臨近空間飛行器采用引導式天基測控的探討

方峰 張睿 馬玉偉 顧亞楠 雪丹 張曉東

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

臨近空間的概念首先是由美軍提出的，它的作用范圍是距離地面20～100 km的空域，位于現有航空飛行器最高飛行高度與軌道飛行器最低軌道之間，也稱為“亞軌道”或“空天過渡區”，大致包括大氣平流層區域(高度為12～50 km)、中間大氣層區域(高度為50～80 km)和部分電離層區域(高度為50～100 km)[1-3]。臨近空間飛行器是在臨近空間長期、持續飛行的飛行器，包括浮空器、高超聲速飛行器，以及位于20 km高度的無人機等。臨近空間飛行器在未來電子信息戰中占據極其重要的地位，與衛星和傳統飛機相比，它在偵察監視、遠程打擊等軍事應用方面提供了一種嶄新的手段。此外，臨近空間飛行器具有機動性好、效費比高、有效載荷技術難度小、覆蓋范圍廣、持續飛行時間長等優勢，因而在國際上引起了廣泛的關注[4-7]。

從臨近空間飛行器的飛行特點和應用來看，遙控遙測鏈路是其信息系統的保障核心。但是，臨近空間飛行器飛行速度快、加速度大、距離跨度大、軌道機動性高，甚至跳躍式軌道等設計特點，加大了測控難度。當前，臨近空間飛行器飛行試驗一般采用陸基多站接力測控、陸海空一體化測控、中繼衛星天基測控等模式[8]。陸基多站接力測控模式優點是陸上站眾多，還能使用車載站沿航區布置，能在一定程度上滿足臨近空間飛行器的測控需求；缺點是僅適用于陸上飛行試驗，不能滿足海上飛行試驗，尤其是遠程飛行試驗的測控要求。陸海空一體化測控模式采用海島站、遠洋靶場、遠程測量飛機、測量船等手段，能在一定程度上滿足臨近空間飛行器飛行試驗測控需求，但是存在使用成本較高、覆蓋范圍受限等不足。天基測控模式具有覆蓋范圍廣、數據傳輸速率高等優點，還可以有效降低使用成本，但存在“黑障”區測控跟蹤丟失[9]、機動段跟蹤丟失[10]等風險。

臨近空間飛行器具有短時間全球到達的優勢，其回傳數據多樣化及大數據量的發展趨勢，對測控技術在全程跟蹤測控、高速數傳、克服“黑障”現象影響和“抗干擾、抗截獲、抗破譯”(“三抗”)等方面提出了更高的要求[11]。因此，臨近空間飛行器的測控系統必須具備提供更高覆蓋范圍、最好擴展到全球的保障能力；具備使用更高頻率提供更高速率的測控數據回傳能力，更高的頻率(如Ka頻段)也能讓測控系統具備更好克服“黑障”現象影響的能力和更高的“三抗”能力。在這種情況下，采用覆蓋全球的天基信息網絡和更高頻段的測控鏈路為臨近空間飛行器提供測控已是大勢所趨[12]。就設計思路而言，美國“跟蹤與數據中繼衛星系統”(TDRSS)提出的高覆蓋率、高速數傳和多目標服務解決方案，與臨近空間飛行器的測控特點相匹配，采用的Ka頻段與國際電聯(ITU)規定的臨近空間平臺工作頻段兼容并具有降低“黑障”現象影響的優點。目前，我國中繼衛星系統應用與之相比，還要在應用實時性、Ka/S雙頻段轉發、雙向窄波束跟蹤、鏈路狀態信息交互等技術上開展進一步的研究工作[13]。本文針對我國中繼衛星系統應用中，在使用寬波束、覆蓋廣的S頻段時數據傳輸速率受限，在使用波束窄、覆蓋范圍小的Ka頻段時需要提前進行任務規劃、實時性受限的兩方面問題，借鑒地面測控站寬波束引導窄波束的思路，開展引導式天基測控的探討，通過建立引導式、全流程柔性控制策略，充分發揮寬、窄波束各自的優點，為臨近空間飛行器提供實時性強、數傳帶寬高的天基測控服務。

