衛(wèi)星向小型化發(fā)展是全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向之一。按照國際上普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)，小衛(wèi)星一般質(zhì)量在500kg以下，相比于大型航天器，具有研制時間短、開發(fā)/發(fā)射費用低、機動靈活、組網(wǎng)能力強等優(yōu)勢，再加上微型器部件、集成化綜合電子、易于標(biāo)準(zhǔn)化/模塊化的立方體衛(wèi)星、微小衛(wèi)星姿態(tài)確定和控制系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，小衛(wèi)星在政府和商業(yè)航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

（1）小衛(wèi)星在應(yīng)用中多采取分布式空間系統(tǒng)（DSS）的配置形式

單顆小衛(wèi)星由于物理尺寸小、攜帶的載荷尺寸/數(shù)量有限，因此功能有限；而多顆小衛(wèi)星協(xié)同工作則可以克服上述限制因素，提高利用率和擴大覆蓋區(qū)域。小衛(wèi)星生產(chǎn)成本較低有利于生產(chǎn)多顆同樣/改型的小衛(wèi)星，共同完成同一任務(wù)；或多顆小衛(wèi)星攜帶不同載荷完成不同任務(wù)。由多顆小衛(wèi)星構(gòu)成一個系統(tǒng)實現(xiàn)特定應(yīng)用還會因為系統(tǒng)冗余而降低系統(tǒng)總體風(fēng)險?？傊?，多顆小衛(wèi)星協(xié)作可以提升系統(tǒng)的適應(yīng)性、伸縮性、可重配置能力和經(jīng)濟效益。從近年來發(fā)射/計劃發(fā)射的小衛(wèi)星項目看，以多星應(yīng)用為主，采取分布式空間系統(tǒng)（DSS）的配置形式，如星座、星群、編隊飛行等，即兩顆或兩顆以上的小衛(wèi)星按一定要求分布在一種或多種軌道上，共同合作完成某些空間飛行任務(wù)（如觀測、通信、導(dǎo)航等），從而實現(xiàn)更大價值。

星座一般由位于不同軌道平面的相同衛(wèi)星組成，強調(diào)服務(wù)范圍覆蓋全球。分布在軌道上的各顆衛(wèi)星主要目的是增加對地面的覆蓋面積，或者縮短重訪時間。這些衛(wèi)星執(zhí)行相同功能，即使一顆或多顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍可運行。

星群中各顆衛(wèi)星的配置并不完全相同，實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)依靠一顆以上的衛(wèi)星，星群成員間通過無線連接共享衛(wèi)星資源。星群不一定需要編隊飛行，星群中的各顆衛(wèi)星也可松散地部署于軌道上，成員之間保證在彼此的通信范圍內(nèi)。

編隊飛行則由若干顆衛(wèi)星保持特定隊形飛行，各星相互協(xié)同工作，共同承擔(dān)信號處理、通信、有效載荷等工作，共同完成飛行任務(wù)。

（2）小衛(wèi)星星間通信組網(wǎng)技術(shù)成為分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

通信系統(tǒng)是小衛(wèi)星系統(tǒng)的基本組成部分，向地面?zhèn)魉洼d荷數(shù)據(jù)與遙測信息并接收地面指令。通信可以直接在星地間完成，也可通過一個或多個天基通信中繼完成。

隨著小衛(wèi)星星座、星群和編隊飛行任務(wù)的發(fā)展，星間信息交互成為必需，要求建立可靠的星間通信鏈路，將多顆小衛(wèi)星有效地互連到一起。小衛(wèi)星之間通過星間通信鏈路完成各種先進(jìn)功能，如分布式處理、衛(wèi)星服務(wù)或接近操作、自主運行等。利用星間通信鏈路，不再需要使用大量地基中繼系統(tǒng)和全球跟蹤系統(tǒng)，還可提供姿態(tài)控制，維持小衛(wèi)星間的相對距離。星間通信支持大容量高速率傳輸、實時數(shù)據(jù)交付，還能夠提供系統(tǒng)內(nèi)不同航天器間的絕對互操作性。星間通信通過交換姿態(tài)與位置信息實現(xiàn)導(dǎo)航與編隊控制并維持航天器間的時間同步。因此，星間通信組網(wǎng)已成為小衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)。如何建立可靠的小衛(wèi)星星間通信，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的實時、可靠、高效傳輸，成為一項迫切需要解決的核心問題。

