基于北斗報文通信系統的低軌航天器天基測控設計

朱向鵬 黨超 劉濤 張中英 徐連軍

(中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

航天器測控主要完成航天器的跟蹤測量，計算并確定航天器的軌道參數，同時接收處理航天器遙測參數，并發射指令對航天器實施控制[1]。從發展規劃劃分，主要包括地基測控與天基測控。長期以來，地基測控是我國航天器的主要測控手段，擔負著載人航天工程與各種衛星工程的測控任務。受地面測控站空間分布的限制，地基測控很難做到全球實時測控。而天基測控可以大幅度提高測控覆蓋范圍與多星測控的能力，同時提高數據傳輸的實時性[2]。隨著航天器數量的增加，研究基于天基測控方法的全球實時測控技術對低軌航天器具有重要的意義。

目前，利用地球同步衛星測控與近地衛星測控是已經使用的天基測控方法。地球同步軌道均勻分布3顆地球中繼衛星，可以實現近地衛星與地面目標全覆蓋[3]。中國“天鏈”中繼衛星、美國中繼衛星系統與歐洲中繼衛星均可以提供天基測控服務。在國內可以使用的天基測控資源有限，“天鏈”中繼衛星僅可以為少數航天器提供測控服務。

利用近地衛星作為天基測控資源完成低軌航天器測控驗證的測控系統主要包括“銥星”測控、軌道通信衛星(Orbcomm)測控、全球星(Globalstar)衛星測控。Qarman(用于空氣熱動力學研究和消融測量小衛星)選擇用于驗證小衛星返回技術，用銥星系統作為測控資源，實現較好的接收效果[4-5]；OHB Technology公司的魯賓-1(Rubin-1)到Rubin-5小衛星系列多次使用Orbcomm系統和互聯網進行天基測控試驗；技術衛星(TSAT)使用Globalstar星座測控取得較好的效果，通信成功率達82%以上。

北斗導航衛星同樣具備天基測控服務的能力[6-7]。2010年3月，國內研發的遙感九號衛星首次搭載了北斗一號用戶機作為測控終端，使用無線電測定業務(Radio Determination Satellite Service，RDSS)短報文對北斗天基測控技術進行首次驗證，但該應用局限于在亞太地區進行測控[8]。隨著北斗三號導航衛星全球組網成功，可以使用北斗報文通信系統作為天基測控資源，解決低軌航天器進行全球全時測控的問題。航天恒星科技有限公司關新峰等人提出基于北斗三號衛星RDSS短報文的天基測控方法[9]，并對北斗短報文的測控服務能力及北斗三號可用服務資源進行了分析。

北斗三號導航衛星搭載的報文通信系統全面提升了短報文通信的服務能力，服務區域從亞太地區擴展到了全球，可以提供區域短報文服務與全球短報文服務。本文從北斗三號可用的報文通信資源出發，提出使用區域短報文與全球短報文相結合的測控方式，完成天基測控方法的整體方案設計并對測控能力進行分析，力爭推動基于北斗三號報文通信系統的新型天基測控技術在低軌航天器測控中的應用。

1 北斗三號天基測控可用資源

北斗三號GEO衛星搭載的區域短報文系統可以提供無線電測定RDSS業務，固定波束與可動波束主要覆蓋區域位于中國及亞太地區，波束星下點覆蓋E70°～E140°/N5°～N55°及E90°～E150°/N55°～S55°范圍[9]。北斗RDSS具備定位、授時、短報文通信、位置報告等功能，具備一定的測量、遙控遙測傳輸能力，入站服務容量為1200萬次/小時，出站容量為600萬次/小時，可以為大規模報文通信終端提供通信服務[10-11]。

北斗三號MEO衛星搭載的全球短報文系統實現全球實時覆蓋，在任何地點的用戶均可以通過全球短報文與境內中心站建立通信鏈路。所有用戶均可以通過競爭方式接入北斗網絡，可以實現按需隨遇接入報文通信系統。全球短報文通信系統可以提供報文通信基本功能服務，入站服務容量為30萬次/小時，出站容量為20萬次/小時，服務范圍為全球地表及以上1000 km空間[10-11]。全球短報文單次發送報文長度小于區域短報文的服務能力。

考慮低軌航天器對測控速率與頻度的常用需求，提出在中國及亞太地區上空，使用區域短報文完成全部遙測信息的下傳；在其他區域，使用全球短報文完成重點遙測信息的下傳，同時接收地面發送的遙控指令。該方法可以解決航天器在亞太地區以外執行任務時，我國境內衛星地面站對航天器全球實時測控的需求，同時解決低軌航天器發生突發情況的測控需求。北斗報文通信資源在短期內可以支持大量低軌航天器同時進行測控，可以緩解地面測控業務繁忙與資源緊張的局面。

2 航天器測控方案設計

基于上述北斗導航系統可用的天基資源，通過在低軌航天器搭載報文通信終端，使用北斗導航信號完成航天器位置計算，使用區域短報文與全球短報文資源完成測控信息傳遞。低軌航天器天基測控系統組成如圖1所示，該系統包含北斗衛星資源，低軌航天器，北斗運控中心，低軌衛星地面測控中心。低軌衛星地面測控中心通過地面專用網絡與北斗運控中心連接，完成低軌航天器測控數據交互工作。

