NASA空间移动网概念在超出近地轨道任务中的应用

1 引言

美国宇航局（NASA）构建了一个空间通信与导航体系框架——空间移动网（SMN）。SMN包含一套体系结构理念，旨在实现更高效、更易于获取的自动化通信服务，为用户航天器提供更高网络性能，支持各种动态和自主任务场景。用户将能够根据需要请求不同提供商（包括政府和商业提供商）网络的通信服务。在这个自动化并具有更强适应能力的系统中，用户平台可以直接请求服务以适应其实时需求；因而，SMN可提供自主可变数据采集能力，使用户根据需要获得较高或较低数据率，而无需预先安排的人工请求。在服务提供方面，SMN还考虑了具体时延需求，以改善可用性和降低延迟。SMN概念不仅限于LEO用户，还适用于LEO范围之外的用户。

本文将着重描述对于月球、日-地拉格朗日点和火星上各种用户的SMN应用场景，并举例说明如何实现这些应用，包括利用直接到地球（DTE）链路和空间中继提供支持。本文还将讨论如何能够在相同SMN运行概念下继续支持超出LEO范围的任务平台，尽管对于不同场景来说实现解决方案可能不同。

2 空间移动网（SMN）概念

图1 空间移动网关键特性

图1说明了空间移动网的关键特性。此图与过去的NASA空间通信图的显著差异在于将网络描述为具有多个接入点的“网络云”。对于地面网络来说这种描述已很普遍，但是支持机器人和人类空间探索的网络一直主要由点对点链路提供商运营。此图意味着能够在与网络连接的任何两个端点间路由或转发数据。在地面网络中，这一功能由IP及其一套相关协议提供。虽然IP协议族在某些空间应用中行得通，但它依赖于完全端到端连接实现数据传输和普遍使用“繁琐的”双向支持协议等特点，使之并不是对所有空间场景都适用。人们已经开发出来容延迟/容中断网络（DTN），特别是Bundle协议（BP），这对实现空间（和其他挑战性）环境组网极为有利。Bundle协议采用存储-转发方式提供网络层功能，当下一跳不可用时，就将数据存储于中间节点。

地面互联网的演进已经证明，标准化网络层和链路层协议允许利用提供商系统对等网构建基础设施。SMN框架通过协议标准化继续这种演进，其网络层标准利用IP和DTN，而链路层和物理层标准利用用于空间应用的商业标准和CCSDS（空间数据系统咨询委员会）标准。为未来空间用户提供SMN服务的基础设施预计由全球的政府和商业系统组成。这些系统，无论是地面站还是中继航天器，将提供到更大网络的接入点。

地面移动网用户已经习惯了能持续接入网络。为吸引和维护客户，提供商也力求以足够高的可用性和服务质量为所有用户提供服务。然而，地面移动网用户与初始SMN用户之间存在显著差异。最明显的不同是，SMN用户位置、用户终端限制以及用户愿意等待完整数据传送。高可用性链路是SMN的一个特点，但由于在深空或行星表面等位置提供服务面临各种挑战，并非总能实现持续可用性。SMN的高可用性链路为提高覆盖能力和可用性进行了优化，但通常会使数据率和链路容量等性能受到限制。提高可用性的一种常用方法是实现多址系统，为多个用户提供链路，可采用时分、频分或码分多址。预先规定用户时隙、载波频率或编码，让用户能够立即接收服务，或首先进行多址链路捕获过程。前者的例子有跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）按需多址系统（DAS），而后者的例子有CCSDS Proximity-1协议（Prox-1）。地面移动网络系统能够经济地“过度提供”覆盖区域，使所有用户都能找到一条可用链路，除非在极端情况如紧急情况下。这些系统也保持连续控制信道链路，可始终定位用户并分配参数。这种方式对用户和提供商系统有持续功耗和链路需求，是大多数航天器不能接受的。

为提高可用性而优化的空间链路还可能在其他性能方面进行折中。可支持更高数据率或降低用户系统增益要求的高增益系统通常采用具有更窄波束宽度和/或高增益放大器的更大天线口径实现。中继设备尺寸、重量和功率（SWaP）高或地面站实现和运营成本高，部署受到限制。因此，这些高性能链路成为共享资源。幸好许多空间任务平台都有足够的星上存储能力，并且没有严格的等待时间要求，允许它们一直等到服务可用之时。高性能链路，包括从X频段到Ka频段的射频（RF）链路，现已扩展到光链路，可提前数天到数周预定，可及时保证链路可用性以满足任务需求，但会导致链路利用效率低并且不能快速调用高性能链路支持计划外的科学活动或其他事件。

