空間通信和導航研究系統(tǒng)技術的區(qū)別

大氣傳播研究

大氣傳播研究的目的是提高對NASA通信鏈路當前和未來運行地點微波和光學波段大氣效應的統(tǒng)計理解。

自先進通信的Ka波段測量活動以來，NASA格倫研究中心一直處于大氣傳播研究的最前沿1990年代的技術衛(wèi)星。從那時起，該中心繼續(xù)引領該領域的研究，對Ka波段、Q波段、V/W波段和光鏈路進行了多次測量活動。

大氣傳播研究的目的是提高對NASA通信鏈路當前和未來運行地點微波和光學波段大氣效應（例如衰減，相位穩(wěn)定性等）的統(tǒng)計理解。除了為高效和有能力的通信鏈路設計提供信息外，這些測量還用于通過國際電信聯(lián)盟（ITU）等組織提高全球大氣模型的性能和準確性。 對特定站點大氣傳播特性的了解提供了關鍵信息，有助于地對空通信系統(tǒng)設計和性能的系統(tǒng)規(guī)劃（即鏈路裕量、可用性、實際可支持的數(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，更寬頻譜帶寬的預期優(yōu)勢可以迅速被傳播問題增加的現(xiàn)實所抵消，這可能導致更高的損耗，群延遲，去極化，氣體衰減和無線電噪聲。 通過表征這些影響，可以為特定站點的通信系統(tǒng)定義性能指標，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通信系統(tǒng)退化的貢獻。 NASA大氣傳播研究的首要目標是：

提供對Ka波段及以上傳播效應的良好理解

開發(fā)預測傳播相關效應的模型

開發(fā)減輕這些影響的工具

由于NASA對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主要是由于對流層的貢獻，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致的損耗增加會降低地空通信鏈路裕量，并導致信號采集和數(shù)據(jù)傳輸丟失。 NASA感興趣的設施所描述的主要大氣效應包括：

雨（雪）褪色 – 雨（或雪、冰）對總信號路徑衰減的貢獻

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

亮度溫度 – 大氣對信號噪聲增加的貢獻

相位去相關 – 大氣對相位噪聲增加的貢獻（退相干）

閃爍 – 通過大氣的信號功率快速波動的現(xiàn)象

去極化 – 大氣對信號極化的影響

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

大氣傳播測量活動

2、無線電頻譜傳輸研究

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責管理技術項目的規(guī)劃、制定、實施和集成以及支持 NASA 空間通信和導航 （SCaN） 能力的通信系統(tǒng)分析能力。SCaN是NASA所有空間通信活動的總部項目辦公室，包括地面設施和服務，并負責空間通信和導航技術的發(fā)展。

NASA對訪問無線電頻譜的要求始于1958年該機構的成立，幾十年來不斷發(fā)展壯大，包括廣泛的計劃和應用。頻譜管理是由NASA格倫研究中心執(zhí)行的全機構職能，包括國內和國際協(xié)調和保護用于通信和無源傳感的頻譜。該功能涉及頻譜政策和相關分析功能的制定和執(zhí)行。

格倫研究中心為廣泛的SCaN功能進行技術開發(fā)。2023年活躍技術項目目錄包括：

認知通信?– 適用于空間通信鏈路、網(wǎng)絡和提供商調度的自主性和彈性技術

高延遲率容忍網(wǎng)絡 （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)境的計量和分析

量子通信?– 多種量子通信技術的計量和開發(fā)，包括量子存儲器

RealTOR?– 用于地面實施的高速率實時光通信接收器功能

SKOUT?– 用于近地Ka波段通信的有源相控陣天線

3、認知通信

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

認知通信項目

認知通信研究旨在通過增加鏈接、網(wǎng)絡和服務調度的自主性來減輕任務用戶日益增加的通信復雜性。美國宇航局傳統(tǒng)上發(fā)射了單個航天器任務，通常提前幾周安排，每個資產(chǎn)一次為一個用戶航天器提供服務。最近，美國宇航局的科學任務發(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)調同時觀測。隨著更復雜的群體任務的啟動，一個挑戰(zhàn)將是協(xié)調群體內的通信。NASA Glenn研究中心（GRC）的認知通信項目旨在開發(fā)具有人工智能（AI）代理的分散空間網(wǎng)絡，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)。

?