1 引導式天基測控探討

典型的可覆蓋全球的天基信息網絡由低地球軌道(LEO)、中地球軌道(MEO)、地球靜止軌道(GEO)衛星組網構成，可支持對臨近空間飛行器的測控。它的拓撲結構具有很強的動態特性，同時采用如Ka等高頻段鏈路，波束覆蓋比傳統S、C頻段要窄很多。這種高動態、窄波束的特點，使得天基測控模式需要更合適的策略和算法，以滿足以下接入要求。①快速接入。臨近空間飛行器飛行速度快，天基鏈路波束覆蓋范圍窄，因此必須使臨近空間飛行器在最短的時間內接入網絡。②無縫切換。實現對臨近空間飛行器的全球測控覆蓋，需要確保臨近空間飛行器從一個接入點測控范圍切換到下一個接入點測控范圍時的不間斷測控，即無縫切換。③接入策略。當存在多個可接入衛星時，應選擇最優接入點，減少切換次數。④數據帶寬問題。臨近空間飛行器在到達特定區域時，有大量的業務數據回傳，而在其他飛行階段業務數據量較少，為了滿足臨近空間飛行器大量突發數據的傳輸，需要為其提供自適應的衛星通信資源。

我國已建立了由3顆“天鏈”中繼衛星構成的天基測控網絡，具備S頻段和Ka頻段鏈路，可為各類低軌航天器、臨近空間飛行器、低空飛行器提供天基測控服務。但是，傳統利用中繼衛星實現天基測控的方法是采用預規劃、預分配模式[14]，實時性差，更難以滿足高機動性飛行的要求；另外，大部分航天器或飛行器為減小跟蹤丟失的風險，選用了“天鏈”中繼衛星S頻段鏈路的測控服務，速率低。因此，傳統的天基測控模式無法滿足臨近空間飛行器飛行速度快、高帶寬突發通信的需求。

隨著天地一體化技術的快速發展，以“一網”(OneWeb)、“星鏈”(StarLink)為代表的低軌衛星星座不斷涌現，我國也提出了“鴻雁”星座(Wild Goose Constellation)、“虹云”工程(Hongyun Project)、“行云”工程(Trans-Cloud Project)等多個不同的低軌衛星星座。因此，應用天基信息網絡解決臨近空間飛行器測控問題成為可能，但首先需要設計新的天基測控方法，解決臨近空間飛行器的接入問題。本文以此為背景，提出一種引導式天基測控應用設想，探討解決臨近空間飛行器突發、高帶寬應用需求的可行性。

1.1 總體思路

綜合分析傳統的預規劃、預分配天基測控模式可以發現，它不適用于臨近空間飛行器測控的根本原因是采用了非實時全流程剛性控制方法，不具備靈活可變的應對措施，無法適應臨近空間飛行器高機動飛行，存在跟蹤丟失風險。為解決上述問題，借鑒地面測控站采用寬波束引導窄波束天線的思路，本文提出引導式天基測控，由臨近空間飛行器提出請求、衛星響應決策，實現全流程柔性控制，確保臨近空間飛行器接入衛星窄波束鏈路。其總體設計思路為：①提高測控的時效性，應對突發通信需求；②提高測控的智能化水平，降低對臨近空間飛行器運行軌跡的依賴性；③建立全流程柔性控制，增加測控過程中的干預和控制手段。

臨近空間飛行器配備衛星導航接收機，可以實時掌握自身位置。在引導式天基測控中，臨近空間飛行器與衛星間有2種通信鏈路，即寬波束的引導信息傳輸鏈路和窄波束業務數據高速傳輸鏈路，其總體架構如圖1所示。

圖1 引導式天基測控總體架構Fig.1 General framework of guided space-based TT&C

引導式天基測控分為6個步驟：①臨近空間飛行器服務申請；②衛星申請決策；③衛星申請應答；④雙方窄波束天線指向；⑤雙方建鏈判定；⑥雙方高速數傳。其具體流程見圖2，涉及到的主要技術問題包括臨近空間飛行器服務申請技術和衛星決策響應技術，下面對這2項技術進行具體分析。

圖2 引導式天基測控流程Fig.2 Workflow of guided space-based TT&C

1.2 臨近空間飛行器服務申請技術

引導式天基測控的第1步是實時利用服務申請鏈路向天基信息網絡提出應用請求。考慮到臨近空間飛行器的飛行速度和覆蓋范圍，要求服務申請鏈路能夠適應“黑障”現象，具備高動態適應性和盡可能寬的覆蓋范圍。另外，服務申請鏈路還應具有高安全性和靈活性，適應不同臨近空間飛行器的接入要求。