为了以一种快速响应方式提供高性能链路和网络服务，SMN引入了用户发起服务（UIS）概念。UIS是一类由终端用户发起服务请求的服务获取过程。它与现用服务获取方法不同，允许通过空间链路上的标准化“机器对机器”通信进行服务获取过程。这些请求可以超出链路访问请求的范围，扩展到端到端数据传递请求。UIS使用户平台能够通过任何一条用户可用链路内嵌入的信令信道请求服务。高可用性链路为UIS从网络请求服务提供最有效路径。由于星上功率、指向与覆盖限制，大多数空间任务和网络不能提供始终连接的控制信道，因此，针对各种SMN场景的具体UIS解决方案正在开发中。

3 通过用户发起服务（UIS）

实现服务获取

空间通信实现过程可以分为两个阶段：服务获取和服务执行。当前的空间通信服务获取过程以预先计划的服务请求为特征，这些请求是用户任务与提供商网络运营商之间提前几周通过“人在回路”系统商定好的。这些请求通常针对点对点服务，因此导致空间链路资源成为专用资源。这极大限制了提供商网络在空间链路资源中根据最佳条件或其他标准分配服务请求的能力。相反，地面无线网络提供商在服务执行之前能够自主完成所有控制数据流传送，且这一过程不为最终用户所见，并在之后完成用户业务数据传递。例如向朋友传送文本消息或传输互联网视频流。

UIS使用请求-响应设计模式使当前空间通信服务获取过程根据用户生成的服务请求自动进行。根据用户任务兼容性限制、平台自主程度或其他考虑因素，请求消息的数据内容可能有所不同。但是，与当前服务获取过程的关键区别在于：UIS请求可以是面向服务的，而不是面向特定链路资源。例如，用户可以规定一个请求为“将任务平台的25千兆字节数据在两小时内传送到科学运算中心”，或者“尽快从我的平台上送出尽可能多的数据（避免超出星上数据存储能力），并将数据在六小时内传送到科学运算中心”。用这些术语规定的请求可实现提供商网络灵活性，在整个链路集和网络资源中优化请求分配，满足作为一个联合网络运行的政府、大学或商业资源提出的用户任务服务和链路参数限制。

在地面网络中实现面向服务请求的关键体系原则包括将网络信令和控制数据流（实现资源自主监控）相关事项与用户数据流（穿行由信令和控制过程编排的路径）相关事项分离。UIS是通过信令和控制协议实现的一类新兴空间通信服务获取过程。在SMN框架中，信令和控制数据流通常通过高可用性空间链路传送。不过，针对用户业务数据流优化的高性能空间链路也可以传送控制数据。

在UIS框架下，服务提供商预先提供一条信令信道，以支持提供商与希望获取服务的任何用户之间必要的握手过程。一旦用户获得提供商的服务许诺，实际用户数据通信就会在服务执行阶段在一条数据通道上进行。根据定义，服务获取过程总是在服务执行过程之前进行，这两个过程之间的时延由用户与提供商之间在服务获取过程中达成的调度协议确定。正在任何数据信道上接受服务的用户可以使用该信道同时发起一个UIS过程，用于将来获取另一项服务。UIS协议有助于交换用户请求和确认资源供给。因此，它是位于提供商-用户接口处的服务管理应用层协议。就程序和消息传送内容来说，这个过程必须对所有服务域通用，实现联合网络所有要素的综合管理和运行。不过，通过信令信道传送UIS消息的方式可能随不同运行环境而变化。

在UIS框架下，用户将通过经信令信道或现有数据信道向提供商发送请求消息（REQ）的方式发起服务请求。请求可以包含期望的特定服务配置或一系列可接受的参数（时间、持续时间、数据率、编码等）。在后一种情况下，提供商可在准予服务时缩小选项清单。在收到REQ消息后，提供商将根据网络管理决策确定是否准许用户请求，可以原样准许请求，也可以许可为采用更受限制的参数集，可通过不响应从而导致用户超时的方式含蓄拒绝请求，或通过发送否定应答（NAK）明确拒绝。提供商的响应可以通过信令信道或现有数据信道发送。UIS服务获取过程通常是一个对用户有时间限制的双向握手（肯定应答）过程。每个用户必须在时限内接收到来自提供者的确认信息后才能接着进行服务执行过程。提供商还可以选择明确撤消先前的准许，以避免与后来更高优先级请求的冲突。此外，一旦确定某项服务在服务执行阶段开始后一段时间一直未利用，提供商可以释放/撤消所提供资源。在高通信延迟情况下可使用请求准许概率更高的单向握手过程。在极少数情况下，可能考虑采用单向握手过程支持不正常事件，如航天器紧急情况。在此类场景中，一般使用一种高探测概率、低虚警信令机制，并且用户假定提供商将会正确接收其请求并准予服务，而无需进一步确认。