2.1 星地通信仍以RF通信為主，正向更高頻段（X到Ka）發(fā)展

目前，小衛(wèi)星星地間通信仍以RF通信為主，VHF和UHF是應(yīng)用較為成熟的頻段，近年來正向更高頻段（X到Ka）發(fā)展。小衛(wèi)星尺寸小，電功率有限，影響了無線電及相關(guān)天線的數(shù)量、尺寸和類型。RF硬件的尺寸、質(zhì)量和功率取決于頻率。低頻電臺更小、功率更低，成本更低，更適于小衛(wèi)星；而高頻電臺一般更大、更重、功率更高，其主要優(yōu)勢則在于可用帶寬和數(shù)據(jù)率更高，可滿足更大量用戶/更復(fù)雜通信應(yīng)用的需求。

Ku、K和Ka波段通信已在大型衛(wèi)星尤其是星間通信中采用，但在小衛(wèi)星領(lǐng)域還仍然是新技術(shù)。目前業(yè)內(nèi)有些公司如Aquila Space、Micro Aerospace Solutions、NewSpace Systems、Tethers Unlimited等都在研發(fā)可在立方體衛(wèi)星上使用的Ka波段通信系統(tǒng)。

小衛(wèi)星地面通信站與衛(wèi)星交換數(shù)據(jù)，傳輸文本和圖像等數(shù)據(jù)。衛(wèi)星與地球站的通信現(xiàn)在多采用CDMA（碼分多址）技術(shù)。在功率受限和天線小的情況下，與FDMA（頻分多址）相比，CDMA 具有抗多徑、抗干擾、易切換和擴容等特點。小衛(wèi)星的高多普勒頻移給下行接收技術(shù)帶來了較大挑戰(zhàn)，全數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)和軟件無線電技術(shù)的應(yīng)用使小衛(wèi)星技術(shù)得到迅猛發(fā)展。

從所用天線技術(shù)看，大型航天器通常采用的截拋物面天線與小衛(wèi)星集成很困難。隨著小衛(wèi)星姿態(tài)確定與控制精度的提升，研發(fā)人員提出了新的方案，如可充氣式截拋物面天線。由于目前小衛(wèi)星大多運行于低地球軌道上，因此多采用鞭狀天線或片狀天線。這些天線定向性低，即便是當(dāng)航天器翻滾時，也能維持通信鏈路，這對缺乏精確指向控制的小衛(wèi)星而言是有利的。鞭狀天線一般用于VHF和UHF通信；片狀天線則一般用于UHF到S波段，正在探索用于立方體衛(wèi)星上的X波段及更高頻率天線陣列中。

2.2 星間通信：以小衛(wèi)星編隊/星群為背景的動態(tài)星間組網(wǎng)技術(shù)是研究熱點

小衛(wèi)星星間通信組網(wǎng)技術(shù)的研究，早期以星座組網(wǎng)應(yīng)用背景居多，技術(shù)已相對比較成熟。近年來由于小衛(wèi)星編隊和星群飛行應(yīng)用需求的迅速增加，以小衛(wèi)星編隊/星群為背景的技術(shù)研究成為了熱點。

隨著小衛(wèi)星編隊飛行/星群應(yīng)用的發(fā)展，開始在空間部署類似于傳感器網(wǎng)的小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。這類系統(tǒng)的星間通信主要目標(biāo)是實現(xiàn)自組織、自適應(yīng)、智能化的星間通信網(wǎng)絡(luò)，可動態(tài)適應(yīng)衛(wèi)星數(shù)量變化、編隊構(gòu)型變化。