1)“黑障”現象適應性問題

臨近空間飛行器以5～25Ma的速度飛行時，周圍空氣會出現電離現象，從而在飛行器四周形成等離子體，稱為“等離子鞘套”。等離子體會引起飛行器天線的阻抗失配、方向圖畸變、輻射效率下降甚至被擊穿，從而導致無線電信號中斷。這種把無線電信號中斷的現象稱為“黑障”。適應“黑障”現象的技術途徑有兩個：一是從測控通信技術本身入手，如提高發射功率、提高工作頻率、增強飛行器的自主性等；二是改變等離子體的電特性，如改善飛行器氣動外形、外加降低電子密度的添加物等。針對這個問題，美國實施了一系列大規模飛行試驗，其中無線電衰減測量(RAM)項目是NASA蘭利研究中心負責的大規模再入研究項目[15]。我國和俄羅斯也進行過類似試驗，共同的結論是：提高無線電波的頻率對降低“黑障”現象出現的高度有明顯效果，但不可能完全消除“黑障”現象。綜合分析，要從提高測控頻段和消減等離子體密度2種方式上共同著手降低“黑障”現象對通信鏈路的影響，例如采用頻率更高的Ka頻段測控技術替代傳統的S頻段測控技術。

2)多普勒效應適應性問題

臨近空間飛行器的顯著特點是飛行速度快、加速度大，從而使多普勒頻移在較大動態范圍內動態變化。無線電波從天線發出，飛行器在X點與Y點接收信號時的路徑差ΔL如圖3所示，其等效計算見式(1)。

圖3 多普勒效應示意Fig.3 Doppler effect diagram

(1)

式中：Δt為臨近空間飛行器從X點飛行到Y點需要的時間；X點、Y點和衛星連線與水平方向的夾角分別為θ1和θ2；v為臨近空間飛行器的飛行速度。

采用天基信息網絡提供測控服務時，GEO衛星與飛行器之間的距離L1和L2約為36 000 km，遠大于X點和Y點的距離d，因此可以假設θ1和θ2相等，得到接收信號相位變化值為

(2)

式中：λ為波長。

頻率變化值為

(3)

式中：fd為多普勒頻移，v/λ為fd的最大值，稱為最大多普勒頻移。

以工作頻率為30 GHz、飛行速度25Ma計算，多普勒頻率變化范圍可達-1～+1 MHz，多普勒變化率可達±40 kHz/s，這會導致傳輸信號產生嚴重的時間選擇性衰落，一般采用成熟的多普勒補償算法即可。

3)低延遲、高安全、可擴展的服務申請鏈路設計

引導式天基測控，在天基信息網絡與臨近空間飛行器之間采用服務申請鏈路和高速數據傳輸鏈路。服務申請鏈路是衛星與臨近空間飛行器之間的控制信道，傳輸各類控制信令，其最關鍵的功能是向任務中心傳輸臨近空間飛行器的實時位置信息，以控制衛星數據高速傳輸鏈路的窄波束天線指向。為實現這個目的，對引導鏈路的實時性提出了很高的要求。不同臨近空間飛行器機動飛行等任務設計不盡相同，飛行過程中發生的異常現象無法預估，致使無法分析所有因為臨近空間飛行器飛出衛星窄波束覆蓋范圍導致的窄波束鏈路斷鏈情況。本文從對引導鏈路最低時延要求和斷鏈后快速恢復建鏈時間要求進行分析。最低時延要求是指，在臨近空間飛行器飛出窄波束覆蓋范圍前，任務中心能夠接收臨近空間飛行器的位置信息，及時調整衛星窄波束天線指向。斷鏈后快速恢復建鏈時間是指，當臨近空間飛行器由于機動飛行等因素出現飛出衛星窄波束覆蓋范圍的現象，導致臨近空間飛行器窄波束鏈路斷開時，需要快速通過寬波束引導鏈路重新建立連接。

衛星高速數據傳輸鏈路的窄波束對地覆蓋，可等效為一個半徑為r的圓形。因此，要求服務申請鏈路全流程時延Δt必須小于2r/v。以對地覆蓋范圍圓形半徑為150 km、臨近空間飛行器飛行速度為25Ma計算，最低時延要求服務申請鏈路全流程時延必須約小于35.26 s。

服務申請鏈路的高安全是指，確保臨近空間飛行器通過服務申請鏈路向任務中心發送的自身位置信息具有很高的安全性，因此一般采用信道加密和信源加密2種方法共同實現傳輸信息的安全保護。信道加密算法一般采用寬波束鏈路已經具備的算法，信源加密算法可由臨近空間飛行器根據任務不同自定義，使其具有很強的抗破譯、抗截獲能力。

