低軌星座系統測運控技術與管理研究

楊學猛，趙 悅，李 娟，姚發海

(中國衛通集團股份有限公司，北京 100094)

0 引言

全球導航、通信以及遙感等一些衛星應用任務，需要多顆衛星按照一定規則和形狀組網，使地球上任意地區在任意時刻都能被系統中至少一顆衛星覆蓋。星座構型是以衛星軌道為基礎，反映星座中衛星的布局，影響網絡覆蓋區域、網絡時延以及系統成本等[1]。作為一個龐大的空間系統，對于不同任務需求在組網衛星數量、星座構型、網絡設計、衛星平臺及載荷設計方面的需求均不相同，因此在低軌星座設計時，在滿足航天任務需求的前提下，還要對成本、風險及性能等方面進行優化，從而最大限度降低航天任務的風險及成本。

近年來，隨著商業航天興起和低軌星座第二次投資熱潮，大部分熱點集中在衛星平臺研制、火箭發射和通/導/遙業務運營上，對低軌星座長期測運控管理關注度尚不夠高。本文通過對典型低軌遙感星座系統的測運控管理業務流程進行梳理，對低軌星座測運控管理特點、自動化技術和地面測控系統方案進行了探討，提出了一種可行的低軌星座測運控系統方案。

1 低軌遙感星座特點

遙感衛星通過星載傳感器接收來自地球表層和大氣的各種電磁波信息，并對這些信息進行加工處理，從而得到目標的物理特性及變化規律。

低軌遙感衛星主要分為光學衛星、SAR衛星(合成孔徑雷達)、氣象衛星和海洋衛星。

針對遙感衛星的應用場景，低軌衛星具有星地距離短、時延短、能夠周期性重復對同一地區進行觀測、通過組網實現全球覆蓋等優勢。由于高分辨率光學遙感衛星具有極高的商業價值，國際上各主要航天公司均采用“軍、民、商”結合的模式陸續研制并發射了多種類型的高分遙感衛星，有力地推動了高分辨率遙感衛星的發展。

1.1 衛星基本參數

遙感衛星平臺包括結構與機構分系統、綜合電子分系統、姿控分系統、測控分系統、數傳分系統、相機分系統、熱控分系統、電源分系統以及總體電路分系統共9個分系統組成。衛星構型采用星載一體化構型，各星之間無星間鏈路。各分系統組成及主要功能如下[2]：

① 一體化整星結構采用主承力結構與夾層儀器設備安裝板組合的總體方案，圍繞星載一體化設計目標，實現載荷及平臺的一體化設計。

② 綜合電子分系統負責整星在軌運行階段的任務管理、姿態控制、遙測遙控、熱控、電源以及載荷的控制與數據采集等工作。

③ 姿控分系統負責實現高精度、高可靠的姿態測量與控制。日常在軌運行期間，采用對日定向模式；成像和數傳時采用對地定向模式，具有姿態機動控制能力，以適應不同任務的多種工作模式，可通過側擺和快速機動擴大對地成像范圍和成像模式，滿足相機高分辨率成像要求。

④ 測控分系統采用測控數傳一體化設計，具有標準TTC、非相干擴頻、測控數傳一體化測控功能及數據接收能力，具備多頻段分時測控工作能力，輔以GPS定軌，能夠滿足遙測遙控以及高精度軌道測量要求。

⑤ 數傳分系統包括數據處理器和數傳通道兩部分。數傳通道采用雙機雙通道工作模式，也可只用單通道工作，數傳分系統可實現準實時數傳或延時數傳。

⑥ 相機分系統采用同軸偏視場光學系統，具備高速高信噪比圖像信號處理核心技術。

⑦ 熱控分系統采用以被動熱控為主、主動熱控為輔的設計方式，能夠滿足光學相機、鋰離子蓄電池的熱控制以及整星在復雜運行工況下的熱控需求。

⑧ 電源分系統采用三界砷化鎵太陽電池與星載蓄電池聯合供電方式，通過功率控制單元(PCU)在軌運行期間為整星提供能量，實現整星能量平衡。

⑨ 總體電路分系統采用集中式供配電方式，負責完成整星設備的供配電及星上火工品控制。其系統功能主要向整星提供總線一次電源，各設備所需的二次電源均通過各自的DC/DC模塊變換產生。

