基于北斗全球系統的天基測控任務可行性分析

謝 羿，歐陽佶，冉旭東，孫家豪，劉 陽

（國防科技大學 系統工程學院，湖南 長沙 410072）

天基測控系統是對運載火箭、低中高軌航天器、戰略武器、深空航天器及各類航天飛行器飛行的各個階段完成測量和控制的系統，是航天工程的重要組成。在實際的天基測控任務中，為了實現對飛行器全空域全時間段的跟蹤測控，往往需要借助于中繼衛星系統。中繼衛星系統是利用高軌衛星實現對中低軌飛行器數據傳輸和跟蹤測軌的空間信息傳輸系統，是世界航天大國必備的航天基礎設施[1]。目前，我國已初步建成多星組網的中繼衛星系統，并將不斷提高完善，結合我國航天任務的發展及中繼衛星系統的特點，明確應用需求，合理規劃應用方向，以優化我國天基測控網的結構，提升我國天基測控的能力。

我國目前正在建設的北斗全球系統由地球同步軌道衛星（Geostationary Earth Orbit，GEO），傾斜地球同步軌道衛星（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，IGSO），中圓地球軌道衛星（Medium Earth Orbit，MEO）3層星座組成，其中MEO星座的高度也在兩萬公里左右，具有中繼衛星系統應具備的高覆蓋率特性，且北斗全球系統的MEO星座可以全空域覆蓋，若天基測控系統可以借助北斗全球系統的導航星座，可以使天基測控系統全空域測控上述各類測控目標，包括運載火箭、高中低軌航天器、戰略武器、載人航天器、高軌衛星，甚至深空航天器。本文研究結構如圖1所示[2]。

1 測控任務需求分析

天基測控系統跟蹤測量與監視控制航天器，是通過接收航天器專用數據信息或載人航天器內航天員語音信息，檢測和控制航天器上各種裝置和系統的工作，實現航天器狀態與運動的測定和控制。

天基測控系統的主要任務可以歸納為4個方面[3]。

（1）跟蹤測量運載火箭、航天器的飛行軌跡，獲取各分系統的工作和環境狀態，對獲取的數據加以分析，判斷航天器飛行軌道的正確性和航天器對空間環境的適應性，為改變航天器軌道、飛行程序和工作狀態及改進航天器設計提供依據。

（2）完成實時控制或程序控制，使航天器達到預定的軌道，得到所需的姿態。

（3）接收航天器內部各分系統的工況參數、反映航天員生理狀態的遙測信息以及話音、電視圖像等專用信息，航天控制中心對這些信息進行記錄、顯示、處理，供實時和事后分析使用。

圖1 研究結構流程

（4）對于要求高精度定位的應用衛星（如導航衛星、測地衛星、高分辨率偵察衛星），由測控網向用戶提供準確的衛星位置（或軌道）數據和相應的時間等數據，作為應用數據處理的基準信息。

天基測控系統由航天控制中心和若干配有跟蹤測量、遙控和遙測設備（簡稱TTC設備）的天基測控站（包括測量船）組成。不管是地基，還是天基，所有的測控資源都由中心來計劃、控制和使用，航天控制中心通過測控通信網與各測控站構成一個綜合系統。我國天基測控系統由發射和測控中心、若干陸地固定和機動測控站及航天測量船組成。已由UHF，S，C 3個頻段TTC設備組成的天基測控系統，具備完成第二代衛星、載人航天工程的測控支持能力。

在對天基測控系統的主要任務進行分析后，將天基測控需求歸納為以下3個方面[4]。

（1）天基測控系統執行全空域實時測控任務需要，此類測控任務為天基測控系統建設所需。

（2）在天基測控系統執行全空域實時測控任務期間，其所處空域超出境內地面站可視空域時，天基測控系統急需與境內站通信聯絡，以實現實時測控需求。此刻便需要借道其他空間系統星地、星間信道資源，以實現天基測控目標與境內地面站的實時測控要求。

（3）天基測控系統執行全空域實時測控任務時，借道其他空間系統星地、星間信道資源的資源需求[5]。

2 北斗全球系統對天基測控任務分析

2.1 北斗全球系統全球覆蓋性分析

北斗全球系統衛星導航系統由GEO，IGSO和MEO 3個星座組成，其中的MEO星座為24顆MEO衛星，采用Walker 24/3/1星座構型。北斗全球系統中MEO星座內任一MEO衛星的信息均可通過星間鏈路一跳或多跳到達指定地面站，因此，從建鏈拓撲來看，天基測控系統全空域測控任務可以通過北斗全球系統MEO星座中繼后落地境內地面站，即北斗全球系統MEO星座支持天基測控系統全空域測控任務的完成，但須經過一跳或多跳MEO衛星的中繼。

北斗全球系統MEO星座具有最佳的全空域覆蓋特性，可以滿足覆蓋包括運載火箭、低中高軌航天器、戰略武器、深空航天器等天基測控對象，通過MEO導航星與天基測控對象建立的可視鏈路，可以實現天基測控系統對測控對象的全空域覆蓋，而IGSO星座和GEO星座則不能全空域覆蓋天基測控對象。

支撐MEO星座的基于相控陣通道的星間鏈路技術已經在北斗全球系統試驗星之間基本驗證成功，可以支持天基測控系統全空域測控對象之間的中間接入。

通過對比分析，對天基測控系統全空域測控任務的支持以北斗全球系統MEO星座支持最佳，IGSO次之，最后才考慮GEO星座。

2.2 北斗全球系統可連接性分析

考慮來自天基測控系統的全空域測控信息并不需要北斗全球系統內部解析[6]，為了不增加北斗全球系統額外負擔，降低對北斗全球系統影響，北斗全球系統可不對來自天基測控系統的測控信息作任何解析，而是直接轉發給天基測控系統或經地面站。盡管如此，為了保障天基測控系統全空域測控信息的中繼轉發，天基測控系統的數據傳輸體制還是應該遵循北斗全球系統的協議體系[7]。

