星座衛星在軌長期管理測控策略研究

高 括，劉會杰，劉 磊，楊杰峰，陳曉慶，潘小彤

(上海微小衛星工程中心 中國科學院微小衛星創新研究院,上海 201203)

0 引言

在物聯網、移動互聯網快速發展帶動下，低軌衛星星座發展迎來一個嶄新的發展高潮。以 L、S、VHF 等低頻段為主的Iridrum星座、“全球星”(Globalstar)、“軌道通信”(Orbcomm)系統等傳統的三大低軌移動通信星座已經完成升級換代；以 Ku、Ka頻段甚至更高頻段的新興互聯網星座計劃呈現爆發式增長，美國一網公司OneWeb、美國太空探索技術公司SpaceX、低軌衛星公司LEOSat，加拿大電信衛星公司TeleSat等紛紛提出新興互聯網星座計劃，國外典型低軌通信衛星星座計劃發射衛星數量總和超過8 000顆[1]。

隨著美國 Space X、One Web 等公司 “千星計劃”的崛起，我國也積極構建自己的天基互聯網系統，典型系統有中國航天科工集團的“虹云工程”衛星通信系統和中國航天科技集團的“鴻雁星座”衛星通信系統，其中“虹云工程”計劃發射 156 顆衛星，在軌高度約為1 000 km，工作頻段為Ka頻段；“鴻雁星座”系統計劃發射 300 顆衛星，一期將由 60 顆核心骨干衛星組成，工作頻段為 L / Ka頻段，以星間鏈路技術實現衛星空間組網，是一個能夠連接衛星、飛機、船舶、車輛甚至個人的超級通信系統[2]。

世界各國典型低軌衛星星座的載荷工作頻段、軌道高度以及衛星數量信息如表 1所示。如此龐大數量的衛星集中在500～1 400 km的軌道上，所有星座最終組網成功之后，眾多衛星在此區域運行，猶如在地球近地軌道織就衛星網，星羅密布，相互交錯，形成異常復雜的衛星星座運行場景，如表 1最后一列中的衛星在軌仿真場景所示。

1 衛星星座在軌長期管理面臨的挑戰

由于在軌衛星星座數量的逐年增多，衛星星座在軌測控長期管理面臨諸多挑戰：多站同時協同跟蹤多目標在軌測控管理技術、地面站雙站甚至多站跟蹤切換技術、地面測控站和中繼衛星形成天地一體測控聯合管理等；未來隨著衛星星座發展，在軌衛星在不遠的將來可能會遇到以下情況：雙站跟蹤或者地面站和中繼衛星同時跟蹤相同測控擴頻碼的不同衛星；雙站跟蹤或者地面站和中繼衛星同時跟蹤相同測控擴頻碼相同測控頻點的不同衛星等。在軌衛星的出現上述情況，地面測控系統如何應對？衛星測控中心長管如何處理這些新的狀況？對測控系統提出了新的挑戰。本文通過理論分析和地面概念星模擬驗證，對星座衛星在軌長期管理可能出現的情況進行地面模擬，最后給出結論，為星座衛星在軌長期管理提供參考。

表1 典型低軌衛星星座軌道及衛星數量

2 地面模擬星座衛星在軌運行場景

星座衛星目前常用的測控體制為擴頻體制[7-8]，在進行地面模擬驗證試驗過程中，采用兩顆擴頻體制模擬衛星進行試驗；兩套地面測控綜合測試設備分別模擬兩個地面測控站或者一臺模擬地面測控站一臺模擬中繼衛星；通過調節上行鏈路可調衰減器模擬調節地面測控站或者中繼衛星EIRP，通過調節下行鏈路可調衰減器模擬控制不同地面站接收到的下行信號強度。

場景一：地面測控站和中繼衛星同時跟蹤星座中的一顆衛星。

地面測控站和中繼衛星同時跟蹤星座中的一顆衛星場景如圖 1所示，根據衛星的測控頻點和擴頻碼組選用情況，該場景可以細化以下四種情形：

1)星座衛星中的對地測控和中繼測控采用相同頻點相同擴頻碼組設計，即“同頻同碼”的天地一體化測控體制；

2)星座衛星中的對地測控和中繼測控使用相同的測控擴頻碼組、不同頻點；

3)星座衛星中的對地測控和中繼測控使用相同頻點、不同的測控擴頻碼組；

4)星座衛星中的對地測控和中繼測控使用不同的頻點、不同的測控擴頻碼組。

對于情形2)～4)三種情行，衛星的對地測控鏈路和中繼測控鏈路可以通過碼分或者頻分進行區分開，擁有兩個相對獨立的測控鏈路，類似于兩顆不同的在軌衛星，這三種情形與場景三類似，將在后邊進行統一闡述并試驗驗證在軌長期管理的方法。

