互动自治域具有节点众多、信息系统复杂等特点，存在着域边缘多点受袭、攻击手段多样等潜在的信息安全风险，而频繁的移动性与信息连接的高度动态性，也增加了节点访问控制、认证的难度，使得星群测控网的信息安全防护面临着巨大的挑战。目前测控网普遍采用遥测遥控加密、密钥预置的数据可信性保障措施，由于星群测控网具有成员节点多、组网及在轨执行任务周期长等特点，密码算法、密钥分发模式等密钥管理方法的复杂度也随之大幅增加，部分星载设备也存在着计算能力与密钥算法资源消耗之间的矛盾。因此，需要针对空间任务特点和星群空间网络特性，综合研究时效加密、数字签名、密钥管理和分发等安全机制，以及风险隔离、安全等级分类及动态调整机制，实现动态安全组网。

5 结束语

星群应用具有很多传统单颗卫星无法比拟的优势，国外已经取得了大量的研究成果和应用。随着我国航天技术的不断发展与提高，已经具备了进行星群技术研究的基础与能力。我国应加紧开展星群相关技术的研究，将其作为空天地一体化网络中的一个重要节点，逐步完善我国空间信息体系的建设。

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