NASA空間通信與導航網路現狀及未來發展

美國的空間探測活動由美國國家航空航天局（NASA）的空間通信與導航（SCaN）網路提供通信導航支持。SCaN網路由三個網路組成：深空網（DSN）、空間網（SN）和近地網（NEN），用戶一般根據任務需求選擇一個或多個網路提供所需服務。

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SCaN網路發展階段

NASA通信與導航基礎設施網路架構發展包括獨立網路階段（2010年以前）、集成前網路階段（第一階段：2010－2015年）、集成網路階段（第二階段：2015－2020年）和集成後網路階段（第三階段：2020－2025年）。通過後三個階段的發展，NASA空間通信與導航服務設施逐漸由分離走向統一，形成集成SCaN網路，為整個太陽系內的空間飛行任務提供通信導航服務。在這一過程中，SCaN網路提供的服務和能力不斷發展變化，並從鬆散耦合網路配置向統一的集成網路轉型。

SCaN網路下一階段發展，將根據需要引入新技術滿足NASA長期探索及科學目標的需要，主要目標包括發展系統架構，實現系統採辦及運行成本大幅下降，同時提升SCaN網路的靈活性及可升級性，從而能對預算和用戶需求的變化迅速做出反應。

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SCaN網路現狀

空間網現狀及發展

根據NASA空間通信與導航計劃，空間網近期面臨的主要任務需求是月球探索需要的高速數傳和載人探索任務需要的可靠通信、高速率骨幹鏈路、近連續覆蓋以及對用戶任務的無縫支持。空間網近幾年的建設重點是：發射第三代衛星；對使用多年的地面系統進行更新和升級；進行未來天基中繼研究，以滿足未來航天保障需要。

（1）完成第三代跟蹤與數據中繼衛星系統構建

發射第三代數據中繼衛星（TDRS）是跟蹤與數據中繼衛星星座進行更新換代的主要內容。第三代衛星在第二代衛星的基礎上進行了改進升級：升級了星上遙控遙測鏈路的通信安全系統；採用新的S頻段多址天線技術；更換Ku/Ka頻段和S頻段用戶支持設備，Ka頻段數據率可達800 Mbit/s等。最後一顆衛星TDRS－M已於2017年8月發射升空，標誌著NASA實現了第三代跟蹤和數據中繼衛星群的構建。最新的TDRS衛星將擴大空間網路能力並延長使用壽命，使NASA能夠在未來十年內繼續接收和傳輸任務數據。

第三代TDRS衛星示意圖

（2）升級和改造地面系統

為了配合第三代跟蹤與數據中繼衛星的發射並解決地面系統陳舊問題，NASA近年來致力於空間網地面段增強計劃（SGSS），對地面系統進行升級改造，提供一個靈活、可擴展、可升級的地面系統，能夠使得空間網繼續安全、可靠以及經濟有效地運行。採用SGSS系統後，設備性能得到提高，質量和體積減小。

空間網地面段增強計劃旨在逐步升級現有空間網，在地面終端上更換過時的模擬地面硬體和數據系統，代之以數字化、現代化的地面段。該計劃將以更高的數據速率提高性能，並提供新的編碼/調製方案。

空間網地面段增強計劃已經於2014年實施，原計劃2017年進行驗收評審，但該計劃已經滯後預定時間。目前計劃2018年下半年進行TDRS下行鏈路測試及用戶返向鏈路測試，2019年進行TDRS上行鏈路及下行鏈路測試及用戶前向、返向及跟蹤測試。

（3）開發未來天基中繼體系和系統

隨著第一代衛星逐步退役，跟蹤與數據中繼衛星星座中的在軌衛星數會不斷減少。到2020年，跟蹤與數據中繼衛星星座中第一代衛星將全部退役，第二代衛星也超出使用壽命，屆時其性能將不足以滿足任務需求。為了滿足未來空間任務對空間網的需求，NASA近年來開始未來天基中繼（SBR）研究，確定支持其2020年以後航天任務需求的天基中繼通信與導航體系結構，主要包括2020年以後用戶服務需求、體系結構、可用技術和實施途徑等。天基中繼系統將在第三階段投入運行，補充/替換數據中繼衛星系統。新一代中繼衛星系統的初步部署時間為2025年。

深空網改造及進展

深空網是一個遍布全球的大型深空測控網，可為多個深空探測任務同時提供服務。深空網包括設在白石、堪培拉和馬德里的大約呈120°分布的三個地面站，確保深空任意衛星在任何時間能夠至少與一個地面站進行通信。由於其現有設備老化，大天線維護和運行費用過於昂貴，不能有效滿足未來任務對靈敏度和導航的需求等問題，NASA自2006年之後開始對其深空網測控設備實施大範圍升級和技術改造，提出了深空網孔徑增強項目（DAEP）。

深空網孔徑增強項目計划到2025年不再使用70m天線，用34m波束波導天線組陣替代所有70m天線。與70m天線相比，四個天線陣列易於維護並能提供相同或更好的性能。天線陣列將包括四個接收天線和一個34m發射天線。項目的第一步是在澳大利亞堪培拉增加兩個新一代34m波束波導天線，於2010年12月正式啟動，其中天線DSS－35已經於2014年9月建成並投入使用，天線DSS－36於2016年10月開始運行；到2025年，三個站點的70m天線都將退出服務。每個深空站均擁有五個34m波束波導天線，用34m波束波導天線組陣替代所有70m天線，每個深空站所有天線均具有X頻段上行發射能力，以及X、Ka頻段下行接收能力，滿足其未來深空任務探測需要。

深空網孔徑增強項目計劃（2025年）

近地網擴展及升級

為了支持下一代載人航天飛行，近地網開始重建並擴展其發射通信站（LCS）。2013年7月NASA近地網正式提出了發射通信站發展計劃，明確了與探索任務－1（EM－1）要求一致的現代化發射通信能力的定義、設計以及實現與測試計劃。預計2019－2020年，NASA的新型火箭「航天發射系統」（SLS）將執行EM－1任務進行首飛，測試創新概念。

近地網將利用包括NASA近地網和近地網商業地面系統等全球資源，為EM－1任務和未來立方體衛星探索任務提供高增益地面系統解決方案。NASA近地網正在考慮為現有近地網地面站增加X頻段上行鏈路能力，通過這項升級，地面站可以對EM－1任務和EM－2任務以及未來使用X頻段上行鏈路無線電的立方體衛星任務提供早期軌道階段以外的支持。

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SCaN網路的未來發展（略）

作者：顏潔 彭玉婷

來源：《國際太空》2018年第7期

「SCaN網路」獲取全文PDF

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