對于情形1)，如果衛星在地面測控站跟蹤弧段內，沒有必要再調用中繼鏈路資源進行跟蹤。這種情形主要是模擬驗證在軌衛星中繼跟蹤弧段相對地面測控站較長，如果中繼測控跟蹤過程尚未結束，此時衛星已經進入地面測控站弧段，并且地面測控站也發送上行信號同時發送上行遙控指令，此時該衛星是如何響應？并通過地面試驗驗證，給出星座衛星在軌出現這種情形時的長管應對策略。

圖1 地面測控站和中繼衛星同時跟蹤星座中一顆衛星場景

理論分析：衛星測控體制為同頻同碼的天地一體化測控體制，不管是中繼衛星發送的測控上行信號還是地面測控站發送的測控上行信號均是相同的擴頻信號，兩種信號時延不同，信號強度不同。如果是衛星先經過中繼弧段(測控應答機先鎖定中繼信號)，尚未停止發送中繼上行信號時地面測控站也發送上行信號，此時的地面站發送的上行信號對于該衛星測控應答機來說可以看成是一種干擾信號。假設該衛星的抗干擾能力為Crd(dB)測控應答機接收到的地面發送的上行信號強度為Eg(dBm)，測控應答機接收到中繼衛星發出的上行信號的強度為Ez(dBm)，那么：

1)如果Eg>Ez+Crd，此時相當于干擾信號過強，超過了衛星的抗干擾能力，則衛星測控應答機重新鎖定地面發送的上行信號，如果此時中繼鏈路和地面測控站同時發送上行遙控指令，衛星執行地面測控站發送的遙控指令，中繼鏈路通道的遙控指令不會被執行。此種情形在衛星干擾領域應用較為廣泛；

2)如果Eg≤Ez+Crd，此時由于干擾信號強度沒有超過衛星的抗干擾能力，測控應答機始終鎖定原來的中繼鏈路發送的上行信號，如果此時中繼鏈路和地面測控站同時發送上行遙控指令，衛星執行中繼鏈路通道的遙控指令，地面測控站發送的遙控指令不會被執行。

試驗驗證：驗證試驗在微波暗室中進行，試驗連接框圖如圖 2所示。概念星A配置擴頻測控體制，支持對地測控和中繼測控兩種模式；中繼衛星測控轉發終端用測控綜合地檢設備A模擬，測控收發共用天線A模擬中繼衛星測控天線；地面測控站用測控綜合地檢設備B模擬，測控收發共用天線B模擬地面測控站測控天線。測控前端A和B分別用于發送中繼遙控指令、接收中繼遙測數據和發送地面測控站遙控指令、接收對地遙測數據。

圖2 雙站跟蹤星座中一顆衛星試驗框圖

模擬在軌星座場景：星座衛星軌道高度為800 km，衛星擴頻抗干擾能力為18 dB，中繼衛星選天鏈1代衛星，分別模擬地面測控站常用的天線為3 m和10 m兩種應用情形。通過鏈路計算，當地面測控站選擇3 m天線時，衛星應答機接收來自地面測控站發出的上行信號時接收機入口電平約-132.5 dBW，衛星應答機接收來自中繼衛星發出的上行信號時接收機入口電平約-149 dBW，兩個鏈路接收到的信號強度相差16.5 dB，此時兩條鏈路接收到的信號差在衛星抗干擾能力內；當地面測控站選擇10 m天線時，衛星應答機接收來自地面測控站發出的上行信號時接收機入口電平約-122.1 dBW，衛星應答機接收來自中繼衛星發出的上行信號時接收機入口電平約-149 dBW，兩個鏈路接收到的信號強度相差27 dB，此時兩條鏈路接收到的信號差超過了衛星抗干擾能力。衛星和中繼衛星相關參數如表2所示[4-6]。

應用情形一。

表2 模擬在軌衛星相關參數

信號標定：通過調節圖 2測控綜合地檢設備A通道的上行可調衰減器，將概念星測控接收機入口處用頻譜儀標定上行信號強度為-149 dBW，用于模擬在軌中繼發送的上行信號；通過調節圖 2測控綜合地檢設備B通道的上行可調衰減器，將概念星測控接收機入口處用頻譜儀標定上行信號強度為-132.5 dBW，用于模擬地面站3 m測控天線發送的上行信號。信號標定結束后，停止發送兩路上行信號，衛星恢復試驗狀態。

