面向大规模星座的星间组网技术研究

  

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来源：国际太空作者：刘斌 李晓亮 麻智超 王坚

引  言：20世纪末，以“铱星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）为代表的星座计划掀起了第一代卫星星座网络发展浪潮，但因无法与迅猛发展的地面网络竞争，以及因商业运营策略方面的失误而发展滞后，纷纷宣告失败。近年来，以“星链”（Starlink）、“一网”（OneWeb）等为代表的商业卫星互联网星座计划快速推进，推动了以低轨大规模星座为特征的新一轮空间信息网络发展浪潮。各类卫星星座的结构越来越复杂，呈现出低成本、扩散性、网络化、智能化的发展趋势，如何高效地发挥其潜力并实现大规模星座组网应用是一项重要课题。

卫星星座的星间组网方式主要有两种：一种是地面组网方式，星上只进行透明转发，依赖地面信关站进行信息处理、联网和转发；另一种是星间组网方式，卫星配备星间链路，在星上进行信息处理和路由转发。随着卫星星座的规模逐步扩大，地面组网方式逐渐暴露出依赖大量信关站、星地多次转发导致通信时延大等缺点，越来越难以满足大规模星座应用需求，而星间组网方式能够克服上述不足，逐渐成为了大规模星座组网的主要技术手段。

星间组网是通过星间链路将多颗卫星连接起来，形成一个以卫星为交换节点的空间信息传输网络，实现卫星星座内任意节点之间的数据通信。本文将对大规模星座的星间组网技术展开研究，在总结分析星间组网技术发展现状的基础上，归纳提出星间组网体系架构及关键技术，并对未来的技术发展方向进行总结。

1 星间组网技术发展现状

     

国外发展现状

自2015年起，国内外相继提出了一大批低轨大规模星座计划。其中，OneWeb采用了地面组网方式，Starlink、“星盾”（Starshield）、“黑杰克”（Blackjack）、大规模弹性作战太空体系（PWSA）等采用了星间组网方式。

（1）Starlink和Starshield星座

美国太空探索技术公司（SpaceX）于2015年发布商业低轨星座Starlink项目，计划部署卫星规模4.2万颗。截至2024年9月25日，Starlink卫星发射总数达到7062颗，服务已覆盖全球100多个国家和地区，用户数量突破400万，是目前规模最大、部署最快、应用最广的卫星星座。Starlink项目初期并没有规划星间链路，从V1.5卫星开始配备激光通信终端，通过星间组网方式进行星上路由转发，大幅降低了全球通信时延。

Starlink星座具备加密通信能力，与美军合作开展了地面武器、无人机、无人艇等各类演习，在战场通信、指挥控制、情报传输等方面具有重要的军事应用价值。2022年12月，SpaceX公司正式发布Starshield项目，计划用3年时间完成1.5万颗卫星发射和组网部署。Starshield项目专门为政府、国防和情报部门服务，美军将基于成熟的Starlink卫星平台技术构建综合能力更强的国防专用星座，也标志着Starlink计划朝着军事化应用迈出了关键一步。2024年上半年，Starshield完成了两次专程发射，共将41颗侦察卫星送入预定轨道。

（2）OneWeb星座

OneWeb公司成立于2012年，致力于构建一个能够覆盖全球的高速宽带网络。OneWeb星座规划588颗卫星用于全球覆盖，并通过增加冗余卫星实现弹性和备份，卫星分布在18个极轨轨道面上，轨道高度为450km。OneWeb星座于2019年2月开始发射，2023年3月完成第18次卫星发射，卫星总数达到618颗，完成了第一代星座组网，开始全球商业运营。由于OneWeb星座设计较早，没有采用星间链路，主要依靠在全球布设地面站实现卫星联网，预计其第二代星座将会引入星间组网技术。