小衛(wèi)編隊/星群星間通信的設(shè)計受到很多因素的限制，主要包括：

• 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌盒⌒l(wèi)星系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢允枪潭ǖ?，也可能是不斷變化的?/p>

• 數(shù)據(jù)傳輸頻率：分布式空間系統(tǒng)中衛(wèi)星間需要交換四類數(shù)據(jù)：科學(xué)數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、航天器健康/狀態(tài)數(shù)據(jù)、指揮/控制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)交換頻率取決于任務(wù)需求。

• 帶寬需求：執(zhí)行先進(jìn)功能的小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要高帶寬，很大程度上取決于任務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸頻率。

• 實時接入：將網(wǎng)絡(luò)延伸至空間需要在無人為干預(yù)的情況下自主傳送數(shù)據(jù)。有多種小衛(wèi)星應(yīng)用如衛(wèi)星服務(wù)和接近操作等，數(shù)據(jù)分組需要以最低延遲發(fā)送。衛(wèi)星需要實時接入此類應(yīng)用的通信信道。

• 每顆衛(wèi)星的處理能力：根據(jù)任務(wù)的不同，每顆小衛(wèi)星具有不同的處理能力。對于集中式系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的母衛(wèi)星相比子衛(wèi)星具有更高的處理能力。子衛(wèi)星可向母衛(wèi)星傳送原始數(shù)據(jù)，由其處理數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)量，執(zhí)行必要的糾錯并將其發(fā)回地面站。而對純分布式網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)內(nèi)每顆衛(wèi)星的處理能力相差不大。

• 可重配置與伸縮能力：小衛(wèi)星傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個重要需求是可重配置能力和伸縮能力。這些網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實現(xiàn)的應(yīng)用和協(xié)議應(yīng)檢查節(jié)點故障或新增加的節(jié)點，自我重配置以維持任務(wù)目標(biāo)。OSI各層的設(shè)計應(yīng)支持不同網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳椭鷮崿F(xiàn)高伸縮性。

• 連接性：空間環(huán)境挑戰(zhàn)和節(jié)點移動性造成低功率小衛(wèi)星會定期丟失彼此間的連接。極為需要這類連接時斷時續(xù)環(huán)境下的組網(wǎng)技術(shù)，因為許多地面協(xié)議并不適于這種環(huán)境。路由是需要克服的最大問題。

• 數(shù)據(jù)大小不同：根據(jù)任務(wù)應(yīng)用，數(shù)據(jù)大小從幾kb到幾Mb不等。協(xié)議的設(shè)計應(yīng)能夠適應(yīng)數(shù)據(jù)大小的變化。

基于通用性考慮，目前對小衛(wèi)星編隊/星群的星間通信體系結(jié)構(gòu)研究多集中在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。

（1）物理層：仍以射頻鏈路為主，天線設(shè)計是關(guān)鍵

國際電聯(lián)（ITU）已分配一些頻段用于星間通信，包括RF和光兩種介質(zhì)。由于激光鏈路波束捕獲、跟蹤很困難，特別是對于高速運動的低軌小衛(wèi)星編隊/星群，所以小衛(wèi)星動態(tài)組網(wǎng)目前仍主要采用射頻鏈路。從已發(fā)射和計劃發(fā)射的這類小衛(wèi)星任務(wù)看，以UHF和S波段為主。VHF到Ka波段均可用于星間通信，但小衛(wèi)星需具有足夠的功率支持高頻傳輸與接收。

衛(wèi)星間物理鏈路連通是組網(wǎng)傳輸?shù)幕A(chǔ)，其中天線設(shè)計是關(guān)鍵。目前提出的適用天線包括體積緊湊、結(jié)構(gòu)簡單的寬帶波束隔離天線和在波束控制能力和天線增益方面占優(yōu)勢的天線陣列。

由葡萄牙和巴西合作的GAMANET項目進(jìn)行了S波段星間鏈路實驗，該項目以創(chuàng)建空間大型Ad Hoc通信網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)。GAMANET空間段三軸穩(wěn)定衛(wèi)星和旋轉(zhuǎn)衛(wèi)星分別采用3個和6個天線用于星間鏈路。這一結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)星對星和星對地?zé)o線電射束控制衛(wèi)星表面上的多個天線。根據(jù)鏈路預(yù)算，使用3W發(fā)射功率衛(wèi)星間最遠(yuǎn)通信距離達(dá)到1000km。