1.2 典型軌道

遙感衛星常采用以下幾種典型軌道[3]。

1.2.1 太陽同步軌道

太陽同步軌道是指航天器軌道面轉動角速度與地球公轉角速度相同的軌道，即航天器軌道面轉動方向和周期與地球公轉的方向和周期相同，衛星軌道平面的進動角速度每天東進0.985 6°，衛星經過赤道的地方時間不變。此類軌道特別適用于低軌對地遙感衛星，主要優點是衛星太陽照射角、太陽能源接收量、同緯度星下點的地方平太陽時、同緯度星下點照度以及地影時間等重要技術參數的周年變化最小。

1.2.2 回歸軌道

回歸軌道是指衛星星下點軌跡表現出周期性重復的軌道，重復出現的周期稱為回歸周期。衛星定期出現在以前經過的地區上空，可以對地球表面同一區域在每個回歸周期內進行反復觀測，比較地面目標的變化。這樣就有可能了解地面，諸如工程建設進展、特殊調動、農作物生長以及自然災害的形成過程等信息，對各個領域都有十分重要的意義。

1.3 星座構型

以12顆低軌衛星組網的遙感星座為例，星座構型采用太陽同步準回歸軌道，軌道傾角為97.98°，每41太陽日繞地球轉604圈[2]，各衛星之間無星間鏈路連接，具體軌道參數如表1所示。

表1 軌道參數Tab.1 Orbit elements

對于一個擁有12顆遙感衛星的星座，可將其分為4個軌道面，每個軌道面3顆衛星。每顆星都采用太陽同步的近圓軌道(即偏心率e≈0)，考慮到需要全球覆蓋半長軸為7 029 km左右，從而可以計算出其軌道傾角為97.979 7°，軌道周期為97.56 min，每天運行圈數約為14.73圈，每個軌道面的升交點赤經相差45°，每個軌道面的3顆衛星真近點角相差120°，為防止各星在交匯點碰撞，每個真近點角相近的衛星設置了20°的隔離。

1.4 遙感衛星工作階段

遙感衛星從發射到在軌結束任務共經歷箭上及發射、初始入軌、整星在軌測試以及整星業務運營4個工作階段[4]。

箭上及發射階段衛星接通電源，當運載火箭達到預定軌道后，啟動星箭分離程序，衛星轉入初始入軌階段。

初始入軌階段由中心計算機自主進行帆板展開以及姿態控制，地面對衛星遙測狀態進行監測，中心計算機自主給GPS和星敏加電，進行整星速率阻尼，將衛星三軸角速度控制在0.3°/s以下后，衛星開始進行太陽捕獲。太陽捕獲完成后執行相機熱控加熱等操作，衛星轉入對日三軸穩定模式，建立正常工作姿態，進入整星在軌測試階段。

整星在軌測試階段主要對衛星載荷性能進行測試，獲取拍照圖像并監測衛星各分系統遙測，確認各分系統工作及性能指標正常。當衛星進入測控弧段時，根據需要對衛星發送常規工作指令，對衛星的長期在軌工作狀態及參數進行設置。在軌測試完成后，衛星各分系統狀態正常，初始設置完成后，整星進入正常業務運營階段。

整星業務運營階段地面測控系統對衛星重要狀態進行檢測，并記錄遙測數據，通過遠程終端提供衛星遙測參數，按期提供遙測數據文件，通報衛星運行狀態，運控系統按應用系統提出的任務需求上注任務表，獲取并下傳高分辨圖像，期間通過整星姿態調整實現對日/對地姿態建立。在成像任務期間衛星由任務表中提取拍照時間等參數，拍照任務由綜合電子分系統指令驅動，完成載荷相關設備的加斷電、啟動以及關機等操作。在數傳任務期間衛星由任務表中提取數傳時間等參數，拍照任務由綜合電子分系統指令驅動，完成數傳固存壓縮機編碼設備的加斷電、固態放大器及調制設備的加斷電、控制固存回放等操作。

