第31卷第4期2010年4月
宇 航 学 报
Journal of Astronautics
V ol.31April N o.4
2010
深空通信DT N 应用研究
叶建设
1,2
,宋世杰2,沈荣骏
3
(1.装备指挥技术学院,北京101416;2.北京跟踪与通信技术研究所,北京100094;
3.总装备部,北京100720)
摘 要:容延迟网络(DT N )体系结构依靠一种新的严格的框架,能够集成深空环境异构网络技术,为解决深空通信面临的许多重要问题提供了有效解决途径。分析了未来深空通信网络面临的难题;阐述了深空通信网络协议的研究现状;深入剖析了DT N 体系结构,并从研究和项目两个层面详细介绍了深空通信DT N 研究进展;讨论了深空通信中应用DT N 的一些关键技术问题,并分析了DT N 在我国未来深空测控通信的应用前景。
关键词:深空通信;容延迟网络;包裹层协议
中图分类号:T N927 文献标识码:A 文章编号:100021328(2010)0420941209
DOI :10.3873Πj.issn.100021328.2010.04.001
收稿日期:2009209214; 修回日期:2009212211
基金项目:国家高技术发展计划(863)项目(2008AA12A204)
0 引言
深空探测,是人类在卫星应用和载人航天取得重大成就的基础上向更广阔的太阳系空间进行的探索
[1]
。深空测控通信技术发展的目标之一是实现太阳系内任何时间、任何地点的连续通信。深空航天器与地球的通信,与当前我们所熟知的中低轨道航天器的通信链路有很大的不同,主要表现在路径损失和巨大的时延。深空探测领域的研究者多数是基于通信原理解决路径损失问题,研究并采用了许多有效的方法。近年来,采用联网结构解决深空通信问题,也越来越受到人们的关注,空间互联网作为未来深空通信的基础,成为解决深空通信大时延问题的主要对策。
美国NAS A/J P L 于1998年起开展“行星际互联
网(IPN )”的项目研究[2]
,主要研究地球以外使用互
联网实现端到端通信的方案。文献[3]描述了NAS A 空间互联网的一般基础结构(类似的体系结构组成
也已应用于火星通信网络[4]
),包括主干网络、
接入网络、航天器之间网络和近距无线网络等结构单元。空间互联网被认为由“因特网的网络”构成
[5]
,这些
本地因特网通过一个超长距离无线链路的深空骨干网相互连接在一起;2004年,NAS A 成立了空间通信体系结构工作组(SC AWG )
[6]
,对能够适应直到2030
年的NAS A 空间探索和科学研究任务的空间通信体系结构进行概念研究,将联网结构列为其空间通信发展的远景战略;2006年,我国提出建设天地一体化航天互联网的构想
[7]
,以建成一个综合性的星间、
星地及地面互联互通网络。
异构互联是上述各类空间互联网体系结构的共同特征。如何设计一套能够“集成”多种网络技术的协议体系框架,在考虑端到端链路中断、中间传输节点资源有限的情况下保证可靠的异步消息传输,是解决空间通信尤其是深空通信中空间互联网得到实际应用的核心问题。
2002年,Intel 公司伯克利研究实验室Fall 等科
学家提出一种称为“容延迟/中断网络(Delay/Disrup 2
tion T olerant Netw ork ,DT N )”新术语来描述解决行星际互联网问题所需的体系结构
[8]
。DT N 的基本设计
目标是支持具有断续连接、大时延、高误码率等特征的异构网络的互联和互操作。DT N 概念一经提出,很快吸引了深空探测、海底网络、军事战术网络、ad 2hoc 网络、传感器网络和其他受限网络领域研究者
的广泛参与,取得了一定的研究成果。与地面网络IP 体系结构不同的是,DT N 并没有为各类网络环境
提供统一的解决方案。如何针对深空环境研究DT N 应用,将是空间通信技术领域的重要研究课题。
1 未来深空通信网络的难题
以火星探测为例,未来深空任务的测控通信环
境由地面链路、地球轨道链路、星际主干链路、行星
(如火星)轨道链路和行星表面链路等组成,链路环境特性各异,如图1所示
。
图1 未来火星任务深空测控通信环境
Fig.1 Deep space communication environment for future Mars exploration
要实现以空间互联网为基础的未来深空通信体系结构,需要解决许多巨大难题:
(1)异构的网络共存:深空测控通信环境不同链路组成的区域将采用不同的网络技术,如何实现异构网络的互联互操作,是未来深空通信体系结构设计面临的最主要难题。
(2)极长且可变的传输延迟:按电磁波的传播速度,地球至太阳系内各行星通信的单程时延将达到数分钟甚至数小时。考虑行星相对轨道位置,火星-地球通信网络端到端往返时间将为8.5min 到40min 之间不等。这为可靠性传输协议的设计提出
了极大的挑战。
(3)不对称的前向和返向信道:在空间通信中,典型的前/返向信道的带宽容量的不对称性将达到1000∶1(地面T CP/IP 协议仅能容忍100∶1),有的甚至只有单向信道。
(4)很高的射频信道误码率:深空链路的误码率非常高,通常达到10-1
(地面T CP/IP 协议能够容
忍的误码率仅为10-5
)。
(5)中断或断续的链路连通性:受地球和行星
的自旋影响,地面站和航天器或行星之间通信链路平均维持时间为8h ,航天器对地球外行星的探测过程中,有一半以上时间为该行星所遮挡,只能实行断续通信,即使在网络正常工作情况下也可能出现通信中断。当地面站与航天器之间经过多个运动节点
才能实现通信时,网络的拓扑结构是实时变化的。
(6)受约束的深空通信资源:深空链路容量非常有限、带宽非常低。
(7)有限的航天器存储容量及处理能力:为了解决大时延问题,将采用存储转发通信策略,这为航天器存储处理能力提出了更高的要求。
(8)严峻的安全性问题:深空环境是开放的,极易受攻击,数据传输面临安全性和数据的完整性等问题。
2 深空通信网络协议体系研究现状
深空通信网络协议体系研究主要包括三种思路:空间IP 协议体系[9]
、CCS DS 协议体系
[10]
和DT N
协议体系
[11]
。
地球互联网的快速发展,产生了在空间通信中直接采用IP 技术的想法。空间IP 协议体系的优势是技术成熟度高、能大大缩减航天成本、易于升级以满足未来航天任务的需要。2001年,美国哥达德航天中心
开展了名为OM NI (Operating Mission as N odes on the In 2ternet )的研究项目,主要研究利用地面商用IP 协议实
现空间通信方案。OM NI 基于IP 的思想开展了地面试验,并进行了“航天飞机上的通信与导航演示验证(C ANDOS )”试验。空间IP 协议体系虽然可以基本满足地面与近地轨道航天器间的信息传输,但T CP 协议是基于端到端重传的协议,需要假定传输延迟很小,
2
49宇航学报第31卷
与深空通信不符;此外,按照分级方式实现的地面路由协议不适用于深空通信的操作环境。
空间数据系统咨询委员会(CCS DS)于1982年成立,已发布了用于空间链路(包括星地链路及星间链路)的从物理层到应用层的一系列建议。CCS DS针对空间环境特点,对地面标准T CP/IP协议进行相应改进,开发了一套涵盖网络层到应用层的空间通信协议规范(SCPS)[12],较为全面地解决了空间信息传输问题。针对深空通信的特点,CCS DS协议也提出了相应的解决方法,如CCS DS文件传输协议CFDP[13]。然而,SCPS针对通信资源非常珍贵的深空通信环境,并未提出具体路由算法;可靠传输依然是采用先建立连接后传送数据的模式;选择重传机制仍然是基于端到端的重传。CFDP协议仅限定于文件传输应用,解决方法不够彻底,缺乏更完善的应用服务,从星际互联的角度考虑的体系结构不够完整。
