小衛星通信發展概述
衛星向小型化發展是全球衛星產業的主要發展方向之一。按照國際上普遍接受的標準，小衛星一般質量在500kg以下，相比於大型航天器，具有研製時間短、開發/發射費用低、機動靈活、組網能力強等優勢，再加上微型器部件、集成化綜合電子、易於標準化/模塊化的立方體衛星、微小衛星姿態確定和控制系統等技術的發展，小衛星在政府和商業航天領域的應用越來越廣泛。
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小衛星應用發展特點及通信需求
（1）小衛星在應用中多採取分散式空間系統（DSS）的配置形式
單顆小衛星由於物理尺寸小、攜帶的載荷尺寸/數量有限，因此功能有限；而多顆小衛星協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域。小衛星生產成本較低有利於生產多顆同樣/改型的小衛星，共同完成同一任務；或多顆小衛星攜帶不同載荷完成不同任務。由多顆小衛星構成一個系統實現特定應用還會因為系統冗餘而降低系統總體風險。總之，多顆小衛星協作可以提升系統的適應性、伸縮性、可重配置能力和經濟效益。從近年來發射/計劃發射的小衛星項目看，以多星應用為主，採取分散式空間系統（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（如觀測、通信、導航等），從而實現更大價值。
星座一般由位於不同軌道平面的相同衛星組成，強調服務範圍覆蓋全球。分布在軌道上的各顆衛星主要目的是增加對地面的覆蓋面積，或者縮短重訪時間。這些衛星執行相同功能，即使一顆或多顆衛星出現故障，系統仍可運行。
星群中各顆衛星的配置並不完全相同，實現任務目標依靠一顆以上的衛星，星群成員間通過無線連接共享衛星資源。星群不一定需要編隊飛行，星群中的各顆衛星也可鬆散地部署於軌道上，成員之間保證在彼此的通信範圍內。
編隊飛行則由若干顆衛星保持特定隊形飛行，各星相互協同工作，共同承擔信號處理、通信、有效載荷等工作，共同完成飛行任務。
（2）小衛星星間通信組網技術成為分散式小衛星系統的關鍵技術
通信系統是小衛星系統的基本組成部分，向地面傳送載荷數據與遙測信息並接收地面指令。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。
隨著小衛星星座、星群和編隊飛行任務的發展，星間信息交互成為必需，要求建立可靠的星間通信鏈路，將多顆小衛星有效地互連到一起。小衛星之間通過星間通信鏈路完成各種先進功能，如分散式處理、衛星服務或接近操作、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和全球跟蹤系統，還可提供姿態控制，維持小衛星間的相對距離。星間通信支持大容量高速率傳輸、實時數據交付，還能夠提供系統內不同航天器間的絕對互操作性。星間通信通過交換姿態與位置信息實現導航與編隊控制並維持航天器間的時間同步。因此，星間通信組網已成為小衛星通信的關鍵技術。如何建立可靠的小衛星星間通信，實現各類數據的實時、可靠、高效傳輸，成為一項迫切需要解決的核心問題。
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小衛星通信發展現況
2.1 星地通信仍以RF通信為主，正向更高頻段（X到Ka）發展
目前，小衛星星地間通信仍以RF通信為主，VHF和UHF是應用較為成熟的頻段，近年來正向更高頻段（X到Ka）發展。小衛星尺寸小，電功率有限，影響了無線電及相關天線的數量、尺寸和類型。RF硬體的尺寸、質量和功率取決於頻率。低頻電台更小、功率更低，成本更低，更適於小衛星；而高頻電台一般更大、更重、功率更高，其主要優勢則在於可用帶寬和數據率更高，可滿足更大量用戶/更複雜通信應用的需求。
Ku、K和Ka波段通信已在大型衛星尤其是星間通信中採用，但在小衛星領域還仍然是新技術。目前業內有些公司如Aquila Space、Micro Aerospace Solutions、NewSpace Systems、Tethers Unlimited等都在研發可在立方體衛星上使用的Ka波段通信系統。
小衛星地面通信站與衛星交換數據，傳輸文本和圖像等數據。衛星與地球站的通信現在多採用CDMA（碼分多址）技術。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。小衛星的高多普勒頻移給下行接收技術帶來了較大挑戰，全數字調製解調技術和軟體無線電技術的應用使小衛星技術得到迅猛發展。
