下一代廣播服務提供持續可用的全球信標服務

2015年，NASA戈達德航天飛行中心（GSFC）重振跟蹤與數據中繼衛星系統衛星服務增強（TASS）的開發。TASS利用現有跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS）向軌道1400千米及以下高度用戶提供S波段信標無線電導航和消息源，為全球導航衛星系統（GNSS）和TDRSS用戶提供覆蓋全球的空間通信與導航服務。TASS後更名為下一代廣播服務（NGBS）。

1 引言

地球範圍網路演進研究（ERNESt）提出了開發新的近地通信網路架構。這一新網路將放棄阿波羅飛船時代的載人航天飛行網路（MSFN）以及太空梭時代空間網（SN）定義的當前網路架構，遷移到能夠實現類似當前陸上無線網路的架構概念。空間網由TDRSS和相關地面站組成。

地球範圍網路演進研究構建的空間移動網（SMN）目標是創建2025年及以後的新一代近地空間通信導航體系結構，並於2040年左右開始使用。SMN提出了新的運行概念，即用戶發起服務（UIS），預期向航天飛行用戶提供類似地面智能手機服務的用戶體驗，特別是自動交付通信服務以及一直可用的導航定位能力。實現SMN效率取決於能否大幅減少當前確定性網路拓撲形成的集中式管理和全調度服務。SMN支持用戶發起、非集中式以及容延遲類型的非確定性網路拓撲。

圖1 用戶發起服務（UIS）

空間中繼信標服務是SMN通信導航能力的一個基本組成。持續可用的全球信標服務概念提供單向、非相干度量跟蹤結果以及相關輔助信息，加上星上自主導航，可向用戶提供一種初始及持續導航的手段，從而獲得SMN通信服務。

隨著空間網的發展，NASA已經找到了可行方案部署TDRSS提供的通信導航信標服務初始運行能力。由於空間網的能力已經擴大，TASS信標範圍和能力也隨之增長。現在TASS信標概念包括提供GPS兼容射電測量源、GPS全球差分校正、空間氣象信息、空間網星座健康、空間網星座星曆，其中最重要的是分配機會用戶前向指令。隨著TASS在範圍和能力上的顯著增長，其更名為下一代廣播服務（NGBS）。正在開發的NGBS演示使用多址前向鏈路信標信號設計，一方面提供持續可用的低速率前向數據服務和用戶發起服務（UIS）消息路徑，一方面為航天器導航提供無線電測量或光學測量，可大大提高星上導航的可靠性和精度，減少對集中地基定軌的需求，推進實現完全自主網路運行設想所必需的自主導航能力。

2 TDRSS發展

圖2 TDRSS星座

TDRSS最初設計開發於20世紀70年代，是為了支持航天器的通信與導航需求。TDRSS通過向低地球軌道用戶提供持續服務覆蓋，致力於解決之前地基跟蹤與數據網路的不足。TDRSS開展的業務包括由一個電子相控陣天線所提供的能力較弱的多址接入（MA）業務，以及由兩個5米可控天線提供的能力更強的單址接入（SA）業務。在TDRSS項目的早期，工程師認識到，可以操控TDRS多址有效載荷創建一個廣角波束，這一波束能提供可覆蓋全球的導航與通信信標。從20世紀80年代中期到今天，TDRSS提交信標服務的概念一直在進行間歇性研究和開發。

在過去幾十年中，TDRSS項目不斷發展。1995年之前建造並發射了7顆第一代衛星。2000、2001、2002年分別發射了3顆第二代衛星，第二代TDRSS提高了等效全向輻射功率（EIRP）以及品質因數G/T值，擴展了視場，增加了Ka波段單址接入業務。第三代最後一顆衛星TDRS-M已於2017年8月發射升空，標誌著NASA實現了第三代TDRSS衛星群的構建。