图2 使用信令信道和数据信道进行UIS握手过程的一般UIS服务获取过程

依据不同场景和环境中通信限制要求，具体可用信道和UIS过程与协议会有所不同。只要有可能，就能通过不同链路支持UIS协议消息和过程。例如，可在TDRSS按需多址信道或Proximity-1呼叫信道上支持相同的UIS握手过程和消息，相同消息可通过不同物理层和链路层承载。

下面几节将举例说明如何在不同场景中实现UIS。

4 直接到地球（DTE）场景

4.1 低地球轨道（LEO）DTE

低地球轨道（LEO）环境中的直接到地球（DTE）通信有下述特征：地面资产与任务平台之间由于几何视线限制而长时间不能通信。许多地面链路资源集中在地球极区附近以支持太阳同步轨道和其他极轨气象卫星和地球观测卫星。由于典型LEO轨道周期和地球自转周期不同，在较低倾斜轨道的任务平台不能频繁访问地面链路资源。当地面站在视线内时，可以同时支持的任务数量仍有限制。然而，DTE链路资源，例如地基全向或电调相控阵，可以提供快速响应的DTE通信和更高可用性。

在没有高可用性通信链路的情况下，LEO任务必须充分实现星上自主性以感知和响应需要及时响应的受关注科学或工程事件，其响应时间需小于预计的最大预定链路间接入时间或网络服务获取与执行时间。这种星上自主性的例子包括为响应瞬时太阳耀斑提高仪器数据采样率或在工程参数超过预定极限时将航天器状态变为安全模式。目前，如果不能及时获取更多高性能链路，那么，系统和运行概念必须设计成能够适应这种数据量增长。

下面将描述涉及UIS和DTE链路的两种可能场景。在这两种场景中，突然产生服务获取需要的科学或工程事件在预先计划的高性能服务事件之间的某一点发生。第一种场景如图3所示，仅涉及地基高增益链路资源。在这种场景中，未来高性能链路服务UIS请求插入到预定的服务信道中，假设在这次联络期间不能完全满足用户需求。系统应在联络访问窗口内部署未来服务请求并向用户平台提供响应。

图3 预定DTE联络期间的未来接入DTE高性能链路UIS请求

第二种场景如图4所示，涉及使用更高可用性地面链路资源，例如全向或电调相控阵，请求访问高性能、高增益链路资源。

图4 使用更高可用性地面链路资源进行DTE高性能链路接入UIS请求

如有可能，服务请求可在同一次联络期间获得准许。各种自适应链路技术，如可变调制、编码和数据率以及DTN，可极大增强这种场景的效用。例如，典型LEO访问窗口受到地面链路资源与任务平台之间视线限制，可能只能持续十分钟。在此窗口内，平台与地面链路资源之间的距离可能会有一个数量级的变化。随着距离减小，自适应链路技术将能实现更高数据率。对于给定数据量的服务请求，可缩短服务执行所需时间，于是形成对前一个高可用性服务获取过程的最终期限约束。链路可用性时断时续时，DTN协议仍能保证可靠数据传输。这主要有三个好处：第一，这种网络层功能使平台在可以接触地面站时能够确定应将数据发往何处而无需地面站处的先验知识，DTN的存储和转发性质可为端到端数据传递路径上的任何速率失配或断开提供自动速率缓冲。第二，它允许放宽对链路性能要求的限制，因为数据传递可靠性问题在网络层而不是在链路层或应用（文件）层处理。第三，来自任务平台的数据分成多个数据束（bundle），bundle与其他常见空间协议数据单元相比，数据量通常更小。这些优势结合在一起可增加可行访问窗口数量。从UIS的角度来看，使用更高可用性地面链路资源并结合使用自适应链路和DTN技术的场景可显著提高空间通信网络的快速响应能力和效率。