從所用天線技術看，大型航天器通常採用的截拋物面天線與小衛星集成很困難。隨著小衛星姿態確定與控制精度的提升，研發人員提出了新的方案，如可充氣式截拋物面天線。由於目前小衛星大多運行於低地球軌道上，因此多採用鞭狀天線或片狀天線。這些天線定向性低，即便是當航天器翻滾時，也能維持通信鏈路，這對缺乏精確指向控制的小衛星而言是有利的。鞭狀天線一般用於VHF和UHF通信；片狀天線則一般用於UHF到S波段，正在探索用於立方體衛星上的X波段及更高頻率天線陣列中。
2.2 星間通信：以小衛星編隊/星群為背景的動態星間組網技術是研究熱點
小衛星星間通信組網技術的研究，早期以星座組網應用背景居多，技術已相對比較成熟。近年來由於小衛星編隊和星群飛行應用需求的迅速增加，以小衛星編隊/星群為背景的技術研究成為了熱點。
隨著小衛星編隊飛行/星群應用的發展，開始在空間部署類似於感測器網的小衛星網路。這類系統的星間通信主要目標是實現自組織、自適應、智能化的星間通信網路，可動態適應衛星數量變化、編隊構型變化。
小衛編隊/星群星間通信的設計受到很多因素的限制，主要包括：
網路拓撲：小衛星系統中，網路拓撲可以是固定的，也可能是不斷變化的。
數據傳輸頻率：分散式空間系統中衛星間需要交換四類數據：科學數據、導航數據、航天器健康/狀態數據、指揮/控制數據。數據交換頻率取決於任務需求。
帶寬需求：執行先進功能的小衛星網路需要高帶寬，很大程度上取決於任務和數據傳輸頻率。
實時接入：將網路延伸至空間需要在無人為干預的情況下自主傳送數據。有多種小衛星應用如衛星服務和接近操作等，數據分組需要以最低延遲發送。衛星需要實時接入此類應用的通信信道。
每顆衛星的處理能力：根據任務的不同，每顆小衛星具有不同的處理能力。對於集中式系統，系統內的母衛星相比子衛星具有更高的處理能力。子衛星可向母衛星傳送原始數據，由其處理數據，降低數據量，執行必要的糾錯並將其發回地面站。而對純分散式網路，系統內每顆衛星的處理能力相差不大。
可重配置與伸縮能力：小衛星感測器網路的兩個重要需求是可重配置能力和伸縮能力。這些網路內實現的應用和協議應檢查節點故障或新增加的節點，自我重配置以維持任務目標。OSI各層的設計應支持不同網路體系結構，控制網路拓撲並幫助實現高伸縮性。
連接性：空間環境挑戰和節點移動性造成低功率小衛星會定期丟失彼此間的連接。極為需要這類連接時斷時續環境下的組網技術，因為許多地面協議並不適於這種環境。路由是需要克服的最大問題。
數據大小不同：根據任務應用，數據大小從幾kb到幾Mb不等。協議的設計應能夠適應數據大小的變化。
基於通用性考慮，目前對小衛星編隊/星群的星間通信體系結構研究多集中在物理層、數據鏈路層和網路層。
（1）物理層：仍以射頻鏈路為主，天線設計是關鍵
國際電聯（ITU）已分配一些頻段用於星間通信，包括RF和光兩種介質。由於激光鏈路波束捕獲、跟蹤很困難，特別是對於高速運動的低軌小衛星編隊/星群，所以小衛星動態組網目前仍主要採用射頻鏈路。從已發射和計劃發射的這類小衛星任務看，以UHF和S波段為主。VHF到Ka波段均可用於星間通信，但小衛星需具有足夠的功率支持高頻傳輸與接收。
衛星間物理鏈路連通是組網傳輸的基礎，其中天線設計是關鍵。目前提出的適用天線包括體積緊湊、結構簡單的寬頻波束隔離天線和在波束控制能力和天線增益方面佔優勢的天線陣列。
由葡萄牙和巴西合作的GAMANET項目進行了S波段星間鏈路實驗，該項目以創建空間大型Ad Hoc通信網路為目標。GAMANET空間段三軸穩定衛星和旋轉衛星分別採用3個和6個天線用於星間鏈路。這一結構能夠根據星對星和星對地無線電射束控制衛星表面上的多個天線。根據鏈路預算，使用3W發射功率衛星間最遠通信距離達到1000km。
射電天文用在軌低頻天線（OLFAR）項目中星間鏈路的天線設計受到很大關注。該項目使用的射電望遠鏡由綜合孔徑干涉儀陣列組成，使用一群納衛星實現，每顆衛星攜帶一個天線陣元。由於衛星的自由漂移，衛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協議是研究重點，CCSDS鏈路協議有望發揮重要作用
