微小卫星星座编队组网数据传输系统

北京空间信息中继传输技术研究中心 刘文华

天津津航计算技术研究所 李 鹏 钟玲玲

1 引言

天基平台是目前各国重点发展的战略性重大项目之一，微小卫星编队组网技术是天基平台的重要研究方向。微小卫星具有质量轻、体积小、成本低和研制周期短等众多优点，应用前景十分广阔，因而受到了各国航天部门的高度重视。发展微小卫星技术对国民经济和国防系统的建设具有重要意义。在军事领域，小卫星在未来信息战中不可或缺；在民用领域，小卫星可用于技术演示、科学研究、空间探测、卫星通信和对地观测等。自20世纪80年代中期以来，全球已发射300余颗多种用途的现代小卫星，并对各行业的发展作出了巨大贡献。

微小卫星具有质量轻、积小、成本低和研制周期短等众多优点，应用前景十分广阔。单颗微小卫星的功能无法与大卫星相比。但随着功能的日益复杂，大卫星的研制成本越来越高，风险也越来越大。而由多颗微小卫星以组网或编队方式形成的微小卫星星座，则不仅能完成单个大型空间飞行器的功能，而且可大幅降低成本和风险。

与大颗单卫星相比，微小卫星星座的优点主要有：

（1）单颗小卫星质量轻，功能简单，可有效降低卫星的制造和发射成本，同时能简化日常的操作维护，进而减少卫星的全寿命费用。

（2）通过卫星的互联，能以更高的性能完成任务。

（3）与单星相比，采用分布式结构的系统更能容忍单点故障。当某颗虚拟卫星出现故障时，可通过系统重构将其排除在系统外，最大限度地消除故障影响。若有意识地改变各虚拟卫星间的拓扑结构，则能实时改变系统的性能指标，获得最适于执行当前任务所需的能力[1～4]。

随着微小卫星星座的出现，小型化、更快、更便宜的用户概念即将在空间进行试验。如由3颗或3颗以上卫星为一组编队飞行，并可重新组合以满足多种任务的需要。针对高指标要求，强化并丰富微小卫星在轨能力，需要全面突破新型编队及组网技术，解决卫星星座组网总体设计、新型星间编队维持等核心技术，本文提出的方案重点解决微小卫星组网时相互间的数据传输问题。

根据发展趋势，研究微小卫星星座编队组网数据传输技术是完全必要和适时的。综合美国国防高级研究项目局及科林斯（Rockwell Collins）公司公开的资料和演示验证试验的相关报道，TTNT（Tactical Targeting Network Technology）技术采用的核心新技术主要集中在高动态的互联网络技术和大容量、高动态、抗截获、抗干扰的信息处理技术。微小卫星星座编队组网技术借鉴TTNT技术，把基于IP的网络架构引入卫星组网，这种架构在民用互联网络已经得到广泛应用，技术非常成熟，只需在其基础上进行适当改进，就可实现微小卫星星座编队组网的需求，可以极大的缩短开发周期，同时降低研制成本。

2 研究现状和技术发展趋势

近年来，各国利用多颗微小卫星组成全球分布式星座、星网，实现单颗大卫星的功能。

在军事方面，现代小卫星以其快速灵活的发射方式和非常短的研制周期，在局部突发战争的军事侦察中显示出了独特的优势。另外，现代小型战术成像卫星的地面分辨率可优于1m，覆盖宽度达数百公里，与以往的大侦察卫星相当，但质量仅为200～300kg，寿命可达5年。用多颗低轨道侦察小卫星组成的星网，可对战争敏感地区进行准实时监视，在局部或周边战争中发挥至关重要的作用。如在科索沃战争中，美军就动用了包括KH12、长曲棍球、太阳神l和其他小卫星在内的，由10～12颗卫星组成的成像侦察卫星系统，并获得了大量的情报。

在美国空军的2025年作战设想中，小卫星组成的星座系统将承担起向参战人员提供实时不间断信息服务的任务，同时成为对付反卫星武器的有效手段。美国防部将小型通信卫星、侦察卫星和预警卫星作为小卫星发展的重点。其中，最具代表性的是包括20～30颗小型低轨道预警卫星的SBIRS-Low及至少有20 颗小型侦察卫星的Starlite系统等。

英国国防部也考虑用由数百颗如垒球大小的卫星组成的低轨卫星网，满足作战部队战术通信的需求。它由50～100颗卫星组成一条卫星链路，地面用户使用超高频（UHF）向卫星发送信息，信息在卫星间快速传送到目的地。

