NASA的几个关键空间资源已接近其设计寿命，主要系统面临更新换代。为了向未来太阳系载人探测和科学任务提供通信、定位、导航和授时（PNT）服务，美国宇航局（NASA）开展了2040年前下一代空间通信与导航（SCaN）体系架构研究。
近年来，技术与服务的发展推动了NASA下一代体系架构的发展。技术与服务的创新可以提供采用新型运行概念的任务、增强的性能和新的商业运作模型。光通信的进步推动了高速数据信道的实现，从而使应用数据传输需求量大且更为复杂的新型科学仪器成为可能。现代多波束/多址技术（例如那些在高通量卫星上使用的技术）可增强按需服务能力，使用新的协议将有助于为协同运行的航天器提供类似互联网的连通能力，提高数据回传速度，协调联合任务目标。航天器和地面系统将实现协同，建立通信，协商链路连通性，学习共享频谱，优化资源分配。航天器将进行自主导航，轨道规划，处理非正常事件。
NASA的技术发展将形成对商用能力的补充并使其得到扩展，满足独特的太空环境需求并提供超出商用市场的能力。通信工业的进步（包括新兴的全球天基互联网及其规划的几百颗卫星的星座）为新能力和任务概念的发展提供了更多机会。
NASA认为，未来空间体系架构所面临的机会与挑战是其需要围绕全球愿景提出一种优化解决方案。该体系架构中涵盖的概念和技术不仅可应用于NASA，而且还可应用于其他美国政府机构、国际空间和政府机构、国内和国际商业合作伙伴，促进实现开放、互操作、灵活和经济的空间通信。
NASA空间通信与导航体系架构包含由地面站和中继卫星构成的网络，中继卫星可以把来自任务航天器的数据从太阳系的任何地方传回地球。数十年来，NASA的空间网（SN）及其跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）、地基近地网（NEN）和深空网（DSN）提供了各种各样的通信和导航服务，不仅满足了NASA的需求，而且满足了其他政府机构和国际合作空间机构的需要。SCaN网络提供重叠覆盖：空间网TDRSS几乎可覆盖全地球，为地球表面到中地球轨道（MEO）任务提供服务；NEN为从低地球轨道（LEO）到200万公里（包括极地、地球和月球之间和太阳-地球L1/L2轨道）距离上的任务航天器提供服务；DSN则覆盖地球同步轨道（GEO）以外的太阳系。
NASA未来的任务概念包括行星科学任务、载人探测以及执行协同科学研究的任务航天器编队。NASA希望在成像、农业及其他监视应用中增加商业卫星使用和运营。表1列出驱动下一代体系架构需求的任务。
表1 驱动下一代SCaN体系架构的任务概念
为了实现这些任务，SCaN网络必须实现过渡，成为端到端“系统之系统”的一部分，包含任务航天器、任务控制和科学处理中心、网络基础设施、国内外合作机构以及提供的商业服务等。因而，SCaN网络将通过不同的“体系”以全面协调的方式发展，以便在通货膨胀和预算紧缩的情况下开发和维持NASA基础设施和未来能力，避免由增加关键支持系统（例如地球或火星中继航天器）开发投资而带来的预算挑战。
科学任务始终在不断寻求提高频谱、时间和空间分辨率，增加传输数据量，以增强其对物理行为的建模和分析能力。载人探测寻求超越低地球轨道（LEO），最终到达火星。面对新任务挑战与复杂度的不断增加，需要在通信和导航能力方面进行相应的改进。除了对新任务需求提供支持外，NASA的工作还包括降低总成本、推动商用航天工业的发展以及保持其在航天技术和能力方面的全球领导者地位。对于未来通信和导航服务的设想基于下面几方面需求：
（1）加强主要研究者与设备、任务控制者与航天器以及宇航员与公众的连通