（3）Blackjack项目

Blackjack项目是美国国防高级研究计划局（DARPA）于2018年发起的研发项目，旨在利用商业卫星技术构建一个安全、低成本、短周期的军事低轨卫星星座。Blackjack项目采用激光通信链路进行星间组网。该项目于2021年1月发射第一颗卫星，2022年9月发射第二颗卫星，2023年6月再发射了4颗卫星，之后宣布不再发射新卫星。虽然该项目已被中止，但其探索的激光星间组网技术经验为PWSA星座的发展提供了重要借鉴。

（4）PWSA星座

2019年，美军太空发展局（SDA）成立，随后发布了国防太空架构（NDSA）计划，旨在建设专用的军事低轨卫星星座，向作战人员提供军事卫星通信、定位导航授时、导弹预警和跟踪以及对地/海目标成像等能力。该计划于2023年1月更名为“大规模弹性作战太空体系”，通过分阶段部署和螺旋式发展模式，快速引入新技术，以应对不断出现的新威胁，这标志着美军太空架构逐渐从单一性、脆弱性向多样化、扩散和弹性的方向转变。

PWSA星座由数百颗低轨卫星组成，分为传输层、跟踪层、导航层、托管层、威慑层、作战管理层、支持层等七个功能层。其中，传输层卫星搭载2个或4个激光终端，通过激光通信链路进行星间组网，同时还搭载了Ka对地通信链路、Link16载荷，以及战斗管理、指挥、控制和通信（BMC3）模块。2023年以来，PWSA建设速度明显加快，完成了两批共计23颗第0期卫星发射，第1期和第2期卫星的研发与试验也在同步推进。

国内发展现状

在全球大规模星座建设和应用背景下，我国也在大力发展各类卫星星座网络，涵盖高轨、中轨、低轨等卫星。其中，北斗星座和“星网”采用了星间组网方式，“千帆”星座（G60）和其他商业星座主要采用地面组网方式，后续将逐步向星间组网方式过渡。

（1）北斗星座

北斗卫星导航系统是中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，2012年底开始提供区域服务，2020年形成全球服务能力。北斗系统采用了微波星间组网，支持星间精密测量和数据传输，用于星座自主运行及测控管理。下一代北斗系统将继续采用激光/微波混合的星间组网技术，进行高中低轨协同组网，提供时空基准统一且具有抗干扰、防欺骗、稳健、可用、连续、可靠的PNT信息服务，实现向综合PNT体系演进发展。

（2）“星网”星座

“星网”是我国提出的低轨卫星互联网星座计划，建成后可提供全球范围内的宽带通信、移动通信、物联网等多种服务。2020年9月，我国向国际电信联盟（ITU）提交了“星网”星座的频谱申请，计划发射卫星数量为12992颗，包含倾斜轨道卫星和近极轨卫星。“星网”星座采用激光通信链路进行星间组网。2021年4月，中国卫星网络集团有限公司正式成立，成为“星网”项目的实施主体，之后向ITU提交了新的申报，在原有卫星规模基础上又申报了5656颗卫星。2023年，完成了多颗试验卫星发射，预计2024年下半年开始正式发射部署。

（3）“千帆”星座

“千帆”星座是目前国内除“星网”星座外，又一个大型卫星互联网建设计划，旨在为用户提供全球低轨宽带互联网服务。该星座包括三代卫星系统，采用全频段、多层多轨道星座设计。2024年8月6日，极轨01组卫星发射成功。计划到2025年底，实现648颗卫星提供区域网络覆盖，到2030年底，实现15000颗卫星提供手机直连多业务融合服务。

（4）其他商业星座

我国商业航天近几年获得快速发展，规划建设的大规模商业星座还包括吉林一号星座、“银河”星座、“鸿鹄”星座等。随着激光通信终端的小型化和低成本化发展，商业星座也在逐步采用激光通信链路进行星间组网，以减少对地面信关站的依赖。

