NASA的幾個關(guān)鍵空間資源已接近其設(shè)計壽命，主要系統(tǒng)面臨更新?lián)Q代。為了向未來太陽系載人探測和科學(xué)任務(wù)提供通信、定位、導(dǎo)航和授時（PNT）服務(wù)，美國宇航局（NASA）開展了2040年前下一代空間通信與導(dǎo)航（SCaN）體系架構(gòu)研究。

近年來，技術(shù)與服務(wù)的發(fā)展推動了NASA下一代體系架構(gòu)的發(fā)展。技術(shù)與服務(wù)的創(chuàng)新可以提供采用新型運(yùn)行概念的任務(wù)、增強(qiáng)的性能和新的商業(yè)運(yùn)作模型。光通信的進(jìn)步推動了高速數(shù)據(jù)信道的實現(xiàn)，從而使應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸需求量大且更為復(fù)雜的新型科學(xué)儀器成為可能?，F(xiàn)代多波束/多址技術(shù)（例如那些在高通量衛(wèi)星上使用的技術(shù)）可增強(qiáng)按需服務(wù)能力，使用新的協(xié)議將有助于為協(xié)同運(yùn)行的航天器提供類似互聯(lián)網(wǎng)的連通能力，提高數(shù)據(jù)回傳速度，協(xié)調(diào)聯(lián)合任務(wù)目標(biāo)。航天器和地面系統(tǒng)將實現(xiàn)協(xié)同，建立通信，協(xié)商鏈路連通性，學(xué)習(xí)共享頻譜，優(yōu)化資源分配。航天器將進(jìn)行自主導(dǎo)航，軌道規(guī)劃，處理非正常事件。

NASA的技術(shù)發(fā)展將形成對商用能力的補(bǔ)充并使其得到擴(kuò)展，滿足獨(dú)特的太空環(huán)境需求并提供超出商用市場的能力。通信工業(yè)的進(jìn)步（包括新興的全球天基互聯(lián)網(wǎng)及其規(guī)劃的幾百顆衛(wèi)星的星座）為新能力和任務(wù)概念的發(fā)展提供了更多機(jī)會。

NASA認(rèn)為，未來空間體系架構(gòu)所面臨的機(jī)會與挑戰(zhàn)是其需要圍繞全球愿景提出一種優(yōu)化解決方案。該體系架構(gòu)中涵蓋的概念和技術(shù)不僅可應(yīng)用于NASA，而且還可應(yīng)用于其他美國政府機(jī)構(gòu)、國際空間和政府機(jī)構(gòu)、國內(nèi)和國際商業(yè)合作伙伴，促進(jìn)實現(xiàn)開放、互操作、靈活和經(jīng)濟(jì)的空間通信。

NASA空間通信與導(dǎo)航體系架構(gòu)包含由地面站和中繼衛(wèi)星構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，中繼衛(wèi)星可以把來自任務(wù)航天器的數(shù)據(jù)從太陽系的任何地方傳回地球。數(shù)十年來，NASA的空間網(wǎng)（SN）及其跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）、地基近地網(wǎng)（NEN）和深空網(wǎng)（DSN）提供了各種各樣的通信和導(dǎo)航服務(wù)，不僅滿足了NASA的需求，而且滿足了其他政府機(jī)構(gòu)和國際合作空間機(jī)構(gòu)的需要。SCaN網(wǎng)絡(luò)提供重疊覆蓋：空間網(wǎng)TDRSS幾乎可覆蓋全地球，為地球表面到中地球軌道（MEO）任務(wù)提供服務(wù)；NEN為從低地球軌道（LEO）到200萬公里（包括極地、地球和月球之間和太陽-地球L1/L2軌道）距離上的任務(wù)航天器提供服務(wù)；DSN則覆蓋地球同步軌道（GEO）以外的太陽系。