如果服务请求不能在同一次联络期间获得准许，那么，UIS服务获取过程可能仍然要通过后续安排新的或修改的一次联络完成。此后续联络又可由作为对等或联合服务基础设施组成部分的任何提供商资产提供。

4.2 深空DTE

对于深空通信，UIS框架可以通过显式信令信道提供支持，通过信标系统，或通过O-MSPA（伺机式一站多星）技术实现。信标方法，如图5所示，特别适用于长期巡航或延长空闲期任务，这样，采用无需使用34米或70米天线就可被地面设备可靠探测的低复杂度信标信号更经济。NASA早在1999年就利用深空-1（DS-1）航天器测试了初步信标概念。由于信标系统的鲁棒性，有些深空任务平台（例如火星科学实验室和朱诺号探测器）开始在关键的进入、下降、着陆和入轨阶段使用一套有限的不同信标频率音调指示航天器运行状态。然而，对于UIS，研发人员设想了一种面向消息的过程，使用音调“字母表”序列对UIS服务请求和确认消息编码。虽然到目前为止所有深空信标都是单向的，但在可行情况下可增加上行链路信标完成双向握手。对部署在高覆盖区（如火星地区）附近的资产，在那里每天要跟踪多个航天器，可以采用O-MSPA和MUPA（单天线多条上行链路）技术为UIS服务获取过程提供合适的下行链路和上行链路信令信道。链路层和波形上的确切信令格式可以采用音调字母表或CCSDS格式的简单遥测信令；根据资源可用性，UIS消息可以由闭环接收机进行捕获和处理，及时提取帧/包内容并将其传送到网络管理设备，或记录在开环记录器中并在事后处理。两种方法都可能使用，取决于期望的往返时间和地面资源可用性。通用UIS服务获取协议对跨多个空间范围运行的任务平台（例如在发射后立即进入近地范围，随后进入月球或深空范围）很有利，因为可以对不同通信服务获取方式应用同样的操作程序。

图5 采用信标的深空多址通信UIS框架

4.3 超出LEO/近地范围

如前一节所述，就初期巡航阶段的支持深空任务来说，超出LEO范围并且外至月球和日-地L1和L2拉格朗日点的任务可以利用18米或更小尺寸的共用孔径支持。首选仍可保持所期望链路的最小天线尺寸，因为这将提供最宽波束宽度并因此在距地球特定距离上达到最大覆盖。例如，月球近端或月球轨道上的所有用户都可以利用MSPA提供支持并在任何时候使用UIS请求高性能链路。在这些距离上具有的独特优势是：延迟不超过几秒钟，允许双向UIS协议，可快速完成服务获取协议并可能立即获得一条高性能链路。

5 中继场景

5.1 地球中继

之前的研究已经详尽描述了与地球中继/DTE混合场景相结合的地球中继场景。地球中继能够提供完全轨道覆盖，且切实能够提供持续可用链路。也很有可能由NASA国际和商业合作伙伴中的多家提供商提供总基础设施。一个提供商的系统可以提供高可用性链路，用于UIS服务获取过程，获取不同提供商高性能链路。例如，高可用性RF链路可用于调度对不同中继的光链路的访问。与TDRSS按需多址系统类似，可以预先配备有足够同时用户容量的高可用性链路，使每个用户的高可用性链路服务执行能够立即开始，无需每次使用都要有服务获取过程。

5.2 火星中继

火星中继网（MRN）的当前基线基于预定操作。然而，由于在主要链路层协议、CCSDS Proximity-1空间链路、信道同步和编码以及物理层协议族（Prox-1）中有灵活性设计，MRN很容易扩展到支持UIS服务获取。Prox-1使用多址链路获取过程，即“呼叫过程”建立链路。如图6所示，UIS操作利用相同呼叫信道作为其信令信道。在这一场景中，用户（火星表面资产）将发起一个呼叫序列与提供商（中继轨道飞行器）建立临时连接，交换服务请求和握手消息。呼叫信道上的这种初始交换即完成了UIS服务获取阶段。如果可用的话，该阶段后紧接或稍后就会有单独的Prox-1呼叫过程，该过程由轨道飞行器或火星表面资产触发以启动服务执行阶段并建立数据通道。除信令机制是由Prox-1呼叫过程启动外，应用层UIS过程基本保持不变。如果用户在现有数据会话期间希望获得另一项服务，那么，该用户同样可以通过Prox-1数据信道发送UIS消息。此操作场景与前几节描述的通用UIS框架完全一致。