近年来,还产生CCS DS协议体系与空间IP协议体系相结合的思想。就是在数据链路层仍然可以使用CCS DS建议,如分包遥测[14]、分包遥控[15]、AOS[16]、Proximity-1[17]等;网络层应用IP及其扩展技术;传输层和应用层选用商业标准协议或CCS DS 协议。这种解决方案具有较为灵活的协议配置能力,但没有从根本上消除空间IP协议体系和当前CCS DS协议体系在深空通信中的固有缺陷,协议堆栈的可适应感知能力较弱,仍面临许多挑战。
容延迟网络研究小组(DT NRG)将整合高度优化的区域网络协议的能力作为开发未来空间/地面协议堆栈的目标,提出了一种基于容延迟网络(DT N)的协议体系[18]。为解决深空环境下的可靠传输问题,J P L于2002年12月提交了一份支持DT N网络的协议草案,命名为Licklider传输协议(LTP)[19],以替代IP协议和T CP协议。图2为容延迟网络空间/地面协议栈。
在深空通信体系结构中,以上三种协议体系并非单纯的技术演进,而是互依并存的。地面互联网T CP/IP的成熟技术和空间IP的应用验证为CCS DS 建议的改进提供了明确的方向,CCS DS与IP相结合的协议体系成为发挥T CP/IP的巨大优势并能满足空间通信要求的基本解决途径。DT N协议体系结构可以通过整合前两者分层协议和自身协议以解决深空环境异构异质条件下的可靠传输问题。但DT N 协议与前两者相比具有明显的区别:一是DT N不假定存在发送端与接收端的端到端路径,
包裹采用存
图2 DT N协议体系
Fig.2 DT N protocol architecture
储转发的方法进行传递;二是DT N引入了所谓的“包裹层(Bundle Layer)”作为连接不同受限网络的覆盖层,采用此覆盖的节点依靠发送称为“包裹”的异步消息进行通信。包裹层提供和互联网关相似的功能,但它集中于虚消息转发而不是分组交换。
虽然DT N协议体系的思想可以使得针对于不同网络的底层协议得到优化,但DT N的协议栈只是给出了一个框架,许多关键技术仍在开发中。一方面,DT N体系结构建议尚不成熟,也没有典型的应用范例,存在许多需要解决的问题;另一方面,深空通信环境对数据链路层到传输层的具体协议性能提出了挑战性要求,需要针对分层协议和跨层机制进行深入研究,这必将促进基于DT N的空间IP协议和CCS DS协议的发展。
3 DT N体系结构
3.1 包裹层协议
如图2所示,包裹层在逻辑上分为三层:应用代理、包裹层协议代理和汇聚层。包裹层协议(Bundle Protocol)[20]作为“包裹层协议代理”来执行;依赖于应用层提供的服务,“应用代理”提供与上层的接口,能够面向包裹层进行配置、用户交互和基于策略的设置。简单的如仅配置包裹层,复杂的如逻辑注册和面向应用的其他服务;由于不同域内网络的传输层提供的服务有差异,DT N可能需要“汇聚层”来专
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第4期叶建设等:深空通信DT N应用研究
门处理与特定协议的接口细节。一个或多个“汇聚层”提供了低层传输和网络技术的抽象,使得包裹层协议代理独立于低层服务之上。包裹层采用每跳差错控制将数据分段成包裹发送到下一跳节点,提高了数据传输的成功率。包裹层有很多服务(C oS)构成[21],通过使用类似于电子邮件那样的存储转发机理,可望解决深空通信面临的许多问题。
包裹层协议定义或引入的一些新术语包括: DT N网关和区域(DT N G ateways and Regions)、接触(contact)、名称二元组(Name Tuples)、邮政类型服务(A P ostal Class of Service)、保管传递(Custody T rans2 fer)、拥塞控制和流量控制等,文献[11]有详细描述。
包裹层协议规范的开发,主要集中于包裹格式的逻辑布局,而非协议实体之间的具体操作和交互,更类似于一个复杂的文件格式规范而不是网络协议。这样做的目的是一个具体实现或配置场景的细节内容可以在后期解决。
包裹层协议总是位于局部传输的“汇聚层”之上,支持在“汇聚层”和具体实现或配置的增强上的功能框架,这些“汇聚层”的设计与局部网络条件相匹配。包裹层协议不解决具体网络环境中的问题,而是对存储转发网络消息提供通用的格式,其目的是允许网络本身采用相应的技术克服受限性。
3.2 LTP协议
LTP协议是DT NRG开发的另一个重要协议[22]。LTP解决点到点环境中的长延迟和中断,主要操作在单个极长延迟的链路上。图1所示的星际主干链路可能遭受长延迟、中断和地面站的调度约束。当着陆器被“遮挡”在火星的另外一面时,它可能仍然需要发送一块LTP数据,直到不再“遮挡”才接收一个应答,对于“遮挡”持续时间,轨道器可能冻结所有驱动协议的计时器。一旦走出“遮挡”,航天器重启这些计时器。冻结或“打断”计时器的概念是LTP设计的关键。
LTP被设计为支持包裹层协议的汇聚层协议。LTP将协议交换处理(如自动重传请求ARQ)与如何收发等相关问题分离开来。传统的可靠传输协议(如T CP)用一种算法方式来处理这些问题,对于互联网传输网络性能显然取得了巨大的成功,但是对深空通信这样的受限场景,T CP和类似协议是不适用的。LTP采用一套公开标准的协议原语提供ARQ、数据完整性、来源认证、可靠性和其它性能。由于它的深空的背景,可以认为LTP协议执行于一个分离的“层”,该层充分地知道网络状态,告知每个对等端如何收发信息。
3.3 深空通信DT N体系结构
图1所示的未来火星任务深空测控通信环境包括四种典型的应用网络场景:①地面网络:任务控制中心(MCC)—深空网(DS N);②星际主干网络:深空网(DS N)—火星中继卫星(MRS)/火星着陆器(MRV);③火星轨道网络:在轨用户(CE V)—火星中继卫星(MRS)—火星着陆器(MRV);④火星表面网络:火星着陆器(MRV)—舱外航天员(E VA)。这四种网络场景的环境特性各异,将采用不同的网络技术构成“域”。设计研究的DT N体系结构基于“最小公分母”协议配置原则,充分应用现有各网络环境的协议设计方案,异构网络之间利用DT N网关节点相连,实现端到端应用。在域内的信息传输及可靠性保障由域内的网络技术完成,而域间的信息传输及可靠性保障由运行在DT N网关之上的“包裹层”协议来保障。图3为一种深空通信DT N协议体系结构方案。
地面无线自组织类网络DT N应用研究的核心是路由算法。针对深空通信环境,DT N网络体系结构还更加关心数据可靠传输问题。DT N路由可能在两层发生:每个自治系统内部(假设一套异构的网络)和位于高层的包裹层节点之间。空间IP的思想是利用IP的全球寻址功能实现天地互操作通信。如果一个扩展的IP能够解决路由和存储问题,且假设命名/寻址配置能自然地找到一个全球解决方案,对于DT N仅有的问题是需要支持空间应用的保管传递和容延迟传输策略。如此调整后的体系结构将显得更精巧:路由在网络层管理且不必分级;传输依赖底下的路由因而允许发送端和接收端之间的有灵活的路径;不像二层路由策略仅允许在区域内有灵活路由。