未来通信网络将为任务航天器向地球回传数据提供各种连接和先进的能力。高速数据信道将传送更多来自更复杂的新型科学仪器的数据和图像，互连的空间网络将为协同航天器和行星网络实现类似互联网的连通，加快数据回传，更好地实现地球上的研究者与科学仪器的连通，使公众更多了解宇宙奇迹。随着NASA载人探测主题变为“远离地球”，实现人类远征火星，导航自主性和认知组网将发挥更大作用，如帮助对系统复杂性进行管理、降低成本等。航天器和地面系统之间将协同建立通信，并保证最佳资源分配。在没有地球控制中心提供即时支持的情况下，航天器将自动进行导航、轨迹规划和执行机动以及处理非正常事件。为了实现最佳吞吐量，航天器和地面节点将就数据率和连通性进行协商，同时，利用其自身的能力削减干扰、共享频谱。
（2）提升用户体验并降低用户负担
对于SCaN网络来说，理想的航天器开发、发射和运行任务方案应能：在任务过程中，以理想的性能级提供所有想要的服务，同时对任务不强加任何限制，如在不增加成本的情况下，按需无限制提供能力。尽管这些设想无法全部实现，但SCaN网络的目标是向用户展示这样一种途径。通过一种统一的、部分自动化且跨各种网络通用的在线流程，任务规划将得以简化。在NASA及其外部网络实现数据传送和跟踪服务标准化，以简化任务方案通信子系统和任务运行设计。通过与商业销售商协调，更好地利用标准化现货软硬件资源。近地或深空运行将采用相同的接口和网络功能，为任务提供一致且有效的服务。
（3）降低网络负担
提升用户体验等许多方面的增强同样有益于SCaN网络的发展。任务规划的简化将减少与用户共同定义其服务需求以及评估任务可行性所需的网络工作。采用跨网络标准化服务将减少所需的独特设备和软件数量，且简化测试和集成。通过与商业销售商合作，建立合格组件工业基地，这些组件都是经过认证符合标准网络接口。降低网络负担对降低用户负担的方法起到补充作用。
（4）利用其他组织的投资，把商业电信与导航方面的新型增强能力用于太空
用户航天器、中继卫星、星球表面网络以及地面站之间的连通将获得发展。互联网的连通能力依赖大量协同且自愿互连的网络，与互联网类似，未来的空间体系架构网络将不仅依赖NASA自己的系统，而且还可能利用来自其他国家空间局、商业实体、学术界以及其他组织的资源，采用开放的商业和国际标准实现连通。利用这种新连通能力，实现航天器之间的数据交换、建立新的科学环境、提高可靠性和可用性、为太空资源提供更为泛在的覆盖。通过网间连通将有助于降低成本和复杂度，获得更高的科学回报。
（5）提升国内商用市场
随着为地面和机载用户提供的商业空间服务的增长，在为低地球轨道用户提供商业服务方面有巨大的活力和潜能，而且同样有可能在火星和/或月球附近提供商业服务。采用开放的商用国际标准可通过规定所需的性能和接口，使用商业服务，无需依赖特定供应商能力。商业实体将基于价格、质量、时间线、支持以及其他维持竞争环境的因素展开竞争。NASA的成本管理将通过特定供应商解决方案的减少、开放市场的竞争以及能力与需求的匹配而实现。
（6）加强国际合作
通过建立可实现互操作服务的开放体系架构，实现更多国际协作。由于世界上有多国在积极冒险登陆月球和火星，因而会推动国际资源和基础设施利用的潜在增长。目前，在空间通信和导航方面的国际协作扩展到主要的国际空间机构，涉及未来服务、未来体系架构和国际标准的开发。当前，要实现交叉支持（一个空间局向另一个空间局的任务提供服务的能力）需要政府间基于任务签订正式协议。
未来的网络能力和服务都基于面向服务的体系架构，重点是网络目标、任务目标、互操作性、通用服务、灵活性和网络演进。下一代体系架构提供大量的先进标准化网络服务，降低对昂贵的独特任务能力的需求，使各任务能够分担关键空间基础设施成本，为空间探测提供成本有效的国家资源。
在整个过渡时期，现有任务可继续使用现有服务运行，执行常规规划和分析，依赖SCaN网络传输标准链路层数据和辐射测量跟踪数据。在未来框架下，使用一个或多个网络的任务将跨近地和深空域接受通用服务，不再需要特定网络电台和协议。新型任务将利用新型网间互连、广播消息传送和光学测量跟踪服务。低成本任务可利用新型服务，通过执行以前由大型任务实现的功能，协助任务规划和运行。
信令接口（例如，调制、编码和频谱）以及使用的协议将跨各个网络实现最大程度的通用，需要考量物理学、任务局限性和近地球任务和深空任务之间的运行区别。未来体系架构服务包括：
