我國在軌衛星測控發展歷程及展望

關暉 寧永忠 （北京宇航智科科技有限公司）

衛星在軌長期管理是保障衛星正常運行和發揮作用的關鍵，盡管我國在1970年就發射了東方紅-1試驗衛星，但直到1990年才開始了衛星在軌的正式、規范和專業管理，如今在軌衛星測控的數量已從當初3顆到現在上百顆；無論在管理數量和質量上，我國的衛星管理水平都已經走在了世界的前列。隨著我國航天事業發展，需要管理的衛星數量將急劇增加,衛星測控的覆蓋性和時效性需求進一步提高、管理的內容和技術復雜度增加，需要為用戶提供更多的服務模式，應該立足現有的資源，著眼長遠、拓展思路和持續創新才能滿足我國航天事業發展對衛星在軌測控的要求。

1 衛星在軌測控發展歷程

我國在軌衛星管理可以劃分為兩個階段，第一個階段是從1990年至1997年，這一階段衛星管理數量少、衛星功能簡單、管理技術單一，地球同步衛星采用定時管理方式，可以稱之為早期定時在軌衛星管理階段；第二階段從1997年之后，我國發射的衛星數量激增、功能復雜，管理要求顯著提高，管理技術大大提升，地球同步衛星采用全時管理方式，實現了衛星長期管理由初期“單星經驗型”到“多星智能型”轉變，管理的衛星數量和水平躍居世界前列。

早期 定時在軌測控

這一階段管理的代表性衛星有東方紅-2A、風云-1B和實踐-4衛星，其中東方紅-2A是我國第一代地球同步軌道通信衛星，采用自旋穩定姿態方式；風云-1B是我國第一代極軌道氣象衛星，采用三軸穩定姿態方式；實踐-4是一顆用于探測空間輻射環境的科學試驗衛星，采用的是遠地點40000多千米、近地點200多千米的高偏心率橢圓軌道，自旋穩定姿態方式。

早期衛星定時在軌測控系統組成原理圖

這一階段東方紅-2A衛星的遙測監視管理采用上、下午各監視半小時和每年90天左右的地影期間重點遙測監視，一個月左右進行一次東西位置保持控制、三個月左右進行一次南北位置保持；風云-1B采用每天上、下午的升、降軌各3圈、每圈10min左右遙測監視或發令/注數；實踐-4是每天衛星運動到遠地點時進行約40min的跟蹤，完成對其測監視或發令/注數工作。東方紅-2A衛星管理使用渭南和閩西站的C頻段測控設備、風云-1B和實踐-4使用渭南、長春和喀什站的超高頻設備。這時期系統自動化運行能力差，各子系統間的操作需要依靠語音調度、手工操作執行。控制中心負責衛星管理計劃制訂、衛星狀態監視、控制參數計算、軌道確定和預報等工作，測控站負責衛星跟蹤和發令工作。控制中心所有的上行發令都是通過語音調度命令測站操作人員在測站執行，這個時期地面測控站的設備控制功能強、操作復雜和要求高，對衛星的發令主要通過單指令和指令鏈的形式完成，測站預先保存衛星所有的上行指令，加工成單指令或指令鏈。

多星全時在軌測控系統組成原理圖

多星 全時在軌測控

這一階段我國衛星水平有了很大提高，以東方紅-3系列衛星、風云-2和資源-1等衛星為代表，表現在衛星體積變大、質量增加，姿態控制普遍采用了三軸穩定技術，有效載荷數量增多，性能先進，普遍使用星載計算機和星務管理等技術。這一階段衛星管理方式的顯著變化是實現了真正意義上的多星測控管理，開始使用S頻段統一測控系統，地球同步衛星采用了全時段管理。低軌衛星的管理受測控站地理布局限制，仍然采用每天升、降軌測站的可見時段管理，自從2008年我國首顆中繼衛入軌后星，我國衛星測控系統對350km以上的低軌衛星全天可見，因此整個測控系統對低軌衛星的測控覆蓋率顯著增強。

與早期定時管理模式相比，為了滿足衛星數量激增、管理要求提高和管理難度增大的需求，多星全時管理系統顯著增強了自動化運行能力，衛星測控系統也采用了大中心、小測站的設計思想。在具體的技術實現上，通過設備遠控平臺實現了對測控設備的遠程自動控制，通過衛星遙平臺實現了衛星上行發令和注數的自動執行，通過故障診斷系統實現了衛星狀態的自動檢測，最終通過測控計劃執行平臺調度設備遠控平臺、衛星遙控平臺和各類測控軟件，完成設備控制、衛星發令和軟件運行的自動流程控制。

2 衛星在軌測控內容

衛星在軌測控需要完成衛星平臺的早期測試、日常管理和末期管理三大任務，其中早期測試是為了測試衛星入軌后各項性能指標與總體設計符合情況，測試結果是衛星交付用戶和開展業務運行的依據；日常管理完成衛星的遙測監視、遙控發令和異常處理等工作，確保衛星平臺正常工作；末期管理完成地球同步軌道衛星的離軌控制和低軌衛星隕落等相關工作。

