空間通信和導(dǎo)航研究系統(tǒng)技術(shù)的區(qū)別

大氣傳播研究

大氣傳播研究的目的是提高對(duì)NASA通信鏈路當(dāng)前和未來(lái)運(yùn)行地點(diǎn)微波和光學(xué)波段大氣效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)理解。

自先進(jìn)通信的Ka波段測(cè)量活動(dòng)以來(lái)，NASA格倫研究中心一直處于大氣傳播研究的最前沿1990年代的技術(shù)衛(wèi)星。從那時(shí)起，該中心繼續(xù)引領(lǐng)該領(lǐng)域的研究，對(duì)Ka波段、Q波段、V/W波段和光鏈路進(jìn)行了多次測(cè)量活動(dòng)。

大氣傳播研究的目的是提高對(duì)NASA通信鏈路當(dāng)前和未來(lái)運(yùn)行地點(diǎn)微波和光學(xué)波段大氣效應(yīng)（例如衰減，相位穩(wěn)定性等）的統(tǒng)計(jì)理解。除了為高效和有能力的通信鏈路設(shè)計(jì)提供信息外，這些測(cè)量還用于通過(guò)國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）等組織提高全球大氣模型的性能和準(zhǔn)確性。 對(duì)特定站點(diǎn)大氣傳播特性的了解提供了關(guān)鍵信息，有助于地對(duì)空通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能的系統(tǒng)規(guī)劃（即鏈路裕量、可用性、實(shí)際可支持的數(shù)據(jù)速率等）。 隨著NASA和商業(yè)衛(wèi)星通信資產(chǎn)向更高的頻率利用率（Ka波段及以上）發(fā)展，更寬頻譜帶寬的預(yù)期優(yōu)勢(shì)可以迅速被傳播問(wèn)題增加的現(xiàn)實(shí)所抵消，這可能導(dǎo)致更高的損耗，群延遲，去極化，氣體衰減和無(wú)線電噪聲。 通過(guò)表征這些影響，可以為特定站點(diǎn)的通信系統(tǒng)定義性能指標(biāo)，并且可以提高全球模型的保真度，這兩者都可以更好地了解大氣對(duì)通信系統(tǒng)退化的貢獻(xiàn)。 NASA大氣傳播研究的首要目標(biāo)是：

提供對(duì)Ka波段及以上傳播效應(yīng)的良好理解

開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)傳播相關(guān)效應(yīng)的模型

開(kāi)發(fā)減輕這些影響的工具

由于NASA對(duì)深空和近地的頻率利用率在2 GHz及以上，因此所表征的傳播效應(yīng)主要是由于對(duì)流層的貢獻(xiàn)，包括大氣衰減，降雨衰減，氣體吸收和大氣噪聲溫度。特別是，隨著頻譜使用向Ka波段頻率（26 GHz及以上）發(fā)展，由于雨量衰減和大氣噪聲溫度導(dǎo)致的損耗增加會(huì)降低地空通信鏈路裕量，并導(dǎo)致信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳輸丟失。 NASA感興趣的設(shè)施所描述的主要大氣效應(yīng)包括：

雨（雪）褪色 – 雨（或雪、冰）對(duì)總信號(hào)路徑衰減的貢獻(xiàn)

氣體吸收 – 大氣中的氣態(tài)成分（水蒸氣、云、氧氣等）對(duì)總信號(hào)路徑衰減的貢獻(xiàn)

亮度溫度 – 大氣對(duì)信號(hào)噪聲增加的貢獻(xiàn)

相位去相關(guān) – 大氣對(duì)相位噪聲增加的貢獻(xiàn)（退相干）

閃爍 – 通過(guò)大氣的信號(hào)功率快速波動(dòng)的現(xiàn)象

去極化 – 大氣對(duì)信號(hào)極化的影響

站點(diǎn)多樣性 – 空間分離的單孔徑天線系統(tǒng)的系統(tǒng)增益改進(jìn)

大氣傳播測(cè)量活動(dòng)

2、無(wú)線電頻譜傳輸研究

位于俄亥俄州克利夫蘭的 NASA 格倫研究中心的空間通信和頻譜管理辦公室負(fù)責(zé)管理技術(shù)項(xiàng)目的規(guī)劃、制定、實(shí)施和集成以及支持 NASA 空間通信和導(dǎo)航 （SCaN） 能力的通信系統(tǒng)分析能力。SCaN是NASA所有空間通信活動(dòng)的總部項(xiàng)目辦公室，包括地面設(shè)施和服務(wù)，并負(fù)責(zé)空間通信和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。

NASA對(duì)訪問(wèn)無(wú)線電頻譜的要求始于1958年該機(jī)構(gòu)的成立，幾十年來(lái)不斷發(fā)展壯大，包括廣泛的計(jì)劃和應(yīng)用。頻譜管理是由NASA格倫研究中心執(zhí)行的全機(jī)構(gòu)職能，包括國(guó)內(nèi)和國(guó)際協(xié)調(diào)和保護(hù)用于通信和無(wú)源傳感的頻譜。該功能涉及頻譜政策和相關(guān)分析功能的制定和執(zhí)行。

格倫研究中心為廣泛的SCaN功能進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)。2023年活躍技術(shù)項(xiàng)目目錄包括：

認(rèn)知通信?– 適用于空間通信鏈路、網(wǎng)絡(luò)和提供商調(diào)度的自主性和彈性技術(shù)

