从神州十三号看IP技术在航天测控通信网的应用(下)
IP技术在航天测控通信网中有什么作用？
未来航空航天任务的应用，如军事情报、监视、侦察等空间应用、深空探测、空间科学等，对测控网在支持综合业务信息传送能力、信息传送容量和信息传送方式等方面提出了更高的要求。对测控网的技术体制进行改进，适应未来航天器与地面系统之间航天应用信息传送的要求，尤其是地面站与卫星之间的传输协议和调度机制的选择和应用尤为重要。
测控网作为测控的基础网络设施，其发展和技术革新深受各国空间局的重视。当前，许多国家的航天测控领域都在进行这方面的改革，美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)测控网的变迁深刻体现了IP技术带来的影响。
IP技术在NASA航天测控网的应用
从1996 年起，NASA将多年航天测控中形成的具有相当规模的五个现有广域测控网—NASA通信网(Nascom)、项目支持通信网(PSCN)、NASA科学互连网 (NSI)、宇航网 (AEROnet)和地球观测系统数据信息系统主干网(EOSDIS Bnet)合并，组成NASA综合业务网(NISN)。William D.Ivancic、David Brooks和BrainFrantz. 在《NASA’s Broadband Satellite》文献中表明：NASA包交换系统用TCP/IP业务取代X.25包交换业务；用IP协议取代天基网地面数据传输系统的主要组成多路复用/分路器(MDM)使用的4800比特组(4800BB)协议，同时对MDM进行改造，使其支持IP协议；Nascom用 IP协议取代使用多年的4800BB协议，同时将报文交换系统（MSS）更换为支持IP协议的MSS；提供路由数据业务的网络全部采用 IP协议。
驱使NASA采用IP协议的因素是：降低通信网成本；减少定制专用系统，优化网络拓扑结构，降低设备和劳力成本；建设一个标准的卓越的商业成品网络。
随着地面互联网技术的飞速发展，IP技术已成为目前以及未来的主要网络传输技术，目前国际上关于航天测控网的研究也倾向于将地面互联网延伸到航天器，实现地面终端用户到航天器的全IP连接。特别是因为IP技术对于移动性的良好的支持性，更是得到了广泛的应用。近年来，较有影响力的研究主要是NASA的OMNI计划和VMOC项目。
从VMOC项目看IP技术在航天测控网的应用
以VMOC项目为例 , Virtual Mission Operations Center是2003 年起NASA开发的基于Internet的安全应用,可以提供用户友好的接口，使处于战场环境的人员可以获取卫星数据库中的信息，并可以操控航天器 。VMOC系统的天基部分又卫星系统组成，将卫星系统引入IP技术，就必须加入真正意义上的路由器。CLEO(Cisco Low Earth Orbit)是低轨卫星上的Cisco路由器。CLEO是Cisco公司和NASA合作开发的一个项目,在SSTL的环境监测卫星UK-DMC上设置Cisco路由器，采用IP技术，从而将卫星纳入到Internet中。CLEO可以为地面和卫星之间实现通信提供良好的接口 。VMOC通过多个可以接Internet的地面站接收卫星遥测数据，并使用高等级的互联网标准web服务，要求任务管理系统调度卫星获取地面图像。其特点是充分利用高度自主的微小卫星平台、模块化的有效载荷、共同的接口界面以及通过国防部保密的TCP/IP路由网直接向卫星发送指令和分发卫星图像，构建快速响应的航天科研生产管理机制与发射模式，获得战术应用的实战响应能力。
在美国海军、空军、陆军、 航空航天局和产业部门联合举行的“战术卫星 1”实验计划中， VMOC负责经由保密TCP/IP路由网，向“战术卫星 1”指派任务和分发信息的有效载荷接口。目前VMOC还准备实施由空军和海军空间战场实验室提出的卫星与非保密TCP/IP路由网(NIPRNET)接口实验。VMOC的基本网络拓扑结构如下图1所示，该图是 VMOC 实验计划的网络结构，该网络配置的目的是使一个远端用户可以通过VMOC安全的接入并操作测控对象。
图1VMOC基本拓扑结构
IP技术在ESA航天测控网的应用
ESA通信网由三部分组成：为整个欧空局提供基础设施并行使管理职责的通信网 ESACOM；为任务和航天器提供全生命周期支持的任务支持网OPSNET；为国际空间站欧洲部分 ColubuS 轨道设施(COF)和 Ariane 运载工具(ATV)提供支持的互连地面子网(IGS)。