（1）通 信
通信服务把任务数据传送到整个SCaN基础设施及其各个单元。通信服务涵盖根据任务需求而定的大量功能和能力，且包含按需或预先协调的以各种数据率和等待时间往来任务航天器的RF通信和未来光通信。
通过在所有空间链路（直接往/来地球链路和太空对太空链路）采用通用链路协议，增强传统链路层服务，支持数据率和航天器数量的增长，缩短时延。
（2）导 航
在导航服务方面，扩展和增强当前可用服务，提高可用性和精度。利用任何执行数据传输的微波或光载波提供测量跟踪数据。通过天对天、天对地和地对天链路，获得观测数据，然后将其传送给测量跟踪数据用户。光学测量将在测距、多普勒和定点（角度）观测精度方面实现数量级的改进。非相干观测类型，特别是单向前向测距（SCaN提供的新型服务）和多普勒，将便于任务平台实施自主导航。在任务高度集中的区域，作为独立服务的主要部分而提供导航信标。在近地域，导航观测量将与全球导航卫星系统（GNSS）兼容的通用时标密切相关，而深空任务，将通过网络为其提供高精度原子钟服务。在下一代体系架构完成后，将为轨道测定、轨迹和机动规划以及表面系统定位提供新型服务，以增强空间系统自主能力。
（3）空间网络互连
利用网络层服务可以在非可靠物理链路上实现可靠数据传送，无需通过应用程序存储和重传任务数据。目前，SCaN正在其单个网络中引入基于IP的组网服务，而未来服务将扩展到NASA的整个网络中，使NASA的空间和地面网络实现基于IP和DTN（容迟/容断网络）的互操作性。
网络互连服务负责将来自一颗卫星的数据移交给另一颗卫星，或者将数据从一个地面站移交给另一地面站，确保数据从航天器到任务中心的连续流动。参与单元共同承担数据责任，并根据故障原因提供重传、优先级排序、缓冲以及自动路由重建。
网络层服务将允许任务获得一个网络层接口，利用该接口通过SCaN网络将数据传输到目的地。利用这些服务，未来深空任务将不再需要特定任务网关进行协议转换。
（4）广播/消息传送
广播服务是一种新型服务，为下一代网络的通信、导航和网络能力提供支持。从中继卫星到用户航天器的信标携带低数据率业务，将向各个任务同时提供网络状态（包括时间、服务可用性、中继机动、中继星历表及其他信息）的定期更新，保持网络和任务的同步，无需为单个任务制定服务。对于航天器自主请求服务的用户发起服务（UIS），信标将提供所需的双向信道前向链路分量。如果任务具有接入广播服务前向数据的能力，将减少对预定前向服务的需要，提高网络的总效率，简化任务控制操作。
（5）无线电测量
网络和任务的精确时间同步允许应用新型多址接入技术，从而增加网络支持的同时进行的任务数量。向单向测距和多普勒跟踪的过渡也要求同步，而且将允许使用新型星上处理/路由型中继卫星设计替代“弯管”中继。把光学测量观测精度转化为轨道测定精度，需要降低授时误差。无线电和光学应用将得益于网络与任务时间和频率精度的改善。
（6）应用层服务
设想的基本服务包括到火星的端到端文件传输、消息传送和电子邮件。QoS级将可能达到类似地面网络的水平。
任务将获得跨近地和深空网络的通用应用层服务。所使用的接口和协议将最大程度上跨各个网络通用，需要考量物理、任务限制和近球与深空任务之间的运行区别。
下一代体系架构跨行星网络分布，行星网络对应NASA及其他空间合作伙伴机构目前在研的行星体，包括地球、火星和月球。每个单体行星网络包含相似的能力或单元（如科学人造卫星、中继卫星、表面单元和地面站），这些通用单元具有通用空间接口，用于邻近和中继链路，本地或邻近单元与返回到地球的中继链路之间都能连通，如图1所示。
行星网络，例如地球网，它是NASA首个也是最大的行星网络，目前地球网包括近地网和空间网。近地网包括部署在全球范围的一系列NASA和商业运行的地面站，用以向地球轨道的用户任务航天器提供服务，而空间网是一个地球同步轨道卫星星座，向地球或月球轨道的用户任务航天器提供数据和导航服务。