鏈路層解決系統內多顆小衛星如何共享鏈路的問題，直接決定了星間通信組網的動態性、自組織、自適應能力等關鍵性能。MAC協議在整個系統性能中扮演著關鍵角色，也是目前小衛星星間通信研究的重點。
大量小衛星可應用地面感測器網路概念構建衛星感測器網路，完成不同空間任務。網路內的節點應遵循一定的規則或協議，使節點能公平地訪問信道，並能使信道得到高效利用。協議決定一定時間內哪一節點可以訪問共享信道，避免節點間發生衝突。
MAC協議需要自動適應伸縮性、適應性、信道利用率、延遲、吞吐量和公平性等需求的變化。目前針對小衛星系統星間通信正在進行多種不同的多址方法研究，建議採用的協議如CSMA/CA/RTS/CTS、採用AX.25實現TCP/UDP、TDMA、半雙工CDMA、LDMA（CSMA/TDMA混合）、TDMA/FDMA混合、TDMA/CDMA混合等等，這些協議適用的網路拓撲不同，各有優缺點，如何選擇主要取決於任務目標和整個系統中衛星的數量。
目前，國際空間數據系統諮詢委員會（CCSDS）針對空間飛行通信確立的鏈路協議標準還未在小衛星任務運行中廣泛應用。這些標準大多針對深空任務應用設計，適用於信號傳播延遲長的環境，與目前大多數小衛星運行的低軌道環境極為不同。不過，隨著小衛星深空科學與探索任務的逐漸發展，由於CCSDS鏈路協議如Proximity-1適用於行星軌道航天器，CCSDS標準有望在未來小衛星通信中發揮重要作用。目前，針對CCSDS Proximity-1應用於編隊小衛星群星間通信鏈路和星間測距已有一定的探討，該協議標準應用於編隊衛星中，還需在物理層、鏈路層、安全抗干擾等方面進行完善。
（3）網路層：以路由研究為主，研究相對較少
網路層主要解決多顆衛星組成星間網路的路由選擇問題，目前對於衛星編隊/星群星間網路路由技術的研究還較少。但是，隨著小衛星編隊/星群規模的增加，網路的規模和複雜度也隨之提升，設計合適的路由演算法也成為必需。表1總結了目前提出的應用於小衛星的路由技術。
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小衛星通信發展趨勢分析
3.1 地球觀測、互聯網與移動數據應用驅動新一代空間通信基礎設施發展
數據通信是未來小衛星集群或星座面臨的一個很大挑戰。未來的小衛星星座依靠大量小衛星實現任務目標，這些星座對空間通信體系結構造成了很大影響。地球觀測、互聯網與移動數據將是小衛星應用的重點。2016～2018年，地球觀測預計將佔小衛星產業應用的73%。地球觀測包括成像、空間天氣等應用，小衛星攜帶的感測器收集大量數據並必須將這些數據發送至地球。
隨著智能手機數量激增和數據連接需求持續爆炸性增長，小衛星應用也瞄準了移動數據和數據接入市場。SpaceX和Google公司已經在部署低軌小衛星網路提供全球寬頻覆蓋。OneWeb、LeoSat、O3b等公司均計劃建設小衛星星座提供全球數據和互聯網服務。互聯網和移動數據（包括話音）一般需提供低延遲持續覆蓋，並維持Mbps數量級的數據率。
這些新興星座與集群的數據速率、延遲和覆蓋目標已超出現有通信技術的能力，影響著新型通信體系結構的設計。下一代天基通信基礎設施必須滿足數據率、延遲與用戶數量的需求，還必須有實用的小衛星用電台與天線。
地球觀測應用需要星上大數據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採用存儲轉發通信體系，需要有大容量數據存儲（1Gb到10Tb以上）和高速率（可能從100Mbps到1Gbps）發射機能夠及時將數據下行傳送。這些硬體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體，但會導致基礎設施成本升高。如果面向大量地面站傳輸，發射機技術一般繼承性高，風險低，但安裝和維護地面站的成本會造成系統成本上升，在全球布站還會面臨複雜的政治和法規問題。另一增加傳輸機會的選擇是使用其他衛星甚至是無人機作為通信中繼，衛星中繼甚至可作為星座的一部分。