早期 測試

衛星入軌后需要完成早期測試工作，早期測試分衛星平臺在軌測試和有效載荷在軌測試兩部分進行，目的是檢驗衛星是否滿足衛星研制總要求所規定的總體技術指標，檢驗衛星各分系統功能和性能是否滿足設計指標。

日常 管理

衛星完成在軌測試并投入使用后，地面需要按規定完成平臺管理和載荷開、關機控制等工作，具體任務如下：

（1）遙測監視

接收、處理和顯示衛星下傳的遙測數據，對衛星工作狀況進行全面監視，當衛星參數值超出規定的門限時報警。

（2）星上時鐘修正

由于存在頻率漂移，星上時鐘工作一段時間后，會與地面時鐘產生誤差，當誤差值大到一定程度，需要地面對星上時鐘進行修正。

（3）軌道注入

當衛星使用地面軌道根數作為姿態或軌道計算基準時，需要地面定時將軌道確定結果注入到星上。

（4）遙控指令發送

通過地面站對衛星發送直接指令和間接指令，控制星上執行機構，完成衛星狀態設置和各種動作，其中直接指令是通過星上執行機構直接執行、間接指令是通過星上計算機控制執行。

（5）上行數據注入

注入衛星載荷執行計劃，控制衛星在指定的時間載荷開機、數據傳輸和軌道控制等，同時還可以根據衛星運行的需要修改星上程序等。

（6）軌道測量和外測數據處理

對衛星的軌道進行測量并對數據進行處理，衛星的軌道測量可以是基于GNSS數據或外測數據，外測數據的獲取通常有兩種方法：三站測距或單站或多站測角、測距，其中三站測距方式主要用于地球同步軌道衛星測控，而多站測角、測距方式主要用于低軌衛星測控。

（7）軌道確定

由軌道測量數據計算衛星軌道，提供瞬時、平均經典根數或衛星在空間的位置。

（8）軌道預報

根據給定的衛星軌道根數，完成衛星軌道、星下點、測站跟蹤、衛星進/出地影時間、星上紅外地敏干擾預報等。

（9）軌道或位置保持控制

根據衛星任務要求，對衛星軌道實施控制或姿態調整，通常完成軌道半長軸、偏心率和軌道傾角控制，控制近地衛星運行在設計的軌道、同步衛星運行在定點位置附近。

（10）姿態側擺控制

通過控制低軌衛星的滾動或俯仰角，調整星上遙感儀器的指向變化，從而擴大衛星每個圈次的對地觀測范圍，這項工作通常是地面計算控制參數，提前注入到星上計算機，由星上計算機控制衛星在到達指定觀測區域前完成姿態偏置。

（11）太陽帆板轉角控制

星上太陽帆板具有旋轉跟蹤太陽的能力，運行一段時間后，太陽帆板法線指向實際與理論出現誤差，因此每隔一段時間，需要調整太陽帆板轉動速度，修正跟蹤誤差，確保帆板準確跟蹤太陽，實現能源穩定輸出。

（12）干擾力矩估計與補償

每次軌道控制后都要進行干擾力矩計算。通過采集一次軌道控制過程中相關遙測數據，計算推力器產生的干擾力矩并在下次軌道控制中進行補償，避免衛星控制過程中姿態發生較大的變化。

（13）異常處理

當衛星出現故障時，需要地面及時發現、準確判斷故障原因，根據故障對策發送遙控指令或注入數據進行處理，并對處理結果進行判斷。

（14）定點位置共位管理

由于定點位置緊張，目前一個地球同步軌道上會有多顆星共用一個軌位，為了避免這些衛星相互碰撞，需要采用不同的位置保持策略，控制衛星間距離在安全的范圍。

（15）自旋衛星姿態測量和控制

自旋穩定衛星的姿態在空間會產生漂移，需要地面定時測量和確定，并根據測量結果進行控制，確保衛星姿態偏差在給定范圍。

（16）同步衛星軌道位置漂移控制

將衛星從當前定點位置漂移控制到另一個指定的地球同步軌道的定點位置，通常是通過控制衛星的軌道半長軸實施控制。

末期 管理

按照國際電聯的要求，廢棄的地球同步軌道衛星應該被轉移到高于地球同步軌道高度約300km的“衛星墓地”。因此定點衛星在軌測控需要完成的最后一項任務就是抬高衛星軌道，控制衛星離開定點的位置運行到“衛星墓地”，并進行旋轉部件關機、電池放電等鈍化處理。當低軌衛星軌道降得足夠低時，完成密集軌道測量和準確隕落位置預報。

3 衛星在軌測控技術發展展望

隨著我國航天事業發展，中低軌道衛星在軌數量將大量增加，小衛星、星座要求航天測控網具備多星同時在軌測控能力；二代導航衛星星座、高精度對地觀測衛星等要求提高飛行器軌道測量和定位精度；遙感衛星為提高使用效率要求更靈活的測控服務，因此未來的在軌衛星管理技術必須進一步擴展軌道測控覆蓋率、提高測控設備使用率、提高測控時效性和靈活性，才能滿足我國航天事業發展對衛星在軌測控的要求。