图1 初始的行星网络体系架构
月球网将包括月球轨道中继（LR）、月球定位能力（LPC）以及可能由NASA或者国际合作伙伴提供的月球表面终端（LT）。月球网络将在2020年中晚期为科学和机器人探测任务提供服务，特别是在极地或偏远位置，因为这些地方无法提供服务或通过中继链路（直接往/来地球）仅提供部分服务。
当前的火星网络包括3个带有中继能力的NASA科学航天器和欧空局（ESA）“火星快车”号微量气体轨道器。随着时间的推移，NASA将发展其火星能力，其发展战略是从利用嵌入到科学航天器中的中继设备转向利用小型专用中继卫星，以满足2020年不断增长的科学需求以及2030年新的载人探测需求。在火星系统内部，任何两个单元之间（例如火星同步轨道（ASO）中继卫星、低火星轨道航天器和火星表面系统之间）的通信将仅需要通过邻近链路实现，从而避免到地球的链路产生的传输长时延问题。相比中继链路，邻近链路的功率、指向和跟踪要求都较低，且链路可用性较高。
· 近地中继卫星体系架构
图2描述的是地球中继卫星体系架构早期部署概念。该体系架构由NASA及商业服务卫星节点以及地面站组成。为了实现从地面到地球同步轨道（GEO）的覆盖，NASA需要为任务航天器提供24´7的网络接入，通过地球同步轨道或中地球轨道（MEO）提供可变视域，利用辅助节点提供叠加覆盖，增加网络带宽，提高网络可用性。设想为任务用户提供光学/RF中继和直接到达地面链路的组合以及光交叉链路，向美国大陆地面站传送数据。
图2 近地通信和导航体系架构初期设想
针对低地球轨道（LEO）及以远任务，新型服务包括：通过10Gbps用户链路和100Gbps交叉链路和天对地链路实现高速光通信，采用IP和DTN网络互连、广播和按需信令，实现异步消息传送和自主网络调度服务。其他能力包括到地面的高速Ka波段数据链路，路由选择和存储以及航天器安全和弹性指挥控制。一些传统的体系架构资源，如现有TDRSS卫星的地面天线和单元，希望在2040年前保持运行，继续为现有用户航天器提供当前数据传送服务，如S波段多址接入、Ku波段和Ka波段高速率单址接入以及S波段中到低速单址接入，同时增加新型服务。
最后，NASA计划引入自动化、认知和组网特性，以提高服务的效率和性能，增强对中继卫星网络的补充。新的特性包括增强的服务管理（包括自主调度和运行）、按需接入服务、服务配置和监控以及服务结算；为了增加吞吐量，采用自适应速率通信，广播和消息传送设备利用网络状态信息支持导航和通信服务以及网络运行；使用开放的商业和国际标准实现商用资源与合作伙伴资源（例如，中继、地面站、控制中心）之间的互操作。
附加的中继卫星将提供下一代天基地球网络能力。结合各种商业途径，以能力扩展方式提供灵活性，满足任务需求，实现成本管理。NASA可保持主要核心能力的所有权，降低使用商业服务带来的风险，并保证满足政府运行需求的连续性。采用商业服务和国际合作伙伴机构交叉支持，可获得额外能力。为了降低成本并进行风险管理，对各种商业方法的评估策略的研究正在起步中。
NASA继续与商界及国际合作伙伴合作，制定体系架构方法和概念。一些公司正在按照NASA授予的合同，开展近地和深空体系架构研究。
· 深空火星中继卫星体系架构
未来火星网络包括2到3个火星静止/火星同步轨道专用中继轨道器，每个NASA科学轨道器搭载一个全中继有效载荷。网络为人类登陆火星及火星周围的探测活动提供连续覆盖，如图3所示。专用火星中继卫星还将提供到地球中继链路的近连续可用性，从而最小化端到端前向/返向数据时延。到地球的中继将采用RF（Ka频段和X频段）链路，数据率达125Mbps，光学链路数据率达300Mbps，前向链路达50Mbps。
图3 深空火星通信和导航体系架构概念
每个中继轨道器通过邻近链路与任务轨道器（科学或探测航天器）和火星表面系统（例如，居住舱、通信站、登陆器和火星车）通信。每个中继轨道器可充当一个DTN节点，提供全部网络层服务。火星表面系统可根据需要通过临近链路同时/并行接入中继轨道器，而任务轨道器可通过星间链路接入中继轨道器。