NASA未來的任務(wù)概念包括行星科學(xué)任務(wù)、載人探測以及執(zhí)行協(xié)同科學(xué)研究的任務(wù)航天器編隊。NASA希望在成像、農(nóng)業(yè)及其他監(jiān)視應(yīng)用中增加商業(yè)衛(wèi)星使用和運(yùn)營。表1列出驅(qū)動下一代體系架構(gòu)需求的任務(wù)。

表1 驅(qū)動下一代SCaN體系架構(gòu)的任務(wù)概念

為了實現(xiàn)這些任務(wù)，SCaN網(wǎng)絡(luò)必須實現(xiàn)過渡，成為端到端“系統(tǒng)之系統(tǒng)”的一部分，包含任務(wù)航天器、任務(wù)控制和科學(xué)處理中心、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、國內(nèi)外合作機(jī)構(gòu)以及提供的商業(yè)服務(wù)等。因而，SCaN網(wǎng)絡(luò)將通過不同的“體系”以全面協(xié)調(diào)的方式發(fā)展，以便在通貨膨脹和預(yù)算緊縮的情況下開發(fā)和維持NASA基礎(chǔ)設(shè)施和未來能力，避免由增加關(guān)鍵支持系統(tǒng)（例如地球或火星中繼航天器）開發(fā)投資而帶來的預(yù)算挑戰(zhàn)。

科學(xué)任務(wù)始終在不斷尋求提高頻譜、時間和空間分辨率，增加傳輸數(shù)據(jù)量，以增強(qiáng)其對物理行為的建模和分析能力。載人探測尋求超越低地球軌道（LEO），最終到達(dá)火星。面對新任務(wù)挑戰(zhàn)與復(fù)雜度的不斷增加，需要在通信和導(dǎo)航能力方面進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。除了對新任務(wù)需求提供支持外，NASA的工作還包括降低總成本、推動商用航天工業(yè)的發(fā)展以及保持其在航天技術(shù)和能力方面的全球領(lǐng)導(dǎo)者地位。對于未來通信和導(dǎo)航服務(wù)的設(shè)想基于下面幾方面需求：

未來通信網(wǎng)絡(luò)將為任務(wù)航天器向地球回傳數(shù)據(jù)提供各種連接和先進(jìn)的能力。高速數(shù)據(jù)信道將傳送更多來自更復(fù)雜的新型科學(xué)儀器的數(shù)據(jù)和圖像，互連的空間網(wǎng)絡(luò)將為協(xié)同航天器和行星網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)類似互聯(lián)網(wǎng)的連通，加快數(shù)據(jù)回傳，更好地實現(xiàn)地球上的研究者與科學(xué)儀器的連通，使公眾更多了解宇宙奇跡。隨著NASA載人探測主題變?yōu)椤斑h(yuǎn)離地球”，實現(xiàn)人類遠(yuǎn)征火星，導(dǎo)航自主性和認(rèn)知組網(wǎng)將發(fā)揮更大作用，如幫助對系統(tǒng)復(fù)雜性進(jìn)行管理、降低成本等。航天器和地面系統(tǒng)之間將協(xié)同建立通信，并保證最佳資源分配。在沒有地球控制中心提供即時支持的情況下，航天器將自動進(jìn)行導(dǎo)航、軌跡規(guī)劃和執(zhí)行機(jī)動以及處理非正常事件。為了實現(xiàn)最佳吞吐量，航天器和地面節(jié)點將就數(shù)據(jù)率和連通性進(jìn)行協(xié)商，同時，利用其自身的能力削減干擾、共享頻譜。

對于SCaN網(wǎng)絡(luò)來說，理想的航天器開發(fā)、發(fā)射和運(yùn)行任務(wù)方案應(yīng)能：在任務(wù)過程中，以理想的性能級提供所有想要的服務(wù)，同時對任務(wù)不強(qiáng)加任何限制，如在不增加成本的情況下，按需無限制提供能力。盡管這些設(shè)想無法全部實現(xiàn)，但SCaN網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是向用戶展示這樣一種途徑。通過一種統(tǒng)一的、部分自動化且跨各種網(wǎng)絡(luò)通用的在線流程，任務(wù)規(guī)劃將得以簡化。在NASA及其外部網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送和跟蹤服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化，以簡化任務(wù)方案通信子系統(tǒng)和任務(wù)運(yùn)行設(shè)計。通過與商業(yè)銷售商協(xié)調(diào)，更好地利用標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)貨軟硬件資源。近地或深空運(yùn)行將采用相同的接口和網(wǎng)絡(luò)功能，為任務(wù)提供一致且有效的服務(wù)。