高延遲率容忍網(wǎng)絡(luò) （HDTN）?– 用于空間通信中繼和用戶終端的高速率延遲和中斷容忍網(wǎng)絡(luò)功能

月球LTE研究?– 支持集成地面LTE通信以用于月球環(huán)境的計(jì)量和分析

量子通信?– 多種量子通信技術(shù)的計(jì)量和開(kāi)發(fā)，包括量子存儲(chǔ)器

RealTOR?– 用于地面實(shí)施的高速率實(shí)時(shí)光通信接收器功能

SKOUT?– 用于近地Ka波段通信的有源相控陣天線

3、認(rèn)知通信

智能、自主的通信系統(tǒng)協(xié)同工作，優(yōu)化對(duì)太陽(yáng)系的探索。

認(rèn)知通信項(xiàng)目

認(rèn)知通信研究旨在通過(guò)增加鏈接、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)調(diào)度的自主性來(lái)減輕任務(wù)用戶日益增加的通信復(fù)雜性。美國(guó)宇航局傳統(tǒng)上發(fā)射了單個(gè)航天器任務(wù)，通常提前幾周安排，每個(gè)資產(chǎn)一次為一個(gè)用戶航天器提供服務(wù)。最近，美國(guó)宇航局的科學(xué)任務(wù)發(fā)現(xiàn)了另一種方法的好處，發(fā)射了成群的航天器，允許從不同角度協(xié)調(diào)同時(shí)觀測(cè)。隨著更復(fù)雜的群體任務(wù)的啟動(dòng)，一個(gè)挑戰(zhàn)將是協(xié)調(diào)群體內(nèi)的通信。NASA Glenn研究中心（GRC）的認(rèn)知通信項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)具有人工智能（AI）代理的分散空間網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化通信鏈路吞吐量，數(shù)據(jù)路由和系統(tǒng)范圍的資產(chǎn)管理，以緩解這一挑戰(zhàn)。

?

什么是認(rèn)知溝通？

美國(guó)宇航局的認(rèn)知通信項(xiàng)目將“認(rèn)知”定義為任何系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分，能夠克服障礙，響應(yīng)和學(xué)習(xí)環(huán)境，并在最少或沒(méi)有人類互動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)完成其主要任務(wù)的有益目標(biāo)。實(shí)際上，認(rèn)知系統(tǒng)必須有能力適應(yīng)不斷變化的條件，方法是在超出其最初開(kāi)始的預(yù)先編程知識(shí)的場(chǎng)景中產(chǎn)生合理的結(jié)果。這些系統(tǒng)利用認(rèn)知引擎（CE）或決策算法，使認(rèn)知系統(tǒng)的一部分成為可能。認(rèn)知引擎從過(guò)去的分配中學(xué)習(xí)，以隨著時(shí)間的推移提高任務(wù)通信性能。NASA航天器星座、通信中繼產(chǎn)品和任務(wù)架構(gòu)日益復(fù)雜，推動(dòng)了對(duì)自主通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需求。

技術(shù)創(chuàng)新

NASA GRC的認(rèn)知通信項(xiàng)目在四個(gè)不同但相互交織的領(lǐng)域進(jìn)行研究：

認(rèn)知鏈接?– 關(guān)于兩個(gè)設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)?– 關(guān)于多個(gè)設(shè)備在多個(gè)鏈路之間路由信息

認(rèn)知系統(tǒng)?– 關(guān)于設(shè)備之間的交互和支持地面和空間基礎(chǔ)設(shè)施

使能技術(shù)?– 關(guān)于設(shè)備的板載處理、傳感和適應(yīng)能力，允許其參與認(rèn)知鏈接、網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)

空間通信鏈路是兩個(gè)無(wú)線電與空間中至少一個(gè)無(wú)線電之間的無(wú)線連接。目前，NASA的任務(wù)在發(fā)射前確定無(wú)線電的確切通信系統(tǒng)配置。雖然這種方法經(jīng)過(guò)驗(yàn)證且穩(wěn)健，但它對(duì)發(fā)射后可能發(fā)生的實(shí)時(shí)任務(wù)變化也不靈活。與NASA目前使用的傳統(tǒng)鏈接方法相比，使用認(rèn)知鏈接方法的好處包括減少射頻（RF）干擾造成的數(shù)據(jù)丟失，優(yōu)化吞吐量和減輕操作員負(fù)擔(dān)。

空間通信網(wǎng)絡(luò)用于在多個(gè)通信鏈路之間路由信息。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是讓自主方面不僅理解系統(tǒng)之間的接口，而且還進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)。NASA已經(jīng)證明需要容忍延遲和中斷的網(wǎng)絡(luò)，稱為延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）。NASA GRC的工程師目前正在研究將認(rèn)知方面整合到DTN協(xié)議中的方法。

認(rèn)知系統(tǒng)旨在優(yōu)化整個(gè)空間通信系統(tǒng)的性能，改善任務(wù)航天器和地面服務(wù)提供商基礎(chǔ)設(shè)施之間的交互。目前，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商根據(jù)每個(gè)特派團(tuán)業(yè)務(wù)人員的請(qǐng)求管理對(duì)最高性能服務(wù)的訪問(wèn)。任務(wù)操作員必須提前幾周預(yù)測(cè)航天器的指揮和數(shù)據(jù)傳輸需求。通過(guò)提高系統(tǒng)自主性，任務(wù)航天器可以根據(jù)其當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸需求協(xié)商對(duì)通信服務(wù)的訪問(wèn)，而無(wú)需用戶干預(yù)。