射電天文用在軌低頻天線（OLFAR）項目中星間鏈路的天線設(shè)計受到很大關(guān)注。該項目使用的射電望遠(yuǎn)鏡由綜合孔徑干涉儀陣列組成，使用一群納衛(wèi)星實現(xiàn)，每顆衛(wèi)星攜帶一個天線陣元。由于衛(wèi)星的自由漂移，衛(wèi)星間的距離和方位隨時間不斷變化，因此任一方向上的星間鏈路都很難維持。

（2）鏈路層：MAC協(xié)議是研究重點，CCSDS鏈路協(xié)議有望發(fā)揮重要作用

鏈路層解決系統(tǒng)內(nèi)多顆小衛(wèi)星如何共享鏈路的問題，直接決定了星間通信組網(wǎng)的動態(tài)性、自組織、自適應(yīng)能力等關(guān)鍵性能。MAC協(xié)議在整個系統(tǒng)性能中扮演著關(guān)鍵角色，也是目前小衛(wèi)星星間通信研究的重點。

大量小衛(wèi)星可應(yīng)用地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)概念構(gòu)建衛(wèi)星傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成不同空間任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點應(yīng)遵循一定的規(guī)則或協(xié)議，使節(jié)點能公平地訪問信道，并能使信道得到高效利用。協(xié)議決定一定時間內(nèi)哪一節(jié)點可以訪問共享信道，避免節(jié)點間發(fā)生沖突。

MAC協(xié)議需要自動適應(yīng)伸縮性、適應(yīng)性、信道利用率、延遲、吞吐量和公平性等需求的變化。目前針對小衛(wèi)星系統(tǒng)星間通信正在進(jìn)行多種不同的多址方法研究，建議采用的協(xié)議如CSMA/CA/RTS/CTS、采用AX.25實現(xiàn)TCP/UDP、TDMA、半雙工CDMA、LDMA（CSMA/TDMA混合）、TDMA/FDMA混合、TDMA/CDMA混合等等，這些協(xié)議適用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳煌?，各有?yōu)缺點，如何選擇主要取決于任務(wù)目標(biāo)和整個系統(tǒng)中衛(wèi)星的數(shù)量。

目前，國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）針對空間飛行通信確立的鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)還未在小衛(wèi)星任務(wù)運行中廣泛應(yīng)用。這些標(biāo)準(zhǔn)大多針對深空任務(wù)應(yīng)用設(shè)計，適用于信號傳播延遲長的環(huán)境，與目前大多數(shù)小衛(wèi)星運行的低軌道環(huán)境極為不同。不過，隨著小衛(wèi)星深空科學(xué)與探索任務(wù)的逐漸發(fā)展，由于CCSDS鏈路協(xié)議如Proximity-1適用于行星軌道航天器，CCSDS標(biāo)準(zhǔn)有望在未來小衛(wèi)星通信中發(fā)揮重要作用。目前，針對CCSDS Proximity-1應(yīng)用于編隊小衛(wèi)星群星間通信鏈路和星間測距已有一定的探討，該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于編隊衛(wèi)星中，還需在物理層、鏈路層、安全抗干擾等方面進(jìn)行完善。

（3）網(wǎng)絡(luò)層：以路由研究為主，研究相對較少

網(wǎng)絡(luò)層主要解決多顆衛(wèi)星組成星間網(wǎng)絡(luò)的路由選擇問題，目前對于衛(wèi)星編隊/星群星間網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的研究還較少。但是，隨著小衛(wèi)星編隊/星群規(guī)模的增加，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和復(fù)雜度也隨之提升，設(shè)計合適的路由算法也成為必需。表1總結(jié)了目前提出的應(yīng)用于小衛(wèi)星的路由技術(shù)。