形成天基為主、地面為輔的在軌衛星測控網

利用以跟蹤與數據中繼衛星系統為主建設的天地一體化測控網， 不僅能有效地提高網的測控覆蓋率和多目標測控能力， 而且能夠完成各類對地觀測衛星的高速實時數據傳輸的任務。以一顆多址能力為前向1路、返向5路的中繼衛星為例，在現有管理模式下，它具有支持100顆低軌衛星在軌工程測控的能力。以天基為主、天地結合在軌衛星測控網與現有的基于地基測控網管理低軌衛星相比，除了衛星管理數量的增加，還可以克服現有基于地基測控網在軌衛星管理時間域集中和模式單一的缺陷，比如在中繼衛星多址服務方式下，均勻測控模式可以減小衛星測控間隔，輪詢測控能確保在最短時間內發現衛星異常，連續測控模式能滿足長時間測控需求和減小衛星測控間隔，這些多服務模式的使用將帶來衛星在軌測控數量、管理質量和時效性的顯著變化，提高衛星在軌測控安全性、靈活性和管理效率。

充分 發揮資源調度的作用

地面測控設備、中繼衛星和相關運行系統統稱為測控資源，這些測控資源不可能無限地增加。如何利用有限的測控資源支持更多數量的衛星管理，需要充分發揮資源調度的作用。以美國空軍衛星測控網（AFSCN）的測控調度問題為例：1992年到2002年間，AFSCN的測控站數量沒有發生變化，但是隨著衛星的增加，每天的平均測控服務需求數目上漲了40～50%，其中存在沖突的任務數量更是上漲了5．4～6．6倍。1992年，通過測控調度算法能夠達到近98%的任務滿足度，到2002年，通過測控調度算法可使任務滿足程度達到94%以上，僅下降了不足4%，充分體現了通過測控調度實現測控資源綜合利用所實現的巨大效益。

發展 多目標測控管理技術

經過30多年的發展，我國衛星測控系統已經形成了多星測控能力，通常它側重于對多個不同類型的衛星進行并行管理或者相同衛星的串行管理。未來海量小衛星組網以及大量的衛星星座運行，需要在同一時間，對多顆同類型衛星進行管理， 它們之間較單星運行相比，更多地強調協調性和依賴性，同時衛星間特征的相似性為單個衛星故障的檢驗提供了更多信息，因此需要在現有多星測控的基礎上，針對這些特點，提升多目標測控服務的能力，著重編隊衛星管理，充分挖掘多目標服務的優勢。

關鍵 故障自動實時處置

與過去試驗衛星數量居多相比，今后越來越多的是為用戶提供服務的應用衛星，它們更強調衛星業務可用率。以地球同步軌道通信衛星為例，它要求衛星一年的服務率大于99．99%。盡管衛星在設計制造過程中為了整星的安全，采用各種技術確保衛星在各種情況下平臺安全，但出現重大異常時，這種安全保護措施的執行會中斷衛星的業務運行，進而影響衛星年度有效使用率。目前的普遍的做法是由操作人員判斷故障原因，進而采取上行發令或注數，整個處理過程時間長、對操作人員要求高，會出現處理不及時導致衛星業務中斷的現象。因此，為更好滿足衛星業務高效運行和確保衛星安全，衛星在軌測控必須具有衛星關鍵故障自動實時處置能力。目前我國已經做了成功的嘗試，并在某顆地球同步軌道衛星的太陽干擾保護的過程中發揮了作用，成功地避免了衛星姿態失穩。

提供 靈活的按需測控服務

過去由于受測控站分布的限制，建設在國內的測控站只能為低軌衛星提供每天上午、下午一定時段的升、降軌各幾圈測控服務，其它圈次衛星不可見。衛星載荷和數據回傳開、關機的時間通常是提前1天或幾天注入星上計算機，地面很少修改已經注入的工作程序?，F代對地觀測衛星從提高衛星利用率和使用效能出發，提出了按需要測控服務的要求。據了解，光學成像衛星如果能及時調整工作計劃避免云層遮擋，可以將衛星有效圖像率提高一倍以上。因此，如果充分利用中繼衛星的全球覆蓋和多址服務能力，開發按需服務能力，地面測控系統就能夠為衛星用戶提供反應迅速、高效靈活的按需測控服務，將顯著提升衛星的應用效果和衛星用戶滿意度。

4 結束語

我國衛星在軌測控事業伴隨著衛星事業的蓬勃發展，從無到有，從弱到強，積攢了雄厚技術實力和管理能力，實現了衛星管理的自動化、智能化和高效可靠。隨著我國大力鼓勵民間資本進入航天市場，特別是衛星水平提高和生產成本下降，將會有越來越多的商用衛星進入太空，很多衛星的用途已經從為國家利益服務變成了為大眾生活服務，這些衛星大量入軌后，需要實施高效、靈活和安全可靠的在軌測控才能更好地發揮衛星使用效益。采用過去不計成本的衛星集中管理模式已經很難適應這種飛速發展形式和要求，同時也需要從防災減災、軍民融合的戰略出發，進一步開放思想，創新衛星在軌運行機制、管理模式和管理技術，更好地為我國航天事業服務。