4 DT N应用研究进展
未来的深空通信,是DT N的潜在应用之一。当前,面向深空通信的DT N应用主要表现在技术研究和项目验证两个层面。其中技术研究包括DT N开放主题研究和可靠性传输协议研究。
4.1 开放主题研究
DT N已经从一个初创的研究平台发展为具有体系结构、包裹层协议和不同汇聚层协议的完整规范的定义良好的实验协议族。当前的研究成果主要
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图3 深空通信DT N 体系结构
Fig.3 DT N architecture for deep space
有:DT N 体系结构文档(RFC 4838)[18]
;包裹层协议
规范(RFC 5050)[20];关于安全的附加文档[23]
;LTP
协议动机(RFC 5325)[22]
;LTP 协议规范(RFC
5326)[19];LTP 协议安全扩展[24]
等。
DT N 并不局限于其本身的标准及框架的研究,将DT N 网络模型尤其是路由模型用于具体受限网络,将
产生许多新的研究热点。我国在国家自然科学基金等领域安排了移动DT N 的基础理论和关键技术研究等课题,一些科研院所在路由增强算法[25]
、节点运动
模式识别机制[26]
、异步角度下的路由决策问题
[27]
、基
于选择复制的动态数据传输策略
[28]
和链路中断的统
计特性问题
[29]
等方面取得了一些进展。国内已有的
研究主要集中在DT N 应用于移动无线传感器网络、无线移动自组织网的路由算法等细节技术层面,没有提出系统级的解决方案,尚无具体的、可实现异构网络互联的可操作性规范,在航天领域尤其是在深空通信中的应用研究仍是空白。
深空环境下DT N 应用的开放研究主题包括:流量和拥塞控制;动态路由
[30]
;DT N 安全认证;服务质
量;可靠性等。
在流量和拥塞控制研究方面,Burliegh 采用经济价格模型,提出了一种基于规则的拥塞控制机制,每个路由器能自治地做出“保管”决定
[31]
;Marano 等人设计一种局部流量控制机制[32]
;文献[33]应用多属性决策(MADM )原理提出了一个面向行星际DT N 网络的拥塞意识的路由范例。
动态路由问题是地面受限网络DT N 应用研究的核心和热点,虽然有大量的路由算法研究,但很少
在实际环境中得到验证,DT N 路由在多网络连接下的路由策略、链路容量、节点缓存空间及其管理、节点设备处理能力等方面问题仍然没有很好地解决。由于当前深空通信的节点少、拓扑结构简单,深空环境动态路由问题似乎不显突出,但随着深空任务的复杂性不断提高,将呈现动态拓扑结构,DT N 动态路由研究应受到关注。4.2 传输协议研究
虽然DT N 包裹层可以使得针对于不同网络的底层协议得到优化,但包裹层协议不解决具体网络环境中的问题,需要研究低层特别是传输层协议来保证深空环境下端到端的可靠传输。
Akyildiz 提出的TP 2Planet 协议
[34]
是深空链路可
靠数据传输的最早建议之一。TP 2Planet 假设空间IP 基础框架的存在,配置了一个基于速率的加性/增乘性减(AI MD )拥塞控制方案,将“中断”状态结合到协议操作之中,还采用延迟选择确认(S ACK )策略来处理带宽不对称问题。TP 2Planet 仿效传统T CP 的慢启动和拥塞避免算法,不能完全地利用有效信道容量。TP 2Planet 没有在多跳场景中测试但适合于单跳深空链路。
SCPS 2TP 是CCS DS SCPS 系列建议中的传输层协议
[35]
,是基于现有T CP 协议的修改和扩展,适应
空间环境通信需求。SCPS 2TP 协议支持不同的业务需求,可提供完全可靠、高可靠及低可靠服务。采用导头压缩和选择否定确认(S NACK )选项,解决带宽受限,提供更有效的损坏恢复。当有拥塞指示时,标准T CP 或T CP 2Vegas 拥塞控制机制可能被用于提供
5
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拥塞控制,但SCPS2TP不能充分地解决行星际网络的挑战(例如,T CP2Vegas由于基于窗口的属性和难以精确测量长距离RTT的变化,不能充分地利用深空链路)。
CFDP协议[13]是CCS DS专为在航天器数据存储器之间发送文件而制定的协议,能提供不可靠和可靠服务。其核心模式是最简单的操作形式,适合单一链路的文件传输;扩展模式涉及更复杂的场景,提供包含全异有效性多跳链路网络的存储转发功能。除了与文件传输相关的功能外,CFDP还包括文件管理服务,以便对存储介质进行控制。
Surrey卫星技术公司(SST L)参考CFDP协议开发的Saratoga协议[36]早于DT N包裹层协议,是一种面向空间通信的基于速率的UDP/IP可靠文件传输协议,后来被认可能够采用DT NG R包裹到Saratoga 文件的逻辑映射来实现DT NRG包裹层代理之间的包裹可靠交换,适合作为包裹层协议的汇聚层。
LTP2T协议是为深空环境应用的LTP协议变种[37]。LTP2T采用保管传递技术,每个LTP2T实体必须保管所有成功接收的包,在节点间进行保管传递直到最后目标。LTP2T虽然因满足接受保管需求存在缓存受限问题,但缩小了端到端数据传输时间。LTP2T协议支持容延迟传输协议和拥塞通知。
I oannis Psaras提出的DS2TP协议[38]是一种新的面向空间DT N的传输协议。该协议提出了一种主动传输和重传调度规则,并利用逐跳的存储转发消息交换策略来解决拥塞避免和流控制问题。
Christos等人提出的DTTP协议为多节点的空间通信提供了一种解决方案[39],DTTP的基本设计原则是通过有效利用通信资源来提高数据速率。DT2 TP协议采用保管传递技术,基于恒态发送速率实现并行数据传输。
4.3 项目验证
当前有许多DT N体系结构和包裹层协议的实现。DT NRG开发的DT N2[40]是DT N规范及其扩展建议的参考实现,是当前DT N广泛研究的基础。DT N2可以对外部的路由、存储和汇聚层模块进行扩展。然而,这些机制由于需要遵守严格的协议定义限制了其灵活性;其他的DT N包裹层协议实现有面向小型设备的I BR2DT N和DT Nlite、面向Symbian移动电话操作系统实现的DAS M和随机网络环境模拟器(ONE)等[41]。
2004年,NAS A通过SST L灾难监测星座(UK-DMC)项目[42],首次在空间环境中成功地采用了DT N体系结构,选择Saratoga协议为汇聚层携带DT N 包裹,系统研究了DT N包裹分片、保管传递和可靠性问题。
J P L开发了一个DT N体系结构的实现,称为行星际覆盖网络(I ON)[43]。I ON是专门用于深空的DT N包裹层协议的实现,包括一个链路模拟器,能面向实时操作系统环境展开应用和高效设计,其基本目标是解决行星际任务操作约束以保证容延迟网络可靠通信。为提高I ON的技术准备水平,NAS A在2008年秋季采用深度撞击航天器执行DT N实施了第一次深空飞行验证,称为深度撞击网络(DI2 NET)[44],如图4所示。DI NET项目的基本部件是试验操作中心(E OC),产生和接收试验通信流以及有关指令和控制流,在数据库中存储DT N飞行测试信息,提供给显示系统以监视DT N操作状态和统计(如包裹吞吐量等),支持收集数据的排队和分析。
5 关键技术问题
5.1 可靠性问题