3.1 地球觀測、互聯(lián)網(wǎng)與移動數(shù)據(jù)應(yīng)用驅(qū)動新一代空間通信基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展

數(shù)據(jù)通信是未來小衛(wèi)星集群或星座面臨的一個很大挑戰(zhàn)。未來的小衛(wèi)星星座依靠大量小衛(wèi)星實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，這些星座對空間通信體系結(jié)構(gòu)造成了很大影響。地球觀測、互聯(lián)網(wǎng)與移動數(shù)據(jù)將是小衛(wèi)星應(yīng)用的重點。2016～2018年，地球觀測預(yù)計將占小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的73%。地球觀測包括成像、空間天氣等應(yīng)用，小衛(wèi)星攜帶的傳感器收集大量數(shù)據(jù)并必須將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至地球。

隨著智能手機數(shù)量激增和數(shù)據(jù)連接需求持續(xù)爆炸性增長，小衛(wèi)星應(yīng)用也瞄準(zhǔn)了移動數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)接入市場。SpaceX和Google公司已經(jīng)在部署低軌小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供全球?qū)拵Ц采w。OneWeb、LeoSat、O3b等公司均計劃建設(shè)小衛(wèi)星星座提供全球數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)?；ヂ?lián)網(wǎng)和移動數(shù)據(jù)（包括話音）一般需提供低延遲持續(xù)覆蓋，并維持Mbps數(shù)量級的數(shù)據(jù)率。

這些新興星座與集群的數(shù)據(jù)速率、延遲和覆蓋目標(biāo)已超出現(xiàn)有通信技術(shù)的能力，影響著新型通信體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計。下一代天基通信基礎(chǔ)設(shè)施必須滿足數(shù)據(jù)率、延遲與用戶數(shù)量的需求，還必須有實用的小衛(wèi)星用電臺與天線。

地球觀測應(yīng)用需要星上大數(shù)據(jù)存儲能力或是增加下行傳輸機會。下行鏈路機會較少的情況下可采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)通信體系，需要有大容量數(shù)據(jù)存儲（1Gb到10Tb以上）和高速率（可能從100Mbps到1Gbps）發(fā)射機能夠及時將數(shù)據(jù)下行傳送。這些硬件組件增加了航天器的尺寸、重量和功率需求。增加下行傳輸機會可以簡化航天器上的硬件，但會導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施成本升高。如果面向大量地面站傳輸，發(fā)射機技術(shù)一般繼承性高，風(fēng)險低，但安裝和維護(hù)地面站的成本會造成系統(tǒng)成本上升，在全球布站還會面臨復(fù)雜的政治和法規(guī)問題。另一增加傳輸機會的選擇是使用其他衛(wèi)星甚至是無人機作為通信中繼，衛(wèi)星中繼甚至可作為星座的一部分。

互聯(lián)網(wǎng)和移動數(shù)據(jù)應(yīng)用更具挑戰(zhàn)性，因為需要提供持續(xù)覆蓋，讓用戶獲得與使用智能手機類似的體驗。地面4G和LTE上行鏈路速度約1Mbps到5Mbps，下行速度約5至12Mbps。目前對小衛(wèi)星數(shù)據(jù)星座的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)公開信息尚不全面，但可獲得一些合理的推斷。OneWeb使用專業(yè)的、價格可承受的、自安裝的小型用戶終端。手機和WiFi設(shè)備與用戶終端通信，用戶終端再與衛(wèi)星通信。LeoSat未透露在無地面站干預(yù)的情況下如何實現(xiàn)點對點數(shù)據(jù)連接，無地面站意味著使用星間交叉鏈路和專業(yè)的端點終端。O3b衛(wèi)星使用專業(yè)的大型地面終端，地面終端與本地基礎(chǔ)設(shè)施相連。例如，O3b衛(wèi)星能作為蜂窩塔與移動核心網(wǎng)間的鏈路。對于數(shù)據(jù)服務(wù)星座，持續(xù)全球覆蓋需要有適當(dāng)?shù)臋C制確保衛(wèi)星過頂時，即用戶從一顆衛(wèi)星切換到另一衛(wèi)星時，用戶仍能獲得持續(xù)連接。新衛(wèi)星的采購、數(shù)據(jù)時間要求、小衛(wèi)星間的可能干擾，均增加了這一切換過程的復(fù)雜度。另外，還必須考慮到地面終端復(fù)雜性有限的問題。服務(wù)于大量用戶還需要有更先進(jìn)的多址方法。最近新部署的高通量衛(wèi)星（HTS）系統(tǒng)采用與地面蜂窩系統(tǒng)類似的空間與頻率分集方法，HTS平臺有多個點波束，相臨點波束頻率不同，但某一頻率可被非相鄰點波束重復(fù)使用。該技術(shù)將支持新興地球觀測和數(shù)據(jù)應(yīng)用。