什么是認知溝通？

美國宇航局的認知通信項目將“認知”定義為任何系統(tǒng)或系統(tǒng)的一部分，能夠克服障礙，響應和學習環(huán)境，并在最少或沒有人類互動的情況下實現(xiàn)完成其主要任務的有益目標。實際上，認知系統(tǒng)必須有能力適應不斷變化的條件，方法是在超出其最初開始的預先編程知識的場景中產(chǎn)生合理的結果。這些系統(tǒng)利用認知引擎（CE）或決策算法，使認知系統(tǒng)的一部分成為可能。認知引擎從過去的分配中學習，以隨著時間的推移提高任務通信性能。NASA航天器星座、通信中繼產(chǎn)品和任務架構日益復雜，推動了對自主通信系統(tǒng)開發(fā)的需求。

技術創(chuàng)新

NASA GRC的認知通信項目在四個不同但相互交織的領域進行研究：

認知鏈接?– 關于兩個設備之間的點對點連接

認知網(wǎng)絡?– 關于多個設備在多個鏈路之間路由信息

認知系統(tǒng)?– 關于設備之間的交互和支持地面和空間基礎設施

使能技術?– 關于設備的板載處理、傳感和適應能力，允許其參與認知鏈接、網(wǎng)絡或系統(tǒng)

空間通信鏈路是兩個無線電與空間中至少一個無線電之間的無線連接。目前，NASA的任務在發(fā)射前確定無線電的確切通信系統(tǒng)配置。雖然這種方法經(jīng)過驗證且穩(wěn)健，但它對發(fā)射后可能發(fā)生的實時任務變化也不靈活。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擔。

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

認知系統(tǒng)旨在優(yōu)化整個空間通信系統(tǒng)的性能，改善任務航天器和地面服務提供商基礎設施之間的交互。目前，網(wǎng)絡運營商根據(jù)每個特派團業(yè)務人員的請求管理對最高性能服務的訪問。任務操作員必須提前幾周預測航天器的指揮和數(shù)據(jù)傳輸需求。通過提高系統(tǒng)自主性，任務航天器可以根據(jù)其當前的數(shù)據(jù)傳輸需求協(xié)商對通信服務的訪問，而無需用戶干預。

使能技術用于調整現(xiàn)代設備，如神經(jīng)形態(tài)處理器，以實現(xiàn)認知能力。在航天器上實現(xiàn)認知通信功能所需的硬件通常模仿在地面上實現(xiàn)人工智能和機器學習的硬件。雖然這四個重點領域中的每一個都可以獨立成熟，但最終目標是過渡到集成到分散的認知空間通信系統(tǒng)中。

4、通訊服務項目

通信服務項目（CSP）正在開創(chuàng)NASA近地空間通信的未來，評估商業(yè)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的可行性，以可靠地支持未來的NASA任務。

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

采用商業(yè)衛(wèi)星通信功能將使特派團能夠利用遠遠超過政府能力的私營部門投資。使用商業(yè)技術將為NASA任務提供節(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工作的資金。

CSP的努力也是為SATCOM提供商邁向無盡新機遇的第一步。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，以滿足這一需求。這些服務和新的服務模式可以被其他政府機構甚至商業(yè)太空飛行公司使用，以支持他們自己的任務要求。這將促進工業(yè)發(fā)展，同時能夠長期支持NASA的近地太空任務。

分階段的方法

從代理資產(chǎn)到商業(yè)衛(wèi)星通信服務的轉變是一項復雜的操作。CSP通過三階段策略采用計算和有條不紊的方法。

第一階段涉及配方，在此期間，CSP團隊制定了一項策略，以確定和分析NASA當前的衛(wèi)星使用情況和未來的通信需求。在整個階段，該團隊還評估了現(xiàn)有的行業(yè)能力，以幫助各方（NASA，行業(yè)和其他政府機構）在未來的機會上保持一致。CSP 團隊使用了已在空間中繼伙伴關系和服務研究征求意見，以幫助為其第一階段工作提供信息。

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

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

在第3階段，即最后一個項目階段，NASA將開始收購并過渡到由多個行業(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。

5、高速率延遲容忍網(wǎng)絡 （HDTN） 項目

為了滿足不斷增長的用戶對數(shù)據(jù)返回的需求并擴展NASA探索和科學任務的能力，人們正在加速將光通信技術與現(xiàn)有的射頻（RF）功能注入一個可操作的網(wǎng)絡。太空通信和導航（SCaN）計劃正在開發(fā)新的通信技術，可用于增加未來太空任務返回的科學數(shù)據(jù)量。

