【航天甲子年50讲】 19 空间组网技术



文:晟宇(视频讲解)

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前言


今天是情人节,爱人之间是一种强链接,我们和身边的人产生通过社交聊天等链接形式形成社会网络。


另外一种网络是计算机网络,上个世纪中叶计算机出现,之后从Darpa的Arpanet演化出了今天如国际互联网和移动互联网的各种网络形式。


我们把不同设备节点连接在一起是为了让设备获得跟多信息的支持,也是为了让设备之间通过信息的交互形成合力完成协同的任务。


这样的需求不只是地面的设备需要,运行在空间中的设备例如卫星等也需要组成网络来完成一些特殊的任务。由此而产生了空间组网技术。



空间组网与组网技术


然而当前包括航天业界,每当提及组网这个概念时还是会出现一个泛化的理解,就是只要有多颗卫星为了一个共同的任务就会被称为卫星组网。


举一个例子,当前最为有名的互联网卫星OneWeb,也经常会提到全球组网来提供网络连接.这个我们在上一次分享里说过.OneWeb采用的是弯管方式来提供网络接入。




弯管就是卫星只是链接用户和地面,这种组网其本质是天地组网,而不是空间组网。





此外还有很多卫星通过轨道上面的协同来完成协同任务,其中有的需要星间通信有的不需要,而当前也都称他们为组网卫星。


那么说到今天的正题,今天我们要聊的是空间组网技术,所以前面所说的这种泛化的概念我们就把它约束地小一点,只是讨论那些通过空间的节点之间直接进行信息交换的组网方式开展讨论。


在空中组建网络


空间组网从字面上来理解就是在空间中组建网络.那么我们类比地面的网络来说,它首先可以组建不同空间尺度上的网络。从相隔几十米的卫星之间组成局域网到覆盖整个太阳系的深空网;同时在结构上可以建立稳定关系的经典网络,也可以建立随时遇到随时组网的自组织网络等等。



无论什么样的网络在组网技术上都遵循着OSI的网络模型。对于空间组网来说,最为重要的特点就是他的空间特点。


空间特点体现在几个方面:第一是空间只能通过无线的组网方式,现在一般使用的通信介质是电磁波;第二是空间环境的变化特点,从传输环境到传输距离都在变化;第三网络拓扑受到空间拓扑的变化而快速变化;第四,由于网络拓扑的变化使得传输受到很大影响;最后架设在其上的应用也需要适应这样的特点。


由于决定空间组网的技术主要是下面四层的技术,所以我们主要聊聊的是从物理层到传输层的技术。




由于空间的组网需求非常复杂,类型很多,因此为了适应不同的应用环境也就提出了很多不同的空间网络的结构.形成了不同的协议体系。


例如CCSDS主要是为了空间数据传输的,为了整个空间数据传输需求的变化一直在进行修改更新,添加了很多类似于地面网络的改进.此外还有适应由于空间可见性变化而导致延迟的延迟容忍网络DTN,最后还有构建类似地面IP网络的OMNI。


空间拓扑与星间链路


主要的空间拓扑可以分为大的两种类型就是先对未知变化规律和不规律的两种,只要有规律的变化就可以构建比较稳定的网络结构,其他的就可以采用自组织的网络形式。


为什么会有不断的变化呢,那是因为有地球的存在使得我们的空间卫星存在无法直接和对方通信的情况,因为卫星的无线通信利用的电磁波只能直线传播.


那么什么时候可以看见对方节点,每次能看见多久就是被称为可见性.可见才能进行直接通信.同时电磁波在空间中传输会受到传输距离的巨大影响.而空间节点之间的距离的变化幅度和速度都是非常大的也使得空间的组网变得十分困难。




构建星间链路


主现在应用于空间的网络主要是微波和激光两种手段.卫星之间的通信方式其实和天地之间的通信方式没有本质上的区别,最大的变化还是环境。



如果我们记得之前几讲里提到的大气衰减的话,就知道大气会对频率比较高的电磁波造成较大的衰减,尤其是云雨.而空间中最为主要的是自由空间衰减,大气的影响很小所以选择频率较高的电磁波作为通信的介质就很理想了。


激光通信技术可以实现非高的通信速率,缺点是链路的建立过程要求高,一般只能一对一的传输。


而微波通信技术非常成熟可以使用的波段也非常多,可以实现非常灵活的通信组网方式。





稳定组网和自组织网络


例如铱星这样进行稳定组网的空间网络,为了实现其网络设计的简单从而将整个卫星星座的设计尽量的周期化和统一化,可以说铱星代表这一类组网方式的特点,那就是需要对卫星的空间位置进行严格的限定,卫星也都是同一类型的卫星。


另外一种类型的组网方式要松散些,卫星之间的位置随意变化,卫星的类型也可以各不相同,网络可以包含诸如空间传感网,空间集群等不同类型的空间网络模式。




最后祝大家狗年行大运,新春快乐.晟宇也偷个懒休息两周,我们节后再会~



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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我www.zaih.com图标

编辑于 2018-02-14