星间组网技术难点和挑战

综上所述，国外早在第一代卫星星座发展时期就提出了星间组网技术，但其早期星座规模不大，采用地面组网方式，在全球部署少量信关站就能够处理。相较而言，星间组网技术复杂且实现代价高，所以国外对发展星间组网并不积极。这一理念一直影响至卫星互联网时代，比如OneWeb和早期的Starlink星座均没有采用星间组网方式。后来，随着星座规模的扩大，星间组网逐渐呈现出优势，才逐渐成为了大规模星座组网的重要技术手段。

我国全球布站困难的现实需要，推动了星间组网技术的发展与应用。北斗星座率先实现了微波星间组网应用，目前规划的大多数星座也采用星间组网技术，减少了对境外信关站的依赖，能够满足全星座的网络化管控和多样化业务传输需求。所以，发展基于激光/微波链路的星间组网技术，是我国突破全球地面布站限制的必然选择，也是实现大规模星座系统自主、高效、协同运行的内在要求。

随着激光星间链路技术的逐步发展成熟，星间组网正在从传统的以微波组网为主向微波、激光混合组网技术演进，星上交换处理能力也在大幅提升，以适应不断增长的大容量网络化传输需求。与此同时，大规模星座具有星座结构复杂、拓扑高动态变化、业务类型多样、业务流量分布不均等典型特征，给星间组网带来了诸多挑战，具体表现在：

1）星座规模大、结构复杂，导致网络化管控复杂。低轨星座卫星数量急剧增加，少则几百颗，多则上万颗，可以覆盖全球服务，星座内部又配置了星间星地多种类型链路，实现星地协同网络化管控是重要挑战。

2）拓扑高动态变化，星上路由快速收敛难。大规模星座卫星节点高速运动，星间拓扑连接关系动态变化，会引发星上路由频繁更新计算，且星座规模越大，路由计算收敛时间越长。所以，如何在大规模星座条件下实现星间路由快速收敛是一个重要课题。

3）业务承载类型多样，多业务服务质量（QoS）保障是难题。大规模星座的载荷体制复杂，载荷业务类型多样，不同业务对星间传输带宽、时延、丢包率的要求存在差异，需要依据业务需求进行资源调度，实现差异化的服务质量保障

4）业务流量分布不均，易发生星间网络拥塞问题。大规模星座节点密度高、覆盖范围广，受突发业务影响，卫星节点的业务流量分布不均，尤其是业务向落地卫星汇聚时，容易造成网络拥塞。所以，需要考虑引入流量均衡机制，提高星间网络的可靠性和吞吐量。

2 星间网络体系架构

     

总体架构

典型的大规模星座网络系统包括空间段、地面段和用户段3个部分（见图1）。大规模星座通过星间链路、星地测控数传链路、跨域互联链路、信息分发链路等多种通信链路形式，将空间段、地面段和用户段的各类节点连接在一起，构成空天地一体化的信息传输网络，实现大规模星座的网络化传输，为各类用户提供宽带接入、移动通信、数据中继、万物互联等信息服务。

空间段由高中低轨卫星和星间链路组成，卫星规模可以从数十颗到数万颗，通过微波或激光星间链路技术将高中低轨卫星相互连接，并采用星上信息处理和路由转发方式，构成一个以卫星为交换节点的空间传输网络。此外，空间段可通过部分卫星节点的激光或微波链路，与其他星座系统进行异构跨域互联，支持跨星座信息传输。

图1  大规模星座网络总体架构

地面段包括信关站、运控管理中心、地面网络设施等功能实体。信关站是连接卫星网络和地面网络的网关节点，具备通过多个波束接入可视范围内多颗卫星的能力，卫星数据经信关站接入地面网络，完成星地通信协议的转换，从而实现星地一体化网络互联。运控管理中心负责管理卫星星座、信关站和地面网络设施等，对全星座网络资源进行综合管理和监控。

用户段由各类用户终端设备及应用服务支持系统组成。用户终端包括星载终端、机载终端、船载终端、车载终端、个人移动终端等设备形式，用于接收和处理卫星链路信号，以获取天基信息服务。

