（计算机科学与技术专业论文）基于链路数据包错误率的空间网络自动重传技术研究.pdf

r e s e a r c ho fl i n k p a c k e te r r o r r a t eb a s e d a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y f o r s p a c en e t w o r k s c a n d i d a t e ：d i n gh a o a d v i s o r ：p r o f s h ix i a n g q u a n at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g i nc o m p u t e rt e c h n o l o g y g r a d u a t es c h o o lo fn a t i o n a lu n i v e r s i t y o fd e f e n s e t e c h n o l o g y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a a p r ，2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 学位论文作者签名：委叁孟日期：pf 。年6 月留日学位论文作者签名： 一 垒五日期：pf o 年6 月g 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：基王鲑整数量鱼垡送室盟空闻圈终自边重笾拉盔丑窒 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：f o 年6 月缪日 日期：2 矽汐年多月艿日 国防科学技术大学研究生院工程硕+ 学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论一1 1 1 空间信息网络技术发展简介1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 第三章 3 1 1 1 1 卫星信息网络2 1 1 2 其它空间信息通信载体概述6 空间d t n 网络概述。9 1 2 1 空间d t n 网络特点。9 1 2 2 空间d t n 网络有关试验和研发1 1 1 2 3 空间d t n 网络面临的挑战1 2 主要研究内容及创新点1 3 论文组织结构1 4 空间d t n 网络相关传输协议研究1 6 互联网t c p i p 协议16 2 1 1t c p i p 原理1 6 2 1 2t c p 控制机制18 2 。1 3u d p 协议的空间应用特征1 9 空间d t n 网络传输协议概述2 0 2 2 1 空间d t n 网络传输协议与t c p i p 协议的性能差别2 0 2 2 2 空间d t n 网络传输协议的发展和要求2 1 空间d t n 网络相关传输协议功能2 1 2 3 1s a r a t o g a 协议2 1 2 3 2d t l p 协议2 3 2 3 3 其它协议2 4 j 、结。2 6 b e a r t p 文件传输协议描述2 7 基本思想2 7 3 1 1 结构体系2 8 3 1 2 运行机制2 8 3 1 3 基本特征3 0 3 1 4 主要数据类型及功能3l 第1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 3 1 5 链路数据包错误率测量一3 4 3 2l e a r q 自动重传机制描述3 5 3 2 1l e a r q 的g e t 操作3 5 3 2 2l e a r q 的p u t 操作3 6 3 2 3l e a r q 的g e t d i r 操作3 7 3 2 4l e a r q 的d e l e t e 操作3 8 3 3h e a r q 自动重传机制描述3 8 3 3 1 数据传输描述。3 9 3 3 2 原传、重传序列算法4 2 3 3 3 根据重传时延和链路传播时延的变化调整重传策略4 3 3 4 j 、结。4 5 第四章模拟测试与性能分析4 7 4 1 模拟平台介绍4 7 4 1 1 网络模拟器概述4 7 4 1 2o n e 模拟器的结构组成。4 8 4 1 3o n e 模拟器的功能特点。4 9 4 2 模块改进及环境设置。5l 4 2 1 程序模块实现5 1 4 2 2 评估构架5 2 4 2 3 场景及参数设置5 2 4 3 实验设计及性能评估5 4 4 3 1 实验设计。