提升用戶體驗等許多方面的增強(qiáng)同樣有益于SCaN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。任務(wù)規(guī)劃的簡化將減少與用戶共同定義其服務(wù)需求以及評估任務(wù)可行性所需的網(wǎng)絡(luò)工作。采用跨網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)將減少所需的獨(dú)特設(shè)備和軟件數(shù)量，且簡化測試和集成。通過與商業(yè)銷售商合作，建立合格組件工業(yè)基地，這些組件都是經(jīng)過認(rèn)證符合標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口。降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)對降低用戶負(fù)擔(dān)的方法起到補(bǔ)充作用。

用戶航天器、中繼衛(wèi)星、星球表面網(wǎng)絡(luò)以及地面站之間的連通將獲得發(fā)展?；ヂ?lián)網(wǎng)的連通能力依賴大量協(xié)同且自愿互連的網(wǎng)絡(luò)，與互聯(lián)網(wǎng)類似，未來的空間體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將不僅依賴NASA自己的系統(tǒng)，而且還可能利用來自其他國家空間局、商業(yè)實體、學(xué)術(shù)界以及其他組織的資源，采用開放的商業(yè)和國際標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)連通。利用這種新連通能力，實現(xiàn)航天器之間的數(shù)據(jù)交換、建立新的科學(xué)環(huán)境、提高可靠性和可用性、為太空資源提供更為泛在的覆蓋。通過網(wǎng)間連通將有助于降低成本和復(fù)雜度，獲得更高的科學(xué)回報。

隨著為地面和機(jī)載用戶提供的商業(yè)空間服務(wù)的增長，在為低地球軌道用戶提供商業(yè)服務(wù)方面有巨大的活力和潛能，而且同樣有可能在火星和/或月球附近提供商業(yè)服務(wù)。采用開放的商用國際標(biāo)準(zhǔn)可通過規(guī)定所需的性能和接口，使用商業(yè)服務(wù)，無需依賴特定供應(yīng)商能力。商業(yè)實體將基于價格、質(zhì)量、時間線、支持以及其他維持競爭環(huán)境的因素展開競爭。NASA的成本管理將通過特定供應(yīng)商解決方案的減少、開放市場的競爭以及能力與需求的匹配而實現(xiàn)。

通過建立可實現(xiàn)互操作服務(wù)的開放體系架構(gòu)，實現(xiàn)更多國際協(xié)作。由于世界上有多國在積極冒險登陸月球和火星，因而會推動國際資源和基礎(chǔ)設(shè)施利用的潛在增長。目前，在空間通信和導(dǎo)航方面的國際協(xié)作擴(kuò)展到主要的國際空間機(jī)構(gòu)，涉及未來服務(wù)、未來體系架構(gòu)和國際標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)。當(dāng)前，要實現(xiàn)交叉支持（一個空間局向另一個空間局的任務(wù)提供服務(wù)的能力）需要政府間基于任務(wù)簽訂正式協(xié)議。

未來的網(wǎng)絡(luò)能力和服務(wù)都基于面向服務(wù)的體系架構(gòu)，重點是網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)、任務(wù)目標(biāo)、互操作性、通用服務(wù)、靈活性和網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。下一代體系架構(gòu)提供大量的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，降低對昂貴的獨(dú)特任務(wù)能力的需求，使各任務(wù)能夠分擔(dān)關(guān)鍵空間基礎(chǔ)設(shè)施成本，為空間探測提供成本有效的國家資源。