使能技術(shù)用于調(diào)整現(xiàn)代設(shè)備，如神經(jīng)形態(tài)處理器，以實(shí)現(xiàn)認(rèn)知能力。在航天器上實(shí)現(xiàn)認(rèn)知通信功能所需的硬件通常模仿在地面上實(shí)現(xiàn)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的硬件。雖然這四個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域中的每一個(gè)都可以獨(dú)立成熟，但最終目標(biāo)是過(guò)渡到集成到分散的認(rèn)知空間通信系統(tǒng)中。

4、通訊服務(wù)項(xiàng)目

通信服務(wù)項(xiàng)目（CSP）正在開(kāi)創(chuàng)NASA近地空間通信的未來(lái)，評(píng)估商業(yè)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的可行性，以可靠地支持未來(lái)的NASA任務(wù)。

私營(yíng)部門在近地空間的創(chuàng)新正在迅速而急劇地加速。利用這些進(jìn)步將確保NASA任務(wù)擁有可靠，安全和持續(xù)的空間通信，這是其長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)所依賴的。隨著NASA擁有和運(yùn)營(yíng)的傳統(tǒng)跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRS）系統(tǒng)在未來(lái)幾年退役，這是必要的。

采用商業(yè)衛(wèi)星通信功能將使特派團(tuán)能夠利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)政府能力的私營(yíng)部門投資。使用商業(yè)技術(shù)將為NASA任務(wù)提供節(jié)省成本的持續(xù)行業(yè)創(chuàng)新，節(jié)省可以重新專注于科學(xué)工作的資金。

CSP的努力也是為SATCOM提供商邁向無(wú)盡新機(jī)遇的第一步。雖然大多數(shù)數(shù)據(jù)傳統(tǒng)上是從太空傳輸?shù)降厍虻?，但現(xiàn)在將有更多的內(nèi)容和更多的雙向通信要求，這需要新的雙向、更高容量的能力。

CSP將幫助培育一類新的商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)，以滿足這一需求。這些服務(wù)和新的服務(wù)模式可以被其他政府機(jī)構(gòu)甚至商業(yè)太空飛行公司使用，以支持他們自己的任務(wù)要求。這將促進(jìn)工業(yè)發(fā)展，同時(shí)能夠長(zhǎng)期支持NASA的近地太空任務(wù)。

分階段的方法

從代理資產(chǎn)到商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)的轉(zhuǎn)變是一項(xiàng)復(fù)雜的操作。CSP通過(guò)三階段策略采用計(jì)算和有條不紊的方法。

第一階段涉及配方，在此期間，CSP團(tuán)隊(duì)制定了一項(xiàng)策略，以確定和分析NASA當(dāng)前的衛(wèi)星使用情況和未來(lái)的通信需求。在整個(gè)階段，該團(tuán)隊(duì)還評(píng)估了現(xiàn)有的行業(yè)能力，以幫助各方（NASA，行業(yè)和其他政府機(jī)構(gòu)）在未來(lái)的機(jī)會(huì)上保持一致。CSP 團(tuán)隊(duì)使用了已在空間中繼伙伴關(guān)系和服務(wù)研究征求意見(jiàn)，以幫助為其第一階段工作提供信息。

第二階段涉及正在開(kāi)發(fā)和展示能力的精選公司，以證明其衛(wèi)星通信服務(wù)可以滿足NASA的各種任務(wù)需求。這些初始合同是根據(jù)《資助空間法協(xié)議》授予的。建立互利關(guān)系將導(dǎo)致增加公私合作，并將有助于鼓勵(lì)為支持任務(wù)需求而開(kāi)發(fā)的獨(dú)特能力所產(chǎn)生的新行業(yè)創(chuàng)新。

第二階段還將涉及開(kāi)發(fā)NASA獲得能夠滿足其未來(lái)需求的商業(yè)服務(wù)所需的新模型。

在第3階段，即最后一個(gè)項(xiàng)目階段，NASA將開(kāi)始收購(gòu)并過(guò)渡到由多個(gè)行業(yè)合作伙伴提供的可靠且具有成本效益的衛(wèi)星通信服務(wù)。

5、高速率延遲容忍網(wǎng)絡(luò) （HDTN） 項(xiàng)目

為了滿足不斷增長(zhǎng)的用戶對(duì)數(shù)據(jù)返回的需求并擴(kuò)展NASA探索和科學(xué)任務(wù)的能力，人們正在加速將光通信技術(shù)與現(xiàn)有的射頻（RF）功能注入一個(gè)可操作的網(wǎng)絡(luò)。太空通信和導(dǎo)航（SCaN）計(jì)劃正在開(kāi)發(fā)新的通信技術(shù)，可用于增加未來(lái)太空任務(wù)返回的科學(xué)數(shù)據(jù)量。

從地球到任何航天器的通信都是一個(gè)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，主要是由于所涉及的距離非常遠(yuǎn)。當(dāng)數(shù)據(jù)在數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)英里的太空中傳輸和接收時(shí)，延遲和中斷或數(shù)據(jù)丟失的可能性是巨大的。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）是NASA為太空任務(wù)提供可靠互聯(lián)的解決方案。美國(guó)宇航局格倫研究中心（GRC）的高速率延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（HDTN）項(xiàng)目正在開(kāi)發(fā)一種協(xié)議套件，作為在航天器有效載荷之間以及在以一系列不同速率運(yùn)行的通信系統(tǒng)之間移動(dòng)數(shù)據(jù)的高速路徑。