当前的包裹层协议规范不能解决可靠性问题,在于它没有面向错误探测和拒收损坏的包裹载荷或包裹元数据的校验支持[45]。这意味着不能保证在每一跳接收的包裹信息是无错的或被长期安全存储的。错误探测这一基本网络概念在包裹层协议设计中被忽略,当前提出的解决方法是采用包裹层安全规范和使用可靠性密码而非安全性密码来提供安全性附带作用的可靠性检查。校验功能是DT N包裹层规范需要解决的核心问题。
5.2 拥塞控制问题
拥塞控制是互联网协议研究中的热点问题,但在DT N中的研究还很缺乏。不同于T CP,DT N协议不包括端到端确认机制,不能应用地面互联网拥塞控制的研究成果。DT N拥塞的根本问题是每个节点和包裹操作采用保管传输方式,网络存储资源受到挑战,因而其基本控制方法是反向通过网络传播缓存使用压力至包裹的上流节点以调整流量。未来的研究需要进行广泛的深空DT N实验,确认其他受限网络DT N拥塞控制研究成果并评估性能。
5.3 存储转发和保管传递策略
容延迟网络当前遵循“存储后转发(store2for2 ward)”的包裹传输方法。这种方法虽然适合于长延迟、中断连接链路,但从资源可利用的角度来说,可能
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成为快速端到端包裹传输的障碍。深空通信中,链路
连接性的提供是稀少且断续的,节点应当利用所有有
效的机会。“存储携带转发(store2carry2forward)”的思
想是:当前接收节点存储新来的包裹,在发现下一节
点可操作时,立即将已接收的包裹分段传输到下一
跳;另外,DT N异构区域网络环境中也包括相对短的
传播延迟区域,如近地(行星)轨道网络。在这种情况
下,如果原来链路错误,仍有可选的路径能够服务于
包裹传输。“存储后转发”不允许包裹分段或重分段
以及飞行中的自治路由。“存储携带转发”功能,可能
需要对包裹层协议进行修改。
图4 DI NET系统组成
Fig.4 DI NET system com ponents
5.4 路由问题
传统网络中的路由协议及算法的基本前提是:
在通信期间,源节点和目的节点之间存在一条相对
稳定的路径。DT N路由没有这种假定,成为地面无
线自组织类网络研究者最为关注的热点问题。不同
于具有相对稠密移动节点的地面ad hoc网络,深空
通信DT N节点是稀疏连接,采用的DT N路由策略将
是典型的确定性路由方案。深空DT N路由问题主
要有两类:一是在深空环境中,数据的传递必然经历
巨大的延时和间歇性的链路断开,如何在这种情况
下实现数据的有效多跳地传输,是一个全新的约束
条件;二是如何将DT N作为一整套的框架来标准
化,像IP协议一样使深空通信中所有异质和异构的
底层网络互连。
5.5 传输层问题
传输层不可能由链路层或应用层的功能来代
替:一方面,网络协议栈传输层和链路层之间的本质
区别是基于包的拥塞和流控制。星际主干网络的拥
塞控制问题可能仅是局部的,中间节点(路由器)上
缓冲空间占用的持续网络增长,无论如何引起的,不
可能靠直接的拥塞控制方法来解决。另一方面,
DT N中传输层经常和应用层协议相混淆。DT N可能
需要两种类型的“传输”协议:一种是在高层分级管
理DT N传输服务,甚至在DT N不能有效操作或缺乏
时代替DT N功能(如DTTP和LTP-T);另一种是处
理多跳的端到端传输。LTP或DS-TP可能是一个
自治传输服务的候选协议。深空通信传输层协议需
要解决超长距离下拥塞管理和端到端可靠传输两个
问题,值得DT N研究者的重点关注。
5.6 安全性问题
DT N体系结构的安全模型与传统的网络安全模
型有很大不同。DT N安全模型主要由四部分组成:
用户、DT N路由器、DT N区域网关和DT N证书认证。
DT N安全性机制尚未完善并缺乏评估,深空DT N安
全技术的主要问题有:包裹分段的交互和密码机制
的应用受限问题;密钥管理问题;DT N中逐跳安全机
制问题。
5.7 时间同步问题
在地面的许多DT N网络中,时间同步问题并不
突出。深空探测中,使用轨道预报信息协助路由计
749
第4期叶建设等:深空通信DT N应用研究
算以及延时指令的正确执行都需要有准确的时间基准,而路由协议也需要根据当前时间丢弃已经超过生存时间的信息。因此,DT N网络节点之间需要实现一定的时间同步。目前,DT N包裹层协议对时间同步的研究和评估还很缺乏,应用于深空通信,需要加强此问题的研究。
6 结束语
NAS A空间通信系统的发展目标是最终为整个太阳系的用户提供无处不在的端到端连接,形成“行星际互联网”。行星际互联网横跨整个可探测的宇宙空间,包括地面网、地球卫星网络、行星际主干网、行星卫星网络和行星表面网络等采用各种不同协议的子网,这些异构网络的“融合”为应用DT N提出了强烈需求。我国航天互联网的应用与发展,也同样面临着这些问题。
“嫦娥”探月工程标志着我国航天已迈向深空探测时代。探月工程的最终目标是实现载人登月,该工程及深空探测后续发展对测控通信系统在动态数据传输、多用户支持、综合业务传输、与地面系统的互操作、可扩展性和互支持性等方面提出了严峻挑战。航天互联网的应用研究,将为我国未来深空测控的可靠信息传输提出的挑战性难题提供有效解决途径。DT N网络是一种通用的、面向消息的、可靠的体系结构,用于连接高延迟、低数据传输率的网络模型,尤其适合于深空通信环境,有着很强的理论研究和应用价值。
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作者简介:叶建设(1974-),男,博士研究生,主要研究方向为深空通信网络、航天器测量与控制。
通信地址:北京市5131信箱6号(100094)
电话:(010)66361120
E2mail:jiansheye@https://www.doczj.com/doc/7a4749113.html,
R esearch on DTN for Deep Space Communications
YE Jian2she1,2,S ONG Shi2jie2,SHE N R ong2jun3
(1.Academy of Equipment C ommand T echnology,Beijing101416,China;2.Beijing Institute and T elecommunications
T echnology,Beijing100094,China;3.The G eneral Armament Department of P LA,Beijing100720,China)
Abstract:The Delay/Disruption T olerant Netw ork(DT N)architectures technique which can integrate s ome disparate deep-space environment netw orks by one new rig orous framew ork provides effective s olution for s ome im portant issues that face the deep space communications.S ome issues on future deep2space communication netw ork are studied,and the research developments on deepspace communications netw ork protocols are depicted.A fter deep research on DT N architectures,the application of DT N for deep space communication is introduced in detail.S ome critical problems of the application of DT N and prospects for application of future deep2space in our country are analyzed.