在軌長管模擬：發送測控綜合地檢設備A通道的上行信號，衛星正常接收到A通道遙控指令，測控前端A接收到衛星遙測數據；狀態穩定之后，加載測控綜合地檢設備B通道的上行信號，配置參數和A通道完全相同；此時星上狀態顯示正常鎖定，測控前端A和測控前端B兩個通道的下行遙測均能夠正常接收；通過測控前端A和測控綜合地檢設備A發送遙控指令，衛星正常接收到遙控指令并成功執行；通過測控前端B和測控綜合地檢設備B發送遙控指令，衛星未接收到遙控指令。

調整中繼衛星和地面站跟蹤順序，首先加載測控綜合地檢B上行信號(模擬地面測控站)，衛星狀態穩定后發送測控綜合地檢A的上行信號(模擬中繼衛星發出的上行信號)。此時衛星未收到通道A遙控指令，正常接收并正確執行通道B遙控指令。

應用情形二。

信號標定：測控綜合地檢設備A用于模擬中繼衛星上行通道，在應用情形一中已經標定完成；通過調節圖 2測控綜合地檢設備B通道的上行可調衰減器，將概念星測控接收機入口處用頻譜儀標定上行信號強度為-122 dBW，用于模擬地面站10 m測控天線發送的上行信號。信號標定結束后，停止發送兩路上行信號，衛星恢復試驗狀態。

在軌長管模擬：發送測控綜合地檢設備A通道的上行信號，衛星正常接收到A通道遙控指令，測控前端A接收到衛星遙測數據；狀態穩定之后，加載測控綜合地檢設備B通道的上行信號，配置參數和A通道完全相同；此時星上狀態顯示失鎖然后恢復鎖定，測控前端A和測控前端B兩個通道的下行遙測均能夠正常接收；通過測控前端A和測控綜合地檢設備A發送遙控指令，衛星未接收到遙控指令；通過測控前端B和測控綜合地檢設備B發送遙控指令，衛星正常接收到遙控指令并成功執行。

調整中繼衛星和地面站跟蹤順序，首先加載測控綜合地檢B上行信號(模擬地面測控站)，衛星狀態穩定后發送測控綜合地檢A的上行信號(模擬中繼衛星發出的上行信號)。此時衛星未收到通道A遙控指令，正常接收并正確執行通道B遙控指令。

場景二：地面測控站雙站跟蹤星座中的一顆衛星。

地面測控站雙站接力跟蹤星座中的一顆衛星的應用場景如圖 3所示，地面測控站喀什站廈門站接力跟蹤星座衛星中的一顆衛星A。該場景與場景一類似，涉及在軌衛星雙站跟蹤問題，區別是該場景測控雙站均是地面測控站，兩個站發送的上行信號到衛星測控應答機接收機的入口電平相差沒有場景一大。地面模擬和場景一相同，如圖 2所示。理論分析和星座模擬場景除了中繼鏈路用地面測控站替換其他條件設置和場景一相同。

圖3 地面測控站雙站接力跟蹤星座衛星中的一顆衛星場景

地面模擬試驗：如圖 2所示，通道A發送上行信號，衛星狀態穩定后，發送通道B遙控上行信號，1 dB每檔逐步減小通道A上行信號強度，同時1 dB每檔增加通道B上行信號強度，模擬在軌衛星雙站跟蹤情況，每調節一檔發送上行遙控指令并觀察衛星遙測狀態，直至通道A和通道B發送的上行信號強度相差超過衛星的抗干擾能力(18 dB)。

試驗結果：當通道A和通道B給出的上行信號強度相差在18 dB以內時，衛星正常執行通道A遙控指令，通道B的遙控指令不會被執行；當通道A和通道B給出的上行信號強度相差超過18 dB時，衛星測控應答機上行鎖定狀態顯示失鎖后重新鎖定，重新鎖定后衛星正常執行通道B遙控指令，通道A的遙控指令不會再被執行。試驗結果與前面理論分析一致。

場景三：地面測控站雙站跟蹤星座中的兩顆衛星。

地面兩個測控站均能夠同時覆蓋衛星星座中的兩顆不同衛星，在軌運行場景如圖 4所示。該場景可以分為兩種情況：衛星星座中擴頻碼復用的兩顆衛星(這兩顆衛星測控擴頻碼和頻點完全相同，通過衛星標識字區分)和擴頻碼或者頻點不同的兩顆衛星兩種。對于第二種情況，屬于比較常見的測控站覆蓋兩顆完全不同的衛星，是當前衛星在軌長管經常遇到的情況，應對方法和策略比較成熟，這里就不再分析。重點分析并試驗驗證第一種情況的在軌長管應對策略。