5 4 4 3 2 模拟结果及性能分析5 6 4 3 3 结1 沧6 l 4 4 j 、结6 1 第五章总结与展望6 3 致j 谢+ 6 4 参考文献6 5 作者在学期间取得的学术成果6 8 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表目录 表1 1 空间网络与互联网之间的内在关系2 表2 1t c p i p 协议与空间网络传输协议的性能差别2 0 表3 1 符号含义4 0 表4 1 常用的几种模拟器对比4 8 表4 2 模拟相关参数设置5 4 表4 3h e a r q 机制与s a r a t o g a 协议文件传输性能比较( r r t = 6 0 秒) 5 8 表4 4h e a r q 机制与s a r a t o g a 协议文件传输性能比较( r r t = 3 0 0 秒) 5 9 表4 5h e a r q 机制文件传输性能比较( r t t = 6 0 秒，r a t e r = 0 5 ) 6 0 表4 6h e a r q 机制文件传输性能比较( r t t = 3 0 0 秒，r a t e r = 0 5 ) 6 0 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图目录 图1 1 卫星信息网络嵌入地面网络的结构设想2 图1 2 我国第一颗试验卫星“东方红一号”4 图1 3 我国第三颗北斗导航卫星应用图5 图1 4d t n 体系结构1o 图1 5 论文组织结构1 5 图2 1 具有星际间、星地链路的卫星网络示意图1 6 图2 2t c p i p 和o s i 模型比较17 图2 3t c p 协议三次握手过程18 图2 4u d p 协议报文格式1 9 图2 5s a r a t o g a 协议运用于不同网络的设想图2 2 图3 1b e a r - t p 协议基于i p 的空间d t n 网络构架2 8 图3 2b e a r - t p 协议栈结构2 9 图3 3b e a c o n 数据包示意图31 图3 4m e t a d _ 扎数据包示意图3 2 图3 5h o l e s t o f i l l 数据包示意图3 3 图3 6 例举一个g e t 操作流程3 6 图3 7 例举一个p u t 操作流程，3 7 图3 8 时延带宽积示意图3 9 图3 9h e a r q 机制的文件传输操作流程4 1 图3 1 0 数据包原传、重传数据包序列4 2 图3 1 1h e a r q 机制在重传时延小于链路传播时延时的文件传输流程4 4 图3 1 2h e a r q 机制在重传时延大于链路传播时延时的文件传输流程4 5 图4 1o n e 模拟器操作原理示意图4 9 图4 2o n e 模拟器的软件组成5 0 图4 3h e a r q 机制在轮比上的性能增益5 6 图4 4h e a r q 机制在轮差上的性能增益( r t t = 6 0 秒) 5 7 图4 5h e a r q 机制在轮差上的性能增益( r t t = 3 0 0 秒) 5 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 摘要 随着电子和无线通讯技术的突飞猛进，网络深入到了人类社会生产生活的方 方面面，网络技术由固定有线传输向移动无线传输转变，由传统地面网络结构向 空天地一体化网络结构拓展，由静态节点向高速动态节点发展。特别是近几年世 界各国对空间资源的关注和开发，航空航天技术的快速发展，为空间网络体系的 建立和发展提供了很好的物质和技术支持，空间网络系统必将成为未来网络世界 的重要组成部分。但是，空间网络面临着网络拓扑变化频率高、节点运动速度快、 节点间传播时延长、空间环境干扰大误码率高、空间资源有限等挑战，影响了空 间网络数据传输的可靠性，成为制约空间网络开发和运用的一个重要技术障碍。 本文概述了空间信息网络技术的发展状况，简要介绍了空间d t n 网络的特点、 研发历程及面临的挑战，研究了相关传输协议的性能特点。针对空间d t n 网络数 据可靠性传输的问题，我们提出了一种“基于错误率的空间网络自动重传文件传 输协议 ，简称b e a r - t p 协议。该协议在空间链路的文件传输过程中，在节点运 动导致链路传播时延不稳定的情况下，能够根据链路数据包错误率的变化，采取 不同的传输机制，确保文件传输的可靠性和链路资源利用的有效性。 b e r a t p 协议关注空间网络的文件传输和重传策略，实现节点之间高效的可 靠通信。b e a r - t p 协议是在s a r a t o g a 协议基础上建立起来的，是针对s a r a t o g a 协议 在链路时延长错误率高的情况下文件传输效能下降而提出来的，能够适应空间网 络不同链路环境的文件传输。b e a r - t p 协议提出了基于错误率变化调整重传策略 的设想，在错误率较低或者时延较小时使用l e a r q 机制，而在时延较长、错误率 较高的情况下则启动h e a r q 机制进行数据传输。根据链路环境的变化对传输策略 进行灵活的调整，使该协议更能适应恶劣的空间网络环境，而h e a r q 机制的使用 也是b e a r - t p 与s a r a t o g a 、d t t p 协议的差别所在。 在o n e 仿真平台，我们根据空间d t n 网络的特点，建立了网络结构模型，使 用m a p r o u t e m o v e m e n t 模块对节点的运行轨迹进行规定，并建立了节点之间的连 接。在模拟器中设置了传输速率、传播距离、文件大小、分组大小、分组错误率、 重传率等相关参数，运行了简化的h e a r q 和s a r a t o g a 协议，对比分析了两个协议 之间的性能差异，验证t h e a r q 在高错误率长时延情况下的传输效能。实验结果 表明，h e a r q 的传输性能优于s a r a t o g a ，特别是在时延增长或链路错误率上升时， h e a r q 的增益更加明显，传输相同文件所用的时间更少，数据传输的可靠性更高。 