K ey w ords:Deep space communications;Delay/disruption tolerant netw ork;Protocol architectures 949
第4期叶建设等:深空通信DT N应用研究
《深空探测导论》学习报告 学院 学号 姓名
目录 一、深空探测的意义错误!未定义书签。 1、推动高新技术发展错误!未定义书签。 2、彰显国家综合实力错误!未定义书签。 3、促进经济社会发展错误!未定义书签。 4、寻找生命起源答案错误!未定义书签。 二、学习体会感悟错误!未定义书签。 三、化学与深空探测的联系错误!未定义书签。 四、中国深空探测畅想错误!未定义书签。 五、课程建议错误!未定义书签。
一、深空探测的意义 深空探测是在卫星应用和载人航天取得重大成就的基础上，向更广阔的太阳系空间进行的探索。通过深空探测，能帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状，进一步认识地球环境的形成和演变，认识空间现象和地球自然系统之间的关系。从现实和长远来看，对深空的探测和开发具有十分重要的科学和经济意义。 1、推动高新技术发展 深空探测是一项充满高新科技的探索活动，他要求有最好的金属及非金属材料、最先进的测控通信技术、最可靠高效的能源系统等等。因此可以说，一项项深空探测活动的开展，不断对先进科学技术提出更高的要求，同时也极大地促进了高新科学技术的发展进步。 比如，深空探测活动对遥感技术、测控通信技术提出了更高的要求。人类对于地球同步轨道（GEO）特别是近地轨道（LEO）上的航天活动，其测控通讯技术已完全适应，即已不存在技术难题。如上世纪后期建成并完善的天基测控通讯网即TDRSS，实现了对LEO上的航天器100%的测控通讯轨道覆盖率。但是，当人类将航天活动的范围扩展到月球、火星特别是冥王星以及太阳引力所能达到的奥尔特彗星云时，测控通信尚存在因距离变远损失剧增、低覆盖率等许多技术难点，而这些难题正是世界各国的航天专家们致力于解决的问题。由此而催生了大口径天线、大发射功率、信源无损压缩等新技术，带动了高科技的向前发展。 2、彰显国家综合实力 一个国家开展深空探测活动的能力和水平，反映了一个国家的综合国力。早在上世纪50年代末，苏美两家超级大国就开始实施深空探测任务。在60-70年代，美国向水星、金星、火星、木星和土星等先后发射了“水手”、“海盗”、“先驱者”和“旅行者”等4种型号数十个行星探测器，其中“旅行者-2”在对木星、土星进行探测后，还首次对天王星、海王星进行了探测。到1989年，美国利用“亚特兰蒂斯”号航天飞机成功释放了“麦哲伦”金星探测器和“伽利略”木星探测器，从而开始了第二轮深空探测计划。前苏联在1989年前的30年中，连续发射了“火星”、“金星”、“维加”和“福布斯”等型号几十颗各类行星探测器，且在1979-1989年这十年中可谓是一枝独秀，取得了辉煌的成就。 除此之外，欧盟、日本等国家或组织也正在积极开展深空探测相关活动。我国要保住航天大国的地位，就要积极参与月球与深空探测活动，制定宏伟的月球与深空探测的近期和长期计划。登月将会像当年两弹一星的成功一样，极大地激发中国人民的爱国热情，增强中华民族的自豪感和凝聚力，对我国的军事、政治、经济、文化产生深远的影响。 3、促进经济社会发展 深空探测活动不仅能揭示科学的奥秘，还可带动其他领域科学技术的发展，如人工智能、机器人、遥控作业、加工自动化、高超音速飞行、光学通信和高速数据处理、超高强度和耐高温材料、空间发电站、电能的微波传输、无污染飞行器以及空间生命科学等。据统计，美国在实施阿波罗计划所开发的新技术中，有4000项专利转化为生产力。深空探测、及其技术的二次开发应用，势必带动科学技术进步，促进工业发展，给国民经济带来巨大利益，对人类文明产生深远影响。4、寻找生命起源答案
ITU-R SA.1014-1建议书 载人和无人深空研究的通信要求 （1994-2006年）范围 本建议书简要描述了深空通信的基本特性。这些特性将影响或决定频段的划分、协调、共享和干扰保护。 国际电联无线电通信全会， 考虑到 a) 地球与深空空间站间的通信具有独特的需求； b) 这些要求会影响频段划分、共享、协调、干扰保护以及其它规则和频率管理问题， 建议 1 深空研究及其与其它业务间的相互关系应考虑附件1中对深空通信需求与特性的描述。 附件 1 载人和无人深空研究的通信要求 1 引言 本附件介绍了深空研究任务的某些特性，以及在以航天器为手段开展深空研究时对通信提出的功能与性能要求，此类任务所采用的技术方法和系统参数。 有关带宽特性和要求的考虑，请参见 ITU-R SA.1013建议书。
2 通信要求 深空任务要求在长时间和长距离的情况下确保高度可靠的无线电通信。例如收集有关海王星科学数据的航天器，将历时八年且要求在4.65 ? 109公里的距离上提供通信服务。由于深空研究所需无线电通信距离超长，因此地球站的等效全向輻射功率（e.i.r.p.）很高且接收机十分敏感。 目前持续使用的深空无线电通信频带是针对一批执行中的任务以及正在规划中的任务。由于许多太空任务耗时几年，且经常会同时执行若干项任务，因此在任何时候都需要相应地与几个航天器进行无线电通信。 此外，各项任务都有可能包括一个以上的航天器，因此有必要同时与几个空间站进行无线电通信。另外，可能还需要协调空间站与几个地球站同时进行无线电通信。 2.1 遥测要求 遥测用于从深空发射维护和科学数据。 为确保航天器的安全和任务的成功，必须确保在必要时能够接收到有关航天器状况的维护遥测数据。这便需要一条不受天气影响的、具备足够容量的通信链路。此项要求是确定深空研究优选频段的决定因素之一（见ITU-R SA.1012和ITU-R SA.1013建议书）。 科学遥测的内容包括发送航天器所载科学仪器收集的数据。对于特殊仪器与测量，所需数据速率和可接受的误码率可能大不相同。表1中包括了科学与维护遥测的典型数据传输速率范围。 表 1 太空研究所需的比特率
目录 一、引言 (2) 二、深空通讯技术的概念及发展 (3) 2.1、通讯技术的基本概念 (3) 2.2、深空中光通信系统的结构及原理 (4) 2.3、深空中光通讯的特点 (5) 三、深空光通讯中主要技术 (7) 3.1、光束准直及天线技术 (7) 3.2、高码率调制、高能量转换效率的发射技术 (8) 3.3、高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术 (9) 3.4、调制与编码技术 (9) 3.5、捕获、瞄准和跟踪技术(APT) (10) 3.6、深空光通讯中的其他技术 (11) 四、深空光通讯的发展趋势和给我们的启示 (12) 五、对未来深空光通信的展望 (13) 参考文献 (14)