與TDRSS星座相呼應，NASA空間網地面段也進行了擴展。在最初的白沙地面終端站（WSGT）附近增加了白沙第二地面終端站（STGT）。並於1998年建成關島遠程地面終端站（GRGT），用於支持印度洋上空的TRDRS。另一個地面終端站布洛索姆地面站（Blossom Point）在2015年宣布投入運行。由於空間網處於三代TDRS共存的局面，增加了整個系統操作運行的複雜性。由於TDRSS地面段硬體和軟體維護越來越困難，NASA啟動了空間網地面增強（SGSS）項目。SGSS的任務是實現一個靈活的可擴展的地面段，讓TDRSS在保持高水平業務能力的同時能適應新的用戶和能力，並降低未來系統操作和維護的工作量。SGSS將採用先進技術，並重新設計當前地面段的體系結構和功能。新的SGSS地面系統預計2018年完成。

3 NGBS描述

NGBS提供獨特的信號和數據增強用戶運行能力，實現星上自主導航。NGBS服務包括：通過TDRSS S波段多址前向（MAF）業務實現全球覆蓋；無需預定的按需用戶指令；空間環境/天氣（電離層、Kp指數、警報、太陽耀斑效應/日冕物質拋射效應）；地球定向參數；TDRS星曆以及機動窗口；與GPS時間同步的PN測距碼進行時間傳遞、單向前向多普勒及測距；全球差分GPS校正；GPS完好性。

01

信號結構

NGBS將向用戶交付單向射電測量（多普勒及偽距）及前向數據傳輸服務。部分前向數據量分配給固定消息類型，而剩餘數據量可用於用戶前向指令數據。

通過S頻段載波上的擴頻CDMA信號格式實現前向多普勒及測距觀測。NGBS信號將位於2106.4±3MHz頻率，這一頻譜當前分配給空間網的多址前向（MAF）業務。給定重用的MAF頻譜，NGBS信號必須遵從空間網的授權廣播，不能干擾現有空間網運行。

NGBS信標包括同相和正交載波分量。每個載波分量通過一個單獨的位列進行BPSK調製。NGBS偽隨機（PN）碼來源於空間網路互操作偽隨機碼庫（SNIP）中描述的碼序列。

02

數據電文

相關NGBS數據電文類型以及其典型特性描述如下：

·前向指令：可臨時在特定地理空間位置或在特定時間發送指令。前向指令允許用戶對近實時警報或動態時間做出響應，調整或關聯科學觀測結果，或通知用戶平台需要呼叫SMN通信服務。與按需訪問（DA）返向服務相結合，用戶可在沒有調度服務負擔的情況下實現通信。

·TDRS星曆：NGBS提供的高精度中繼軌道消息可改進用戶軌道估計，為用戶天線指向提供一種確認中繼方向的手段，並改善高頻服務中繼指向誤差。

·地球定向參數：用戶需要地球定向參數（EOP）進行坐標系轉換。EOP更新頻率與用戶平台的導航解精度直接相關。

·總電子含量：總電子含量（TEC）允許用戶對參考信號穿越電離層引起的度越時間和頻率變化進行干擾校正。TEC為地球觀測科學設備提供信息。

·Kp地磁指數： NGBS包括3小時Kp指數及時更新以輔助實現確定性及預測性軌道估計。

·GPS差分校正：GPS差分校正實現多種應用的精確、實時導航，包括地球科學、編隊飛行以及大氣感測。

·GPS及TDRS完好性：網路上的完好性信息警告用戶注意可能影響導航性能的潛在降級測量結果。

·空間天氣：向在軌航天器分發廣泛應用的空間天氣警報，它們將採取行動保護航天員與敏感設備。警報包括事件類型、方向性、力度等。

應用NGBS電文提供的數據能增強用戶自主運行能力。分發定期請求的通用數據將減少聯繫調度網路的需求，可將更多網路時間專門用於科學數據回傳，提高了網路效率。NGBS電文還可改進星上導航的精確性和可靠性，大大減少或消除了對集中式地基定軌的需求。

03

按需服務

空間網當前提供一種按需返向數據傳輸服務，稱為按需訪問服務（DAS）。利用多址返向（MAR）業務地面波束形成技術，第一代和第三代TDRS可以使用DAS。DAS用戶可在任意時間發射信息，利用IP協議迅速向用戶任務運行中心（MOC）交付數據。DAS服務繞過了空間網運行通常需要提前幾周進行計划過程。NGBS用戶首次能夠在任意時間連接其衛星。NGBS將提供一種強大的任意時間/任意地點按需雙向數據傳輸服務能力。