技術(shù)進(jìn)步

DTN是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型和用于傳輸信息的規(guī)則系統(tǒng)，通常稱為協(xié)議套件，它將地面互聯(lián)網(wǎng)功能擴(kuò)展到傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)法正常工作的太空中具有挑戰(zhàn)性的通信環(huán)境。這些環(huán)境通常會(huì)受到頻繁中斷、鏈路僅限于一個(gè)方向、可能長(zhǎng)時(shí)間的延遲和高錯(cuò)誤率的影響。

NASA GRC的HDTN團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確定了幾種技術(shù)解決方案，以解決空間網(wǎng)絡(luò)所需的升級(jí)問(wèn)題，同時(shí)考慮現(xiàn)有的射頻基礎(chǔ)設(shè)施。該項(xiàng)目旨在提供可重新配置的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能，以支持不斷變化的任務(wù)要求和開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)提供反饋路徑，為未來(lái)的系統(tǒng)認(rèn)知和自主奠定基礎(chǔ)。該實(shí)施包括主動(dòng)和被動(dòng)鏈路管理解決方案，以最佳方式利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。

盡管 HDTN 實(shí)現(xiàn)的硬件和軟件細(xì)節(jié)取決于應(yīng)用程序，但作為協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的 DTN 與作為參考體系結(jié)構(gòu)的處理體系結(jié)構(gòu)、內(nèi)存存儲(chǔ)和 I/O 元素之間的關(guān)系將保持不變。由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)緩沖解決方案足夠通用，可以提供任務(wù)可擴(kuò)展性和與其他 DTN 實(shí)現(xiàn)的互操作性。

未來(lái)的 DTN 應(yīng)用

2016年5月，國(guó)際空間站實(shí)施了一項(xiàng)機(jī)構(gòu)延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）服務(wù)來(lái)支持有效載荷。空間站DTN的實(shí)施大大提高了有效載荷科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少了操作開(kāi)銷和規(guī)劃，并提供了支持未來(lái)任務(wù)支持應(yīng)用的架構(gòu)。NASA Glenn的研發(fā)團(tuán)隊(duì)目前正在研究國(guó)際空間站的申請(qǐng)?？臻g站HDTN實(shí)施是基于軟件的，可以在軌道上的現(xiàn)有處理器上運(yùn)行。該原型在實(shí)驗(yàn)室中成功且一致地演示了跨測(cè)試臺(tái)仿真器的捆綁路由。

NASA GRC正在完成的工作是與美國(guó)宇航局馬歇爾太空飛行中心合作完成的，并將與其DTN實(shí)施（稱為DTN-ME）相結(jié)合，以交付給空間站。未來(lái)的航天器應(yīng)用可能需要比當(dāng)前拱形紋理所能提供的更快的速率，因此HDTN的硬件加速版本也在開(kāi)發(fā)中，目標(biāo)是100-200 Gbps，使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。

DTN 支持使用多種路徑和提供程序，以有效地將數(shù)據(jù)從深空傳送到地球

延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）已被確定為促進(jìn)未來(lái)空間網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和增長(zhǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。DTN 是一種覆蓋網(wǎng)絡(luò)，它使用捆綁協(xié)議連接一次不同的一對(duì)一鏈路。捆綁包是 DTN 中數(shù)據(jù)的主要單元，基本上可以是任何大小。現(xiàn)有的 DTN 實(shí)施在資源有限的受限環(huán)境中運(yùn)行，導(dǎo)致數(shù)據(jù)速度低，并且不能利用超過(guò)可用系統(tǒng)容量的一小部分。然而，隨著各種技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)傳輸速率和效率也在提高。迄今為止，大多數(shù)已知的DTN實(shí)現(xiàn)都設(shè)計(jì)為在航天器上運(yùn)行。

與當(dāng)今的 DTN 操作相比，高速率延遲容忍網(wǎng)絡(luò) （HDTN） 利用現(xiàn)代硬件平臺(tái)大幅減少延遲并提高吞吐量。HDTN 保持與符合 IETF RFC 5050 的現(xiàn)有 DTN 部署的兼容性。同時(shí)，HDTN定義了一種新的數(shù)據(jù)格式，更適合更高速率的操作。它定義并采用了大規(guī)模并行的流水線和面向消息的體系結(jié)構(gòu)，允許系統(tǒng)隨著資源的增加而優(yōu)雅地?cái)U(kuò)展。HDTN 的架構(gòu)還支持鉤子，用專用的硬件加速器替換各種處理管道元素。這提供了改進(jìn)的尺寸、重量和功耗 （SWaP） 特性，同時(shí)降低了開(kāi)發(fā)復(fù)雜性和成本。