主题词：空间网络，链路数据包错误率，自动重传 第i 页 国防科学技术大学研究生院丁程硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dt e c h n o l o g y n e t w o r kh a si n f l u e n c e da l la s p e c t so fh u m a nl i f e t h en e t w o r kt e c h n o l o g yh a sc h a n g e d f r o mf i x e dw i r e dt r a n s m i s s i o nt ow i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，f r o mf l a tg r i ds t r u c t u r et o t h r e e d i m e n s i o n a ls p a c es t r u c t u r e f r o ms t a t i cn o d et oh i g h s p e e dd y n a m i cn o d e 朋1 e c o n c e r na n dd e v e l o p m e n to fs p a c er e s o u r c ea n dr a p i dd e v e l o p m e n to fa e r o s p a c e t e c h n o l o g y ，h a v eg i v e nm a t e r i a la n dt e c h n i c a ls u p p o r tt ot h ef o u n d a t i o na n d d e v e l o p m e n to fs p a c en e t w o r ks y s t e m 1 1 1 es p a c en e t w o r ks y s t e mw i l lb e c o m et h e i m p o r t a n tc o m p o n e n to ff u t u r en e t w o r kw o r l d u n f o r t u n a t e l y ，t h es p a c en e t w o r ki s f a c e dw i t ht h ec h a l l e n g eo fh i 曲t o p o l o g i c a lv a r i a t i o nr a t e ，h i g hn o d es p e e d ，l o n gl i n k p r o p a g a t i o nd e l a y ，s t r o n gs p a c ei n t e r f e r e n c e ，h i 曲b i te r r o rr a t ea n dl i m i t e ds p a c e r e s o u r c e s ，w h i c hh a v ei n f l u e n c et h er e l i a b i l i t yo fs p a c en e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o n 。a n d h a v eb e c o m eai m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lb a r r i e rt ot h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f s p a c en e t w o r k o u ra r t i c l eh a sr e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n to fs p a t i a li n f o r m a t i o nn e t w o r k , a n d b r i e f l yi n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s r & dp r o c e s sa n dc h a l l e n g e so fs p a c ed n t n e t w o r k ，a n ds t u d i e dt h ef e a t u r e so fa s s o c i a t e dt r a n s f e rp r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h ed a t a t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yo fs p a c ed n tn e t w o r k ，w ep u tf o r w a r das p a c en e t w o r k a u t o m a t i cr e - t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mw h i c hi sb a s e do nt h el i n ke r r o rr a t ew i t ht h e