從地球到任何航天器的通信都是一個復雜的挑戰(zhàn)，主要是由于所涉及的距離非常遠。當數(shù)據(jù)在數(shù)千甚至數(shù)百萬英里的太空中傳輸和接收時，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（DTN）是NASA為太空任務提供可靠互聯(lián)的解決方案。美國宇航局格倫研究中心（GRC）的高速率延遲容忍網(wǎng)絡（HDTN）項目正在開發(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行的通信系統(tǒng)之間移動數(shù)據(jù)的高速路徑。

技術進步

DTN是一種計算機網(wǎng)絡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)功能擴展到傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)無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)境通常會受到頻繁中斷、鏈路僅限于一個方向、可能長時間的延遲和高錯誤率的影響。

NASA GRC的HDTN團隊已經(jīng)確定了幾種技術解決方案，以解決空間網(wǎng)絡所需的升級問題，同時考慮現(xiàn)有的射頻基礎設施。該項目旨在提供可重新配置的存儲、轉發(fā)和路由功能，以支持不斷變化的任務要求和開發(fā)基礎設施，同時提供反饋路徑，為未來的系統(tǒng)認知和自主奠定基礎。該實施包括主動和被動鏈路管理解決方案，以最佳方式利用異構網(wǎng)絡中的節(jié)點。

盡管 HDTN 實現(xiàn)的硬件和軟件細節(jié)取決于應用程序，但作為協(xié)議標準的 DTN 與作為參考體系結構的處理體系結構、內存存儲和 I/O 元素之間的關系將保持不變。由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡緩沖解決方案足夠通用，可以提供任務可擴展性和與其他 DTN 實現(xiàn)的互操作性。

未來的 DTN 應用

2016年5月，國際空間站實施了一項機構延遲容忍網(wǎng)絡（DTN）服務來支持有效載荷?？臻g站DTN的實施大大提高了有效載荷科學數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，減少了操作開銷和規(guī)劃，并提供了支持未來任務支持應用的架構。NASA Glenn的研發(fā)團隊目前正在研究國際空間站的申請?？臻g站HDTN實施是基于軟件的，可以在軌道上的現(xiàn)有處理器上運行。該原型在實驗室中成功且一致地演示了跨測試臺仿真器的捆綁路由。

NASA GRC正在完成的工作是與美國宇航局馬歇爾太空飛行中心合作完成的，并將與其DTN實施（稱為DTN-ME）相結合，以交付給空間站。未來的航天器應用可能需要比當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發(fā)中，目標是100-200 Gbps，使用現(xiàn)場可編程門陣列。

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（DTN）已被確定為促進未來空間網(wǎng)絡發(fā)展和增長的關鍵技術。DTN 是一種覆蓋網(wǎng)絡，它使用捆綁協(xié)議連接一次不同的一對一鏈路。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 實施在資源有限的受限環(huán)境中運行，導致數(shù)據(jù)速度低，并且不能利用超過可用系統(tǒng)容量的一小部分。然而，隨著各種技術的進步，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實現(xiàn)都設計為在航天器上運行。

與當今的 DTN 操作相比，高速率延遲容忍網(wǎng)絡 （HDTN） 利用現(xiàn)代硬件平臺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，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構，允許系統(tǒng)隨著資源的增加而優(yōu)雅地擴展。HDTN 的架構還支持鉤子，用專用的硬件加速器替換各種處理管道元素。這提供了改進的尺寸、重量和功耗 （SWaP） 特性，同時降低了開發(fā)復雜性和成本。

6、集成無線電光通信

集成無線電光通信（iROC）終端概念為空間通信技術提供了一種混合射頻（RF）和光學方法。通過將無線電和光學通信模式集成到一個終端中，將實現(xiàn)高水平的通信系統(tǒng)魯棒性。與標準的純無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）。將高速無信標光通信系統(tǒng)與成熟的射頻技術集成將創(chuàng)建一個故障安全通信系統(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。格倫研究中心領導iROC，開發(fā)了包括初級、二次和三級光學器件在內的精密光學器件，并正在進行系統(tǒng)集成、測試和演示工作。為了支持iROC終端的開發(fā)，Glenn正在與其商業(yè)合作伙伴共同開發(fā)適用于新型無信標指向系統(tǒng)架構的干涉星跟蹤器，緊湊，輕便的隔振平臺和射頻透明碳化硅。

iROC項目的進展

iROC終端最初設計用于支持火星通信中繼任務，類似于火星勘測軌道飛行器。iROC終端的設計能力最近得到了擴展，最近的變體重新定位以支持月球任務。

iROC終端設計可擴展，從月球應用到火星任務，以及遠遠超出火星的任務。

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

根據(jù)空間技術任務理事會（STMD）改變游戲規(guī)則的發(fā)展（GCD）計劃，iROC項目將推動技術就緒級別 （TRL）火星版的 iROC 從 3 到 5，為過渡到飛行演示做準備。在STMD GCD計劃下，將展示無信標指向技術（在天文觀測能力限制范圍內），其精度足以支持行星范圍內的高速率（100 Mb / s）光通信。

