NASA空间通信与导航能力的创新发展

2019-08-21 23:06:51 共赢共享联合体 168



转自:电科小氙


空间通信与导航技术是所有空间任务的关键基础。为了支持美国空间科学与探索任务,美国国家航空航天局(NASA)一直在其空间通信与导航(SCaN)项目下持续推进当前技术的发展。SCaN项目办公室对未来的设想是建成完全互通的空间通信资产网络,NASA总部联合其下辖的戈达德航天飞行中心、格林研究中心和喷气推进实验室等机构正在全力开发创新解决方案,应对当前及未来空间通信与导航面临的诸多复杂挑战。

1   NASA当前的空间通信与导航能力


过去50年来,NASA主要使用RF频段向地球上的数据用户传送在轨卫星任务数据。使用分配的电磁频谱频段,NASA能够从国际空间站、“哈勃”太空望远镜、火星“好奇号”探测车、土星“卡西尼”号探测器等重要太空任务资产收集数据,促进了对宇宙和天体行星的探索和发现。

NASA的通信网络为一百多个任务提供支持,其中部分任务是绕地运行任务,收集关于天气和气候变化的重要数据;另一些任务则是进入太阳系深处甚至更远的星际任务。这些任务使用NASA的三大通信网络:即近地网(NEN)、空间网(SN)和深空网(DSN)。

近地网由系统性部署在全球14个不同地面站的地面天线组成,支持低地球轨道(LEO)和地球同步轨道(GEO)任务向地球下传数据。如使用更大型的地面站天线,近地网也能够为距地表160万公里的拉格朗日L1和L2点的任务提供支持。

空间网由跟踪与数据中继卫星(TDRS)星座发展演变而来。TDRS运行在地球同步轨道,为NASA近地任务提供持续全球通信覆盖。这些任务能够将其数据发送至TDRS,再由TDRS下传到位于新墨西洲白沙测试场或关岛的远程地面终端进行处理。

深空网由近等距(大约相隔120度)分布在地球赤道上的三个大型地面天线组成,确保深空任意卫星在任何时间都能够至少与一个地面站进行通信。深入太阳系研究木星或冥王星等行星的航天器任务必须使用深空网。

NASA使用上述网络收集科学数据,如图像和测量值以及航天员信息、航天器健康状况和位置等信息。这些网络采用成熟的RF通信技术,而近年来,NASA一直在进行光通信实验,使用激光与在轨卫星之间传送数据。

2通过先进技术提升当前空间通信与导航能力


NASA一直在追求技术进步,未来的无缝互操作系统将采用光通信、宽带Ka波段、光与RF混合天线等技术,极大提升通信性能。

2.1光通信

先进通信系统将使NASA能够以更快的响应速度支持更高速率的海量数据。为增强用户的通信与导航活动及服务,NASA正在开发和测试光通信技术,利用光通信从卫星直接或通过空间中继将数据下传到地球上的地面系统终端。

与RF技术相比,光通信系统性能优势显著。使用光通信,能够更轻、更高效、更安全地向地球传送数据。

· 光通信系统质量、尺寸和体积小于标准RF系统,且所需功率低,可以降低空间任务的成本。此外,光通信地面站明显更小(对于近地通信,望远镜孔径小于0.5米),可在全球建造。随着载人航天飞行向深空发展,极为需要这些基础设施优势。

· 光通信系统的数据率明显高于RF系统,是RF系统的10到100倍。这将增加地面用户可接收的任务数据和航天器总体健康状况信息。

· 利用光通信技术生成的导航观测量精度比当前RF系统高出四到五个量级。利用超精确导航、时间和频率传送将可实现分布式航天器任务概念,大大增强天基大地测量和重力测量能力。

· 使用光通信还可明显提升安全性。激光光束极窄,发散角小,信息传递不易被其他设备捕获。在这个充满网络攻击的时代,数据安全变得至关重要。而RF技术使用宽度较宽波束传送航天器数据,因而更容易被入侵。

2013年,NASA在月球激光通信演示(LLCD)项目中测试了空间光通信。LLCD是世界上首次月地距离的激光通信任务,也是NASA首次太空高速双向激光通信任务,通过在绕月飞行器与地面接收终端之间建立双向光通信链路,验证利用轻小型星载终端进行月地高速激光通信的可行性。LLCD系统穿越40万公里的距离,成功完成了空间终端与地球地面终端之间的双向激光通信,提供了高达622Mb/s的下行链路数据率和高达20Mb/s的上行链路数据率。这些速率明显优于原来月球上使用的先进RF通信系统,而且空间光终端更小、更轻、功率更低。

为了进一步演示光通信中继卫星的巨大潜能,NASA开发了激光通信中继演示(LCRD)任务,展示光通信中继卫星的运行寿命和可靠性。LCRD任务将使NASA能够在更长的一段时期内,在各种不同的天气条件下以及一天的不同时段测试光通信技术。为了将LCRD的数据下传至地球,NASA开发了两个光地面站,分别位于加利福尼亚洲的太波山(Table Mountain)和夏威夷的哈雷阿卡拉山(Haleakala)。NASA计划于2019年发射星载激光通信终端至地球同步轨道,演示将至少为期两年,支持地球同步轨道卫星与地球之间的双向通信,用户数据速率达到1.244Gb/s。