a b b r e v i a t i o no fb e 劁r _ t pp r o t o c 0 1 i nt h ep r o c e s so fs p a c el i n kd a t at r a n s m i s s i o n i n t h ec o n d i t i o no fu n s t a b l el i n kp r o p a g a t i o nd e l a yr a i s e df r o mn o d em o v e m e n t ，t h i s p r o t o c o lc o u l da d o p td i f f e r e n tt r a n s p o r tm e c h a n i s m st oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo fd a t a t r a n s m i s s i o na n dt h ev a l i d i t yo ft h el i n ku t i l i z a t i o n b e a r - t pp r o t o c o li sc o n c e r n e da b o u tt h es p a c en e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o na n d r e t r a n s m i s s i o nt a c t i c sw i t ht h et a r g e to fe f f i c i e n ta n dr e l i a b l ei n t e r - n o d ec o m m u n i c a t i o n b e a r t pp r o t o c o li sf o u n d e do nt h eb a s eo fs a r a t o g ap r o t o c 0 1 i ti sp u tf o r w a r dt o r e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ef i l et r a n s f e rp e r f o r m a n c eo f s a r a t o g ap r o t o c o lw i l ld e c r e a s e i nc o n d i t i o no fl o n gl i n kd e l a ya n dh i g he r r o rr a t e b e a r - t pp r o t o c o lc o u l da d a p td a t a t r a n s m i s s i o ni nd i f f e r e n tl i n ke n v i r o n m e n t b e a r t pp r o t o c o lp r o p o s e dt h ee n v i s a g e t 1 1 a tt h er e - t r a n m i s s i o nt a c t i c ss h o u l dc h a n g ea c c o r d i n gt ot h ee r r o rr a t ev a r i a t i o n l e a r qm e c h a n i s ms h o u l db ea d o p t e di nc o n d i t i o no fl o n gl i n kd e l a ya n dl o we r r o rr a t e 瓤l eh e a r qm e c h a n i s ms h o u l db ea d o p t e di nt h eo p p o s i t ec o n d i t i o n a c c o r d i n gt o c h a n g e so fl i n ke n v i r o n m e n t ，w ea d j u s tt h et r a n s m i s s i o ns t r a t e g yf l e x i b l y ，s ot h a tt h e p r o t o c o lc a na d a p tt om o r eh a r s ha n di n s t a b l ee n v i r o n m e n to ft h es p a c en e t w o r k , h o w e v e r t h eu s eo fh e a r qm e c h a n i s m si sb e a r t pa n ds a r a t o g a , d t t pa g r e e m e n t w h e r et h ed i f f e r e n c eb e t w e e n 1 1 l e r e f o r e h e a r qm e c h a n i s mi st h em a i nc o n t e n to f o u rs i m u l a t i o nt e s t s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 o n0 n es i m u l a t i o