1.5 遙感衛星工作模式

根據衛星運行工作階段，遙感衛星設計有10種工作模式，但同一時刻只能工作在以下一種工作模式中[4]：

(1) 箭上及發射模式

該模式下，衛星不進行任何控制，載荷及大功率單機部件關機，中心計算機監控加電單機狀態，并檢測星箭分離狀態。

(2) 初始入軌模式

當中心計算機檢測到星箭分離信號后，衛星進入初始入軌工作模式。在該模式下，中心計算機為必要單機部件加電，順序進行速率阻尼、對日捕獲、對日定向以及對日三軸姿態穩定工作模式控制。

(3) 在軌飛行模式

該模式下，衛星維持對日三軸控制，等待地面注入任務，當衛星接收注入的任務指令或任務表中任務就緒時，結束在軌飛行模式，進行相關任務模式。

(4) 照相任務模式

該模式下，衛星進入對地照相姿態定向、相機、數傳開機，相機按照任務規劃執行照相工作，數傳系統存儲圖像。照相任務結束后，相機與數傳關機，衛星轉入對日三軸穩定姿態，回到在軌飛行模式。照相任務模式又分為常規照相模式、立體照相模式和條帶拼接照相模式。

(5) 數傳任務模式

該模式下，衛星進入對地數傳姿態定向、數傳開機，按照任務規劃將存儲的圖像下傳到地面。任務結束后，數傳關機，衛星轉入對日三軸穩定姿態，回到在軌飛行模式。

(6) 準實時數傳任務模式

當衛星在照相模式結束后立即執行數傳任務模式，進入準實時數傳任務工作模式。在該模式下，衛星正常執行照相任務，任務結束后相機關機、數傳保持開機狀態，繼續執行數傳任務。任務結束后，數傳關機，衛星轉入對日三軸穩定姿態，回到在軌飛行模式。

(7) 多點拍照模式

當衛星在照相模式結束后需再次執行拍照任務，進入多點拍照工作模式。在該模式下，衛星正常執行照相任務，任務結束后保持相機、數傳開機狀態，繼續執行下次照相任務。所有照相任務結束后，相機與數傳關機，衛星轉入對日三軸穩定姿態，回到在軌飛行模式。

(8) 軌道調整模式

該模式下，衛星通過軌道高度調整和傾角調整來實現星下點軌跡調整、降交點地方時保持、軌道傾角調整等。當衛星在軌飛行模式接收到軌道調整任務就緒后，衛星進入軌道調整模式，執行注入指令，啟動星上軌控推力器完成對軌道衰減的補償或星座相位差的調整。軌道調整模式包括升軌模式、降軌模式及相位差調整模式。

(9) 存儲器擦除模式

該模式下，地面可根據星上固存狀態實施存儲器擦除操作，釋放存儲空間，便于后續存儲新獲取的高分辨率圖像數據。

(10) 安全模式

當衛星姿態嚴重超差或電源不足時衛星將進入安全模式，在該模式下，衛星開始重新對日捕獲，建立對日定向三軸穩定姿態。星上不再執行其他任務，中心計算機關閉大功率負載，在安全模式下只能通過地面注入指令并解除故障后才能切換到正常工作模式。

2 衛星在軌測運控管理

低軌衛星的測控原理與高軌衛星相同，但由于其軌道周期短，速度快，對于地面測控站不是實時可見，因此針對低軌衛星的測運控管理方式與地球同步軌道衛星有較大的區別。首先，由于其對于地面站不是一直可見，這就要求星上具有較高的自主能力，包括軌道測量、軌道確定、軌道調整、工作模式轉換、衛星平臺及載荷操作以及故障檢測、隔離及恢復等；其次，由于低軌星座涉及多顆衛星及多個地面站協同工作，因此低軌星座測運控管理需要一套功能強大的任務調度軟件，基于衛星的可見弧段及任務需求，實現資源的最優分配及調度。