服務申請鏈路的可擴展是指，確保臨近空間飛行器的服務申請鏈路可采用不同的物理鏈路實現方式，即上層協議具有良好的適應性和靈活性。

綜合上述需求分析，采用空間包協議作為服務申請鏈路協議，具體幀格式如圖4所示。協議幀長可根據不同的引導鏈路進行選擇，最短為40 byte，典型應用為64 byte和128 byte。包副導頭為可選字段，用于承載臨近空間飛行器引導鏈路的加解密信息，使不同臨近空間飛行器可采用不同的信息安全方案，提升協議靈活性。

注：APID為應用識別，CRC為循環冗余校驗。圖4 服務申請鏈路通信協議幀格式Fig.4 Frame format of service application link communications protocol

1.3 衛星決策響應技術

衛星決策響應主要分為服務申請決策和服務申請應答2個步驟。服務申請決策由主星的星上數據通信服務決策軟件通過決策算法，針對下一個服務周期逐個決定是否為臨近空間飛行器提供數據通信服務；另外，對所有需要提供服務的臨近空間飛行器選取對應服務衛星。決策算法用于臨近空間飛行器身份鑒別、優先級識別和衛星資源動態分配3個部分。臨近空間飛行器身份鑒別是從服務申請鏈路提取臨近空間飛行器ID信息，通過鑒權算法判定提出服務申請的臨近空間飛行器是否合法。優先級識別是在確認用戶為合法用戶后，提取臨近空間飛行器的優先級信息，用于衛星資源動態分配。衛星資源動態分配是根據當前衛星窄波束通信資源的使用情況及用戶的優先級，判斷是否為臨近空間飛行器提供窄波束通信鏈路，最后通過任務規劃算法選取為其提供服務的衛星。服務申請應答是指主星經由星間鏈路將服務申請決策通知到全部衛星，由衛星生成服務申請應答信息，通過寬波束鏈路發送給臨近空間飛行器。

上述步驟中的難點是任務規劃算法設計，為臨近空間飛行器選擇提供服務的衛星。傳統使用GEO通信衛星時，衛星相對地面保持靜止，因此可根據不同衛星覆蓋區域不同的特點設計任務規劃算法。但是，由于天基信息網絡拓撲結構具有動態變化特性，不適用該方法。要解決該問題，首先，要建立天基信息網絡拓撲結構模型和衛星節點模型；其次，將事件激勵和模型代入規劃與仿真引擎中，通過對仿真統計量的收集選擇合適的衛星提供服務。仿真統計量可根據用戶不同的關注角度進行針對性設計，例如時延最短、切換次數最少等。典型的任務規劃與仿真系統模型如圖5所示。

圖5 任務規劃與仿真系統模型示意Fig.5 Schematic diagram of task planning and simulation system model

2 實例驗證

引導式臨近空間飛行器天基測控，需要寬波束鏈路具有盡可能寬的對地覆蓋范圍，滿足臨近空間飛行器飛行的全程覆蓋要求；需要天基衛星窄波束鏈路天線指向有動態調整能力，可通過指令等方式實時更改天線指向；需要增加一個任務中心，接收臨近空間飛行器通過寬波束鏈路發送的任務請求，完成任務規劃后實時控制衛星窄波束鏈路天線指向；需要臨近空間飛行器具有任務申請和窄波束天線指向靈活調整能力。任務中心的衛星決策響應功能模塊可放置在地面上，也可放置在衛星上。在地面時，除了需要具備寬波束鏈路外，還要與衛星測控系統建立連接，以實時控制窄波束鏈路天線指向。

2.1 典型場景

以某臨近空間飛行器天基測控應用需求為例，采用北斗二號GEO衛星短報文通信鏈路作為寬波束鏈路，“天鏈”中繼衛星Ka頻段鏈路作為窄波束鏈路。這是以現有天基通信資源為基礎的一個簡化應用場景，與未來多層天基信息網絡的應用方式不同，沒有星間鏈路連接的網絡，決策中心也不在主星，而是在地面。具體引導過程如下：臨近空間飛行器向北斗二號GEO衛星發出短報文，地面指揮控制中心從北斗信關站收到飛行信息短報文后，查詢任務規劃計算結果，并上注到“天鏈”中繼衛星，使其與臨近空間飛行器直接建立Ka頻段高速數傳鏈路。涉及到的系統配置如表1所示。