一、引言 当前,世界上正兴起一个深空探测的热潮,主要的目的是开发和利用空间资源,发展空间技术,进行科学研究,探索太阳系和宇宙的起源,扩展人类的生存空间,为人类社会的长期可持续发展服务。我国以“嫦娥”探月工程为起点的深空探测也已经启动, 正逐步深入发展。深空探测是指对2 ×106 km以远的天体和空间进行的探测。在1988年以前,国际电信联盟( ITU)也曾将月球及月球以远的探测定义为深空探测,因此,目前这两种定义方法都在应用。实施探测的航天器称为深空探测器,对其测控通信的系统称为深空测控通信系统,它包括深空测控通信地面站和空间应答机两大部分。它的主要功能是:跟踪、遥测、指令控制和数传(TTC&DT) ,在深空探测器的整个飞行过程中,需要对其测控以保证其飞行轨道的准确,而在进入探测过程以后,需要传回探测信息。它是深空探测的唯一信息线,至关重要,与其它测控系统相比其重要性更加突出。不同于现有的地基测控系统、天基测控系统、遥感地面接收站和卫星通信站,深空测控通信系统有着自己的特点和特殊技术问题。由于通信的距离很远,所以与此相关的技术问题总是处于测控通信技术发展的最前沿。在建设深空测控系统以前,应对它的特点进行研究,比较它与现有系统的区别, 抓住它特殊的、主要技术问题,重点地开展研究工作。
深空通信技术的现状与发展 摘要：深空通信技术的保障对于深空探测的具有重要的意义。本文从深空通信的概念、特点及其关键技术三方面出发来对深空通信技术进行综述，并在最后对其发展趋势进行了展望。关键词：深空通信远距传输关键技术 1引言 人类的航天活动一般可分为卫星应用、载人航天和深空探测三大领域。我国在前两个领域已经取得令人瞩目成就的基础上开展深空探测活动，是航天技术发展的必然选择，也是人类进一步了解宇宙，了解太阳系，了解地球与生命的起源和演化，获取更多科学认识的必须手段[1]。 我国的第一颗探月卫星——“嫦娥”一号迈出了深空探测的第一步，成功抵达了38万公里外的月球；而之后我国搭乘俄罗斯“福布斯”号探测器的“萤火一号”火星探测器却出师未捷，宣告失败。事实上，前苏联在冷战时期曾多次向火星发射探测器，但几乎都以失败告终，这基本上都是其深空测控网的不完善造成的。 由此可见，深空通信技术对于深空探测是不可或缺的。在深空探测进程中，地面对探测器的所有指令信息、遥测遥控信息、跟踪导航信息、飞行姿态控制、轨道控制等信息及科学数据、图像、文件、声音等数据的传输，都要靠通信系统来完成和保障。从这个意义上讲，离开了深空通信，深空探测就无法进行[2]。 2深空通信概述 2.1深空通信的概念 按照国际电信联盟（ITU）对地球与宇宙飞行器之间通信的定义，这种通信被称为“宇宙无线电通信”，简称为“宇宙通信”、“空间通信”，依通信距离的不同，宇宙通信又分为近空通信和深空通信。 近空通信是指地球上的通信实体与在离地球距离小于2百万公里的空间中的地球轨道上的飞行器之间的通信。这些飞行器包括各种人造卫星、载人飞船、航天飞机等，飞行器飞行的高度从几百公里到几万公里不等。 深空通信是指地球上的通信实体与处于深空（离地球的距离等于或大于2百万公里的空间）的离开地球卫星轨道进入太阳系的飞行器之间的通信。深空通信最突出的特点是信号传输的距离极其遥远。例如，探测木星的“旅行者1号”航天探测器，从1977年发射，1979年到达木星，飞行航程达6.8×108公里。航天器要将采集到的信息发回地球，需要经过37.8分钟后才能到达地球[2]。 深空通信包括三种形式的通信：地球站与航天飞行器之间的通信；飞行器之间的通信；通过飞行器的转发或反射来进行的与地球站间的通信。当飞行器距地球太远时，由于信号太弱，可采用中继的方式来延长通信距离，由最远处的飞行器将信号传到较远处的飞行器进行转接，再将信号传到地球卫星上或直接传到地球站上。 2.2深空通信的历史 深空通信起源于美国20世纪中期对于太阳系内行星及其卫星的探测工程，主要伴随着美国对深空网（DSN）的建设而发展。
收稿日期：2011-10-24 基金项目：国家863计划项目资助 作者简介：吕春雷（1980-）,男，博士，讲师，主要从事激光通信方面的研究工作，E-mail:kevindlmu@https://www.doczj.com/doc/7a4749113.html, 。 长春理工大学学报（自然科学版） Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition ） 第35卷第1期2012年3月 Vol.35No.1Mar.2012 深空激光通信的研究现状及关键技术 吕春雷1，2，佟首峰1，姜会林1，张云峰2 （1.长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春 130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033） 摘 要：空间光通信因其体积小、质量轻、数据率高，已经得到世界各国的普遍重视，尤其是近地卫星光通信系统的在轨 实验的成功，使人们建立起用激光进行深空通信的信心，本文以国外两个典型的深空激光通信系统为依据，深入分析了深空激光通信系统的特点，提出了制约深空激光通信系统的关键技术，给出了未来深空激光通信技术的研究方向，为我国开展深空激光通信的研究提供参考。 关键词：深空激光通信；卫星光通信；月球激光通信系统；火星激光通讯演示验证系统中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1672-9870（2012）01-0001-05 Key Technology and Recent Advances of Deep-space Laser Communication LV Chunlei 1，2，TONG Shoufeng 1，JIANG Huilin 1，ZHANG Yuefeng 2 （1.Changchun University of Science and Technology ，Air-ground Caser Communication Techndogies Defense Key Laboratory of Fundameited ；Changchun 130022；2.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033） Abstract ：Free space optical （FSO ）communication has many advantages ，such as small volume ，little mass and high data rate.Many countries nowadays focus on the development of FSO communication techniques.Inter-satellite op-tical communication experimental success has built the confidence to deep-space optical communication techniques.The character of the deep space laser communication system is pointed out after in-depth analysis