2.1 軌道管理

遙感衛星運行在軌道高度約650 km的太陽同步軌道上。這類軌道的特點是太陽入射角變化較小，光照條件穩定，其與高軌衛星最明顯的區別就是運行速度快，周期短，運行圈數多，軌道經過兩極，衛星大部分時間在境外，相對于有限地面站布局來說不是實時可見。

在衛星運行中，衛星半長軸受大氣阻力影響而衰減，同時造成衛星星下點軌跡發生漂移，當累積漂移超過一定范圍，其軌道的重訪特性將無法滿足任務需求。通常衛星任務將給出軌道漂移的邊界范圍，當軌道漂出該范圍之前執行軌道調整機動，改變軌道的半長軸，使軌跡開始向反方向漂移，理想情況下，半長軸的偏置調整量計算公式[5]如下：

在理想情況下，衛星在東邊界進行升軌機動后，軌跡開始向西漂移，當軌跡正好漂至西邊界時半長軸衰減至標稱值，軌跡轉而開始向東漂移，在這種情況下，軌跡從東到西的時間計算公式[4]如下：

通過上述公式能夠計算出理想情況下對于太陽同步準回歸軌道的機動量以及機動時間，但由于低軌衛星受大氣密度影響較大，而大氣密度與太陽活動密切相關，在軌道計算中對于大氣密度的模型與實際情況相差較大，因此在實際軌道計算中，需要根據實際定軌情況及時增減機動或調整軌道機動時間。

針對低軌星座，要考慮星座構型的保持，若星座構型發生變化，其衛星編隊飛行時序將被改變，若星間相位偏差超過一定范圍，將會影響星座間相互補償、載荷協同工作以及圖像拼接等任務的正常進行。衛星相位差發生變化時，其影響體現在星下點軌道間距上。對于衛星星座相位的調整，可通過改變軌道半長軸，將衛星相位逐漸拉開，待相位達到要求后，再將半長軸調整回與軌道面內其他衛星相等，實現星座相位的調整。

2.2 電源管理

運行在太陽同步軌道上的衛星每天繞地球運行多圈，這就導致了衛星每天多次進出星蝕，地球同步軌道衛星每年進出星蝕次數約為90次，而太陽同步軌道衛星每年進出星蝕次數則多達5 500次。相同壽命條件下，衛星蓄電池充放電循環次數要比地球同步軌道衛星多出約60倍，勢必導致衛星蓄電池性能衰減速度和故障率要遠遠高于地球同步軌道衛星。此外，由于低軌衛星軌道高度低，受地球輻射帶和太陽耀斑影響，特別是地球輻射帶的影響遠大于地球同步軌道衛星，加劇了太陽帆板的性能下降趨勢。在這種情況下，一方面在衛星能源系統的設計上要采用一定的技術手段和提高材料性能來加以克服及防護，根據衛星的任務需求及負載需求，綜合考慮星上電池配置，合理控制蓄電池的在軌放電深度。另一方面，對衛星的在軌管理也要做如下考慮：

首先，蓄電池性能及壽命與溫度壓力密切相關，在軌管理需密切關注電池的溫度及壓力，電池溫度和壓力均不能過高，若發現電池壓力偏高，通過調整充電電流來有效降低電池壓力，電池溫度則可以通過設置合理的加熱器開關閾值來對蓄電池溫度進行控制，確保其工作在合適的溫度范圍內。其次，放電深度對于電池的壽命影響也十分顯著，當電池放電深度越大，其循環次數越少，因此當蓄電池在軌性能衰減超過預期，在滿足任務需求的前提下，可采用降低星上負載功耗來降低電池放電深度[6]。

2.3 熱控管理

低軌衛星每天運行圈數多，多次進入星蝕，冷熱交替頻繁，對于星上設備性能及壽命均有較大影響，因此低軌衛星在熱控管理方面顯得尤為重要。星上熱控管理主要依賴星上自主機制控制，在軌管理地面需重點監視各重要部件的溫度，特別是高分相機成像對于溫度要求較高，當溫度趨勢發生變化，要及時調整加熱器控制閾值，確保部件工作在其性能指標范圍內。