技術就緒級別 （TRL） 是一種用于評估特定技術的成熟度級別的測量系統(tǒng)。每個技術項目都根據(jù)每個技術級別的參數(shù)進行評估，然后根據(jù)項目進度分配TRL評級。有九個技術準備級別。TRL 1 是最低的，TRL 9 是最高的。 當一項技術處于TRL 1時，科學研究就開始了，這些結果正在轉化為未來的研究和開發(fā)。TRL 2 一旦研究了基本原理并且可以應用于這些初步發(fā)現(xiàn)，就會發(fā)生。TRL 2技術非常具有推測性，因為該技術幾乎沒有實驗概念證明。 當積極的研究和設計開始時，一項技術被提升到TRL 3。通常，在這個級別上需要進行分析和實驗室研究，以確定一項技術是否可行并準備好在開發(fā)過程中進一步進行。通常在TRL 3期間，會構建概念驗證模型。 ? 一旦概念驗證技術準備就緒，該技術將推進到 TRL 4。在 TRL 4 期間，多個組件相互測試。TRL 5 是 TRL 4 的延續(xù)，但是，位于 5 的技術被確定為試驗板技術，必須比僅在 TRL 4 的技術進行更嚴格的測試。模擬應在盡可能接近現(xiàn)實的環(huán)境中運行。一旦TRL 5的測試完成，一項技術可能會推進到TRL 6。TRL 6 技術具有功能齊全的原型或代表性模型。 TRL 7技術要求在空間環(huán)境中演示工作模型或原型。TRL 8 技術已經(jīng)過測試并“飛行合格”，可以實施到現(xiàn)有的技術或技術系統(tǒng)中。一旦一項技術在成功任務中得到“飛行驗證”，它就可以被稱為TRL 9。

技術發(fā)展

iROC項目包含許多技術開發(fā)領域，可實現(xiàn)混合射頻（32 GHz）和光（1550 nm）空間通信，同時最大限度地減少質量。該終端使用特殊的望遠鏡/天線系統(tǒng)或“teletenna”，其中無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飛行版本的構造是通過使用特殊摻雜的碳化硅（SiC）材料完成的，該材料通過RF能量而不會顯著損失信號功率。SiC是一種由于材料特性而經(jīng)常用于制造太空望遠鏡的材料。使用低損耗RF SiC有助于實現(xiàn)iROC終端的混合孔徑設計，因為望遠鏡的結構對RF波的干擾程度將比通常遇到的金屬結構小得多。選擇僅由SiC形成iROC結構為iROC終端提供了有效的熱化策略。

iROC系統(tǒng)無需借助地面光學接收望遠鏡的上行信標即可實現(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)的無信標指向尚未得到證明。與以前的無信標指向方法相反，為iROC終端開發(fā)的無信標系統(tǒng)采用單個傳感器進行姿態(tài)感應，并將通信波束視線（CBLOS）配準到姿態(tài)估計。這種 iROC 概念避免了復雜的光學計量系統(tǒng)，這些系統(tǒng)限制了競爭方法的魯棒性。作為該系統(tǒng)開發(fā)的一部分，iROC項目成熟，適應和集成高精度/低SWaP干涉星跟蹤器（iST）技術。

iROC的第三個重要技術開發(fā)領域是緊湊型輕量級隔離平臺（CLIP）。CLIP為光學系統(tǒng)提供平臺穩(wěn)定和精細指向。這一點至關重要，因為平臺穩(wěn)定會顯著減少航天器振動帶來的初級和次級光學器件之間的運動。iROC終端的中等尺寸光學元件實現(xiàn)了光束穩(wěn)定和精細指向的“平臺穩(wěn)定”方法，其中整個光學系統(tǒng)與航天器振動隔離開來。平臺穩(wěn)定帶來的一次和二次光學之間的運動減少降低了對光學系統(tǒng)結構剛度的要求，從而允許光學系統(tǒng)結構稀疏和輕量化。通過使用作為CLIP系統(tǒng)一部分的極小磁流體動力（MHD）速率陀螺儀技術，進一步減輕了iROC的重量。