在整個過渡時期，現(xiàn)有任務(wù)可繼續(xù)使用現(xiàn)有服務(wù)運(yùn)行，執(zhí)行常規(guī)規(guī)劃和分析，依賴SCaN網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)鏈路層數(shù)據(jù)和輻射測量跟蹤數(shù)據(jù)。在未來框架下，使用一個或多個網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)將跨近地和深空域接受通用服務(wù)，不再需要特定網(wǎng)絡(luò)電臺和協(xié)議。新型任務(wù)將利用新型網(wǎng)間互連、廣播消息傳送和光學(xué)測量跟蹤服務(wù)。低成本任務(wù)可利用新型服務(wù)，通過執(zhí)行以前由大型任務(wù)實現(xiàn)的功能，協(xié)助任務(wù)規(guī)劃和運(yùn)行。

信令接口（例如，調(diào)制、編碼和頻譜）以及使用的協(xié)議將跨各個網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)最大程度的通用，需要考量物理學(xué)、任務(wù)局限性和近地球任務(wù)和深空任務(wù)之間的運(yùn)行區(qū)別。未來體系架構(gòu)服務(wù)包括：

通信服務(wù)把任務(wù)數(shù)據(jù)傳送到整個SCaN基礎(chǔ)設(shè)施及其各個單元。通信服務(wù)涵蓋根據(jù)任務(wù)需求而定的大量功能和能力，且包含按需或預(yù)先協(xié)調(diào)的以各種數(shù)據(jù)率和等待時間往來任務(wù)航天器的RF通信和未來光通信。

通過在所有空間鏈路（直接往/來地球鏈路和太空對太空鏈路）采用通用鏈路協(xié)議，增強(qiáng)傳統(tǒng)鏈路層服務(wù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)率和航天器數(shù)量的增長，縮短時延。

在導(dǎo)航服務(wù)方面，擴(kuò)展和增強(qiáng)當(dāng)前可用服務(wù)，提高可用性和精度。利用任何執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈⒉ɑ蚬廨d波提供測量跟蹤數(shù)據(jù)。通過天對天、天對地和地對天鏈路，獲得觀測數(shù)據(jù)，然后將其傳送給測量跟蹤數(shù)據(jù)用戶。光學(xué)測量將在測距、多普勒和定點（角度）觀測精度方面實現(xiàn)數(shù)量級的改進(jìn)。非相干觀測類型，特別是單向前向測距（SCaN提供的新型服務(wù)）和多普勒，將便于任務(wù)平臺實施自主導(dǎo)航。在任務(wù)高度集中的區(qū)域，作為獨(dú)立服務(wù)的主要部分而提供導(dǎo)航信標(biāo)。在近地域，導(dǎo)航觀測量將與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）兼容的通用時標(biāo)密切相關(guān)，而深空任務(wù)，將通過網(wǎng)絡(luò)為其提供高精度原子鐘服務(wù)。在下一代體系架構(gòu)完成后，將為軌道測定、軌跡和機(jī)動規(guī)劃以及表面系統(tǒng)定位提供新型服務(wù)，以增強(qiáng)空間系統(tǒng)自主能力。

利用網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)可以在非可靠物理鏈路上實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳送，無需通過應(yīng)用程序存儲和重傳任務(wù)數(shù)據(jù)。目前，SCaN正在其單個網(wǎng)絡(luò)中引入基于IP的組網(wǎng)服務(wù)，而未來服務(wù)將擴(kuò)展到NASA的整個網(wǎng)絡(luò)中，使NASA的空間和地面網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)基于IP和DTN（容遲/容斷網(wǎng)絡(luò)）的互操作性。

網(wǎng)絡(luò)互連服務(wù)負(fù)責(zé)將來自一顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)移交給另一顆衛(wèi)星，或者將數(shù)據(jù)從一個地面站移交給另一地面站，確保數(shù)據(jù)從航天器到任務(wù)中心的連續(xù)流動。參與單元共同承擔(dān)數(shù)據(jù)責(zé)任，并根據(jù)故障原因提供重傳、優(yōu)先級排序、緩沖以及自動路由重建。