6、集成無(wú)線電光通信

集成無(wú)線電光通信（iROC）終端概念為空間通信技術(shù)提供了一種混合射頻（RF）和光學(xué)方法。通過(guò)將無(wú)線電和光學(xué)通信模式集成到一個(gè)終端中，將實(shí)現(xiàn)高水平的通信系統(tǒng)魯棒性。與標(biāo)準(zhǔn)的純無(wú)線電和純光纖終端相比，混合終端概念可降低尺寸重量和功率 （SWaP）。將高速無(wú)信標(biāo)光通信系統(tǒng)與成熟的射頻技術(shù)集成將創(chuàng)建一個(gè)故障安全通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可以減少通信中斷，又可以大大提高數(shù)據(jù)速率吞吐量。格倫研究中心領(lǐng)導(dǎo)iROC，開(kāi)發(fā)了包括初級(jí)、二次和三級(jí)光學(xué)器件在內(nèi)的精密光學(xué)器件，并正在進(jìn)行系統(tǒng)集成、測(cè)試和演示工作。為了支持iROC終端的開(kāi)發(fā)，Glenn正在與其商業(yè)合作伙伴共同開(kāi)發(fā)適用于新型無(wú)信標(biāo)指向系統(tǒng)架構(gòu)的干涉星跟蹤器，緊湊，輕便的隔振平臺(tái)和射頻透明碳化硅。

iROC項(xiàng)目的進(jìn)展

iROC終端最初設(shè)計(jì)用于支持火星通信中繼任務(wù)，類似于火星勘測(cè)軌道飛行器。iROC終端的設(shè)計(jì)能力最近得到了擴(kuò)展，最近的變體重新定位以支持月球任務(wù)。

iROC終端設(shè)計(jì)可擴(kuò)展，從月球應(yīng)用到火星任務(wù)，以及遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出火星的任務(wù)。

iROC 登月終端擴(kuò)展視圖，包括 teletenna 和緊湊型輕型隔離平臺(tái) （CLIP）

根據(jù)空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì)（STMD）改變游戲規(guī)則的發(fā)展（GCD）計(jì)劃，iROC項(xiàng)目將推動(dòng)技術(shù)就緒級(jí)別 （TRL）火星版的 iROC 從 3 到 5，為過(guò)渡到飛行演示做準(zhǔn)備。在STMD GCD計(jì)劃下，將展示無(wú)信標(biāo)指向技術(shù)（在天文觀測(cè)能力限制范圍內(nèi)），其精度足以支持行星范圍內(nèi)的高速率（100 Mb / s）光通信。

技術(shù)就緒級(jí)別 （TRL） 是一種用于評(píng)估特定技術(shù)的成熟度級(jí)別的測(cè)量系統(tǒng)。每個(gè)技術(shù)項(xiàng)目都根據(jù)每個(gè)技術(shù)級(jí)別的參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，然后根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度分配TRL評(píng)級(jí)。有九個(gè)技術(shù)準(zhǔn)備級(jí)別。TRL 1 是最低的，TRL 9 是最高的。 當(dāng)一項(xiàng)技術(shù)處于TRL 1時(shí)，科學(xué)研究就開(kāi)始了，這些結(jié)果正在轉(zhuǎn)化為未來(lái)的研究和開(kāi)發(fā)。TRL 2 一旦研究了基本原理并且可以應(yīng)用于這些初步發(fā)現(xiàn)，就會(huì)發(fā)生。TRL 2技術(shù)非常具有推測(cè)性，因?yàn)樵摷夹g(shù)幾乎沒(méi)有實(shí)驗(yàn)概念證明。 當(dāng)積極的研究和設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)，一項(xiàng)技術(shù)被提升到TRL 3。通常，在這個(gè)級(jí)別上需要進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)室研究，以確定一項(xiàng)技術(shù)是否可行并準(zhǔn)備好在開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)一步進(jìn)行。通常在TRL 3期間，會(huì)構(gòu)建概念驗(yàn)證模型。 ? 一旦概念驗(yàn)證技術(shù)準(zhǔn)備就緒，該技術(shù)將推進(jìn)到 TRL 4。在 TRL 4 期間，多個(gè)組件相互測(cè)試。TRL 5 是 TRL 4 的延續(xù)，但是，位于 5 的技術(shù)被確定為試驗(yàn)板技術(shù)，必須比僅在 TRL 4 的技術(shù)進(jìn)行更嚴(yán)格的測(cè)試。模擬應(yīng)在盡可能接近現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中運(yùn)行。一旦TRL 5的測(cè)試完成，一項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)推進(jìn)到TRL 6。TRL 6 技術(shù)具有功能齊全的原型或代表性模型。 TRL 7技術(shù)要求在空間環(huán)境中演示工作模型或原型。TRL 8 技術(shù)已經(jīng)過(guò)測(cè)試并“飛行合格”，可以實(shí)施到現(xiàn)有的技術(shù)或技術(shù)系統(tǒng)中。一旦一項(xiàng)技術(shù)在成功任務(wù)中得到“飛行驗(yàn)證”，它就可以被稱為TRL 9。