of two typical deep space laser communication systems.This article puts forward the key technology ，which restricts the development of deep-space laser communication ，and presents the future research direction.All these provide some reference to the study of laser communication. Key words ：deep-space laser communication ；satellite optical communication ；lunar laser communications demonstra-tion ；mars laser communications demonstration system 自1958年8月17日美国发射第一颗月球探测器以来，人类的深空探测活动已经持续了半个世纪。2007年10月25日，我国成功发射了第一颗月球探测卫星（嫦娥一号），卫星于8天后抵达月球轨道并传回了第一张月球照片，嫦娥一号卫星任务的成功标志着我国已迈入深空探测时代［1］。 深空通信是进行深空探测的基础和支撑，是人类与深空探测器联系的通道和纽带，在深空探测任 务中起着关键的作用。随着成像光谱仪、合成孔径雷达等高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率的探测仪器在深空探测中的广泛应用，出现了深空探测的海量数据传输需求。目前深空探测数据传输采用微波通信方式，火星和地球之间的最大通信速率仅能达到120kbps ，而激光通信具有通信速率高、信息容量大、体积小、功耗低等突出特点，恰恰能有效解决带宽瓶颈，因此国外竞相开展深空激
深空测控通信技术发展趋势分析 摘要为满足21世纪我国深空探测任务的需要,参考国外深空测控通信系统的先进技术。本文简述了深空探测的重要意义,深空探测对测控通信的挑战以及人类近30年来为解决矛盾而研究应用的各项措施和所达到的水平。提出了我们应当跟踪研究的深空测控通信领域的新体制、新技术和新设备。 关键词：航天技术深空探测测控通信 1 引言 月球和深空探测是载人航天工程之后中国航天战略的新举措,将成为21世纪中国航天事业发展的重要领域。由于深空任务时间周期较长,通信距离长、时延大,链路带宽窄,接收信号微弱等一系列原因,使得深空测控通信与地球轨道航天 器的测控通信相比差别很大,挑战更多,实现也更为困难。 为了解决深空任务的通信时延、测角以及连续观测等问题,目前国际上采取的措施有:通过加大深空站的天线口径,提高射频频段,降低接收系统噪声温度,采用先进的光通信技术、信道编译码技术和信源压缩技术等措施来克服巨大的距离损失;运用差分甚长基线干涉仪(ΔVLB I)技术来提供精确测角数据进行导航; 立足于全球布设陆基深空网,克服地球自旋影响,提供全天时连续观测。 2 正文 2.1 工作频段以X频段为主,并向Ka频段发展 自20世纪70年代以来, X频段技术已得到广泛使用,目前深空探测器的测控频率基本上采用X频段。Ka频段与X频段相比,同等条件下信噪比更高,可以提供的数据率更高。美国NASA将在2010年之前完成对深空网(DSN) 70m和34m设备的Ka频段升级。Ka频段已经在“卡西尼号”(Cassini)深空探测器上得到了应用。 欧空局在澳大利亚西部的珀斯附近新建的35m深空站已经具备Ka频段下行 接收能力,并且可以扩展上行Ka频段能力;正在西班牙马德里建造的第二个35m 深空站同时具备Ka频段上、下行能力。 2.2 天线组阵技术 所谓天线组阵就是利用分布的多个天线组成天线阵列,接收来自同一信号源
1.介绍 空间技术的发展使火星探测等深空科学任务成为了现实。未来的空间探测任务会需要在行星，月球，卫星，小行星，宇宙飞行器，和登陆车等之间进行通信。这些任务会产生大量的需要被传送到地球上的科学数据。同时，这些任务需要保证空间数据高速的传输，空间设施间互相配合，安全的运行和在各个空间区域中的无缝互操作。 为了实现科学考察数据的有效传输和可靠的导航通信，NASA提出了发展下一代空间互联网体系结构的几个显著的挑战。下阶段设计和实现的深空网络应该是深空星际网络的互联网，定义为星际互联网IPN(InterPlaNetary)。 星际互联网预想为可以提供科学考察数据的传输服务和未来深空探测任务的航天器与人造卫星的导航服务。很多未来的星际探测任务已经由国际空间组织如NASA和欧空局为未来10年进行了规划。这些任务的时间和和目的在表1中列出。像表1中描述的，所有这些未来空间任务都有一个共同的目标就是科学考察数据的获取和传输，也是如下描述的星际互联网的主要应用： ●时间不敏感的科考数据传输。星际互联网的主要目标就是实现空从地外行星和月 球收集大量科考数据空间中的实体间实现互相通信。 ●时间敏感的科考数据传输。这种类型的应用适用于将本地的大量的视频和音频数 据传输给地球，在轨机器人，甚至是在轨的宇航员。 ●任务状态遥测。任务，飞行器或登录器的状态和健康报告应该被传输到指挥中心 或其它结点上。这个应用需要一种周期性或事件驱动的不可靠的传输服务。 ●命令和控制。另一种星际互联网的重要应用是对在轨单元的命令和控制。闭环命 令和控制可以包括无线结点的直接或多跳通信，比如，地球基站控制在行星表面 漫游的探测器，或者接近的结点，比如在行星轨道上控制登录器。 很明显的是，人们期望星际互联网可以将目前的空间通信能力扩展到可以在陆地和空间之间通信。从空间任务中可以理解深空通信环境的独特的挑战。例如，目前NASA的深空网络（Deep Space Netwoek）的通信设施提供了重大的研究和实施经验，同时也建立了发展下一深空通信网也就是星际互联网的技术标准。从之前的空间任务得到经验加上未来空间任务通信的需求，NASA的火星探测通信设施目标是一个三段的实施策略。近期（2001-2010），中期（2010-2020）和远期（2020之后）。一些空间任务在实现火星探测通信设施的架设上担当关键角色。伴随NASA的火星探测任务，IPNSIG（InterPlanetary Internet Special Interest Group）希望在2005-2007年把火星作为第一个陆地互联网的真实的扩展。然而，深空通信网络还是存在重大挑战和独特的特性的，如下所述： ●极端长和可变的延时； ●非对称的前向和反向链路带宽； ●无线通信信道的高链路误码率； ●链路不持续连接； ●缺少固定的通信设施； ●行星际距离对信号强度和协议设计的影响； ●通信硬件的能量，重量，体积和造价以及协议设计的造价； ●由于发射和部署的高代价，而必须向前兼容。 这些特性导致了不同的研究的挑战，因此星际互联网的各个层次的设计都是不同的。尽管一些挑战在陆地无线网络领域中也会遇到，大部分的挑战还是在深空环境中独一无二的而且他们在将来还会访谈其它类似因素的影响。很多研究人员和国际研究组织目前整在致力与解决这些挑战并开发实现星际互联网的技术。这篇文章我们描述深空通信网络和星际互联网的结构和和通信协议和算法。我们的目标是提供在这个领域目前研究情况的更好的理解。