此外,NASA的太比特红外传输(TBIRD)系统将演示从低轨立方体卫星直达地球的光通信链路,突发速率高达200Gb/s。该链路可以每天向一个小型地面终端交付来自小卫星的50TB数据。该项目的成功实施将彻底打破低轨卫星观测数据回传面临的瓶颈制约。

NASA还已开始开发综合低轨激光通信中继演示用户调制解调和放大终端(ILLUMA-T)。ILLUMA-T将是LCRD端到端光中继服务完全运行后的首个用户。该终端将集成到国际空间站(ISS)上,利用LCRD从国际空间站向约翰逊空间中心(JSC)的任务控制中心发送科学数据,再由控制中心将这些数据发送给全球的科学家们。一般情况下,国际空间站载有6名航天员,因为航天员生活在独特的挑战性环境下,与其通信是高优先级需求。维持通信和掌握空间站及其工作人员状况,是保证航天员安全必须要满足的需求。

激光光通信近地卫星系统(LOCNESS)则是下一代光中继概念。光通信技术将使中继卫星能够支持光用户链路和交叉链路,速率达到数十、数百Gbps。

2023年,NASA计划发射“猎户座”探测任务2(EM-2)航天器,这将是未来30年内首个将航天员带到月球以外的任务。EM-2将观测月球并进入深空,收集关于未知太空的数据。激光增强型任务通信导航与运行服务(LEMNOS)项目将为EM-2提供的光通信(O2O)系统。EM-2将在EM-1(使用RF技术)的基础上将通信能力提升几个数量级。NASA喷气推进实验室(JPL)正在未来深空光通信(DSOC)演示项目下为计划2022年发射的“普赛克”小行星任务提供支持,希望在不增加质量、体积和功率的情况下,将当前通信性能提升10~100倍,也为未来火星载人飞行任务和日益复杂的深空无人探测任务提供高速通信连接。

光通信地面系统终端需要建造在在云层最少的地方,减少云层对数据通信的影响。使用RF系统的卫星能够穿过云层发送数据,不存在这一问题。而既使用RF又使用光通信能力的LCRD等任务,为了解决这一问题,可以在无阻挡视线条件下使用光提供最高速率,有云层覆盖时,使用数据率较低的RF频段发送最高优先级数据。

2.2Ka波段的扩展使用

光通信系统虽然有特定优势,但RF频段仍是向地球下传数据的可靠方式。NASA目前正在致力于实现空间和全球宽带Ka波段网络。Ka波段是NASA目前用于通信的最高无线电频段,Ka波段系统涵盖20~40GHz,在数据率方面的潜力远超X波段和S波段。该Ka波段计划的长远目标是实现地面和空间中继资产的完全互连和互通网络。任务可以根据通信需求选择与地面站或空间中继连接。随着Ka波段能力的广泛使用,通过升级地面和空间终端,在轨卫星将能确保获得稳定可靠的宽带通信。

目前,有6个地面站计划进行Ka波段升级,如图1所示,包括近地网的阿拉斯加地面站、智利地面站、挪威地面站,以及在深空网孔径增强项目下进行Ka升级的加利福尼亚金石、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉的深空通信设施。这些地面站既包括政府也包括商用能力。

图1 地面站资产以及计划升级到Ka波段的地面站


随着使用Ka波段的近地和深空任务的增多,NASA的通信能力需要演进到能够支持未来数据下行链路。

另外,所有第二、第三代TDRS卫星已具备宽带Ka波段能力,近期就可支持1.2Gb/s的速率。未来将通过公私合营或商业服务提供商增强这些TDRS卫星的空间中继能力,使用灵活的宽带用户终端在多个商业合作伙伴或其他政府提供商的卫星之间漫游。

2.3RF/光混合天线

随着NASA任务发展到包括RF和光两种链路,将需要更多地面孔径。深空光通信链路地面孔径需要是直径8~12米的光学望远镜。为有效满足未来需求,NASA提出了混合通信系统的理念。对于NASA来说,混合天线方式更为经济。未来,由于科学与探测仪器更加先进,以及人类最终进入到其他行星系,深空任务产生的平均数据将显著增长,将从根本上增加所需的数据率。为了研发深空任务使用的这种混合天线,NASA希望将8米的光学孔径集成到深空网34米波束波导天线中,用主球面镜及适当的校正光学设备及接收机元件替换RF副反射面后的RF面板。这种混合天线已进行了研究,预期有足够的稳定性和指向能力,天线RF性能仅有一小部分损失。

2.4光通信和混合天线投入使用时间

上述通信增强工作将从2018年一直延续到未来10年。NASA的近地网和深空网团队已开始增强全球现有地面站,增加Ka波段能力支持近地和深空任务。LEMNOS、ILLUMA-T、LOCNESS和DSOC项目正在开发中,进入不同的评审和测试阶段。另外,LCRD载荷已经完成并准备好集成到承载卫星上。

