基于分布式星群的空间信息网络体系架构与关键技术
时间：2020-12-10 08:00:38 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：提出分布式星群网络的概念，即利用共轨控制、组网协同技术，整合空间邻近且独立分布的卫星资源，在同步轨道上将多颗小卫星整合等效为一颗大卫星，实现服务能力的增强。并提出基于分布式星群的空间信息网络体系架构，通过多星共轨、星间高速互联、分布式自主协同、资源虚拟化等关键技术，可以实现空间系统服务能力增强，多星合成覆盖，在轨智能自愈，为构建未来稳定可靠的空间信息网络提供借鉴。
关键词：分布式星群；空间信息网络；体系架构
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 （2016） 04-0009-005
空间信息网络是以空间平台（如地球同步轨道（GEO）、地球非同步轨道（NGEO）、低轨道卫星，高空平台（HAPS，临近空间无人机或飞艇等））为载体，通过一体化组网互联，支持实时采集、传输和处理海量数据，实现体系化信息服务应用的网络基础设施。由于其独特的空间位置优势，与地面网络相比，空间信息网络在对地观测、应急通信、航天测控、航空运输和国家战略利益拓展等方面都有着不可替代的作用，已逐渐成为国家战略利益的高边疆[1]。
近年来，全球相关机构和组织已投入大量的人力和物力开展空间信息网络相关技术研究及实验验证，包括美国国家航空航天局（NASA）的空间传感网、欧洲的哥白尼计划、美国国家卫生基金会（NSF）的国家生态观测网络以及中国自然科学基金空间信息网络重大研究计划和“十三五”规划中的天地一体化信息网络[1-4]等。从空间信息网络基础设施、全球建站受限等不同角度，对于中国空间信息网络已经基本形成 “骨干网+接入网”的体系架构共识[1]， [5-8]，其中骨干网由实现全球保障的高轨卫星组成，接入网则包含了各类低轨卫星及各类空基平台。
针对骨干节点频率轨位匮乏，卫星平台承载能力弱等问题，我们提出了分布式星群网络的概念，即利用共轨控制、组网协同技术，整合空间邻近且独立分布的卫星资源，在同步轨道上将多颗小卫星整合等效为一颗大卫星，实现服务能力的增强。文章在深入分析分布式星群的应用需求、全球研究现状的基础上，给出基于分布式星群的空间信息网络体系架构，并对其中的关键技术进行梳理，为后续有关技术发展提供借鉴。
1 分布式星群网络应用需求
（1）构建分布式星群是缓解空间资源约束的重要手段
地球同步轨道以其独特的空间位置，可以在地面站和卫星之间建立稳定长期的链路，可对同一地区进行连续通信或观测，是通信、气象等卫星的首选轨道位置。自1963年第一颗地球同步轨道卫星发射以来，地球同步轨道卫星的数量不断增加。截至2015年12月，在国际电信联盟登记在案[9]的同步轨道卫星有490余颗，同步轨道卫星的轨位资源越来越紧张，中国所能使用的轨道位置与美、俄等国家相去甚远。此外，C、Ku等频率资源使用殆尽，在中国上空东经70～130°范围内，使用C频段的卫星就有60余颗，Ku频段70余颗。卫星通信频段向Ka、Q/V、W等高频段逐步扩展，卫星全球频率协调难度日益增加。
同时，随着平台技术和测控技术的进步，卫星测定轨和轨位保持精度逐步提升，多星共轨技术从20世纪90年代开始得到广泛应用。以精确共轨技术为基础的分布式星群网络为缓解中国匮乏的空间频率轨位资源提供了新思路。
（2）构建分布式星群是实现空间信息骨干节点的重要基础
目前，中国同步轨道卫星以东方红四号平台为主，其有效载荷承载能力在700 kg左右，提供约8 000 W的功率，而在民用空间基础设施规划中，未来10～20年将发射大量的对地观测等各类卫星。随着信息获取技术的提升，这些卫星所要求的传输带宽也越来越大，单颗东四平台同步轨道卫星已经难以满足空间信息网络骨干节点的吞吐量、处理能力等需求，必须采用有效手段解决骨干节点能力需求与卫星平台承载能力之间的矛盾。分布式星群通过采用多颗卫星等效为一颗大卫星提升服务能力为解决该问题提供了有效的技术途径。
另一方面，空间信息网络骨干节点承载了大量业务的汇聚、处理、交换任务，其可靠性直接影响整个空间信息网络服务的可用性。采用分布式星群网络构建其核心节点，在单个卫星出现故障时通过重组调度不会影响骨干节点的全部功能，从而可以实现系统在空间复杂环境下的高可靠性。
（3）构建分布式星群是提升空间资源效益的有效途径
随着航天技术的发展，中国卫星种类和功能日臻完善，在通信、导航、广播、气象、地理信息、国防等领域得到了广泛的使用，发挥了巨大作用。与此同时，卫星系统之间自成体系、条块分割的局面也日渐形成，不同用户部门分别建设独立的卫星地面站，卫星系统之间的信息无法及时共享和综合利用，严重制约了空间信息的时效性及空间系统综合效益的提升，空间信息一体融合与在轨高效处理成为未来的发展趋势。
构建基于多星协同的分布式星群网络，实现各类卫星系统之间资源和信息的统一管理、互联互通和综合利用，为天基信息的获取、处理、存储、传输与分发提供统一的基础平台，可极大提高空间信息系统的建设效益，降低建设成本。
2 相关空间系统研究现状
日新月异的电子和信息技术对传统大型航天器提出了更多挑战，长研制周期和长寿命要求使得大型航天器研制成本高昂、技术固化，处理能力和快速响应能力远落后于地面系统。为降低大型航天器研制和部署风险，美、欧等国家或地区的组织陆续开展了分布式空间信息系统的研究，最为典型的有美国F6计划和天基群组（星簇）等计划。
2.1 F6计划
F6全称为通过信息交换连接的“未来、快速、灵活、分离模块、自由飞行航天器”，是2007年美国国防高级研究计划局（DARPA）启动的演示验证项目[10-11]。
如图1所示，F6计划的项目构想是围绕任务需求，把一个航天器的任务载荷、能源、通信、导航、计算处理等功能单元优化分解为多个模块，每个分离模块从本质上说仍然是一颗卫星，携带与航天任务相关的不同功能或资源，采用物理分离、星群自由飞行、无线信息交换和无线能量交换方式，功能协同，资源共享，构成一颗虚拟大卫星来完成特定的任务。F6中提出的构想与分布式星群的区别在于分布式星群中的组成卫星是独立全功能的，可以协作实现某一功能也可独立担负某项任务。