網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)將允許任務(wù)獲得一個網(wǎng)絡(luò)層接口，利用該接口通過SCaN網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡亍＠眠@些服務(wù)，未來深空任務(wù)將不再需要特定任務(wù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

廣播服務(wù)是一種新型服務(wù)，為下一代網(wǎng)絡(luò)的通信、導(dǎo)航和網(wǎng)絡(luò)能力提供支持。從中繼衛(wèi)星到用戶航天器的信標(biāo)攜帶低數(shù)據(jù)率業(yè)務(wù)，將向各個任務(wù)同時提供網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)（包括時間、服務(wù)可用性、中繼機(jī)動、中繼星歷表及其他信息）的定期更新，保持網(wǎng)絡(luò)和任務(wù)的同步，無需為單個任務(wù)制定服務(wù)。對于航天器自主請求服務(wù)的用戶發(fā)起服務(wù)（UIS），信標(biāo)將提供所需的雙向信道前向鏈路分量。如果任務(wù)具有接入廣播服務(wù)前向數(shù)據(jù)的能力，將減少對預(yù)定前向服務(wù)的需要，提高網(wǎng)絡(luò)的總效率，簡化任務(wù)控制操作。

網(wǎng)絡(luò)和任務(wù)的精確時間同步允許應(yīng)用新型多址接入技術(shù)，從而增加網(wǎng)絡(luò)支持的同時進(jìn)行的任務(wù)數(shù)量。向單向測距和多普勒跟蹤的過渡也要求同步，而且將允許使用新型星上處理/路由型中繼衛(wèi)星設(shè)計替代“彎管”中繼。把光學(xué)測量觀測精度轉(zhuǎn)化為軌道測定精度，需要降低授時誤差。無線電和光學(xué)應(yīng)用將得益于網(wǎng)絡(luò)與任務(wù)時間和頻率精度的改善。

設(shè)想的基本服務(wù)包括到火星的端到端文件傳輸、消息傳送和電子郵件。QoS級將可能達(dá)到類似地面網(wǎng)絡(luò)的水平。

任務(wù)將獲得跨近地和深空網(wǎng)絡(luò)的通用應(yīng)用層服務(wù)。所使用的接口和協(xié)議將最大程度上跨各個網(wǎng)絡(luò)通用，需要考量物理、任務(wù)限制和近球與深空任務(wù)之間的運(yùn)行區(qū)別。

下一代體系架構(gòu)跨行星網(wǎng)絡(luò)分布，行星網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)NASA及其他空間合作伙伴機(jī)構(gòu)目前在研的行星體，包括地球、火星和月球。每個單體行星網(wǎng)絡(luò)包含相似的能力或單元（如科學(xué)人造衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星、表面單元和地面站），這些通用單元具有通用空間接口，用于鄰近和中繼鏈路，本地或鄰近單元與返回到地球的中繼鏈路之間都能連通，如圖1所示。

行星網(wǎng)絡(luò)，例如地球網(wǎng)，它是NASA首個也是最大的行星網(wǎng)絡(luò)，目前地球網(wǎng)包括近地網(wǎng)和空間網(wǎng)。近地網(wǎng)包括部署在全球范圍的一系列NASA和商業(yè)運(yùn)行的地面站，用以向地球軌道的用戶任務(wù)航天器提供服務(wù)，而空間網(wǎng)是一個地球同步軌道衛(wèi)星星座，向地球或月球軌道的用戶任務(wù)航天器提供數(shù)據(jù)和導(dǎo)航服務(wù)。

圖1 初始的行星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

月球網(wǎng)將包括月球軌道中繼（LR）、月球定位能力（LPC）以及可能由NASA或者國際合作伙伴提供的月球表面終端（LT）。月球網(wǎng)絡(luò)將在2020年中晚期為科學(xué)和機(jī)器人探測任務(wù)提供服務(wù)，特別是在極地或偏遠(yuǎn)位置，因為這些地方無法提供服務(wù)或通過中繼鏈路（直接往/來地球）僅提供部分服務(wù)。