大规模星座利用星间链路构建星间网络，主要用于承载卫星管理信息和多种类型的载荷业务数据，并满足不同业务数据的差异化传输需求。例如：卫星管理信息传输要求低时延、高可靠、高安全；通信类业务包括视频、文本、消息、指控等，其特点是实时性高，要求低时延、高可靠；遥感类业务包括原始观测数据、图像切片数据、处理结果数据等，特点是数据量大，要求大带宽、高可靠。

网络协议体制

为确保大规模星座各节点能够互联互通，需要设计并遵循统一的星间网络协议体制。根据星间组网场景需求不同，星间网络协议主要分为两类：面向高速星间链路的网络协议体制和面向窄带星间链路的网络协议体制。运行不同网络协议的星座系统之间可通过部署网关来实现协议转换和互联互通。

针对高速星间链路场景，可采用标准化的IPoverCCSDS协议体系，包括应用层、传输层、网络层、链路层、物理层等5层协议，支持互联网协议第四版（IPv4）和IPv6协议。由于IPv6具有更多地址、更优报文结构、更强路径选择、更安全等优势，星间网络协议将重点向IPv6及其衍生协议演进，包括软件定义网络（SDN）、分段路由（SRv6）等新型协议技术。

针对窄带星间链路场景，比如带宽在100kbit/s以下的通信链路，采用IP协议带来的报文头部开销占比过大，会导致链路资源利用率低下。针对此类特殊场景，需要设计采用轻量化的网络协议，一方面对IPv4/IPv6协议报文进行裁剪优化，大幅降低封装包头开销，释放更多带宽资源用于传输有效数据；另一方面对动态路由算法进行轻量化改进，减小路由洪泛范围，加速路由收敛计算，进一步降低路由控制开销。

目前，以SRv6为代表的“IPv6+1.0”技术已经在地面网络规模部署，SRv6是IPv6技术向可编程网络演进的核心技术，为网络提供了路径可编程能力；以随流检测、网络切片为代表的“IPv6+2.0”技术已经在地面网络按需部署应用，正在走向成熟，为网络提供了精准性能测量、差异化质量保障能力；以应用感知网络（APN）为代表的“IPv6+3.0”技术也已经被提出。所以，以“IPv6+”为代表的新型网络以及与5G/6G网络融合将是星间组网技术的重要发展方向。

网络安全体系

大规模星座的星间网络具有拓扑高动态变化、开放的空间传输环境、星上处理能力有限等特征，导致其容易成为攻击目标，星间链路、星地链路、星载计算平台、信关站、运控管理中心都存在安全隐患。对于大规模星座网络，其信息安全威胁主要来自开放的天地链路、跨域不可控区域的通信网、不同安全信任域之间的数据交互等，主要安全风险包括非法接入、数据窃听、重放攻击、数据篡改、恶意程序攻击、软件重构异常等。

针对大规模星座的网络安全风险，需要从物理层、链路层、网络层和应用层等多个层次建立安全防护体系。其中，物理层安全技术包括跳频、扩频、跳时等；链路层安全技术包括信令加密、群路加密、多业务多通道加密等；网络层安全技术包括边界防护、自适应多级安全、安全隔离与交换等；应用层安全技术包括端端加密、身份鉴别、访问控制等。

从具体实现角度，应设计多层次、轻量化、多模态的安全防护策略。在通信数据加密的基础上，通过引入接入安全策略，实现星间、星地节点轻量化认证功能及受控访问功能；通过引入行为安全策略，实现星间网络防火墙功能，支持对星间非法数据包进行过滤，具备防止数据恶意转发能力。最后，还需要考虑星载处理资源有限的情况，通过网络安全策略的轻量化设计，使得在星载网络路由模块上集成相关网络安全算法成为可能，从而为大规模星座网络安全运行提供保障。

3 星间网络关键技术

     

激光/微波星间链路传输技术

星间链路主要分为微波星间链路和激光星间链路两种技术。其中，微波星间链路主要以Ka、Q/V频段为主，并正在向更高频段发展，多波束相控阵技术已广泛应用，具有技术相对成熟，波束相对较宽、跟瞄捕获容易等优势。激光星间链路具有轻小型化、传输速率高、波束发散角小等优点，具有良好的抗干扰和抗截获性能，系统安全性好，但对卫星平台稳定性有较高要求。