图6 用于多址邻近中继网络的UIS框架

6 DTE与中继混合场景

6.1 LEO

一般而言，高性能DTE链路对用户平台造成的负担比高性能同步中继链路低。这是因为平台与链路资源之间的距离较小以及在平台上通常使用不可调向ISO增益天线，而对于高性能地球同步链路，平台与链路资源之间的距离达数万公里，平台上一般需要使用万向节指向天线。与提供全球覆盖的地球同步中继场景相比，DTE通信体系由于典型LEO轨道平台访问地面链路资源次数少而导致响应较慢。

然而，通过空间中继提供高可用性链路可以实现响应更快的DTE任务概念，避免由于采用高性能中继链路而增加用户负担。混合SMN基础设施将结合空间中继的可用性与DTE链路的高性能优势，利用二者的最佳属性。各种任务拥有低速率中继能力用于健康和安全已经很普遍了，因此UIS过程可通过现有能力实现。UIS将允许用户从任何可用的合适资产请求和接受服务，无论使用哪个接入点与更大网络连接，DTN都能将数据传送到预定目的地。

在这种场景中，UIS服务获取过程主要在高可用性、可能预先提供的中继链路上进行，而高性能链路是DTE，或者是中继链路（若能满足服务请求的话）。这一场景如图7所示。

图7 通过UIS在高可用性中继服务上获取的高性能DTE服务

6.2 分布式空间系统（DSS）

分布式空间系统（DSS）是一种令人感兴趣的SMN案例，这一场景中，同一链路覆盖区域内会有多个航天器运行。对于DSS，各航天器与提供商系统之间的通信可以通过DSS内的另一节点实施，该节点用做SMN接入点。DSS节点还可以扩展功能，不仅仅作为数据接入点，还能为UIS信令业务提供链路。这样，DSS节点可作为中继与DTE混合系统中的中继点，通过同一DSS中的这种节点，各节点可安排DTE支持或更好的中继支持。

对于网关节点，即通过DTE链路桥接航天器星座与地面网络的节点，信标系统或MSPA/MUPA可以利用地面基础设施支持UIS操作。对于有众多资产分布在几十万公里或更大范围的更大星座，最有可能采用DTE/直接来自地球的链路作为主要通信系统，同样的MSPA/MUPA方法可以有效应用。如果作为与地球连接的节点是通过高性能DTE链路提供支持，可以使用UIS消息传送方式，但它比信标或低速率多址方案复杂。DTN还可增加链路选择和中间数据存储的灵活性，能够利用更稀疏的基础设施满足用户请求。

6.3 月球

NASA正在实施对月球的“长期探测和利用”计划，包括构建多个在月球着陆和绕月飞行的航天器，预计将由NASA与商业和国际合作伙伴一起协作进行，由人类和机器人航天器结合完成。这一场景可组合本文描述的多个场景。可从月球附近通过DTE链路为各任务提供支持，各任务平台也可以作为DSS的一部分为其他任务平台提供中继。纳入用于所有数据流的网络层协议最初将有助于采用任何链路作为数据传输的可能路径。UIS概念的纳入将有助于实现可扩展基础设施，对预计的各种可能任务做出快速响应。

7 结语

空间移动网概念，将空间通信体系重塑为具有不同接入点的移动网络，力求即使当任务从不同近地环境向外移动到深空环境时仍能采用一致的任务操作概念。总的来说，任务平台可以通过高可用性链路进行低速率数据传输和网络服务请求，可通过高性能链路进行更高速率传输以便对服务请求提供更快响应，并可进行网络化通信，让数据可以在连接到同一网络的任意两个节点之间流动。链路和执行服务请求的具体方式随环境不同而不同，但均可视为相当于“底层”差异，这样就可以利用已定义的底层功能接口开发各种任务应用。

接下来的关键工作是继续细化概念和术语，为目标环境和运行概念定义功能和性能需求，并进行各种协议和实现方法的开发、建模和验证。通过小卫星或其他测试平台（如SCaN测试床）进行的演示工作还将有助于确认需求和发展机遇。SMN也推动了航天器定位、导航和授时（PNT）系统新需求的出现。接下来的研究工作包括继续努力满足这些新需求并发展SMN使能的新PNT能力。各组件可彼此独立实现和构建，实现空间移动网的分阶段部署。

（温永兴  编译）