當(dāng)前的火星網(wǎng)絡(luò)包括3個帶有中繼能力的NASA科學(xué)航天器和歐空局（ESA）“火星快車”號微量氣體軌道器。隨著時間的推移，NASA將發(fā)展其火星能力，其發(fā)展戰(zhàn)略是從利用嵌入到科學(xué)航天器中的中繼設(shè)備轉(zhuǎn)向利用小型專用中繼衛(wèi)星，以滿足2020年不斷增長的科學(xué)需求以及2030年新的載人探測需求。在火星系統(tǒng)內(nèi)部，任何兩個單元之間（例如火星同步軌道（ASO）中繼衛(wèi)星、低火星軌道航天器和火星表面系統(tǒng)之間）的通信將僅需要通過鄰近鏈路實現(xiàn)，從而避免到地球的鏈路產(chǎn)生的傳輸長時延問題。相比中繼鏈路，鄰近鏈路的功率、指向和跟蹤要求都較低，且鏈路可用性較高。

· 近地中繼衛(wèi)星體系架構(gòu)

圖2描述的是地球中繼衛(wèi)星體系架構(gòu)早期部署概念。該體系架構(gòu)由NASA及商業(yè)服務(wù)衛(wèi)星節(jié)點以及地面站組成。為了實現(xiàn)從地面到地球同步軌道（GEO）的覆蓋，NASA需要為任務(wù)航天器提供24′7的網(wǎng)絡(luò)接入，通過地球同步軌道或中地球軌道（MEO）提供可變視域，利用輔助節(jié)點提供疊加覆蓋，增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高網(wǎng)絡(luò)可用性。設(shè)想為任務(wù)用戶提供光學(xué)/RF中繼和直接到達(dá)地面鏈路的組合以及光交叉鏈路，向美國大陸地面站傳送數(shù)據(jù)。

圖2 近地通信和導(dǎo)航體系架構(gòu)初期設(shè)想

針對低地球軌道（LEO）及以遠(yuǎn)任務(wù)，新型服務(wù)包括：通過10Gbps用戶鏈路和100Gbps交叉鏈路和天對地鏈路實現(xiàn)高速光通信，采用IP和DTN網(wǎng)絡(luò)互連、廣播和按需信令，實現(xiàn)異步消息傳送和自主網(wǎng)絡(luò)調(diào)度服務(wù)。其他能力包括到地面的高速Ka波段數(shù)據(jù)鏈路，路由選擇和存儲以及航天器安全和彈性指揮控制。一些傳統(tǒng)的體系架構(gòu)資源，如現(xiàn)有TDRSS衛(wèi)星的地面天線和單元，希望在2040年前保持運(yùn)行，繼續(xù)為現(xiàn)有用戶航天器提供當(dāng)前數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，如S波段多址接入、Ku波段和Ka波段高速率單址接入以及S波段中到低速單址接入，同時增加新型服務(wù)。

最后，NASA計劃引入自動化、認(rèn)知和組網(wǎng)特性，以提高服務(wù)的效率和性能，增強(qiáng)對中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。新的特性包括增強(qiáng)的服務(wù)管理（包括自主調(diào)度和運(yùn)行）、按需接入服務(wù)、服務(wù)配置和監(jiān)控以及服務(wù)結(jié)算；為了增加吞吐量，采用自適應(yīng)速率通信，廣播和消息傳送設(shè)備利用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息支持導(dǎo)航和通信服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；使用開放的商業(yè)和國際標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)商用資源與合作伙伴資源（例如，中繼、地面站、控制中心）之間的互操作。

附加的中繼衛(wèi)星將提供下一代天基地球網(wǎng)絡(luò)能力。結(jié)合各種商業(yè)途徑，以能力擴(kuò)展方式提供靈活性，滿足任務(wù)需求，實現(xiàn)成本管理。NASA可保持主要核心能力的所有權(quán)，降低使用商業(yè)服務(wù)帶來的風(fēng)險，并保證滿足政府運(yùn)行需求的連續(xù)性。采用商業(yè)服務(wù)和國際合作伙伴機(jī)構(gòu)交叉支持，可獲得額外能力。為了降低成本并進(jìn)行風(fēng)險管理，對各種商業(yè)方法的評估策略的研究正在起步中。