在民用方面，由多颗小卫星构成的通信卫星网不仅可实现全球直接通信，使手机成为名副其实的全球通，而且具有发射功率低、延迟小和无死角等优点，市场前景十分广阔。由小卫星组成的遥感卫星星座，可同时具备高的时间和空间分辨率，在获取环保等与人类生存有关的信息方面，具有非常明显的优势。如美国全球星公司的全球星原星座由分布于8个轨道平面的48颗低轨道卫星组成，可提供全球无缝覆盖的话音、传真、数据、短信息等移动通信业务。当数颗在轨卫星业务失败后，公司通过变轨等手段，对在轨运行卫星进行重组，形成由分布于8个轨道平面的40颗卫星组成的新星座。印度拥有目前世界上最大的全球遥感卫星星群，由66颗星6轨道组成，目前在轨运行的有IRS-1C，IRS-1D，IRS-P3，IRS-P4和TES等卫星。2003年10月17日，又发射了运行于高800km的IRS-P6太阳同步轨道卫星，除提供与IRS-1C和IRS-1D类似的业务外，还用于加强地面、海岸监测及农业和灾难管理[5～8]。

3 实现微小卫星编队组网的技术方案

3.1 整体方案

对于实现微小卫星编队组网的数据传输，传统的编码方式和数据处理器很难满足多星编队组网飞行需要，传统的通信设备也不利于多星飞行的管理。星间、星地间通信链路的建立将使卫星编队组网飞行有要进行大量实时数据和控制指令的传播与处理。

本文涉及的小卫星编队组网数据传输方案通过一种基于因特网协议、高速、动态和无中心的网络，可实现多个平台（卫星）动态组网，对网络架构、软件结构、抗干扰、信号处理、集成化小型化等关键技术问题进行研究攻关；借鉴国内外成功产品的技术开发经验，研究自组织网络核心端机；按照工程化方法，完成项目方案的研究开发工作。

3.2 研究目标

本文以下一代战术数据链空间组网研究为基础，深入研究微小卫星星座编队组网技术，其具体的研究目标为：网络拓扑、小型化网络终端、专用路由协议，构成分布式、无中心、基于IP的网络。

3.3 技术指标

（1）基于因特网协议、高速、动态和无中心的网络，可实现多个平台动态组网。

（2）使用包括文本对话、视频流以及静止图像在内的各种类型IP应用。

（3）高速，宽带，低时延。

（4）支持用户数量多。网络可以支持20个成员以上。

（5）具备较高的抗干扰、抗截获能力。

3.4 主要研究内容

（1）系统控制和媒体接入

主要研究用户如何入网出网、如何管理发射功率、如何建立/拆除逻辑链路等。对于功率控制与管理而言，需降低能耗，在保证网络连通性前提下降低发射功率，保证网络寿命。对于信道访问控制而言，合理的信道方式等决定了能否克服“发送冲突”和“隐蔽终端”。

（2）服务质量

主要研究网络向卫星交联保证提供一组满足预定的服务性约束，如端到端的延迟，抖动，带宽和分组丢失率等。

（3）基于IP的路由协议

星座网络是一种特殊的无线网络，与地面其它无线网络相比有几个显著特点：1)网络节点之间距离远；2)节点之间不仅传输数据，还要进行测距；3)网络可维修性差。导航星间网络的这几个特点和星间链路的多种功能，决定了星间网络需要采取一种灵活的网络协议，以便于满足星载灵活组网和空间高可靠性的需求。

传统的距离矢量路由协议和链路状态路由协议不适用于拓扑结构处于高动态变化的移动IP网络，应研究适用于卫星编队组网的实时路由协议，优先策略，能够感知网络拓扑结构的细微变化，维护网络拓扑的高连通性和高适应性。

（4）星间链路频段选择

目前空间无线电技术正在向更高频段发展，有两个主要原因：1)更高频段尤其是Ka及其以上频段尚未被大规模开发，干扰较少且易于申请；2)高频自身也有很多优点，如波长短带来的设备尺寸小和重量轻。

（5）星间天线与卫星总体的联合设计

星座星间链路的设计与卫星总体设计是密不可分的，尤其对于窄波束体制的星间链路而言，星间天线与卫星总体的联合设计将是工程实现的关键。主要研究包括：1)星间链路天线与星座网络拓扑的联合设计；2)星间链路天线与总装布局的迭代设计；3)星间链路天线与卫星姿态的联合控制。

（6）抗干扰技术

主要研究混合体制抗干扰技术。采用基于跳频+跳时的混合体制抗干扰技术，其具有三大抗干扰能力，即抗全频带干扰能力、抗频率瞄准式干扰的能力、抗跟踪式干扰能力。

3.5 星载终端设备组成

星载数据链终端设备是本方案的关键核心硬件设备，其主要由星载设备终端、星载射频前端、射频滤波器及收发天线等部分组成，考虑到微小卫星上空间有限，在数据链设备设计过程中充分整合硬件资源，将图像采集、图像压缩、基带编码、数据调制、信号上变频、功率放大、低噪接收、信号下变频、基带解调等功能集成至一个星载端机中，实现了终端设备的小型化和一体化。