2.4 姿軌控管理

遙感衛星由于任務需求，需要頻繁變換姿態完成對地或對日的姿態建立。主要的測量器件為陀螺和星敏，執行器件為磁力矩器、反作用飛輪和推力器，由于地面對于衛星不能實時可見，導致姿軌控分系統在進行姿態調整時無法實時監視，因此在有遙測回傳的條件下，要對姿態分系統各重要部件的狀態進行檢查、對姿態調整操作的執行情況進行確認，評估姿態調整參數是否能夠滿足任務需求，對軌道數據進行處理，計算得到衛星當前軌道，從而更好地管理衛星姿態，提高衛星執行任務的準確性。

2.5 測控管理

測控及運控管理是遙感衛星與地球同步軌道區別最大的部分，地球同步軌道衛星相對于地面觀測者為24小時可見，遙測實時可見，隨時可對衛星進行上行指令控制，測控具有實時性。而對于低軌衛星，每天運行14～15圈，單個測控站可見圈次為3～6圈，每圈的可見時間最長只有十幾分鐘，因此對于測控管理而言，提前做好任務計劃，配合合理的任務調度策略，在衛星過境時由任務調度軟件驅動及時上注衛星指令鏈，并下傳遙測數據，通過高度自動化、智能化的遙測判讀軟件完成對衛星狀態迅速判讀，確認之前上注指令星上的執行情況，以及衛星各分系統重點設備狀態及工作情況。

遙感衛星應急管理主要依賴星上設計的FDIR機制進行自主檢測、隔離及恢復。如果發現衛星出現故障或潛在的危險，軟件自動完成故障診斷并給出恢復方式，為避免時間不足情況下誤判率增加，從管理上要求對于星上故障在發現故障的圈次不進行恢復操作，在下一圈次優先跟蹤故障衛星，當衛星再次可見時，再對故障進行處理及后續恢復。

2.6 運控管理

低軌遙感衛星的管理可與地球同步軌道的載荷操作相對應，但地球同步軌道通信衛星的載荷操作相對較少，基本只涉及調整增益檔、設置射頻靜噪開關狀態、設置行波管工作模式以及波束切換等，且載荷操作較為單純，一般不涉及其他分系統。而對于遙感星座，運控主要是根據用戶任務需求，拍攝指定時間與地點的高分辨率衛星遙感圖像，并將圖像數據通過數傳通道傳回至地面站，地面站將圖像通過專門的設備進行解碼處理后發送給用戶，或不進行處理直接將原始數據發送給用戶。衛星管理軟件根據衛星軌道計算拍攝任務的時間和位置，并將拍攝時間和位置轉化為衛星上注指令參數，然后發送至任務調度模塊，在衛星進入可見弧段完成建鏈工作后，任務調度軟件將運控指令參數通過遙測遙控通道上傳至星上中心計算機，由中心計算機根據指定時間或地點，提前通過反作用飛輪以及磁力矩器將衛星工作模式設置為拍照模式或數傳模式，當到達指定時間或地面時，中心計算機自動發出指令完成拍照或數傳操作。

3 地面測運控系統方案設計

低軌衛星測控系統與傳統地球同步軌道通信衛星地面測控系統在鏈路構成方面基本相似，均由天伺饋分系統、射頻系統、中頻基帶分系統、計算機網絡以及地面測控和監控軟件組成，但基于低軌衛星軌道運行特點、平臺特點以及任務特點，與地球同步軌道衛星地面測控系統相比，主要有如下特點：

① 由于衛星運行速度快，可見時間短，要求地面天線具有較強的跟蹤能力及高速轉動能力，方位角具有0°～360°轉動能力，俯仰軸具備0°～180°指向能力，天線在衛星過頂時無盲區，需具備當仰角較低情況下的快速捕獲及跟蹤能力；