3.2 創(chuàng)建Ad Hoc分布式小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

隨著小衛(wèi)星星群/星座概念的引入與測試，需要創(chuàng)建Ad Hoc分布式小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，這些小衛(wèi)星相互配合并作為一個整體發(fā)揮作用。在此概念內(nèi)，典型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)將由兩類航天器組成：

• 通信與計算衛(wèi)星：即通信與計算網(wǎng)絡(luò)Hub，提供計算能力并負(fù)責(zé)星對地數(shù)據(jù)傳輸，是整個網(wǎng)絡(luò)（星座/集群）的最終神經(jīng)中樞。負(fù)責(zé)從其他星座/星群節(jié)點接收數(shù)據(jù)，將匯總數(shù)據(jù)下傳至地面，并與不同軌道上的其他通信與計算衛(wèi)星交互，維護(hù)所有下屬的分布式傳感器衛(wèi)星。

• 分布式傳感器衛(wèi)星：Ad Hoc傳感器節(jié)點，基于其載荷執(zhí)行任務(wù)。這類衛(wèi)星平臺可以設(shè)計為攜帶任意類型的集成載荷，負(fù)責(zé)完成其載荷所能執(zhí)行的所有測量，將收集到的數(shù)據(jù)配置到廣播分組中并發(fā)送至通信與計算衛(wèi)星；與其他分布式傳感器衛(wèi)星交互，執(zhí)行基本的內(nèi)務(wù)處理活動。通常，分布式傳感器衛(wèi)星不與地面通信。

這樣，每一中央網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠從所有周邊節(jié)收集實時數(shù)據(jù)，允許針對一系列應(yīng)用（如天氣預(yù)報）同時進(jìn)行測量。

這一特定體系結(jié)構(gòu)帶來三種主要能力：

• 地面最終用戶立即更新；

• 高精度快速收集空間分散的數(shù)據(jù)測量結(jié)果；

• 許多不同空間任務(wù)都可利用ad hoc無線網(wǎng)絡(luò)。

NASA一直在EDSN/Nodes項目下演示小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，目前已成功演示了空間分布式小衛(wèi)星星群的協(xié)同運行及所需的相關(guān)關(guān)鍵通信技術(shù)。

3.3 利用軟件定義無線電（SDR）提升RF通信能力

改進(jìn)基于RF通信系統(tǒng)的一個趨勢是開發(fā)SDR。SDR靈活性高，支持使用多個頻段、多種濾波和調(diào)制模式，具有可重配置、可重編程能力，可以通過編程支持新的通信標(biāo)準(zhǔn)，也可通過從地面上傳新設(shè)置，修改在軌電臺特性，而無需更換硬件。隨著電子設(shè)備越做越小，所需功率越來越低，SDR可以做得越來越小，功效越來越高，因此對小衛(wèi)星極具吸引力。SDR可使小衛(wèi)星實現(xiàn)認(rèn)知與自適應(yīng)操作，多模式運行、無線電重配置和遠(yuǎn)程升級。尤其是在分布式空間系統(tǒng)中，SDR的靈活性支持使用更穩(wěn)健的多址方法，并使用一個硬件完成不同功能。而對于多普勒頻移高度動態(tài)變化的軌道間星間鏈路，SDR也可提供更穩(wěn)健的鏈路。