技術(shù)發(fā)展

iROC項(xiàng)目包含許多技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)混合射頻（32 GHz）和光（1550 nm）空間通信，同時(shí)最大限度地減少質(zhì)量。該終端使用特殊的望遠(yuǎn)鏡/天線系統(tǒng)或“teletenna”，其中無(wú)線電波和光波都有效地聚焦并傳輸?shù)降厍蛏系?a target="_blank">接收器。Teletenna飛行版本的構(gòu)造是通過(guò)使用特殊摻雜的碳化硅（SiC）材料完成的，該材料通過(guò)RF能量而不會(huì)顯著損失信號(hào)功率。SiC是一種由于材料特性而經(jīng)常用于制造太空望遠(yuǎn)鏡的材料。使用低損耗RF SiC有助于實(shí)現(xiàn)iROC終端的混合孔徑設(shè)計(jì)，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)對(duì)RF波的干擾程度將比通常遇到的金屬結(jié)構(gòu)小得多。選擇僅由SiC形成iROC結(jié)構(gòu)為iROC終端提供了有效的熱化策略。

iROC系統(tǒng)無(wú)需借助地面光學(xué)接收望遠(yuǎn)鏡的上行信標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)光束的穩(wěn)定和指向。具有小發(fā)散角光束的星載光通信系統(tǒng)的無(wú)信標(biāo)指向尚未得到證明。與以前的無(wú)信標(biāo)指向方法相反，為iROC終端開(kāi)發(fā)的無(wú)信標(biāo)系統(tǒng)采用單個(gè)傳感器進(jìn)行姿態(tài)感應(yīng)，并將通信波束視線（CBLOS）配準(zhǔn)到姿態(tài)估計(jì)。這種 iROC 概念避免了復(fù)雜的光學(xué)計(jì)量系統(tǒng)，這些系統(tǒng)限制了競(jìng)爭(zhēng)方法的魯棒性。作為該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一部分，iROC項(xiàng)目成熟，適應(yīng)和集成高精度/低SWaP干涉星跟蹤器（iST）技術(shù)。

iROC的第三個(gè)重要技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域是緊湊型輕量級(jí)隔離平臺(tái)（CLIP）。CLIP為光學(xué)系統(tǒng)提供平臺(tái)穩(wěn)定和精細(xì)指向。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)槠脚_(tái)穩(wěn)定會(huì)顯著減少航天器振動(dòng)帶來(lái)的初級(jí)和次級(jí)光學(xué)器件之間的運(yùn)動(dòng)。iROC終端的中等尺寸光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)了光束穩(wěn)定和精細(xì)指向的“平臺(tái)穩(wěn)定”方法，其中整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)與航天器振動(dòng)隔離開(kāi)來(lái)。平臺(tái)穩(wěn)定帶來(lái)的一次和二次光學(xué)之間的運(yùn)動(dòng)減少降低了對(duì)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度的要求，從而允許光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稀疏和輕量化。通過(guò)使用作為CLIP系統(tǒng)一部分的極小磁流體動(dòng)力（MHD）速率陀螺儀技術(shù)，進(jìn)一步減輕了iROC的重量。

用于 iROC 指向和光束穩(wěn)定的解耦控制環(huán)路

望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的稀疏性減少了射頻阻塞。平臺(tái)穩(wěn)定功能可簡(jiǎn)化和解耦終端內(nèi)的各種控制回路。

iROC 合作者

NASA已將通過(guò)iROC開(kāi)發(fā)的幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域分拆為單獨(dú)的項(xiàng)目，包括高速率延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（HDTN）項(xiàng)目和實(shí)時(shí)光接收器（RealTOR）項(xiàng)目。iROC的許多技術(shù)發(fā)展都是通過(guò)使用NASA實(shí)現(xiàn)的。SBIR資金。iROC終端的開(kāi)發(fā)得到了許多中小型企業(yè)的貢獻(xiàn)，包括：光學(xué)物理公司（加利福尼亞州西米谷）的iST，應(yīng)用技術(shù)協(xié)會(huì)（新墨西哥州阿爾伯克基）的隔振/無(wú)干擾平臺(tái)技術(shù)和Xinetics（劍橋，馬薩諸塞州）的SiC技術(shù)。

7、月球LTE研究（月球LiTES）

位于俄亥俄州克利夫蘭的美國(guó)宇航局格倫研究中心的月球LTE研究（LunarLiTES）項(xiàng)目正在評(píng)估連接我們?cè)诘厍蛏系囊苿?dòng)設(shè)備的4G和5G技術(shù)如何轉(zhuǎn)化為月球環(huán)境，目標(biāo)是為下一代探險(xiǎn)家提供他們?cè)诘厍蛏纤赖南嗤耐ㄐ疟憷?。我們口袋里攜帶的地面技術(shù)是月球網(wǎng)絡(luò)的明確選擇，但在月球上的表現(xiàn)與在地球上的表現(xiàn)明顯不同。LunarLiTES團(tuán)隊(duì)專注于將4G和5G LTE功能添加到用于研究創(chuàng)新通信系統(tǒng)（MATRICS）仿真環(huán)境的多資產(chǎn)測(cè)試平臺(tái)中，其具體目標(biāo)是表征月球表面4G和5G通信的性能。MATRICS是NASA GRC的仿真環(huán)境，可以在精確重建的射頻環(huán)境中運(yùn)行完整的通信系統(tǒng)硬件。

支持阿爾忒彌斯勘探

通過(guò)阿爾忒彌斯，美國(guó)宇航局將在月球上建立長(zhǎng)期的人類存在，比以往任何時(shí)候都更多地開(kāi)放月球表面的科學(xué)和探索。月球活動(dòng)的快速增長(zhǎng)將需要強(qiáng)大的通信、導(dǎo)航和網(wǎng)絡(luò)能力，以應(yīng)對(duì)在月球上生活和工作的獨(dú)特挑戰(zhàn)。月球南極是我們以前從未去過(guò)的月球區(qū)域，那里有永久陰影的隕石坑里有水冰，這是人類可持續(xù)存在的寶貴資源。然而，這些新的極地任務(wù)將比過(guò)去阿波羅在月球中緯度地區(qū)的任務(wù)更具挑戰(zhàn)性。航天器、宇航員和機(jī)器人任務(wù)在月球表面工作時(shí)將需要連續(xù)、可靠的連接，尤其是在南極具有挑戰(zhàn)性的景觀中。通信鏈路對(duì)于控制航天器、返回科學(xué)數(shù)據(jù)以及幫助任務(wù)在探索未知地形時(shí)導(dǎo)航和確定其精確位置至關(guān)重要。