② 測控頻段以S頻段及X頻段為主，數傳頻段以X頻段為主，此外，由于S頻段使用受限，民商業測控主要采用X頻段；

③ 低軌星座由多顆衛星組成，針對不同衛星可見弧段的不同，特別是多顆衛星同時進入地面站可見弧段時地面資源的合理分配等，地面測控系統必須具有強大而靈活的任務規劃及資源調度功能；

④ 針對不同任務的低軌星座，地面需根據任務特點設計數傳地面設備用于遙感數據的接收、處理及分發。

3.1 站網布局

基于低軌星座軌道周期短、速度快、周期性回歸、軌道面經過兩極以及全球覆蓋等運行設計要求，為使低軌星座測控系統對星可見弧段盡量長、可見節點盡量多，從而使低軌星座測運控管理更加靈活可控，低軌星座測控站網布局主要依據以下幾點：

① 以國內為基礎，建立大三角構型布局，在條件許可的情況下，三角形的跡線越長越好；

② 在兩極地區設立測控站作為能力增長點；

③ 全球布局，做到南北半球及東西半球盡量平衡，進一步提高覆蓋率。

3.2 地面系統架構

基于前述分析結論，在懷來、都江堰以及喀什分別建設一套地面系統，采用測運控一體化設計，上行采用6 MHz天線搭配100 W功放，下行采用6 MHz天線搭配50 dB場放，單站系統由天伺饋分系統、射頻分系統、基帶分系統、計算機與網絡分系統及監控分系統組成，單站系統組成如圖1所示。

圖1 單站系統組成Fig.1 Composition of single station

本系統中，計算機系統以虛擬化方式部署，系統使用4臺物理虛擬機服務器，實現數據處理、數據存儲、任務調度及設備監控等功能。站內雙網設計，租用地面通信線路實現站間數據通信。

3.3 測控中心軟件

測控中心系統按功能模塊可分為10個模塊：權限管理、遙測遙控處理、在軌操作、任務規劃、監視報警、碰撞規避、載荷管理、衛星軌道演示系統、運行狀態監控和數據管理。

(1) 權限管理

具備用戶和授權管理功能，通過權限控制和授權機制，對不同角色的用戶行為進行控制，以保護系統和衛星的安全。

(2) 遙測遙控處理

遙測遙控模塊是平臺軟件和硬件設備的界面層，負責獲取衛星測控鏈路路由信息，建立衛星上下行鏈路連接，進行遙測數據接收處理，以及遙控指令的編碼和發送。可對大量衛星同時進行遙測處理任務，并可適應不同可見時間段衛星的遙測數據接收與指令上注。

(3) 在軌操作

支持用戶通過在軌操作控制衛星開展衛星管理業務。平臺通過對衛星控制操作進行分解，在軌操作應提供頂層用戶任務規劃、常規測控操作程序定制、載荷應用操作程序定制、操作程序驗證、操作程序實例化、操作程序人工執行、操作程序調度執行和遙控指令轉碼等主要功能，一方面支撐研制單位制作與驗證衛星在軌操作程序模板，另一方面支撐用戶的在軌管理、業務規劃與實施業務。

(4) 任務規劃

任務調度模塊由任務計劃模塊和任務執行模塊兩部分組成。任務計劃模塊收集可見弧段預報、軌道事件預報、操作計劃及數據拍照等需求，并將測運控管理計劃和任務優先級等發送至資源調度軟件；資源調度軟件將任務執行計劃與標志位等信息發送至任務執行模塊，由任務執行模塊負責操作任務計劃和測距任務的分發與監視。

(5) 監視報警

對在軌衛星和測控平臺自身的運行情況相關信息進行狀態判讀和報警，并提供進行在軌衛星日常監視所需的數據顯示、數據回放、數據檢索與分析、報警信息顯示與響應等功能。

(6) 軌道計算

軌道計算模塊具備軌道確定、軌道預報、軌道控制與修正以及碰撞風險預警與規避功能。測控平臺具備低軌衛星星隊碰撞規避功能，能夠通過對衛星運行軌道的測量與計算，對衛星的軌道進行預報，在完成軌道預報后根據結果進行相應的軌道修正。