如何借道北斗全球系統中的導航衛星實施天基測控目標與境內地面站之間的數據傳輸，包括通信模式、頻段、體制、通信容量、用戶終端形式、管控方式、協議規范等方面內容。前三點天基測控系統在設計與研制時可采用與北斗全球系統相同或類似的通信模式。

本文主要從通信容量、用戶終端形式、管控方式以及協議規范方面，對北斗全球系統資源的可利用性分析如下[8]。

（1）在通信容量上，根據北斗全球系統兩種通信模式不同，基于相控陣天線的單頻時分的時域輪詢通信模式下的通信容量為：Q支路速率：1 kbps，I支路速率：15 kbps，31 kbps，55 kbps，93 kbps。基于反射面天線的雙頻頻分的全時域通信模式具有較大的通信容量，具體如下：I支路速率：10 kbps，100 kbps，Q支路速率：1 kbps。需要說明的是前期基于反射面天線的通信模式中也有相控陣天線，測距信息速率為2.5 kbps，但主要用于星間測距，難以支持天基測控系統的中繼接入，故此不做深入討論。

無論是基于相控陣天線的單頻時分通信模式還是基于反射面天線的雙頻頻分通信模式，用于數傳的Q支路最高數傳速率可達（或接近）100 kbps，可用于天基測控系統非音視頻的低速數據傳輸。當后期啟用星間激光鏈路后，數傳速率將進一步提高。

（2）在用戶終端形式與管控方式上，當天基測控系統需要接入北斗全球系統，借助其導航星中繼轉發天基測控系統任務時，也構成了北斗全球系統的一個用戶終端，只不過該天基測控系統用戶終端不僅要接收導航星信號，還要發送天基測控系統信號給導航星。形式上天基測控系統地面指控中心可作為北斗全球系統的一個用戶終端，實質上天基測控目標是北斗全球系統導航星座中的一顆節點衛星。

（3）在協議規范上，北斗全球系統在協議規范的設計上是從頂層體系出發的，既考慮了國際標準，又兼顧了前期系統，特別是考慮了未來信息系統尤其是空間信息系統之間的兼容互操作，北斗全球系統是支持其他空間信息系統的接入與管控的。

3 軟件仿真

根據研究分析的結果，在組網構成上，北斗全球系統的全空域、全時間段覆蓋性滿足天基測控需求；在系統對接上，北斗全球系統具備足夠的兼容性可供天基測控系統借道。故得出北斗全球系統完全可以用來輔助天基測控系統執行一系列測控任務的結論。本文將北斗全球系統作為天基測控系統的輔助平臺，在進行模型的搭建與仿真過程中，使用衛星工具包（Satellite Tool Kit，STK）仿真軟件建立北斗全球系統網絡模型。北斗全球導航衛星系統空間段部分由MEO星座、IGSO星座和GEO星座組成，MEO星座包括相差120°、傾角55°的3個MEO軌道面，每一軌道面上布局8顆MEO工作衛星和1顆MEO備份衛星；IGSO星座也包括相差120°、傾角55°的3個IGSO軌道面，每一軌道面上布局1顆IGSO衛星，3顆IGSO衛星在地面的投影重合；GEO星座包括5顆GEO衛星。

北斗全球導航衛星系統地面控制段部分由1個主控站MCS、1個備份主控站BMCS、3個注入站ULS、7個一類境內監測站MOSA（或稱定軌與時間同步監測站）、5個一類境外監測站MOSB、30個二類監測站MOSC（廣域差分與完好性監測站）等組成。考慮北京站、喀什站、三亞站。地面網由連接北京、喀什和三亞站的TCP/IP的網絡組成，仿真對地面網絡建模進行了簡化，重點在空間階段。

建立北斗全球系統的STK模型后，將相關軌道信息導入OPNET以便進行具體通信過程的仿真。仿真任務以低軌衛星LEO為測控目標，MEO和GEO分別作為輔助執行測控任務的中繼衛星。仿真目的是獲取LEO在MEO和GEO作為中繼衛星時的傳輸時延等測控性能指標信息。

通過OPNET建立測控模型進行通信過程分析，MEO和GEO的傳輸時延結果對比如圖2所示。

圖2 MEO與GEO測控傳輸時延對比

4 結語

通過仿真發現，盡管北斗全球導航系統中的MEO具備良好的覆蓋性，通過其可以較好地滿足天基測控系統全空域測控的需求，但同時由于其相對高速的運動性和較多的衛星數目。使得在測控過程中會出現星間跳數較多的情況以致在測控信息傳輸的延遲方面相對GEO并沒有過于明顯的優勢（從圖2可見，除了最開始的12個小時內具有較為明顯的低延遲優勢，剩余時間優勢均較小甚至第一天的后12個小時處于劣勢）。故在下一步的工作中，提高星間鏈路的通信速率以及優化MEO星間鏈路路由傳輸策略就成為了解決靈活性與低延遲同步優化的核心環節。因此，若天基測控系統借道北斗全球系統導航星中繼轉發這些測控數據，不僅要求北斗全球系統具有基于星間鏈路支持的全空域組網能力，還要求北斗全球系統的星間鏈路具有較高傳輸能力。

[參考文獻]

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