为满足政府和商业用户的需求，NASA拟利用美国卫星通信工业的扩展能力。2015年全球电信市场收入5.6万亿美元，美国电信工业协会（TIA）预计2020年美国市场达到1.85万亿美元。而卫星市场2016年达到2410亿美元，是过去10年的两倍，其中，卫星服务占1270亿美元，包括电信、地球观测、科学和国家安全。NASA将引领该行业的发展，包括新型全球空间互联网段及其规划的几百个卫星的星座。电信业在技术方面的投资要大大超过NASA，因而NASA的技术发展会有选择地使用商业电信能力并加以补充和扩展，以满足独特的空间环境需求。
可用于NASA应用的卫星通信工业能力包括有效载荷发展、航天器集成、运载火箭集成和发射服务、航天器和网络运行、搭载有效载荷服务和商业空间和地面电信服务。NASA下一代体系架构将采用下列组合：（1）采用商业自有运行能力和服务，而NASA没有所有权和运行职责；（2）可以选择搭载有效载荷，实现可变的自有和运营组合（即，政府拥有有效载荷、商业界提供航天器）；（3）专用自由飞行器则选择政府自有运营单元。
通过网络增强实现新任务能力要依赖特定的技术投资和进步。技术投资涵盖高风险/高回报技术以及重点开发的短期能力。
采用现有地面和空间资源、地基演示或飞行技术演示任务（例如，激光通信中继演示任务）对新技术进行演示，对于降低风险、向运行的平稳过渡以及避免项目生命周期持续过长，都是非常必要的。在这些技术部署后，降低和分担运行及技术方面的风险，将有助于激发任务采用新能力。
通过网络增强和技术进步，未来的体系架构将提升任务体验，如表2所述。
表2 任务能力、网络增强和先进的技术
实现高数据率Ka频段和光学服务的单项技术包括：光学/激光终端和地面站、检测器、指向和捕获系统、无信标指向、多模式、可重构收发信机以及Ka频段电子转向控制天线。行星体制下的附加网络能力和覆盖将由附加Ka频段NEN站提供，此类站利用天线孔径技术与多个航天器进行通信。为了提升通信服务量，对于在轨运行的火星中继卫星，将尽可能进行优化。
通过提升接入、连通和控制能力，增强多址接入服务（Ka频段或光），提供大量的同步信标。利用这些能力将实现新型科学概念，增强网络能力。双向多信标将针对UIS请求，实施一种按需分配多址（DAMA）型配置；利用一种服务请求消息传送系统，实现按需高速前传和回传服务。
TDRSS按需接入系统（DAS）是当代最早提供这种按需分配多址服务的系统。总体上，按需分配接入服务将利用可达到的最大前传和回传数据率，实现更高的可用性、更大的服务量、更大的同时进行任务数量和更短的等待时间。采用一种可用的前向数据传送机制，将为用户航天器和地面资源分配之间的确认和协调消息提供所需的路径。
小卫星数量的增长意味着同时使用网络的航天器数量的增长。在当前的体系架构下，传统的超前调度、手动去冲突和依赖人类操作员等问题将得以解决。随着UIS自动请求的实现，由请求SCaN服务的任务数量不断增长而带来的协调风险会随之降低。
NASA下一代通信与导航体系架构将提供空前的新型任务能力：数据率从十几Gbps提高到几百Gbps；使用标准化网络层服务提供有保障的数据传送和更精确的光学测量跟踪能力，大大提高任务灵活性、自主性和效率；通过降低任务负荷，增强航天器Ka频段和光学终端；采用低成本简化的网络管理；基于开放的、基于国际标准的体系架构，商用卫星通信市场向低地球轨道及以远扩展。
NASA下一代通信与导航体系架构将采用成本有效的方式实现。这就意味着需要加强与国际合作伙伴与商业服务供应商的协作，以更短的时间和可担负的成本增量进行服务采购，满足用户不断增长的需求；在整个网络（例如，中继、地面站和任务终端），实现硬件、软件和协议的标准化。
（于金华 编译）
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