np l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es p a c ed t n n e t w o r k ，w ee s t a b l i s h e dan e t w o r km o d e l ，u s e dm a p r o u t e m o v e m e n tm o d u l et os e tt h e n o d e st r a j e c t o r i e s ，a n de s t a b l i s h e dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nn o d e s i nt h es i m u l a t o r ，w e s e tu ps o m ep a r a m e t e r s ，s u c ha s ，t r a n s m i s s i o nr a t e ，t r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，f i l es i z e ， p a c k e ts i z e ，p a c k e te r r o rr a t e ，r e t r a n s m i s s i o nr a t e ，e t c ，a n dr u nas i m p l i f i e dh e a r q a n d s a r a t o g aa g r e e m e n t ，c o m p a r e dw i t ha n da n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h et w op r o t o c o l s ，v e r i f i e dt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fh e h r q m e c h a n i s mi nc a s e o fm g he r r o rr a t ea n dl o n gd e l a y t h er e s u l t ss h o wt h a th e a r qm e c h a n i s mo f t r a n s m i s s i o ni sb e t t e rt h a ns a r a t o g aa g r e e m e n t ，p a r t i c u l a r l yi nt h ed e l a yo rl i n ke r r o r r a t ei sr i s i n g ，t h e 鲥ni se v e nm o r ee v i d e n t ，t h et r a n s f e r a t i o ni su s e di nl e s st i m e ，a n dt h e r e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o ni sh i g h e r k e yw o r d s ：s p a c en e t w o r k ，l i n kp a c k e te r r o rr a t e ，a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o n 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第i v 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第一章绪论 随着网络技术的快速发展，i n t e r n e t 得到了迅速的发展和普及。与此同时，各 种新的业务需求如远程教育、电视会议、远程医疗的产生对网络带宽提出了新的 要求，现有的地面网络已不能完全满足用户的需求。而交互的、高速的、和i n t e r n e t 结合的新一代空间信息网络可以很好地解决这些问题，航天器有通信覆盖面积广、 通信费用与距离无关、不受地面自然灾害影响等优点，能很好地适应当前迅猛发 展的i n t e r n e t 业务的需要，这使得空间网络成为当前的研究热点。空间网络( s n ， s p a t i a ln e t w o r k s ) 是由在轨运行的多颗卫星及卫星星座组成的骨干通信网，可为各种 空间任务如气象、环境与灾害监测、资源勘察、地形测绘、侦察、通信广播和科 学探测等提供集成的通信服务。空间网络的核心是卫星通信网，是卫星通信系统 不断发展的体现【1 1 。在过去十几年里，互联网已经发展为全球应用种类最多、应用 范围最广的信息通信设施，是全球最大的多媒体商用网络和最大的信息库和数字 媒体。但是，随着互联网大规模商用化、网上内容的爆炸性增长，特别是流媒体 的流行，给互联网带来骨干阻塞、远程接入困难、内容分发传递速度慢等诸多问 题，这主要是因为骨干网、接入网、服务器的发展不能适应新的需要。针对这些 问题，研究机构提出的整体解决方案大致有骨干网整合、内容投递网、内容对等 和基于空间网络等。而空间网络具有直接到户的能力，对互联网来说是一种更为 简洁、有效的发展方式，也是向全球用户提供宽带综合互联网业务的最佳选择1 2 j 。 