·信息光学课程论文· 关于卫星光通信技术发展现况综述 陈毅强 (哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001) 摘要光通信是人们经过多年探索并于近几年取得突破性进展的新技术。而卫星光通信更是一种崭新的空间通信手段。利用人造地球卫星作为中继站转发激光信号，可以实现在多个航天器之间以及航天器与地球站之间的通信。其传输速率高、可利用频带宽、安全性（可靠性）高、保密性强、终端设备体积小、质量轻、功耗低等优点吸引着各国专家锲而不舍地探索。本文介绍了卫星激光通信系统组成及其关键技术，之后介绍了影响卫星光通信系统性能的因素及对策，最后详细介绍了国内外卫星激光通信的研究现状及最新发展动态。 关键词卫星光通信星间通信系统对准跟踪发展现况 中图分类号O436 文献标识码 A On satellite optical communication technology development status overview yiqiang chen (Harbin Institute of Technology，Space Academy，Harbin，Heilongjiang 150001，China) Abstract Optical communication is that people after years of exploration and breakthroughs in recent years, new technology. The satellite optical communication is a brand new space communications means. The use of artificial earth satellites as a relay station forwards the laser signal can be achieved in a number of spacecraft, as well as between the spacecraft and the earth station communication. Its transmission rate is high, available bandwidth, security (reliability) high, confidentiality, terminal equipment, small size, light weight, low power consumption and persistently attracted national experts to explore. This paper describes the satellite laser communication system components and its key technology, and then introduces the impact of satellite optical communication system performance factors and countermeasures, the final details of the domestic and international satellite laser communications research status and recent developments. Keywords Satellite optical communication; Inter-satellite communication system; Alignment Tracking; Development Status 1 引言 在现在信息量高速增长的情况下, 人们对通信系统容量的要求也在高速增长, 而当前无线通信受到带宽和容量限制, 已经不能满足当前需要, 对图像信息的实时传递更是无能为力。随着激光的产生, 光波通信技术日益表现出适应这种通信需求的势头。卫星激光通信是一个较新的研究领域,美国欧洲、日本等国都对此极其关注, 并已进行了深入的研究, 这主要是因为用激光进行卫星间通信具有如下优点: 开辟了全新的通信频道使调制带宽可以显著增加、能把光功率集中在非常窄的光束中、器件的尺寸、重量、功耗都明显降低、各通信链路间的电磁干扰小、保密性强并且显著减少地面基站, 最少可只有一个地面站。 卫星激光通信包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信, 有GEO (geosynchronous earth orbit , GEO)- GEO,GEO- LEO ( low- earth orbit , LEO), LEO - LEO, LEO- 地面等多种形式, 同时还包括
浅谈深空探测GNC系统技术 摘要：本文从航天专业技术发展入手，针对未来航天器发展需求，在对照国外航天器控制系统的先进水平和国内现有技术差距的基础上，梳理出了一些支撑中国深空探测航天器制导、导航与控制未来发展的关键技术，对于关键部分做了解读，有助于进一步了解深空探测GNC系统技术。 关键词：深空探测GNC系统技术介绍 ABSTRACT:This article starts with the development of professional space. According to the requirements of the future development of the spacecraft, based on the gap between the control of foreign spacecraft control system and the existing domestic advanced level of technology, this article presents some key technologies which can support China deep space exploration spacecraft in guidance, navigation and control of future development. It will help you to further understand the deep space exploration technology in GNC system technology. KEY WORDS: deep space exploration, GNC system technology, introduction 深空探测指人类对月球及以远的天体或空间环境开展的探测活动，作为人类航天活动的重要方向和空间科学与技术创新的重要途径，是当前和未来航天领域的发展重点之一。[1]而在飞行器探测过程中，GNC（Guidance,Navigation and Control）系统技术承担着飞船从起飞到返回的全部运动控制任务。 美国国家科学研究委员会（NRC）认为，未来十年的空间探测体现出“持续增长的自主性和持续增长的复杂性”，对GNC的要求自然也水涨船高。美国空间探测有三大类目标，分为目标A、B、C。目标A是“拓展和维持超越近地轨道的人类活动”，目标B是“探索太阳系的进化和潜在的外星生命”，目标C是“扩展对地球和宇宙的理解”。在前两类中GNC均作为关键技术，并且“目标B”中GNC技术的优先级排在首位。 深空探测深空探测器相比地球卫星及飞船,其飞行距离远、运行时间长、环境未知