NASA繼續(xù)與商界及國際合作伙伴合作，制定體系架構(gòu)方法和概念。一些公司正在按照NASA授予的合同，開展近地和深空體系架構(gòu)研究。

· 深空火星中繼衛(wèi)星體系架構(gòu)

未來火星網(wǎng)絡(luò)包括2到3個火星靜止/火星同步軌道專用中繼軌道器，每個NASA科學(xué)軌道器搭載一個全中繼有效載荷。網(wǎng)絡(luò)為人類登陸火星及火星周圍的探測活動提供連續(xù)覆蓋，如圖3所示。專用火星中繼衛(wèi)星還將提供到地球中繼鏈路的近連續(xù)可用性，從而最小化端到端前向/返向數(shù)據(jù)時延。到地球的中繼將采用RF（Ka頻段和X頻段）鏈路，數(shù)據(jù)率達(dá)125Mbps，光學(xué)鏈路數(shù)據(jù)率達(dá)300Mbps，前向鏈路達(dá)50Mbps。

圖3 深空火星通信和導(dǎo)航體系架構(gòu)概念

每個中繼軌道器通過鄰近鏈路與任務(wù)軌道器（科學(xué)或探測航天器）和火星表面系統(tǒng)（例如，居住艙、通信站、登陸器和火星車）通信。每個中繼軌道器可充當(dāng)一個DTN節(jié)點，提供全部網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)?；鹦潜砻嫦到y(tǒng)可根據(jù)需要通過臨近鏈路同時/并行接入中繼軌道器，而任務(wù)軌道器可通過星間鏈路接入中繼軌道器。

為滿足政府和商業(yè)用戶的需求，NASA擬利用美國衛(wèi)星通信工業(yè)的擴(kuò)展能力。2015年全球電信市場收入5.6萬億美元，美國電信工業(yè)協(xié)會（TIA）預(yù)計2020年美國市場達(dá)到1.85萬億美元。而衛(wèi)星市場2016年達(dá)到2410億美元，是過去10年的兩倍，其中，衛(wèi)星服務(wù)占1270億美元，包括電信、地球觀測、科學(xué)和國家安全。NASA將引領(lǐng)該行業(yè)的發(fā)展，包括新型全球空間互聯(lián)網(wǎng)段及其規(guī)劃的幾百個衛(wèi)星的星座。電信業(yè)在技術(shù)方面的投資要大大超過NASA，因而NASA的技術(shù)發(fā)展會有選擇地使用商業(yè)電信能力并加以補(bǔ)充和擴(kuò)展，以滿足獨(dú)特的空間環(huán)境需求。

可用于NASA應(yīng)用的衛(wèi)星通信工業(yè)能力包括有效載荷發(fā)展、航天器集成、運(yùn)載火箭集成和發(fā)射服務(wù)、航天器和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、搭載有效載荷服務(wù)和商業(yè)空間和地面電信服務(wù)。NASA下一代體系架構(gòu)將采用下列組合：（1）采用商業(yè)自有運(yùn)行能力和服務(wù)，而NASA沒有所有權(quán)和運(yùn)行職責(zé)；（2）可以選擇搭載有效載荷，實現(xiàn)可變的自有和運(yùn)營組合（即，政府擁有有效載荷、商業(yè)界提供航天器）；（3）專用自由飛行器則選擇政府自有運(yùn)營單元。

通過網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)實現(xiàn)新任務(wù)能力要依賴特定的技術(shù)投資和進(jìn)步。技術(shù)投資涵蓋高風(fēng)險/高回報技術(shù)以及重點開發(fā)的短期能力。

采用現(xiàn)有地面和空間資源、地基演示或飛行技術(shù)演示任務(wù)（例如，激光通信中繼演示任務(wù)）對新技術(shù)進(jìn)行演示，對于降低風(fēng)險、向運(yùn)行的平穩(wěn)過渡以及避免項目生命周期持續(xù)過長，都是非常必要的。在這些技術(shù)部署后，降低和分擔(dān)運(yùn)行及技術(shù)方面的風(fēng)險，將有助于激發(fā)任務(wù)采用新能力。