用于 iROC 指向和光束穩(wěn)定的解耦控制環(huán)路

望遠鏡結構的稀疏性減少了射頻阻塞。平臺穩(wěn)定功能可簡化和解耦終端內的各種控制回路。

iROC 合作者

NASA已將通過iROC開發(fā)的幾個技術領域分拆為單獨的項目，包括高速率延遲容忍網(wǎng)絡（HDTN）項目和實時光接收器（RealTOR）項目。iROC的許多技術發(fā)展都是通過使用NASA實現(xiàn)的。SBIR資金。iROC終端的開發(fā)得到了許多中小型企業(yè)的貢獻，包括：光學物理公司（加利福尼亞州西米谷）的iST，應用技術協(xié)會（新墨西哥州阿爾伯克基）的隔振/無干擾平臺技術和Xinetics（劍橋，馬薩諸塞州）的SiC技術。

7、月球LTE研究（月球LiTES）

位于俄亥俄州克利夫蘭的美國宇航局格倫研究中心的月球LTE研究（LunarLiTES）項目正在評估連接我們在地球上的移動設備的4G和5G技術如何轉化為月球環(huán)境，目標是為下一代探險家提供他們在地球上所知道的相同的通信便利。我們口袋里攜帶的地面技術是月球網(wǎng)絡的明確選擇，但在月球上的表現(xiàn)與在地球上的表現(xiàn)明顯不同。LunarLiTES團隊專注于將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)測試平臺中，其具體目標是表征月球表面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)境中運行完整的通信系統(tǒng)硬件。

支持阿爾忒彌斯勘探

通過阿爾忒彌斯，美國宇航局將在月球上建立長期的人類存在，比以往任何時候都更多地開放月球表面的科學和探索。月球活動的快速增長將需要強大的通信、導航和網(wǎng)絡能力，以應對在月球上生活和工作的獨特挑戰(zhàn)。月球南極是我們以前從未去過的月球區(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，這些新的極地任務將比過去阿波羅在月球中緯度地區(qū)的任務更具挑戰(zhàn)性。航天器、宇航員和機器人任務在月球表面工作時將需要連續(xù)、可靠的連接，尤其是在南極具有挑戰(zhàn)性的景觀中。通信鏈路對于控制航天器、返回科學數(shù)據(jù)以及幫助任務在探索未知地形時導航和確定其精確位置至關重要。

未來應用

美國宇航局空間技術任務理事會已資助諾基亞在未來的美國宇航局商業(yè)月球有效載荷服務（CLPS）飛行期間在月球表面展示4G LTE網(wǎng)絡。LunarLiTES項目通過模擬和模擬月球表面的通信鏈路來支持這一任務，以預測網(wǎng)絡的性能，并最終提高模擬月球表面?zhèn)鞑ズ筒渴饛姶缶W(wǎng)絡以維持探索的能力。這些通信鏈路對于控制航天器、返回科學數(shù)據(jù)以及在阿爾忒彌斯宇航員探索未知地形時確定精確位置至關重要。

8、程序系統(tǒng)工程 （PSE）

NASA的計劃系統(tǒng)工程（PSE）團隊是整個空間通信和導航（SCaN）系統(tǒng)工程（SE）團隊的一部分。SCaN SE團隊與整個機構的各種計劃進行交互，以確保SCaN技術，無線電頻譜和標準計劃是可行的，并響應NASA的所有空間通信和導航需求。SCaN SE由SCaN的PSE辦公室管理，促進和協(xié)調，與SCaN內的所有部門和辦公室以及相關的NASA中心相互接口。NASA的每個部門都將其獨特的SE方法應用于其SCaN特定職能，但是與PSE辦公室的協(xié)調確保了SCaN和該機構的無縫SE理解。

PSE團隊由來自NASA總部以及其他NASA中心的成員組成。SCaN PSE綜合團隊的成員共同開展整個SCaN SE計劃活動。通過共同參與計劃層面的審查和工作組會議，PSE組織得到加強;生命周期開發(fā)和收購活動，從概念研究到退役;開發(fā)從計劃到項目層面的需求;以及對整個SCaN網(wǎng)絡架構及其實現(xiàn)任務目標的能力的評估。