互聯網和移動數據應用更具挑戰性，因為需要提供持續覆蓋，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。目前對小衛星數據星座的網路體系結構公開信息尚不全面，但可獲得一些合理的推斷。OneWeb使用專業的、價格可承受的、自安裝的小型用戶終端。手機和WiFi設備與用戶終端通信，用戶終端再與衛星通信。LeoSat未透露在無地面站干預的情況下如何實現點對點數據連接，無地面站意味著使用星間交叉鏈路和專業的端點終端。O3b衛星使用專業的大型地面終端，地面終端與本地基礎設施相連。例如，O3b衛星能作為蜂窩塔與移動核心網間的鏈路。對於數據服務星座，持續全球覆蓋需要有適當的機制確保衛星過頂時，即用戶從一顆衛星切換到另一衛星時，用戶仍能獲得持續連接。新衛星的採購、數據時間要求、小衛星間的可能干擾，均增加了這一切換過程的複雜度。另外，還必須考慮到地面終端複雜性有限的問題。服務於大量用戶還需要有更先進的多址方法。最近新部署的高通量衛星（HTS）系統採用與地面蜂窩系統類似的空間與頻率分集方法，HTS平台有多個點波束，相臨點波束頻率不同，但某一頻率可被非相鄰點波束重複使用。該技術將支持新興地球觀測和數據應用。
隨著小衛星星群/星座概念的引入與測試，需要創建Ad Hoc分散式小衛星網路，這些小衛星相互配合併作為一個整體發揮作用。在此概念內，典型的網路體系結構將由兩類航天器組成：
通信與計算衛星：即通信與計算網路Hub，提供計算能力並負責星對地數據傳輸，是整個網路（星座/集群）的最終神經中樞。負責從其他星座/星群節點接收數據，將匯總數據下傳至地面，並與不同軌道上的其他通信與計算衛星交互，維護所有下屬的分散式感測器衛星。
分散式感測器衛星：Ad Hoc感測器節點，基於其載荷執行任務。這類衛星平台可以設計為攜帶任意類型的集成載荷，負責完成其載荷所能執行的所有測量，將收集到的數據配置到廣播分組中並發送至通信與計算衛星；與其他分散式感測器衛星交互，執行基本的內務處理活動。通常，分散式感測器衛星不與地面通信。
這樣，每一中央網路節點能夠從所有周邊節收集實時數據，允許針對一系列應用（如天氣預報）同時進行測量。
這一特定體系結構帶來三種主要能力：
地面最終用戶立即更新；
高精度快速收集空間分散的數據測量結果；
許多不同空間任務都可利用ad hoc無線網路。
NASA一直在EDSN/Nodes項目下演示小衛星網路，目前已成功演示了空間分散式小衛星星群的協同運行及所需的相關關鍵通信技術。
3.3 利用軟體定義無線電（SDR）提升RF通信能力
改進基於RF通信系統的一個趨勢是開發SDR。SDR靈活性高，支持使用多個頻段、多種濾波和調製模式，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準，也可通過從地面上傳新設置，修改在軌電台特性，而無需更換硬體。隨著電子設備越做越小，所需功率越來越低，SDR可以做得越來越小，功效越來越高，因此對小衛星極具吸引力。SDR可使小衛星實現認知與自適應操作，多模式運行、無線電重配置和遠程升級。尤其是在分散式空間系統中，SDR的靈活性支持使用更穩健的多址方法，並使用一個硬體完成不同功能。而對於多普勒頻移高度動態變化的軌道間星間鏈路，SDR也可提供更穩健的鏈路。
自2012年以來，NASA一直在國際空間站上運行空間通信導航測試床，目的之一便是推進SDR技術成熟。SDR消耗的功率一般較高，而小衛星功率有限。解決這一問題的方法是一個SDR單元作為多個電台使用，通過在軌重編程工作於多個波長。另外，為了支持未來功能並靈活地針對不同任務改變配置，需要為SDR預留一定資源，這同樣增加了對小衛星的尺寸、質量和功率的要求。安全問題也是一個挑戰，例如，通過未經授權甚至是惡意軟體對系統進行非法篡改，使得無線電設備因超出硬體屬性範圍而引起設備損壞，或干擾其他無線用戶的正常通信。
目前業內已推出了一些小衛星使用的軟體定義電台。Tethers Unlimited公司的 SWIFT-RelNav提供衛星間的距離感知精度優於10cm，星間交叉鏈路數據率達到12Mbps，誤差率10-6，授時/頻率同步優於1納秒，能夠實現10km內的星間鏈路通信。NASA在交叉鏈路集成開發環境（CLIDE）項目中使用Spectrum SDR-3000，降低了衛星星座成本，可實時提供關鍵的科學數據。這些星間直接鏈路支持網狀連接和Ad Hoc組網，因而可確保衛星通信網路能夠提供全球覆蓋。約翰?霍普金斯大學開發的Frontier系列電台中的輕型Frontier電台，工作於UHF到S波段，已成功用於Nodes立方體衛星任務中的星間鏈路。
Frontier輕型電台成功用於小衛星星間鏈路