自2012年以來，NASA一直在國際空間站上運行空間通信導(dǎo)航測試床，目的之一便是推進(jìn)SDR技術(shù)成熟。SDR消耗的功率一般較高，而小衛(wèi)星功率有限。解決這一問題的方法是一個SDR單元作為多個電臺使用，通過在軌重編程工作于多個波長。另外，為了支持未來功能并靈活地針對不同任務(wù)改變配置，需要為SDR預(yù)留一定資源，這同樣增加了對小衛(wèi)星的尺寸、質(zhì)量和功率的要求。安全問題也是一個挑戰(zhàn)，例如，通過未經(jīng)授權(quán)甚至是惡意軟件對系統(tǒng)進(jìn)行非法篡改，使得無線電設(shè)備因超出硬件屬性范圍而引起設(shè)備損壞，或干擾其他無線用戶的正常通信。

目前業(yè)內(nèi)已推出了一些小衛(wèi)星使用的軟件定義電臺。Tethers Unlimited公司的 SWIFT-RelNav提供衛(wèi)星間的距離感知精度優(yōu)于10cm，星間交叉鏈路數(shù)據(jù)率達(dá)到12Mbps，誤差率10-6，授時/頻率同步優(yōu)于1納秒，能夠?qū)崿F(xiàn)10km內(nèi)的星間鏈路通信。NASA在交叉鏈路集成開發(fā)環(huán)境（CLIDE）項目中使用Spectrum SDR-3000，降低了衛(wèi)星星座成本，可實時提供關(guān)鍵的科學(xué)數(shù)據(jù)。這些星間直接鏈路支持網(wǎng)狀連接和Ad Hoc組網(wǎng)，因而可確保衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)能夠提供全球覆蓋。約翰·霍普金斯大學(xué)開發(fā)的Frontier系列電臺中的輕型Frontier電臺，工作于UHF到S波段，已成功用于Nodes立方體衛(wèi)星任務(wù)中的星間鏈路。

Frontier輕型電臺成功用于小衛(wèi)星星間鏈路

3.4 利用激光通信提供高速率通信

目前，受電功率有限、低增益天線以及可用無線電頻譜等因素的影響，通信系統(tǒng)仍是制約如地球觀測等產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的小衛(wèi)星應(yīng)用的一個因素。而激光通信則為此提供了解決方案。在光波段，利用物理尺寸很小的孔徑就可實現(xiàn)極高增益，相比于RF系統(tǒng)，激光波束更為集中，能大大提高航天器單位功率所能發(fā)射的信息量。星對地與星間衛(wèi)星交叉鏈路采用激光通信技術(shù)也不會受到與RF通信相同的干擾問題影響，而且光頻段還未得到充分利用。

激光通信目前已在一些較大航天器上（大于100kg）進(jìn)行了演示，如NASA月球大氣與塵埃環(huán)境探測器（LADEE）任務(wù)中的月球激光通信演示（LLCD），地球與月球之間可實現(xiàn)20Mbps上行鏈路和622Mbps下行鏈路，下行發(fā)射僅使用0.5W的功率。LLCD系統(tǒng)的質(zhì)量和功率分別約為32kg和137W。一些公司，包括TESAT和RUAG，也正在開發(fā)激光通信技術(shù)，實現(xiàn)衛(wèi)星與地面終端間的通信。星對地光通信，盡管已演示了高速率和遠(yuǎn)距離能力，但視距阻擋，如地形、建筑物甚至云的阻擋都會造成系統(tǒng)性能顯著下降。這一點有望通過地面站分集克服。

針對更小衛(wèi)星主要是立方體衛(wèi)星的星上激光通信已處于系統(tǒng)/子系統(tǒng)開發(fā)階段。Aerospace公司的光通信與傳感器演示（OCSD）任務(wù)，在NASA小衛(wèi)星技術(shù)項目的資助下，將解決NASA關(guān)心的兩項能力：高速光數(shù)據(jù)傳輸和低成本傳感器。主要目標(biāo)之一是演示立方體衛(wèi)星下行激光通信的可行性，預(yù)計速率達(dá)到200Mbps，是當(dāng)前先進(jìn)立方體衛(wèi)星通信系統(tǒng)的100倍。