SCaN 系統(tǒng)工程功能

SCaN 系統(tǒng)工程團隊監(jiān)控整個項目中 SCaN 系統(tǒng)工程工作的總和。它不是一個特定的組織，而是一個過程。SE包括來自所有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)務管理辦公室（BMO）和計劃系統(tǒng)工程（PSE）辦公室，其中包括數(shù)據(jù)標準;以及相關的美國宇航局中心;利益相關者;和用戶社區(qū)。NASAPSE部門的部分職責是提供SCaN技術項目和計劃系統(tǒng)工程之間的協(xié)調，以維護整個SCaN計劃技術基線。

SCaN SE團隊促進跨SCaN計劃和項目邊界的這些活動，并在各種內部和外部組織之間進行協(xié)調以實現(xiàn)該計劃的特定目標，并與整個SCaN組織和NASA中心的利益相關者進行互動，以定義SCaN計劃級別的要求;讓項目代表有機會分析和討論計劃和項目空間C&N需求;并驗證基線要求。

PSE 團隊通過作為 PSE 團隊一部分的各種功能主題專家和各種網(wǎng)絡領域專家之間的合作來實現(xiàn)多學科團隊合作。例如，GRC中心PSE SE Lead利用代理任務團隊（SMT）向PSE團隊提供有關任務用戶需求的建議。

9、量子通信項目

美國宇航局格倫研究中心的量子通信項目是一個空間通信和導航（SCaN）項目，積極參與光量子科學，技術開發(fā)和太空應用實驗。

格倫的量子通信工作是通過研究量子光通信技術和架構來實現(xiàn)基于太空的量子網(wǎng)絡的推動的。天基量子網(wǎng)絡是長距離通信的關鍵，因為在地球上使用的基于光纖的解決方案在遠距離（例如洲際或跨洋距離）上使用是不可行的。為了支持創(chuàng)建量子技術的天基應用，研究人員一直致力于在不犧牲性能的情況下減小量子設備的尺寸、重量和功率。

美國宇航局量子計量實驗室

美國宇航局格倫研究中心是美國宇航局量子計量實驗室（NQML）的所在地，量子科學家致力于驗證和確認用于太空應用的量子硬件和網(wǎng)絡模型。GRC研究人員表征NQML中最先進的量子設備，并將性能信息輸入網(wǎng)絡模型。

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

10、實時光接收機（RealTOR）項目

位于俄亥俄州克利夫蘭的NASA格倫研究中心的實時光接收器（RealTOR）項目正在使用商用現(xiàn)貨（COTS）技術來開發(fā)一種便攜式，可擴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線電波來編碼和傳輸?shù)厍蛐畔?。這項技術將為任務提供更高的數(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數(shù)地面接收器開發(fā)低成本解決方案外，RealTOR項目還開發(fā)了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的發(fā)射器來測試RealTOR系統(tǒng)，目前正在進行子系統(tǒng)集成，測試和演示工作。

RealTOR系統(tǒng)實施空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）光通信高光子效率（HPE）標準，該標準將用于未來的光子計數(shù)任務，如光學Artemis-2獵戶座通信（O2O）任務。

技術開發(fā)

RealTOR項目有幾個子系統(tǒng)正在開發(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超導納米線單光子探測器（SNSPD）和基于FPGA的接收器組成。以下技術使RealTOR系統(tǒng)能夠在馬里蘭州格林貝爾特的戈達德地球物理和天文臺的低成本光終端（LCOT）地面站上實現(xiàn)。

在處理空間到地球的光通信時，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望遠鏡接收。在RealTOR系統(tǒng)中，光纖設備充當橋梁，將LCOT地面站光學望遠鏡輸出的紅外光連接到位于設備掩體中的單光子探測器。

COTS單光子探測器感應光纖器件傳輸?shù)募t外光;當光子撞擊探測器時，電脈沖被發(fā)送到基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的接收器進行處理。

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

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

RealTOR 系統(tǒng)設計用于接收串行級聯(lián)脈沖位置調制 （SCPPM） 波形，符合 CCSDS HPE 標準，并使用多個單獨耦合到 SNSPD 的光纖并行擴展至所需的數(shù)據(jù)速率。RealTOR系統(tǒng)旨在實時實現(xiàn)高達530 Mbps的數(shù)據(jù)速率，以支持戈達德地球物理和天文臺（GGAO）的O2O低成本光終端（LCOT）演示，以及未來的光通信低成本地面站工作。

未來技術應用

RealTOR低成本接收器旨在增加光子計數(shù)光通信的使用，并在國際上注入CCSDS光通信HPE標準的使用。預計這一發(fā)展將提高地面光子計數(shù)光接收器的可靠性和可負擔性，適用于政府和行業(yè)應用。

編輯：黃飛

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