4 NGBS架構

NGBS架構包括三個組成部分：地面段、空間段、用戶段。三部分協同一致將向LEO軌道NGBS用戶交付服務。近年來，為實現NGBS初始運行能力及完全運行能力，NASA一直在進行相關技術工作，並穩步推進NGBS架構的三個組成部分。

01

地面段

NGBS地面系統將依賴於SGSS架構提供的能力。SGSS對於空間網地面系統（SNGS）所做的重要變更在於：通過IP數字中頻信號分發網路替換模擬信號分發和傳輸。SGSS前端（FE）子系統通過主任務天線（MMA）進行整個650MHz TDRS星地（SGL）Ku波段下行鏈路的寬頻採樣。SGSS前端將採樣的650MHz星地下行鏈路頻譜數字信道化為多個TDRSS服務波段。在10GbE網路上進行數字化中頻信道組播，而數據機通過訂閱適當的數字中頻組播地址解調用戶數據。

圖3 傳統空間網地面系統

圖4 未來SGSS架構

在前向方向，SGSS前端將相當於S波段單址、多址和K波段單址前向服務信道的數字化中頻流數字化合成為完整的星地Ku波段上行鏈路頻譜。SGSS也將實現已構建到第二代和第三代TDRS衛星中但當前地面系統不支持的雙重多址前向（MAF）能力。通過在天線基座附近建立單一的數字到模擬轉換點以及精確時間基準，數字化中頻架構可極大地減少地面系統引起的延遲可變性，改進了前向測距性能。

NGBS部署將需要安裝硬體，為SGSS前端攝入、TDRS上行鏈路以及TDRS上MAF陣列進行廣播生成調製的數字中頻流。SGSS數字化承載平面只允許這些底架安裝在兩個位置，白沙第二地面站（STGT）和關島地面站（GRGT）。需要進行兩級數據處理來形成每個NGBS信標廣播的特定數據電文。

數據集成器（DI）系統將對數據進行初始處理。數據集成器將同必要數據源保持連接，對NGBS電文進行總裝。DI將處理引入的xml、ASCII碼文本或其他機器可讀的數據格式，並將其轉化為NGBS信標廣播的比特序列。DI也處理進入的用戶前向指令數據並將其放置於隊列中。DI將為每個NGBS信標提供前向指令電文隊列狀態。當前已實現先進先出（FIFO）隊列優化方案基線化，但是在最終系統中可能應用更為複雜的排隊方案。

通過基於站點時間基準向每幀添加必需時標和幀計數，電文格式化（MF）系統將進行生成最終比特序列所需的剩餘數據處理。MF將進行1/2碼率低密度奇偶校驗碼（LDPC）編碼並附加一個64位幀同步標誌。MF也將進行數據調製、擴頻調製，並最終生成發送到SGSS前端子系統進行MAF上行鏈路載波調製的數字化中頻。

02

空間段

為提供全球覆蓋，NGBS架構初始運行能力需要至少三個地球同步軌道信標。NGBS信標將通過第二代和第三代TDRS進行廣播。

TDRS星地天線接收由SGSS前端生成並由SGSS主任務天線發射的Ku波段星地前向上行鏈路數據。在TDRS中，多址前向（MAF）信道由有效載荷分割並下變頻到2106.4MHz多址前向中心頻率。第二代和第三代TDRS利用15陣元相控陣為用戶提供多址前向服務。該15陣元陣列功能上分為兩部分，一個7陣元陣列，一個8陣元陣列。多址前向信號送入ASIC網路，進行必需的相移和幅移，生成用戶方向的波束。在通過每個單獨的MA天線陣元發射之前，每個ASIC將移位MAF信號送到濾波器和放大器。運行時，TDRS配置為使用15個多址前向天線陣元中的12個。NGBS將衛星配置為4陣元，擴大多址前向波束並實現全球覆蓋。

03

用戶段

基本NGBS用戶段將包括一部集成GPS接收機、空間網兼容應答機、NGBS接收機以及一個擴展卡爾曼濾波器。

GPS接收機是NASA開發的一款名為「領航者」（Navigator）的GPS接收機。「領航者」包括一種已被證實的微弱信號跟蹤快速截獲能力，用於實現編隊飛行任務。目前正在開發GPS/TDRSS/NGBS聯合終端。「領航者」GPS接收機已經應用於SpaceCube2.0 硬體平台。