小衛(wèi)星星間光通信正成為熱點研究課題。星間光通信不太容易受到星對地通信主要缺點（視距阻擋）的影響，但航天器光波束指向校準(zhǔn)是難點。美國麻省理工學(xué)院計劃在自由空間激光通信與輻射實驗（FLARE）任務(wù)中演示星間激光交叉鏈路，試驗范圍為200km。當(dāng)前設(shè)計包括85mm接收孔徑和基于商用現(xiàn)貨電信硬件的1550nm激光發(fā)射機。歐洲航天局（ESA）和Inmarsat共同資助的Inmarsat通信演進(jìn)（ICE）項目中，一項重要研究內(nèi)容是推進(jìn)高速星間光通信鏈路的發(fā)展，將采用瑞士RUAG公司的光技術(shù)。

FLARE原型設(shè)備通信鏈路演示

另一種技術(shù)就緒度還比較低的技術(shù)是非對稱激光通信。這種鏈路，激光硬件位于地球上（不需要星上信號載波），調(diào)制后向反射器（MRR）位于航天器上。MRR調(diào)制激光波束（用航天器數(shù)據(jù)對其進(jìn)行編碼），將其反射回地球。由于激光設(shè)備位于地球上，功率和空間受限制較小，航天器上的通信載荷僅需幾瓦的功率即可運行。美海軍太空與海上作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部（SPAWAR）正在開發(fā)這種技術(shù)，使用基于MEMS的MRR，而NASA Ames研究中心也在研發(fā)相似的能力，使用調(diào)制量子阱（MQW）設(shè)備作為MRR。

非對稱激光通信

在政府和商業(yè)市場需求牽引下，小衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)高速發(fā)展，應(yīng)用模式加速創(chuàng)新，在通信、地球觀測、深空探測和科學(xué)技術(shù)試驗領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。小衛(wèi)星應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到能執(zhí)行過去昂貴的大型衛(wèi)星才能完成甚至無法完成的任務(wù)。

星座/星群組網(wǎng)是小衛(wèi)星發(fā)揮效能的重要途徑。全球泛在的網(wǎng)絡(luò)接入、物聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)需求持續(xù)高漲，推動低軌通信小衛(wèi)星星座發(fā)展掀起熱潮，大量新提出的通信系統(tǒng)正處于設(shè)計和研制階段，其部署將推動下一代空間通信基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。

包括數(shù)十顆甚至上百顆的微小衛(wèi)星的星群項目也層出不窮，具有星間通信能力的小衛(wèi)星系統(tǒng)具有廣泛應(yīng)用需求，是分布式衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展與研究的主要方向。未來空間任務(wù)需要的分布式空間系統(tǒng)將由很多先進(jìn)的、智能的、價格低廉的空間小衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星彼此通信，有望提供無以倫比的通信和計算能力。而小衛(wèi)星系統(tǒng)系統(tǒng)在接收和發(fā)射端均受到限制，如，功率、質(zhì)量、天線尺寸、星上資源、計算能力、間歇性通信鏈路等。深入研究由小衛(wèi)星組成的自主異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的通信體系結(jié)構(gòu)仍有大量工作要做；尺寸和功率參數(shù)適應(yīng)小衛(wèi)星需求的高速率數(shù)據(jù)通信將是持久挑戰(zhàn)；對連續(xù)可用、持久覆蓋的追求將驅(qū)動星間通信能力進(jìn)一步發(fā)展。

另一個很重要的開放研究領(lǐng)域是RF干擾問題，小衛(wèi)星組網(wǎng)提供通信服務(wù)將加劇有限頻率資源的競爭，OneWeb宣稱已經(jīng)開發(fā)出一種新方式來避免電信頻率干擾。而成百上千顆小衛(wèi)星對于遙感的需求，也會加劇頻率短缺問題。