(7) 載荷管理

載荷管理功能根據用戶提出載荷操作的申請，申請內容包括拍照時間、拍照位置、數傳、相機存儲擦除等相關載荷運控需求。向任務規劃模塊提交載荷測運控初步計劃，根據任務執行模塊下發的任務執行計劃執行數傳數據的接收、處理及分析，將數據分發至最終用戶，在數傳數據接收完畢后，反饋給任務執行模塊任務完成標志位。

(8) 衛星軌道演示系統

測控平臺具備多星軌道演示功能，能夠將衛星運行狀態、軌道位置以圖形化界面展示，并具備人工操作、多級顯示等功能，可將n個軌道面所有衛星集中顯示。

(9) 運行狀態監控

狀態監控功能對測控軟件自身組成軟件以及測控軟件運行所在硬件環境的運行信息進行采集和監控，并能夠根據需要擴展采集器，從而完成對相關外部系統的運行信息采集。

(10) 數據管理

數據管理功能對測控業務所使用的數據進行存儲，以供人工或其他系統查看管理。數據管理功能在全系統提供統一且唯一的數據管理服務，用戶或系統其他應用能夠通過該接口獲得數據。

3.4 設備監控軟件

為實現多站設備集中監控，監控系統由統一監控系統和站監控系統組成。

站監控系統負責監控站內所有設備，主要包括：天線、射頻、基帶、時頻及矩陣等設備。在設備監控的基礎上，構建并管理模板化的通道資源池和基帶資源池。其中通道資源池為中頻矩陣以上部分，包括天線和上下行鏈路所有設備；基帶資源池為基帶內具有獨立遙測或遙控功能的板卡。站監控分系統實現通道資源池和基帶資源池的管理，包括資源的添加、配置、日常運行狀態監視與控制等。站監控分系統按照標準接口，實時向統一監控系統上報當前站內資源使用情況和運行狀態。同時，站監控系統能夠接收統一監控系統發來的設備控制指令和資源調度指令。

統一監控管理系統通過標準化接口，實時接收各地面站監控分系統上報的站內資源使用狀態和工作狀態，能夠實時監控各地面站資源使用情況和設備主要參數。

3.5 資源調度軟件

地面資源調度軟件是低軌星座測運控管理的核心。低軌星座測控不同于同步軌道衛星維護和操作方式，處于每條軌道的每顆衛星進入某個測控中心上空均有特定的可見弧段，需要在測控可見窗口時間內，完成該衛星的測控任務和數傳數據解析處理。因此，地面資源調度軟件需解決基于多個約束條件的資源優化問題，星座規模以及地面測控系統規模越大，其規則及算法越復雜。

3.5.1 運行場景

資源調度軟件與測控中心軟件以及設備監控軟件配合，共同完成系統所涉及的懷來、都江堰以及喀什等至少3個測站對于遙感低軌星座的在軌測運控管理任務。通過調取由測控中心軟件提交的測運控計劃，以及由地面監控軟件提交的地面站可用資源信息，對衛星測運控任務及地面站資源進行規劃，制定出基于衛星測控任務的地面測站跟蹤計劃以及基于衛星任務的任務執行計劃，并將地面站跟蹤計劃發送給設備監控軟件，用于按時驅動地面測控系統完成對待測衛星的捕獲及跟蹤。將任務執行計劃發送給測控中心軟件以驅動衛星遙測遙控以及數傳任務的執行。

資源調度軟件還應該充分考慮緊急情況和特殊時段，如衛星發生異常導致正常調度任務無法執行、星蝕期管理及整星失效等情況下，可通過設置優先級將故障衛星的優先級設置為最高、增加跟蹤圈數以及提高地面發射功率等，因此調度軟件的設計不僅要具有規則性，還需要具有靈活性，以自動調度為主，同時具備人工干預能力。地面資源調度軟件功能樹如圖2所示。