圖4 地面測控站雙站跟蹤星座中的兩顆衛星場景

場景分析：假設地面測控站喀什站和廈門站同時覆蓋天地一體化擴頻體制衛星星座中的衛星A和衛星C，并且衛星A以喀什站為測控主站進行測控跟蹤，衛星C以廈門站為測控主站進行測控跟蹤；由于衛星首先進入喀什站測控弧段，喀什站發送上行信號，此時衛星A和衛星C均鎖定喀什站的上行信號，當兩顆衛星均進入廈門站弧段且還在喀什站測控弧段內，喀什站上行信號發送的同時廈門站也發送和喀什站同頻同碼的上行信號，此時衛星長管人員如何應對？根據測站跟蹤計劃，衛星C應該是廈門站主站，但是此時衛星C的擴頻應答機還是鎖定在喀什站的上行信號，此時喀什站和廈門站分別發送衛星A和衛星C的遙控指令，兩顆衛星如何響應？這些將在此場景下進行分析并試驗驗證。

試驗驗證：驗證試驗在微波暗室中進行，試驗連接框圖如圖 5所示。概念星A配置擴頻測控體制，概念星B配置和概念星A同頻同碼的測控體制，兩顆衛星的區別只是航天器標識字不同，兩顆概念星模擬在軌星座中同頻同碼的兩顆衛星；喀什站用測控綜合地檢設備A模擬；廈門站用測控綜合地檢設備B模擬。測控前端A和B分別用于發送中繼遙控指令、接收中繼遙測數據和發送地面測控站遙控指令、接收對地遙測數據。

試驗步驟：

1)概念星A和B同時加電，測控綜合地檢設備A發送上行遙控信號，兩顆衛星均鎖定A通道上行遙控信號，通過星務前端監視概念星A和B的地測數據，發送概念星A的遙控指令，概念星A收到遙控指令并成功執行，概念星B顯示收到錯誤幀計數增加1；

2)測控綜合地檢設備B發送和A通道相同的上行信號，測控前端A和測控前端B分別發送衛星A和衛星B的遙控指令，地測顯示概念星A收到遙控指令并成功執行，概念星B顯示收到錯誤幀計數增加1；

3)取消加載測控綜合地檢A的上行信號，通過測控前端B發送概念星B的遙控指令，地測結果顯示地測顯示概念星B收到遙控指令并成功執行，概念星A顯示收到錯誤幀計數增加1；

4)在步驟3)基礎上重新加載通道A上行信號，通過測控前端A和測控前端B分別發送衛星A和衛星B的遙控指令，地測顯示概念星B收到遙控指令并成功執行，概念星A顯示收到錯誤幀計數增加1；

5)增加通道A上行信號強度，直至超過通道B信號強度18dB以上，兩顆衛星都會失鎖后又重新鎖定，此時再次發送兩顆衛星遙控指令，衛星A正確執行，衛星B錯誤幀計數增加1。

圖5 地面測控站雙站跟蹤星座中的兩顆衛星地面試驗驗證框圖

3 結束語

從第2章的三種在軌模擬場景試驗結果得出結論：對于擴頻體制衛星，衛星測控應答機鎖定上行信號后，其他信號對于該衛星均是干擾信號，干擾信號在衛星抗干擾能力范圍內時，均不能夠改變應答機鎖定狀態，除非人工干預或者干擾信號強度超過衛星抗干擾能力。

星座衛星在軌長期管理過程中的雙站跟蹤：目前西安衛星測控中心在進行雙站跟蹤時的策略是前站跟蹤結束后停止發送上行信號，再發送后站上行信號，此方法在默認測控主站發送上行遙控指令情況下是最優最穩妥的方法，代價就是換站過程會消耗部分時間，當然這對衛星的可靠遙控是值得的。

同頻同碼的兩顆不同衛星同時入境的情況：如果衛星星座出現同頻同碼的不同衛星同時入境的情況，測控站可以通過串行遙控方式控制兩顆衛星，如果是兩套不同測控設備跟蹤這兩顆衛星，應首先發送一顆衛星上行信號并發送遙控指令，結束一顆任務后去掉該星上行信號并發送另外一顆上行遙控信號；如果是單套測控設備跟蹤這兩顆衛星，需要加工兩顆衛星遙控指令，分別發送即可達到遙控兩顆衛星的目的。

隨著衛星星座的不斷增多，分析衛星數量的增多可能為衛星在軌長期管理帶來的問題與挑戰，本文通過理論分析并結合地面模擬試驗驗證衛星在軌運行場景，給出星座衛星在軌長期管理的應對策略，為衛星測控中心和從事航天事業的同行提供參考。