具体而言，同层轨道的星间链路能够尽力保持稳定建链关系，主要采用激光链路，保证高速传输能力，但对于大姿态机动卫星平台，仍需要微波星间链路作为补充。不同层轨道的星间链路存在高动态拓扑变化，且需要一对多通信，主要以具有多波束能力的微波链路为主，保证多用户接入能力，而激光链路可作为辅助补充，满足高速传输需求。所以，激光星间链路和微波星间链路各有优势，微波和激光混合组网是大规模星座网络的重要发展方向。

星地协同网络管控技术

大规模星座网络可采用基于软件定义网络（SDN）架构的星地协同网络管控技术，支持星间网络拓扑规划与控制、星地移动切换拓扑规划与控制、高低轨间连接拓扑规划与控制等管控能力。运控管理中心实时监测各卫星链路状态，结合卫星星历数据可预测链路切换变化情况，采用基于剩余生存时间的高低轨和星地链路移动性管理策略，并实时动态调整路由策略以适应链路的切换，确保数据传输的连续性和可靠性。

从实现模式上，大规模星座的网络管控模式主要包括地面集中网络管控、星上自主网络管控和星地协同网络管控三种模式。其中，星地协同网络管控技术是实现低轨星座网络高效管理的关键，通过构建高效的星地协同架构，使地面控制中心与卫星间能够实时交换信息，实现对整个网络的综合管理。

在星地协同网络管控方式下，拓扑动态管理和网络路由管理是两个重要组成部分。网络路由管理需要适应快速变化的网络条件，并优化路径选择以减少延迟和提高吞吐量，在高低轨卫星之间以及星地链路存在切换的情况下，星间和星地链路管理显得尤为重要。星地协同网络管控还包括信息收集与处理、资源优化分配、健康管理、安全性保障等多个方面，未来还可引入人工智能技术，可以进一步提升网络管控的智能化水平，实现对网络状态变化的精准预测和自动策略调整，提升大规模星座网络的管理效率和服务质量。大规模星座网络系统组成如图2所示。

图2 大规模星座网络系统组成

大规模星座高效快速路由技术

大规模星座网络具有拓扑高动态、网络规模大、星上处理资源有限等特点，路由算法需要具备控制开销小、计算收敛快、高鲁棒性等能力，主要的路由规划方法包括地面集中路由规划、星地协同路由规划和星上分布式动态路由三种。

地面集中路由规划是一种静态路由方法，主要利用卫星轨道的可预测性进行路由表规划。运控管理中心依据卫星轨道进行星间、星地可见性计算和建链规划，并按时间片段预先规划每颗卫星的路由表，卫星按照预定时间切换使用相应的路由表。该方法依赖地面处理，可以减少星上处理的复杂度，但是这种方法不能实时响应不可测的拓扑变化，拓扑异常通常会导致路由表失效。

星地协同路由规划是指卫星将链路状态信息实时回传至地面，由运控管理中心根据卫星状态信息进行实时路由规划，并将更新后的路由表上注给各卫星执行。该方法可结合基于SDN的网络架构，卫星节点负责链路状态监测和感知，运控管理中心负责搜集全网状态并进行统一计算，通过星地高效协同实现星上处理负担和地面控制精确性的平衡。在卫星数量众多时，地面上注的负担较重，对星地通信链路提出了更高的要求。

星上分布式动态路由是指卫星分布式运行动态路由算法，实现星上自主动态路由规划能力。常见的路由协议包括开放式最短路径优先路由（OSPF）、最优链路状态路由协议（OLSR）等。该方法不需要运控管理中心参与，具有路由动态自适应、收敛速度快等优点，但对星上处理能力有一定要求。星上还可引入星间链路状态感知技术，通过链路状态锁定监测和双向转发检测融合的方法，实现对激光/微波链路状态变化的快速感知，进一步加速路由收敛。针对几百颗卫星以上的大规模星座场景，可采取改进的分区路由算法，将整个星座划分为多个子区域，控制路由消息的洪泛范围，降低路由计算复杂度，加速动态路由计算收敛。