但是，空间的恶劣环境对高效利用空间链路资源、实现可靠数据传输造成了很大 影响，是制约空间网络发展的一个重要因素。本文正是基于这一背景，根据空间 网络的发展情况和结构特征，结合当前国内外相关传输协议研究现状，深入研究 空间网络数据传输的特点和方法，确保和加强数据的可靠传输效能。 1 1 空间信息网络技术发展简介 1 9 9 4 年，休斯网络系统公司首先开发出能与个人计算机互联的d i r e c p c 接收 系统，使p c 机用户可以利用电视直播卫星的小口径接收天线高速下载i n t e m e t 上 的大容量信息，在拥挤的地面i n t e r n e t 线路之外另辟了一条高速的空中下载通道。 紧接着，许多大的卫星公司纷纷推出了用于互联网和增值业务的v s a t 系统，它 们已经成为全球互联网高速发展的一个组成部分。而基于非静止轨道卫星群星座 的全球宽带卫星通信系统计划的提出和实施，展示了空间网络在未来的宽带、高 速和多媒体通信应用中的广阔前景。这些卫星系统主要用于多信道广播、互联网 远程传送和作为地面多媒体通信系统的接入手段。同时，随着空间站、载人航天 第1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 技术的发展和运用，空间网络的节点组成和结构体系呈现多样化、系统化、复杂 化。表1 1 显示的是空间网络与互联网之间的内在关系【2 1 。 表1 1 空间网络与互联网之间的内在关系 空间网络的优势 互联网发展瓶颈互联网发展需求 空间跨越、覆盖面广骨干网阻塞骨干旁路 远程连接、直接到用户接入速度慢远程宽带接入 广播媒体、一次投送内容分发效率低内容多播、广播 单层媒体、实时传输实时性差实时传输流媒体 1 1 1 卫星信息网络 当前，全世界3 2 个国家拥有7 0 0 多颗卫星，形成了一个覆盖全球并拓展至深 空的卫星网络体系。我们正在步入“i n t e r n e t 时代”，全球商务活动的需求和人 们对信息无止境的追求，刺激了互联网爆炸性的增长，对更高带宽的追求导 致了一个新市场的开拓：即，一种经济的、可靠的、安全的、可无缝隙地嵌 入地面网的卫星通信网络。下面，我们介绍一下卫星信息网络相比地面网络 所具有的优势，并简要回顾了卫星信息网络的发展历程。图1 1 为与地面网络 相连接的空间卫星信息网络结构。 一空间卫星网络间歇性链路 图1 1 卫星信息网络嵌入地面网络的结构设想 第2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 卫星通信网络与地面通信网络相比所具有的优势【j j ： ( 1 ) 全球无缝隙覆盖能力。三颗同步卫星就能实现除南北两极以外的全球通 信，这种无缝隙覆盖的优势是其它通信手段所没有的。 ( 2 ) 组网机动灵活。利用卫星通信系统的高功率密度、支持不对称链路、广 播特性及未来的星上交换技术，能构建点对多点、多点对多点的拓扑结构复杂的 广域网。 ( 3 ) 便于在特殊环境中使用。卫星通信链路的成本和传输距离无关，是解决 边远地区和不发达地区通信问题的重要手段，这也是卫星通信相比其它通信方式 所具有的优势之一。 ( 4 ) 生存能力强。在现代通信网中，卫星通信作为应急通信和地面通信的备 用手段，在抵抗地震、洪水等自然灾害方面比光缆、微波具有更高的可靠性。因 此，卫星信息网络必将成为未来i n t e r a c t 骨干网中一种重要的传输手段。 1 1 1 1 世界卫星通信网络发展简介 1 9 世纪末至2 0 世纪初，俄国科学家齐奥尔科夫斯基在他的著作中科学地论证 了人类可以借助火箭走向宇宙空间，推导出著名的齐奥尔科夫斯基公式，奠定了 火箭理论的基础。 1 9 4 5 年，a c 克拉克在无线电世界杂志上发表了名为“地球外中继的 论文，他提出在赤道上空的静止轨道上配置3 颗同步卫星，利用卫星作转发器并 组建全球通信网。 1 9 5 7 年1 0 月，苏联成功发射了人类第一个人造地球卫星，卫星在离地面9 0 0 公里的高空运行，环绕地球一周的时间是1 小时3 5 分钟，携带两部不断发射无线 电信号的发报机。 + 1 9 6 4 年8 月，美国发射了第一颗距离地球3 6 0 0 0 公里的静止同步卫星“辛康 姆3 号 ，并进行了奥林匹克运动会实况转播试验，从此，卫星通信开始进入实 用阶段。 2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初，以网络形式出现的v a s t 卫星通信系统问世， 推动了星上处理技术、数字处理技术、网络管理与控制技术等卫星通信网络技术 的发展，应用范围扩大到支持局域网互连、用于i n t e m e t 和多媒体通信等业务，推 动了各种用途的卫星通信网大量、迅速地发展，使卫星通信应用走向普及 4 1 。 1 9 9 6 年，在世界电信政策论坛会( w t p f ) 上正式提出了全球卫星移动通信系 统( g m p c s ) 概念，该系统的空间段由4 8 颗卫星加4 颗备份卫星组成。其主要特 点是采用各种技术手段综合成一个无缝网络，每个用户有自己的唯一号码，用户 可以在任何地方以无线方式进网，系统提供多种服务能力( 话音、数据、图像等 多媒体业务) ，移动终端小型化、低功耗、低成本、高质量。