表1 系統配置

2.2 可行性分析

在上述典型場景應用方案中，寬波束鏈路采用的北斗二號GEO衛星短報文通信系統覆蓋范圍是我國及周邊區域，可在一定程度上滿足臨近空間飛行器在國土內試驗飛行的需求，飛行航程可達2000 km以上。窄波束采用的“天鏈”中繼衛星Ka頻段鏈路天線，已經具備動態調整指向能力，可通過測控指令實時更改天線指向。新增的控制中心，可放置在臨近空間飛行器試驗任務中心，通過地面專用網絡與中繼衛星測控系統建立連接，實現對“天鏈”中繼衛星Ka頻段鏈路天線指向的實時控制功能。當臨近空間飛行器配備短報文通信終端、“天鏈”中繼衛星終端、可動態調整天線指向的Ka頻段天線終端及相應的任務申請軟件時，即可采用引導式天基測控方法。上述3類終端已在多種臨近空間飛行器上完成試飛試驗，屬于成熟產品，在具體實現時僅需在臨近空間飛行器控制器中增加任務申請軟件即可，因此該方案具有很強的實用性。

未來天基信息網絡建設中，在衛星節點增加智能化處理功能，實時接收臨近空間飛行器發出的任務申請，完成任務規劃后動態調整天線指向，即可為臨近空間飛行器提供窄波束高速數傳服務。這種應用模式可進一步提高天基測控應用的實時性，但同時也對衛星也提出了自動化、智能化和網絡化要求。

2.3 實時性分析

引導式天基測控方法主要目的是解決傳統中繼衛星預規劃應用模式不適應突發通信需求的問題。因此，該方法中最關鍵的性能指標為申請響應與任務規劃時間。

申請響應與任務規劃時間主要由申請響應時間(Ts)和任務規劃時間(Tg)組成。具體計算公式如下。

Ts=Tc+Tx

(4)

Tg=Tr+Tz

(5)

式中：Tc為申請信息傳輸所需時間；Tx為響應處理所需時間；Tr為任務規劃查詢所需時間；Tz為衛星參數上注所需時間。

采用北斗二號短報文通信鏈路作為寬波束引導鏈路，假定用戶使用消息傳輸頻度(Tf)為5秒/次的短報文通信終端，終端與北斗二號GEO衛星之間的通信距離L1為40 000 km，北斗二號GEO衛星與信關站之間的通信距離L2為36 000 km，c為光速(3×105km/s)，則

(6)

Tx主要為臨近空間飛行器身份鑒別軟件的處理時間和衛星當前資源使用情況查詢時間。身份鑒別采用臨近空間飛行器ID號比對方法，衛星當前資源使用情況存儲條目根據衛星通信資源計算，小于10條信息。根據這種處理復雜度和計算機CPU運算速度，這兩項時間基本可忽略不計，此處統一按1 s計算，因此Tx小于2 s。任務規劃查詢時間主要是查詢任務規劃計算的結果，查詢的條目小于10條，因此Tr小于1 s。統計分析衛星指令上注耗費時間，一般情況下，Tz小于10 s。

綜合計算分析，引導式天基測控方法中申請響應與任務規劃時間Ts+Tg<18.253 s。以對地覆蓋范圍圓形半徑為150 km、臨近空間飛行器飛行速度為25Ma計算，飛行所需時間(即最低時延要求)Δt約為35.26 s。比較可得，申請響應與任務規劃時間小于臨近空間飛行器飛行所需時間，因此能充分滿足最低時延要求，而且由于機動飛行等原因引起的窄波束斷鏈問題，也可在20 s內快速實現重新建鏈。

3 結束語

本文針對臨近空間飛行器飛行速度快、突發應用實時性要求高、業務傳輸速率要求高等特點，設計了引導式天基測控方法，可以滿足臨近空間飛行器“隨遇接入、按需傳輸”的使用需求，并通過實例分析了方法的可行性和實時性。天地一體化技術的快速發展，使得未來對臨近空間飛行器的測控通信已經從單一地面保障模式逐步發展為天地一體的保障模式，從單一的GEO衛星提供通信資源的應用模式發展為利用多軌道衛星星座提供通信服務的保障模式。這就需要更加合理有效地利用各種測控與通信資源，建立完善、健壯的空天地一體化測控通信網絡，實現對各層空間飛行器的全空域、全時段覆蓋的測控通信。