未來(lái)應(yīng)用

美國(guó)宇航局空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì)已資助諾基亞在未來(lái)的美國(guó)宇航局商業(yè)月球有效載荷服務(wù)（CLPS）飛行期間在月球表面展示4G LTE網(wǎng)絡(luò)。LunarLiTES項(xiàng)目通過(guò)模擬和模擬月球表面的通信鏈路來(lái)支持這一任務(wù)，以預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的性能，并最終提高模擬月球表面?zhèn)鞑ズ筒渴饛?qiáng)大網(wǎng)絡(luò)以維持探索的能力。這些通信鏈路對(duì)于控制航天器、返回科學(xué)數(shù)據(jù)以及在阿爾忒彌斯宇航員探索未知地形時(shí)確定精確位置至關(guān)重要。

8、程序系統(tǒng)工程 （PSE）

NASA的計(jì)劃系統(tǒng)工程（PSE）團(tuán)隊(duì)是整個(gè)空間通信和導(dǎo)航（SCaN）系統(tǒng)工程（SE）團(tuán)隊(duì)的一部分。SCaN SE團(tuán)隊(duì)與整個(gè)機(jī)構(gòu)的各種計(jì)劃進(jìn)行交互，以確保SCaN技術(shù)，無(wú)線電頻譜和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃是可行的，并響應(yīng)NASA的所有空間通信和導(dǎo)航需求。SCaN SE由SCaN的PSE辦公室管理，促進(jìn)和協(xié)調(diào)，與SCaN內(nèi)的所有部門和辦公室以及相關(guān)的NASA中心相互接口。NASA的每個(gè)部門都將其獨(dú)特的SE方法應(yīng)用于其SCaN特定職能，但是與PSE辦公室的協(xié)調(diào)確保了SCaN和該機(jī)構(gòu)的無(wú)縫SE理解。

PSE團(tuán)隊(duì)由來(lái)自NASA總部以及其他NASA中心的成員組成。SCaN PSE綜合團(tuán)隊(duì)的成員共同開(kāi)展整個(gè)SCaN SE計(jì)劃活動(dòng)。通過(guò)共同參與計(jì)劃層面的審查和工作組會(huì)議，PSE組織得到加強(qiáng);生命周期開(kāi)發(fā)和收購(gòu)活動(dòng)，從概念研究到退役;開(kāi)發(fā)從計(jì)劃到項(xiàng)目層面的需求;以及對(duì)整個(gè)SCaN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的能力的評(píng)估。

SCaN 系統(tǒng)工程功能

SCaN 系統(tǒng)工程團(tuán)隊(duì)監(jiān)控整個(gè)項(xiàng)目中 SCaN 系統(tǒng)工程工作的總和。它不是一個(gè)特定的組織，而是一個(gè)過(guò)程。SE包括來(lái)自所有SCaN組織的元素，即：NSD，ACNT，頻譜政策和規(guī)劃司（SPP），政策和戰(zhàn)略傳播辦公室（PSC），業(yè)務(wù)管理辦公室（BMO）和計(jì)劃系統(tǒng)工程（PSE）辦公室，其中包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn);以及相關(guān)的美國(guó)宇航局中心;利益相關(guān)者;和用戶社區(qū)。NASAPSE部門的部分職責(zé)是提供SCaN技術(shù)項(xiàng)目和計(jì)劃系統(tǒng)工程之間的協(xié)調(diào)，以維護(hù)整個(gè)SCaN計(jì)劃技術(shù)基線。

SCaN SE團(tuán)隊(duì)促進(jìn)跨SCaN計(jì)劃和項(xiàng)目邊界的這些活動(dòng)，并在各種內(nèi)部和外部組織之間進(jìn)行協(xié)調(diào)以實(shí)現(xiàn)該計(jì)劃的特定目標(biāo)，并與整個(gè)SCaN組織和NASA中心的利益相關(guān)者進(jìn)行互動(dòng)，以定義SCaN計(jì)劃級(jí)別的要求;讓項(xiàng)目代表有機(jī)會(huì)分析和討論計(jì)劃和項(xiàng)目空間C&N需求;并驗(yàn)證基線要求。

PSE 團(tuán)隊(duì)通過(guò)作為 PSE 團(tuán)隊(duì)一部分的各種功能主題專家和各種網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域?qū)＜抑g的合作來(lái)實(shí)現(xiàn)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)合作。例如，GRC中心PSE SE Lead利用代理任務(wù)團(tuán)隊(duì)（SMT）向PSE團(tuán)隊(duì)提供有關(guān)任務(wù)用戶需求的建議。

9、量子通信項(xiàng)目

美國(guó)宇航局格倫研究中心的量子通信項(xiàng)目是一個(gè)空間通信和導(dǎo)航（SCaN）項(xiàng)目，積極參與光量子科學(xué)，技術(shù)開(kāi)發(fā)和太空應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