同时，由于地面蜂 第3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文 窝移动通信系统的发展，为了达到“任何地点、任何时间、与任何人实现通信” 的目的，卫星移动通信系统亦应运而兴，除“静止轨道( 高轨道) 外，还出现 了中轨道、低轨道的各类卫星移动通信系统，并成为地面移动通信网延伸与补充 的重要组成部分，为未来空天地立体互联网的组建打下了基础【5 】。 1 1 1 2 我国卫星通信网络发展简介 1 9 7 0 年4 月，我国第一颗试验卫星“东方红一号 在酒泉卫星发射中心成功 升空，它是一颗低轨的试验卫星，重3 7 公斤，绕地球一周的时间为1 1 0 分钟，以 旋极化的全球波束向地球广播“东方红乐曲”。图1 2 为我国第一颗试验卫星。 图1 2 我国第一颗试验卫星“东方红一号” 2 0 0 0 年1 0 月和1 2 月，两颗“北斗一号”导航试验卫星分别发射升空并实现 在轨运行，使我国成为世界上第三个自主研制和发射导航卫星的国家，“北斗一 号 试验卫星也是全球首次建立的双星导航定位系统。 2 0 0 3 年1 2 月和2 0 0 4 年7 月，我国分别发射了与欧洲空间局合作研制的“探 测一号 和“探n - 号”卫星，成功地实施了地球空间双星探测计划，实现了我 国空间探测技术的跨越式发展。 2 0 0 7 年5 月，我国基于东方红四号平台成功地研制并发射了“尼日利亚通信 卫星一号”，实现了我国整星出口零的突破，卫星整体性能达到国际同类通信卫 星的先进水平。 2 0 0 7 年1 0 月，搭载着我国首颗探月卫星“嫦娥一号 的长征三号甲运载火箭 在西昌卫星发射中心成功发射，卫星奔月用了1 1 4 个小时，距离地球约3 8 4 4 第4 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 万公里，使我国成为世界上第五个发射月球探测器的国家和地区，标志着我国进 入了世界具有深空探测能力的国家行列，迈出了空间网络向深空延伸的重要一步。 2 0 1 0 年1 月，我国在西昌卫星发射中心用“长三丙 运载火箭成功将第三颗 北斗导航卫星送入预定轨道，标志着北斗导航卫星系统工程建设又迈出重要一步。 此前我国己成功发射四颗北斗导航试验卫星和两颗北斗导航卫星。按照建设规划， 2 0 1 2 年左右，北斗导航卫星系统将以1 0 颗以上的组网卫星为亚太地区提供导航、 授时和短报文通信服务能力；2 0 2 0 年左右，北斗卫星导航系统将相继发射5 颗静 止轨道卫星和3 0 颗非静止轨道卫星，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统【5 】o 图1 3 为我国第三颗北斗导航卫星应用图。 图1 3 我国第三颗北斗导航卫星应用图 目前，我国己发射了1 0 0 多颗卫星，形成了返回式遥感卫星、“东方红 通 信广播卫星、“风云 气象卫星、“实践 科学探测与技术试验卫星、“资源 地球资源卫星和“北斗 导航定位卫星等6 个卫星系列，海洋卫星系列也即将形 成。此外，近年来我国与国外联合研制或独立研制了多颗微小卫星，取得了重要 进展，一个覆盖全球并不断向深层空间拓展的卫星信息网络正逐步形成。 1 1 1 3 军事卫星信息网络概述 军用卫星指的是用于各种军事目的的人造地球卫星。军用卫星按用途一般可 分为侦察卫星、军用导航卫星、军用气象卫星、军用测地卫星、军用通信卫星和 拦击卫星。战时，一些民用卫星也可用于军事用途。迄今为止，世界各国发射的 各类卫星达5 0 0 0 多颗( 美、俄占绝大多数) ，其中军用卫星约占7 0 。在最近几 次发生的高技术局部战争中，美军及其联军利用数十颗各种卫星组成卫星网络， 为战区部队提供了全方位的侦察、监视、预警、导航、通信、气象等作战信息， 对战争的进程和结果影响巨大。 第5 页 国防科学技术大学研究生院r t 程硕士学位论文 1 9 5 8 年1 2 月，美国发射了世界上第一颗军事试验性通信卫星“斯科尔”号， 1 9 6 6 年，美国国防部( d o d ) 组织了i d c s p 通信卫星计划，开始将通信卫星应用 于军事领域1 6 】。 当前，美军不断发展新一代的卫星通信网络，以适应未来空间网络作战需要， 大力研发宽带填隙卫星通信系统( w g s ) 、移动用户目标系统( m u o s ) 、先进极高 频卫星通信系统( a e h f ) 、转换卫星通信系统( t s a t ) 等卫星网络，并具备了一定的 空间网络作战能力【7 j 。 w g s 是一种高容量军用卫星星座通信系统，于2 0 0 6 年首次发射，特点是增 加星际链路，采用激光通信技术，能够提供高数据通信能力。可以使各种平台、 陆海空部队及其指挥员快速、实时地访问信息，为战区部队提供额外的、以网络 为中心的通信能力，并将成为高数据率卫星通信系统的关键要素。 m u o s 是美军部署的一个向全球移动和固定用户提供窄带通信的卫星星座， 包括4 颗业务卫星和1 颗在轨备份卫星。2 0 1 0 年该系统可以达到初步作战能力， 2 0 1 5 年实现完全的作战能力，其主要要求包括确保接入、“动中通 、组网通信、 点对点通信、联合互操作、全球覆盖等。 a e h f ( 最om i l s t a r i i i ) 星座计划由3 颗卫星组成，每颗卫星可以连接上百个 直径为1 英尺的终端天线，使用寿命为1 4 年。a e h f 星座的特点是采用星间链路、 星上处理技术，以及轻型多功能通信天线的组合阵列和宽带频率合成技术等。卫 星可以直接对来自用户终端的请求做出回