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，通信系統仍是制約如地球觀測等產生大量數據的小衛星應用的一個因素。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極高增益，相比於RF系統，激光波束更為集中，能大大提高航天器單位功率所能發射的信息量。星對地與星間衛星交叉鏈路採用激光通信技術也不會受到與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（大於100kg）進行了演示，如NASA月球大氣與塵埃環境探測器（LADEE）任務中的月球激光通信演示（LLCD），地球與月球之間可實現20Mbps上行鏈路和622Mbps下行鏈路，下行發射僅使用0.5W的功率。LLCD系統的質量和功率分別約為32kg和137W。一些公司，包括TESAT和RUAG，也正在開發激光通信技術，實現衛星與地面終端間的通信。星對地光通信，儘管已演示了高速率和遠距離能力，但視距阻擋，如地形、建築物甚至雲的阻擋都會造成系統性能顯著下降。這一點有望通過地面站分集克服。
針對更小衛星主要是立方體衛星的星上激光通信已處於系統/子系統開發階段。Aerospace公司的光通信與感測器演示（OCSD）任務，在NASA小衛星技術項目的資助下，將解決NASA關心的兩項能力：高速光數據傳輸和低成本感測器。主要目標之一是演示立方體衛星下行激光通信的可行性，預計速率達到200Mbps，是當前先進立方體衛星通信系統的100倍。
小衛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是難點。美國麻省理工學院計劃在自由空間激光通信與輻射實驗（FLARE）任務中演示星間激光交叉鏈路，試驗範圍為200km。當前設計包括85mm接收孔徑和基於商用現貨電信硬體的1550nm激光發射機。歐洲航天局（ESA）和Inmarsat共同資助的Inmarsat通信演進（ICE）項目中，一項重要研究內容是推進高速星間光通信鏈路的發展，將採用瑞士RUAG公司的光技術。
FLARE原型設備通信鏈路演示
另一種技術就緒度還比較低的技術是非對稱激光通信。這種鏈路，激光硬體位於地球上（不需要星上信號載波），調製後向反射器（MRR）位於航天器上。MRR調製激光波束（用航天器數據對其進行編碼），將其反射回地球。由於激光設備位於地球上，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系統司令部（SPAWAR）正在開發這種技術，使用基於MEMS的MRR，而NASA Ames研究中心也在研發相似的能力，使用調製量子阱（MQW）設備作為MRR。
非對稱激光通信
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結語
在政府和商業市場需求牽引下，小衛星系統技術高速發展，應用模式加速創新，在通信、地球觀測、深空探測和科學技術試驗領域具有巨大應用潛力。小衛星應用已經發展到能執行過去昂貴的大型衛星才能完成甚至無法完成的任務。
星座/星群組網是小衛星發揮效能的重要途徑。全球泛在的網路接入、物聯網連接服務需求持續高漲，推動低軌通信小衛星星座發展掀起熱潮，大量新提出的通信系統正處於設計和研製階段，其部署將推動下一代空間通信基礎設施的發展。
包括數十顆甚至上百顆的微小衛星的星群項目也層出不窮，具有星間通信能力的小衛星系統具有廣泛應用需求，是分散式衛星系統發展與研究的主要方向。未來空間任務需要的分散式空間系統將由很多先進的、智能的、價格低廉的空間小衛星組成，這些衛星彼此通信，有望提供無以倫比的通信和計算能力。而小衛星系統系統在接收和發射端均受到限制，如，功率、質量、天線尺寸、星上資源、計算能力、間歇性通信鏈路等。深入研究由小衛星組成的自主異構網路的通信體系結構仍有大量工作要做；尺寸和功率參數適應小衛星需求的高速率數據通信將是持久挑戰；對連續可用、持久覆蓋的追求將驅動星間通信能力進一步發展。
另一個很重要的開放研究領域是RF干擾問題，小衛星組網提供通信服務將加劇有限頻率資源的競爭，OneWeb宣稱已經開發出一種新方式來避免電信頻率干擾。而成百上千顆小衛星對於遙感的需求，也會加劇頻率短缺問題。
電科小氙
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