通過網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)和技術(shù)進(jìn)步，未來的體系架構(gòu)將提升任務(wù)體驗，如表2所述。

表2 任務(wù)能力、網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)和先進(jìn)的技術(shù)

實現(xiàn)高數(shù)據(jù)率Ka頻段和光學(xué)服務(wù)的單項技術(shù)包括：光學(xué)/激光終端和地面站、檢測器、指向和捕獲系統(tǒng)、無信標(biāo)指向、多模式、可重構(gòu)收發(fā)信機(jī)以及Ka頻段電子轉(zhuǎn)向控制天線。行星體制下的附加網(wǎng)絡(luò)能力和覆蓋將由附加Ka頻段NEN站提供，此類站利用天線孔徑技術(shù)與多個航天器進(jìn)行通信。為了提升通信服務(wù)量，對于在軌運(yùn)行的火星中繼衛(wèi)星，將盡可能進(jìn)行優(yōu)化。

通過提升接入、連通和控制能力，增強(qiáng)多址接入服務(wù)（Ka頻段或光），提供大量的同步信標(biāo)。利用這些能力將實現(xiàn)新型科學(xué)概念，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)能力。雙向多信標(biāo)將針對UIS請求，實施一種按需分配多址（DAMA）型配置；利用一種服務(wù)請求消息傳送系統(tǒng)，實現(xiàn)按需高速前傳和回傳服務(wù)。

TDRSS按需接入系統(tǒng)（DAS）是當(dāng)代最早提供這種按需分配多址服務(wù)的系統(tǒng)?？傮w上，按需分配接入服務(wù)將利用可達(dá)到的最大前傳和回傳數(shù)據(jù)率，實現(xiàn)更高的可用性、更大的服務(wù)量、更大的同時進(jìn)行任務(wù)數(shù)量和更短的等待時間。采用一種可用的前向數(shù)據(jù)傳送機(jī)制，將為用戶航天器和地面資源分配之間的確認(rèn)和協(xié)調(diào)消息提供所需的路徑。

小衛(wèi)星數(shù)量的增長意味著同時使用網(wǎng)絡(luò)的航天器數(shù)量的增長。在當(dāng)前的體系架構(gòu)下，傳統(tǒng)的超前調(diào)度、手動去沖突和依賴人類操作員等問題將得以解決。隨著UIS自動請求的實現(xiàn)，由請求SCaN服務(wù)的任務(wù)數(shù)量不斷增長而帶來的協(xié)調(diào)風(fēng)險會隨之降低。

NASA下一代通信與導(dǎo)航體系架構(gòu)將提供空前的新型任務(wù)能力：數(shù)據(jù)率從十幾Gbps提高到幾百Gbps；使用標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)提供有保障的數(shù)據(jù)傳送和更精確的光學(xué)測量跟蹤能力，大大提高任務(wù)靈活性、自主性和效率；通過降低任務(wù)負(fù)荷，增強(qiáng)航天器Ka頻段和光學(xué)終端；采用低成本簡化的網(wǎng)絡(luò)管理；基于開放的、基于國際標(biāo)準(zhǔn)的體系架構(gòu)，商用衛(wèi)星通信市場向低地球軌道及以遠(yuǎn)擴(kuò)展。

NASA下一代通信與導(dǎo)航體系架構(gòu)將采用成本有效的方式實現(xiàn)。這就意味著需要加強(qiáng)與國際合作伙伴與商業(yè)服務(wù)供應(yīng)商的協(xié)作，以更短的時間和可擔(dān)負(fù)的成本增量進(jìn)行服務(wù)采購，滿足用戶不斷增長的需求；在整個網(wǎng)絡(luò)（例如，中繼、地面站和任務(wù)終端），實現(xiàn)硬件、軟件和協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。

（于金華 編譯）