简述空天信息传输网络的特点、现状及发展趋势

张玲玲

摘 要：与现有的卫星通信系统相比，未来空天信息传输网络支持的终端类型、业务类型、服务质量要求更为丰富。因此，为保证接入终端能够高速、可靠地进行大容量的数据收发，适用于多个用户接入的空天信息网络研究就显得尤为迫切。

关键词：空天信息；通信；传输

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

0 引言

目前，世界各国的航天技术和航天工程快速发展，空间信息交换、传输技术发展取得了巨大的成就。空天信息通信系统功能的日趋完善，终端种类以及各用户获取的信息量逐渐增加，然而各个系统之间存在着自成体系、互不兼容的矛盾，通过单颗卫星进行空地链路的传统通信模式已经无法满足多元化的空天信息网络的实际应用需求。因此世界主要航天国家都将发展目标定位为建立空天地一体化的综合网络体系，实现空间信息资源的互通互联，空天信息网络的概念正是在这种背景下提出的。

1 空天信息网络的特点

1.1 开放的通信网络

该网络集成了多种现存网络的各种特征和功能，各个平台之间为达到资源共享和信息传递的目的，必须解决它们互相独立的问题，为达到此要求，空天信息网络中各个通信终端需通过相关的网关同异构网络进行及时、准确、多样性的数据通信，为此，空天信息网络设计必须具备开放性，以便做到不同网络之间互联、多个系统相互兼容。

1.2 立体的信息交换

空天信息网络拓扑结构立体化，此特点决定了通信服务的立体化。空天信息网络覆盖了不同层次空间上性能各异的通信终端，并依赖于空天网络立体的信息交换的特点，有效地保障了空间信息和频谱资源地充分利用，实现各种网络资源的合理配置。

1.3 通信的特殊性

与地面通信网络相比，空天网络通信覆盖范围大、智能程度高、延时大、支持的业务种类多等特点，特别是天基骨干链路，其传输距离远、拓扑动态变化大但链路变化规律可循。同时对终端功耗、体积、重量的要求更为严格，使得空天传输网络的接入设计更给困难。

1.4 动态的组网机制

在空天传输网络中，即要满足基于天基骨干网实现对所有通信终端进行动态整合以获取不同的信息资源，又需要满足区域网络具备一定程度的智能自组特性，以便应对各种突发状况并满足抗毁性等特殊需要，所以空天传输网络的拓扑链接、资源调度必须具有动态重组的能力。

2 空天信息网络的发展现状

20世纪80年代至90年代，美国成功部署了跟踪数据中继卫星（Tracking and Data Relay Satellite，TDRS）系统，TDRS被称为“卫星的卫星”，其中，多址链路是TDRS的重要组成部分，美国的TDRS多址链路技术演变分为三个阶段：

第一代TDRSS系统的多址体制采用空分多址结合码分多址方式，星上采用一个S 频段多址相控天线，具有30个阵元，全部用作接收阵列，发射阵列由其中的12个具有收发双工性能的阵元承担，在通信过程中，只需24个接收阵元、8个发射阵元即可达到TDRSS通信要求[1]。系统采用空分多址和码分多址方式，在一个波束内的用户采用伪噪声码分多址技术，每个信道最大速率可达到50kb/s。其空分多址的波束形成是在地面完成的，各个天线单元接收到返向链路的信号，经过低噪放等处理过程送给星上处理器，并将信号频分复用（频点间隔设置为7.5MHz）后形成中频信号，再通过上变频处理将信号从K频段传输下去送给地面基站，在地面接收到多个阵元的信号进行波束形成。

第二代TDRSS系统星上采用的多址天线为S频段六角形相控阵模式，并且因为星上形成波束，天线增益提高约6dB，返向链路为32条，前向链路为15条，系统增强了多址业务返向能力，占用2.0Ghz～2.3Ghz波段进行多址访问，前向链路的数据传输率为300Kbit/s，并能以传输速率3Mb/s同时接收五个用户星的信息[2]。

空天信息网络第三代TDRSS完成了空间对接、高覆盖率和返回着陆等方面的卫星测控任务，并能够做到对于图像信号的实时传输，关于其多址链路技术，最近美国提出了按需接入的第三代中继卫星地面合成方案，第三代多波束合成方案采用地面接收DBF多波束合成技术，可以满足更多用户按需接址的通信要求。

3 空天信息网络未来的发展趋势

随着各航天大国对于空天网络研究越发重视，空天网络的测控技术也不断完善，未来发展趋势有：

（1）加强中继卫星的用户测定轨道功能。随着中继卫星在航天测控领域发挥了越来越重要的作用，世界各国在于中继卫星的后续发展规划设计，都强调了空天信息传输网络的各个用户终端精确定轨功能。

（2）进一步发展相控阵天线技术。相控阵天线采用全固态电路，由多个有源阵列元组成，每个阵元有独立的发射机，少数阵元故障不会引起天线的完全失效。为获得更高的天线增益， 目前各国正在开展相控阵天线在Ku/Ka 频段领域的研制开发和应用 。

（3）加强空天信息网络的国际互联。鉴于空天网络自身发展水平的不足和中继卫星的阴影区的问题，为了满足各国空天信息网络的发展，欧洲、日本和俄罗斯等国家都加强了与美国交流合作，产生了大联合的构思——建立国际空天网络，并很快付诸于行动，目前，就S频段互操作已经确定了相关链路参数，而 Ka频段互操作活动有条不紊地进展且效果明显。

（4）增大中继卫星天线增益。天线增益作为一个决定空天信息网络性能的关键参数，其特点是若系统天线增益高，则可为收发信号提供足够的上行和下行载波功率，从而大大减轻了星上负担，所以针对此参数的设计，目前NASA正在通过增加中继卫星的星间天线口径来得到系统高天线增益的支持，在 NASA下一代中继卫星顶层设计上， 相对于当前空天网的数据， 用户航天器减少 3 dB 以上的用户负担。

参考文献：

[1]赵静，赵尚弘，李勇军等.星间激光链路数据中继技术研究进展[J].红外与激光工程，2013（11）：3103-3110.

[2]吉雯龙，于小红.国外中继卫星系统发展与应用分析[J].四川兵工学报，2014，35（10）：118-120，12.