ESACOM的前身是ESANET。ESANET是一个多用途通信网，它支持ESA站点内的本地通信，ESA机构和地面站之间的通信，以及ESA 和外部合作伙伴之间的通信。后来，ESA利用 Internet 技术对该通信网作了改造，改造后的ESANET称为ESACOM，它是基于帧中继的虚拟专用网，提供基于TCP/IP协议的业务以满足欧空局内的数据联网要求。作为 ESA 信息高速公路的基础设施ESACOM 面临进一步的改革，未来将在ESACOM 上综合所有的业务， ESACOM 将建成一个能独立承载内部站点的所有数据、话音和媒体业务的综合业务网。
ESA已建成的航天器操作支持网 OPSNET 把位于达姆施塔特(Darmstadt)的操作控制中心(OCC)与 ESA的地面站及其它与航天任务有关的站点连接起来。OPSNET 是传输任务关键数据、话音和信息，通过任务控制系统和一个或多个地面站支持多个无人航天器同步操作的网络。它还兼顾支持在工业组装、集成和测试(AIT)地进行的航天器鉴定测试(SVTs)。 在多种因素的驱动下，OPSNET开始IP技术过渡。 最终，将构筑一个基于IP路由器的专用网—OPSNET内部网基础设施，它将是一个服务于所有任务(平台和载荷操作)的开放式网络。该网将提供基于IP的网络服务，使用传输控制协议TCP或用户数据报协议(UDP)作为传输协议。使得从 OPSNET 内部网向全球Internet提供载荷数据传输成为可能，例如科学数据分配。该网使用安全网关或防火墙维护网络安全。从长远来看，一旦能够建立通用网络设施，可以在网络管理、硬件维护和操作人员方面节省相当的费用。
互联地面子网 (IGS)是ESA支持国 际空间站欧洲部分Colubus轨道设施(COF)和Ariane运载工具(ATV)的网络。在建设中，由于Internet技术的发展非常迅速，IP成为事实上的工业标准。魏晨曦在《TCP/IP技术在航天测控通信中的应用》表示，IGS采用了IP协议，通过IP网关提供各项业务，IGS具有到其他空间局保密网的网关，可以满足空间实验平台的远程操作对通信系统提出的高安全、高可靠、高保密要求。
根据William Ivancic,、Dave Stewart和 Dan Shell的《Network-Centric Operations of a Space- Based Asset: Cisco Router in Low Earth Orbit (CLEO) and Virtual
Mission Operations Center (VMOC)》以及E Criscuolo、K Hogie、R Parise的《Transport Protocols and Applications for usein space》,对美国VMOC和OMNI计划的分析，可以发现该计划应用的是典型的移动IPv4 协议接入到地面网络，该实验已经获得了一定的成功。
如图 2所示，OMNI和VMOC计划采用移动IP技术解决非同步轨道航天器经过不同地面站时的移动性问题时，无一例外的在才用移动IPv4 协议时选择了 基于三角路由(Triangular Routing)的传输协议。它的基本传输机制同样也是移动 IPv4 的机制，基本工作机制是：VMOC 中的客户主机(CN)首先向卫星节点发送业务请求信息，该信息经由卫星节点的家乡代理(HA)处理，通过卫星节点现接入地面站(FA)发送请求信息，再由卫星节点将相关业务数据到有权限访问的客户主机中。VMOC使用在移动 IP接入部分完全采用了移动 IPv4的技术。
图2移动IPv4在VMOC 计划中的应用
面对航天测控通信的变化,TCP／IP网络将能很好地适应，特别是在网络传输方面，比“点对点”传输模式要强大得多的功能，所以TCP／IP在航天测控通信中的应用将会改变测控通信的模式，它的介入将为航天测控通信增添许多新的功能：数据传输不再单一地按照点对点特定的路由，而是根据网络的拓扑和路由协议，选取最佳可用路径，大大提高了传输的灵活性；TCP／IP网络还能够提供很多服务，包括：文件传输服务、电子邮件服务、WEB服务和统一网络管理等服务，这对航天测控通信将产生深远的影响。
如果将航天测控通信网建成一个采用标准协议的网络，随着航天测控通信网与IP技术的发展，IPv4与IPv6能够降低系统运营、维护与管理的成本，并有利于测控通信网的未来发展。