图2 SCaN开发、演示与运行时间表


3     打造空间移动网,提供类似地面移动用户获得的功能和体验


SCaN网络增强既包括增强现有技术也包括创造新的通信技术。随着网络增强的实现,提供互操作的服务将成为现实。

SCaN网络的发展是要提供类似于地面移动网用户获得的功能和体验,包括强调所有业务均设计为与其他国际和商业网络互通,增强用户的互连和网络可用性。这一高层架构概念被称为空间移动网(SMN),将实现自动化、高效和易于访问的通信服务,为航天器提供支持动态任务场景的更强网络性能。

(1)容延迟/中断网络

容延迟/中断网络(DTN)将使用标准互操作协议提供网络功能,如路由、QoS保证和数据安全,在充满挑战的太空通信任务场景下使用。在链路可用性中断和由于空间距离过远而产生长延迟的情况下,DTN协议仍能确保可靠数据传递。DTN协议的核心是束(bundle)协议(BP)。BP使用存储转发方式,数据先存储到节点上,直到出现连接可用的下一条链路。这使航天器能够在连接中断前尽可能多发送数据,一旦连接恢复,再发送剩余数据。数据重传和存储管理能在较小的束级别而不是文件级别进行,从一定程度上提升了设计和运行效率。

DTN网络层功能使地面站能把接收到的任务数据自动发送给恰当用户,包括自动速率缓冲,解决空间链路与地面数据线路的速率不匹配问题。这样地面站和中继就变成等效网络接入点。使用DTN的互操作网络层标准将使任务用户和提供商网络演进到类似于某人把笔记本电脑连接到本地Wi-Fi网络。

随着更大型网络中用户数量和数据类型的增多,将需要确定数据流的优先级。将利用区分服务质量(QoS)的方式允许不同任务签订和接收所需级别的服务,这一点通过确立链路调度优先级和标记不同用户数据流实现。

系统设计从一开始就就必须纳入稳健的数据安全。安全可以在每层使用不同级别的加密和其他方法实现。束安全协议将保护每个网络数据单元(束)内用户数据的安全。

图3 近地任务中使用的当前通信能力与容中断网络

 (2)用户发起服务

用户发起服务(UIS)是一种由数据用户发起服务请求的服务获取流程。一般情况下,用户必须提前数周确定服务时间,通常的调度方法很难应对突然出现的数据需求或空间不寻常事件。UIS允许用户在用户平台上发出数据请求,然后平台触发端到端数据交付请求。这一点利用一条信令信道完成,该信道支持服务提供商与希望获取服务的用户之间完成必要的握手过程。一旦用户获得服务承诺,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。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。目前,UIS技术正处于探讨中,可能会集成到网络能力中。不过,UIS的实施受到一些限制。由于星上功率有限,一些航天器不能支持持续连接的控制信道。

(3)认知网络

NASA还在进行深度机器学习实验,从而能够对卫星系统编程,使其具备学习和思考能力。在空间通信方面,认知卫星系统可以跟踪其为实现通信而重复执行的动作,学习哪种方法最适用于特定情况或环境。这种卫星认知网络能够感知态势,知道其需要执行何种工作,并分析当前环境和参数。通过重复尝试最有效通信,卫星系统会进行学习。例如,卫星在直达地球与空间中继之间或RF技术间与光通信系统之间作出选择,判定使用哪种方式向地球下传数据。图4展示了这一概念。认知卫星系统使航天器能够自已做出决策,无需人再制定决策计划。

图4 空间通信与认知网络

(4)自主导航

使用全球定位系统(GPS)和授时技术,NASA能够实现航天器自主导航。这样,航天器可以从使用当前地基导航系统(人在控制环路中)转型为航天器星上实时导航。为此,已设计了前向链路信标信号,利用增强的无线电测量和光学测量能力提供星上导航,同时还能够传送关键任务数据。航天器导航一般由地基定轨控制,但利用自主导航能力,用户状态信息可在星上以很高的精度确定。

(5)政府和商业协作

政府和商业实体必须协作才能实现空间通信与导航技术的进步。NASA的设想是拥有完全互通的系统,其中,商用和NASA卫星都能够随着关键实时任务数据需求的增长获得连续通信支持。

这一设想涉及到业内提供的服务与NASA、国际伙伴和其他政府机构提供的服务之间的互操作。NASA希望发展共享的RF与光通信航天器及网络能力。商业伙伴能够通过分担投资、风险和收益,采用通用标准向NASA提供运行服务。目前,NASA正在寻求开发下一代空间通信技术的商机。

4结语


 NASA对空间通信与导航的未来设想既包括推进当前技术的发展,也包括开发以前未有的新能力。随着空间通信新时代的到来,NASA将为空间各种距离上不断增长的数据可靠下传需求提供支持。未来完全互通的系统将实现光通信、宽带Ka波段、光与RF混合天线、用户发起服务(UIS)、具有DTN能力的认知网络、自主导航,最终创建空间移动网。NASA正致力于为充满挑战的空间环境发现最优的通信导航方案。



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