圖2 地面資源調度軟件功能樹Fig.2 Function tree of ground resource scheduling software

3.5.2 任務規劃策略

資源調度軟件是基于任務規劃策略完成對于測控系統的調度，以支撐多星測運控任務。任務規劃策略是資源調度軟件的核心，也是低軌星座測運控管理的核心。在多星調度中，主要需解決測控資源沖突問題，也就是衛星時間窗口沖突問題。衛星的時間窗口可分為可視時間窗口和服務時間窗口，前者是指考慮設備天線最低工作仰角限制后設備對于衛星的可見時間段；后者是設備為衛星提供服務的時間段。后者在前者的基礎上預留了一個任務切換時間，包括任務接收時間、設備配置及設備狀態上報時間。在制定任務規劃策略中，對于地面站某一設備，如果一顆衛星的過境服務時間窗口與另一顆衛星過境的服務時間窗口出現了重疊，定義為該地面站設備出現了時間窗口沖突。對于調度中可能出現的時間窗口沖突問題，由于低軌衛星可視弧度的限制，當發生時間窗口沖突時，只能根據任務優先級策略，采用取其一而舍棄所有與該時間窗口沖突的其他時間窗口原則來排除沖突。同時為了獲得較優化的任務規劃結果，可在排除沖突求解過程中采用多次搜索取最優解，從而得到近似全局最優解的策略。

由于各個任務之間完成的先后順序以及任務優先級是在一定范圍內動態變化的，因此在保證完成任務優先級之和最大及占用資源最少的目標下，最終能得到的最優資源調動策略有時并不唯一，因此資源調度軟件提供了人工介入的接口。在實際任務中采用哪一種調度結果，將根據具體的需要來決定。

4 低軌星座測運控管理流程

低軌星座在軌測運控管理完成衛星從發射入軌、在軌運行、離軌處理全生命周期的監視、控制及應急處置，包括監視衛星平臺和載荷運行工況，管理衛星健康狀態；調用測控資源，進行衛星平臺及載荷控制；完成衛星軌道精確計算和預報、評估衛星碰撞風險、預報衛星可見弧段、計算衛星軌道偏差及星座構型偏差；完成衛星軌道控制計算，實現衛星軌位和星座保持。

遙感衛星在軌管理從內容上可以分為軌道確定、任務計劃、軌道保持、遙測遙控和故障檢測五部分。軌道確定功能通過從數據庫調取外測數據、天文常數及測站信息等，完成軌道確定和推演功能，并將計算結果存入數據庫供其他功能調用；軌道保持功能通過從數據庫調用定軌數據、衛星參數等數據進行軌道保持計劃的制定，并將結果存入數據庫；任務規劃功能由管理人員制定衛星任務計劃，同時可自動調用軌道保持計劃及軌道確定、軌道預報、可見弧段等結果進行衛星任務計劃的自動生成，并基于任務計劃驅動遙測遙控進行操作程序的自動執行；遙測/遙控功能執行遙控指令的編碼和發送，遙測數據和數傳數據的接收存儲，從數據庫獲取門限文件實現對衛星狀態的監視，并將報警和日志信息保存入庫供管理人員進行查詢及檢索。故障診斷功能通過在軌衛星故障庫以及FDIR策略，實現對報警信息的判別，可自動調用故障恢復程序，實現對于故障迅速的檢測、隔離與恢復。各模塊數據相互調用、支撐，與地面設備監視管理系統共同完成對各遙感衛星的管控監視。

基于如上對于遙感星座測運控管理的分析，遙感星座的測運控管理流程設計如圖3所示。

圖3 測控管理流程圖Fig.3 Flow chart of TT&C

5 結束語

因為面臨衛星以及地面系統具體技術參數不明確等困難，因此，文中部分研究內容主要立足于概念，基于理論分析進行定性研究。本文明確了地面站網全球布局原則，提出了基于任務規劃驅動的地基低軌測運控管理方案，實現對整個星座的監視、控制以及故障恢復，指明了地面資源調度軟件是低軌星座測運控管理的核心。

文中給出的低軌星座測運控管理方案僅基于本文設定之技術參數、指標以及管理場景，未來實際設計低軌星座測運控管理方案時，可將本文研究成果作為參考，以具體項目作為依托，制定更為詳盡、具體以及有針對性的低軌星座測運控管理方案。