格倫的量子通信工作是通過(guò)研究量子光通信技術(shù)和架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)基于太空的量子網(wǎng)絡(luò)的推動(dòng)的。天基量子網(wǎng)絡(luò)是長(zhǎng)距離通信的關(guān)鍵，因?yàn)樵诘厍蛏鲜褂玫幕诠饫w的解決方案在遠(yuǎn)距離（例如洲際或跨洋距離）上使用是不可行的。為了支持創(chuàng)建量子技術(shù)的天基應(yīng)用，研究人員一直致力于在不犧牲性能的情況下減小量子設(shè)備的尺寸、重量和功率。

美國(guó)宇航局量子計(jì)量實(shí)驗(yàn)室

美國(guó)宇航局格倫研究中心是美國(guó)宇航局量子計(jì)量實(shí)驗(yàn)室（NQML）的所在地，量子科學(xué)家致力于驗(yàn)證和確認(rèn)用于太空應(yīng)用的量子硬件和網(wǎng)絡(luò)模型。GRC研究人員表征NQML中最先進(jìn)的量子設(shè)備，并將性能信息輸入網(wǎng)絡(luò)模型。

GRC與業(yè)界合作開(kāi)發(fā)了一種高強(qiáng)度糾纏源，使組件能夠從全光學(xué)臺(tái)大小的系統(tǒng)縮小到適合手掌的封裝。

10、實(shí)時(shí)光接收機(jī)（RealTOR）項(xiàng)目

位于俄亥俄州克利夫蘭的NASA格倫研究中心的實(shí)時(shí)光接收器（RealTOR）項(xiàng)目正在使用商用現(xiàn)貨（COTS）技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)一種便攜式，可擴(kuò)展和低成本的建筑解決方案光通信接地接收器。光通信，也稱為激光通信，使用紅外光而不是無(wú)線電波來(lái)編碼和傳輸?shù)厍蛐畔?。這項(xiàng)技術(shù)將為任務(wù)提供更高的數(shù)據(jù)速率，使傳輸回地球的數(shù)據(jù)比NASA目前使用的射頻系統(tǒng)多10到100倍。除了為光通信光子計(jì)數(shù)地面接收器開(kāi)發(fā)低成本解決方案外，RealTOR項(xiàng)目還開(kāi)發(fā)了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的發(fā)射器來(lái)測(cè)試RealTOR系統(tǒng)，目前正在進(jìn)行子系統(tǒng)集成，測(cè)試和演示工作。

RealTOR系統(tǒng)實(shí)施空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）光通信高光子效率（HPE）標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將用于未來(lái)的光子計(jì)數(shù)任務(wù)，如光學(xué)Artemis-2獵戶座通信（O2O）任務(wù)。

技術(shù)開(kāi)發(fā)

RealTOR項(xiàng)目有幾個(gè)子系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)中，包括發(fā)射器FPGA，大氣鏈路仿真和RealTOR系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光纖器件，COTS超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）和基于FPGA的接收器組成。以下技術(shù)使RealTOR系統(tǒng)能夠在馬里蘭州格林貝爾特的戈達(dá)德地球物理和天文臺(tái)的低成本光終端（LCOT）地面站上實(shí)現(xiàn)。

在處理空間到地球的光通信時(shí)，激光最初從航天器發(fā)射，并由連接到地球上地面站的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收。在RealTOR系統(tǒng)中，光纖設(shè)備充當(dāng)橋梁，將LCOT地面站光學(xué)望遠(yuǎn)鏡輸出的紅外光連接到位于設(shè)備掩體中的單光子探測(cè)器。

COTS單光子探測(cè)器感應(yīng)光纖器件傳輸?shù)募t外光;當(dāng)光子撞擊探測(cè)器時(shí)，電脈沖被發(fā)送到基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的接收器進(jìn)行處理。

基于 COTS FPGA 的接收器完成了 RealTOR 系統(tǒng)的最終角色。在接收到來(lái)自單光子探測(cè)器的電脈沖后，接收器將脈沖解碼為NASA可讀的可測(cè)量數(shù)據(jù)。

基于 COTS FPGA 的發(fā)射器通過(guò)使地面站能夠向遙遠(yuǎn)的航天器發(fā)送光通信，與地球到空間通信一起發(fā)揮作用。

RealTOR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于接收串行級(jí)聯(lián)脈沖位置調(diào)制 （SCPPM） 波形，符合 CCSDS HPE 標(biāo)準(zhǔn)，并使用多個(gè)單獨(dú)耦合到 SNSPD 的光纖并行擴(kuò)展至所需的數(shù)據(jù)速率。RealTOR系統(tǒng)旨在實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)高達(dá)530 Mbps的數(shù)據(jù)速率，以支持戈達(dá)德地球物理和天文臺(tái)（GGAO）的O2O低成本光終端（LCOT）演示，以及未來(lái)的光通信低成本地面站工作。

未來(lái)技術(shù)應(yīng)用

RealTOR低成本接收器旨在增加光子計(jì)數(shù)光通信的使用，并在國(guó)際上注入CCSDS光通信HPE標(biāo)準(zhǔn)的使用。預(yù)計(jì)這一發(fā)展將提高地面光子計(jì)數(shù)光接收器的可靠性和可負(fù)擔(dān)性，適用于政府和行業(yè)應(yīng)用。

編輯：黃飛

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