圖5 立方體衛星2.0工程單元中的「領航者」

增加S波段接收和發射RF前端可實現TDRSS兼容收發機以及NGBS接收機。雖然過去的研究開發項目例如低功率接收機（LPT）已經將GPS接收機和TDRSS收發機結合在一起，但是還沒有在商業上普遍使用。將TDRSS收發機和NGBS接收機添加到成功的技術成熟度9級（TRL9）GPS接收機項目將極大改善技術融合併促進商業化。

5 NGBS初始運行能力

隨著SGSS在2018年晚些時候完成以及TDRS-M（TDRS-13）在2017的發射和試運行，實現NGBS初始運行能力已成為可能。初始三信標NGBS服務將為1400公里以下高度用戶提供全球覆蓋。初始運行時，用戶終端可實現1024bps數據率。

NGBS的初始運行能力將提供具有重大意義的服務，同時在設計和運行提供持續空間信號服務方面為NASA提供重要經驗。目前仍需要進一步開發NGBS系統運行概念，追溯系統需求，並設計地面段和用戶段。NASA需要進一步研究，從而證明MAF服務可用性和可靠性對於整個空間網的潛在影響，並對NGBS初始運行能力使用運行中TDRS作出最終決定。實現和運行這一服務將向NASA提供不可估量的重要價值，並促進之後NGBS完全運行能力的設計。

6 NGBS完全運行能力

隨著空間通信和導航（SCaN）架構的演進，構成NGBS基礎的用戶和網路需求也會隨之發展。

NGBS以及當前空間網按需接入服務（DAS）的發展預期可提供高度可靠的、無所不在的物理鏈路，這一鏈路對於交付全面近地網路環境的控制平面必不可少。NGBS以及DAS將允許為網路提供商和用戶分髮狀態信息，允許自主服務請求、實現。為實現LEO用戶之外的SMN架構概念，NGBS服務空域將需要進行擴展。可利用以下三種策略實現更廣泛的NGBS服務空域。

首先，是為第四代TDRS設計特定的NGBS有效載荷。NASA已經在進行概念性設計和成本研究，確定預期部署於第四代TDRS的能力。NGBS信標將通過高功率放大器進行廣播，再加上一個或多個地面的賦形天線，將增益遷移到地球之外角度區域，而不是使用當前MAF有效載荷生成可覆蓋全球的廣角波束。

其次，是併入NGBS地基信標為高空目標提供服務。通過有需要時使用地基天線系統發射波束，拉格朗日、月球和月球共振軌道用戶將能不斷地或定期訪問NGBS信標。提供這樣的服務將在無需100%覆蓋給定高度的情況下擴展有效NGBS服務空域以及相關SMG概念。未來SCaN架構中，可能用一顆MEO衛星作為NGBS轉發器進一步增強NGBS服務覆蓋範圍，並提高用戶可用鏈路極限。

第三，NASA正在研究光學多址訪問（OMA）技術概念，作為空間網當前提供MAR服務的可能替代。這一技術也可應用於前向數據傳輸服務，實現光學頻率NGBS信標。

7 結語

雖然從TDRSS項目初始階段就已經存在部署信標服務的能力，但部署能增強用戶運行、導航和通信的全面服務僅僅在完成SGSS和發射TDRS-M之後才能實現。通過改進GNSS可靠性和精度同時為LEO航天器提供額外的多樣化射電測量信號，低風險的NGBS將增強太空中GNSS的使用。NGBS數據電文設計提供能夠提高用戶運行、導航和授時的重要數據。NGBS與空間網路DAS共同提供一種獨特的按需數據傳輸服務，實現類似於地面無線網路的用戶體驗。為實現初始運行能力，針對NGBS三個架構組成部分的工作已經啟動。由第四代TDRS、地基NGBS信標以及其他資源提供的NGBS全運行能力將提供一套具有擴展服務區覆蓋範圍的增強服務。

（顏潔 編譯）

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