（1）星载设备终端：接收图像载荷输入的图像信息，完成图像信源编码、信道编解码、带通信号处理、跳扩频处理、中频信号调制解调、将接收到的发射中频信号上变频到射频输出，将接收到的射频信号下变频至接收中频信号输出，并在变换过程中实现对信号的滤波放大等处理，实现多通道控制，同时实现上电自检、地址码和ID号等信息的装订功能。

（2）星载射频前端：发送通道按照系统指标要求对射频信号进行多级放大，该信号由末级功率放大器提供足够增益后，经滤波后输出至天线，进行无线发射；接收通道通过开关切换，接收天线输出的微波信号，对该信号进行滤波、放大后输出至弹载射频终端，实现整机的半双工工作。

（3）射频滤波器：为了保证星载设备良好的电磁兼容性能，在射频前端与收发天线间设置了射频滤波器，该滤波器采用腔体滤波器形式，谐振器全部由机械结构组成，腔体滤波器具有相当高的Q值，非常适合于本系统中要求低插入损耗，大功率传输的应用场合。

4 实现微小卫星编队组网的关键技术及解决途径

4.1 提高服务质量的措施——采用基于统计优先级的接入控制（SPMA）技术

为了保证服务质量，将服务类型按照重要性映射为不同的服务等级，利用信道统计策略实时监测信道的忙碌状态，采用SPMA协议控制报文发送，在信道过载时控制较低优先级业务量，保障高优先级、低延迟业务的通信质量；信道不忙碌时，各种优先级的业务都能够按时发送。经过SPMA控制，保持网络负载量维持在一个比较稳定的水平，在动态环境下提供持续稳健的网络性能，从而保证系统的首次接入成功率。

4.2 提高网络承载能力措施——采用单发多收并行工作的通信方式

其具体实现方式为：每个用户按照占空比控制脉冲的发送时长；将发送脉冲在时域和频域二维空间随机化；单个用户向网内其他用户发送信息，并可接收多个用户发来的信息。与传统单发单收通信体制相比较，单发单收体制网容量=单个用户发送的信息速率；单发多收体制网容量=单个用户发送的信息速率×网内用户数，可见单发多收体制网络容量远大于单发单收体制

4.3 支持高速信息传输能力的解决措施——恒包络高效联合编码调制体制

其主要包括多进制连续相位调制技术及编码调制技术。多进制连续相位调制技术优点如下：与二进制系统相比，相同的频带下所传输的信息速率更高；包络恒定，适用于非线性信道；带外辐射小；旁瓣衰减快。编码调制技术优点如下：将编码和调制结合为一个整体进行最优化设计；通过加大调制信号集来为纠错编码提供所需的冗余度；不增加信号发射功率的条件下，能扩大信号点之间的欧氏距离，从而在接收端获得最大的信噪比。信噪比增益达3～6dB。

4.4 增强抗干扰能力的解决措施——采用基于跳频+跳时的混合体制抗干扰技术

其具有三大抗干扰能力，即抗全频带干扰能力、抗频率瞄准式干扰的能力、抗跟踪式干扰能力。抗全频带干扰能力：通过高达数百兆的跳频带宽设计，有效对抗全频带干扰。抗频率瞄准式干扰的能力：缩短在每一频点的驻留时间，仅达数十微秒，且连续两个跳频点的频率隔开一定的频率，以减小相邻跳频点的频率相关性，提高系统抗频率瞄准式干扰的能力。抗跟踪式干扰能力：通过采用单发多收的通信方式，保证信道中有多个用户并行传输业务信息，使对单一用户的跟踪式干扰变得更加困难。

5 结语

卫星编队组网飞行是继星座之后卫星应用方面的又一新发展。空间技术已从单颗卫星发展到了分布式卫星。编队飞行即是分布式卫星的最新应用。这些应用的不断出现，除了能得到巨大的经济、国防和社会效益外，还对卫星技术提出了许多新要求，直接促进卫星技术加快发展。本文主要论述微小卫星星座编队组网数据传输方案技术的研发与实现，通过一种基于因特网协议、高速、动态和无中心的网络，可实现多个平台（卫星）动态组网，其方案的实现将显著提高我军的通信和信息装备水平，将作战平台拓展到空基领域，使作战方式由“平台中心战”转移到以信息和信息技术为基础的“网络中心战”，大大提高对移动目标的远程精确打击能力和快速反应能力，军事效益明显；在民用方面，星座编队组网技术在手机通信、地面/海岸监测及农业和灾难管理等方面市场前景也十分广阔。

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