面向突发业务的流量均衡技术

在大规模星座网络传输过程中，按照最短路径进行逐跳转发的路由策略，一方面大量突发业务的汇聚容易造成网络拥塞，另一方面网络流量分布不均匀，导致星上空闲链路无法得到充分利用，带来的后果是通信时延急剧增加。当拥塞程度较为严重时，还会出现较高的丢包率，使网络性能急剧恶化。所以，大规模星座网络需要引入流量均衡技术，在网络流量超过一定程度后采取流量均衡策略，以满足多业务类型的QoS保障需求。

针对突发业务实时传输引发的网络拥塞问题，可采用基于等价路由的局部流量均衡算法，通过对多条星间链路资源进行综合调度，减轻单一路径的网络负载，实现多路径分流和单点拥塞的快速缓解。当主路径出现中断时，可快速切换到备份路径，保证数据传输的连续性。

针对局部流量均衡无法实现全网流量优化的问题，可采用基于分段路由的全局流量均衡算法，结合基于SDN的星地协同控制架构，利用全网链路状态信息进行全网分流调度与流量控制，在源端对数据报文进行路径规划，将流量引导至星座网络空闲链路，降低当前链路的拥塞程度，实现全局优化的流量均衡。

为提高业务传输可靠性，可采用基于优先级和时延敏感特性的流量调度算法，按照时延敏感特性对业务类型进行优先级分级，对不同的业务类型采用不同等级的调度策略，以保证时延敏感型业务优先传输。此外，还可以引入基于人工智能的流量均衡策略，利用深度学习等人工智能技术自动提取网络流量特征，并进行流量预测和识别，进而实现流量分配策略的自适应优化调整，为解决网络拥塞和流量均衡问题开辟了新的思路。

大规模星座网络时空基准维持技术

高精度的时空基准是大规模星座网络自主运行的重要基础。在大规模星座网络中，卫星节点主要依靠卫星导航和星间链路测距相结合的方式进行时空频同步。在卫星导航可用条件下，以卫星导航系统时频为参考基准，通过频差估计和窄带锁相技术，提升频率同步精度，突破传统共视与锁频锁相技术精度限制，利用几何和动力学法协同时差估计技术，实现高精度时间频率同步。在卫星导航拒止条件下，采用基于星间链路的星间测距和时间比对数据处理方法，利用同轨和异轨的激光/微波星间链路条件，进行卫星高精度自主定轨和时间同步，可为大规模星座网络运行提供高精度的时空基准支持。

4 总结与展望

     

随着大规模星座的节点规模急剧增长，星间组网以其不依赖地面信关站、全球传输时延小的技术优势，逐步替代基于星上透明转发的地面组网方式，成为了大规模星座组网的主要技术手段。从协议体制上分析，IPv6技术已经在星间组网领域得到应用，IPv6不仅解决了网络地址资源数量不足的问题，同时针对IPv4的不足进行了多方面改进和创新，包括以分段路由、网络切片、随流检测、新型组播、应用感知网络等为代表的协议创新，以及以网络分析、自动调优、网络自愈等网络智能化为代表的技术创新。所以，以“IPv6+”为代表的新型网络技术将是星间网络协议体制的重要演进方向。

近年来，软件定义网络和人工智能技术的兴起，正在推动星间网络向“多域混合异构、云网智算融合”方向发展，通过引入软件定义大规模星座网络的思想，构建“云边端”结合的算网一体化架构，利用强大的地面云脑资源，对大规模卫星网络进行灵活的分级协同路由控制，实现在高动态、多业务、大连接场景下的网络资源测量、态势感知和动态编排，有望大幅提高大规模星座的组网控制韧性和网络服务质量。