圖1 天基測控系統組成Fig.1 Space-based TT&C system composition

低軌衛星地面測控中心向低軌航天器發送遙控指令作為通信前向鏈路，低軌航天器下傳遙測信息至低軌衛星地面測控中心作為通信返向鏈路。

利用區域短報文資源，低軌衛星地面測控中心產生遙控指令經專用網絡傳遞至北斗運控中心，由北斗運控中心進行處理后注入北斗GEO衛星，然后透明轉發至低軌航天器報文通信終端，報文通信終端通過S頻段信號完成遙控指令的接收。通信反向鏈路則采用相反的信息流程把低軌航天器遙測信息傳遞至低軌衛星地面測控中心，前向鏈路與返向鏈路的業務流程圖具體信息流程見文獻[9]。

利用全球短報文資源，北斗運控中心接收低軌衛星地面測控中心發送的遙控指令信息，處理后上注到北斗衛星，經北斗星間鏈路傳遞至提供服務的北斗MEO與IGSO衛星，然后播發L頻段信號至低軌航天器北斗報文通信終端。通信返向鏈路則采用相反的信息流程，低軌航天器產生的遙測信息由北斗報文通信終端發送經全球短報文接收與北斗星間鏈路傳輸，由北斗運控中心完成接收，經專用網絡傳輸在低軌衛星地面測控中心進行處理、分析和展示。

由上述介紹可知，星載報文通信終端是低軌航天器使用報文通信資源測控的核心。根據全球短報文與區域短報文時分工作的需求，星載報文通信終端需要具備接收北斗三號發送的L、S頻段信號的能力，同時具備發送L頻段信號的能力。星載報文通信終端的設計可以采用如圖2所示的主備設計，由天線、射頻組件單元與信號處理單元組成，使用微波開關完成主備切換工作的能力。

圖2 星載報文通信終端組成Fig.2 Composition of satellite onboard message communication terminal

為了確保低軌航天器測控鏈路的通信能力，星載報文通信終端發射等效各向同性輻射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP)與接收G/T值要滿足鏈路預算。星載報文通信終端接收天線G/T值設計為-29 dB/K，前向鏈路預算如表1所示，以通信速率8 kbit/s接收區域短報文的鏈路系統余量為6.46 dB，以通信速率1 kbit/s接收全球短報文的鏈路系統余量為4.46 dB。

星載報文通信終端返向鏈路預算如表2所示，設計星載報文通信終端發射有效全向發射功率(EIRP)為9.5 dBW，發送區域短報文的鏈路系統余量為3.5 dB，發送全球短報文的鏈路系統余量為2.5 dB。

表1 通信前向鏈路預算表Table 1 Communication forward link budget table

表2 通信返向鏈路預算表Table 2 Communication backward link budget table

3 航天器測控流程設計

北斗報文系統為了低軌航天器提供離散的接入服務。為了滿足地面測控中心對低軌航天器連續監視的需求，低軌航天器對衛星遙測參數進行分類記錄。根據低軌航天器遙測參數的特征，衛星遙測參數可以劃分為關鍵參數、普通參數、指令遙測數據與在軌實驗數據。根據遙測參數的來源，低軌航天器設置每個關鍵參數的工作范圍。如果關鍵參數的變化超過設置的正常范圍，則記錄時間與遙測參數值。比如某星載設備的電壓工作范圍為98～102 V，如果當前設備電壓遙測值為105 V，則記錄當前時間與遙測值。普通遙測參數通過抽樣離散的方式進行下傳。指令遙測數據僅在航天器收到地面發送的遙控指令后產生。上述3種遙測數據與在軌實驗數據發送星載報文通信終端進行存儲，然后按照遙測產生的先后順序依次下傳。

低軌航天器時分使用全球短報文與區域短報文，星載報文通信終端接收北斗導航信號進行實時定位。根據定位結果，選擇使用區域短報文或者全球短報文資源發送遙測信息。如果航天器在中國及亞太地區上空飛行，使用區域短報文完成返向鏈路通信與前向鏈路通信。區域短報文具有較強的通信能力，低軌航天器可以將存儲的所有遙測信息在該時段進行數據下傳，最終經地面專用網絡發送地面測控中心進行處理、分析和展示，完成飛行器飛行狀態監測與探測信息分析。

如果航天器在中國及亞太以外區域飛行，使用全球短報文完成返向鏈路通信與前向鏈路通信。全球短報文支持的通信速率與通信幀長度均有嚴格的限制。為了充分利用全球短報文進行低軌航天器應急測控，優先傳送關鍵參數與指令遙測數據，讓地面測控中心充分掌握衛星運行的位置與運行的狀態；同時，可以發送應急遙控指令完成航天器的控制。

星載報文通信終端測控具體流程見圖3所示，根據航天器導航定位結果確定所在位置，開啟區域短報文發送遙測信息模式或者全球短報文發送遙測信息模式。如果使用區域短報文發送遙測信息，開啟S頻段前向鏈路接收模式，接收區域短報文通信鏈路發送的遙控信息，否則開啟L頻段前向鏈路接收模式，接收全球短報文通信鏈路發送的遙控信息。報文通信終端按照一定時間間隔檢測是否正在發送遙測信息或接收遙控信息，待發送或接收工作完成后，進行導航定位結果判斷，確保飛行器選擇合理的報文通信資源，與地面實時建立鏈路進行通信。

4 測控服務能力分析

4.1 通信能力分析

為了分析低軌航天器使用報文通信資源的測控能力，采用衛星工具包(Satellite Tool Kit，STK)進行報文信號可用性分析。設置低軌航天器的半長軸長度為7379 km，軌道傾角為30°，升交點赤經為10°，偏心率為0。北斗衛星與報文通信終端的發射EIRP與接收G/T值按照表2與表3進行設置；報文通信終端天線設計為覆球波束，天線的波束寬度為60°。低軌航天器與北斗GEO衛星的可視情況如圖4所示，在圖中每個采樣點代表30 s，低軌航天器運行一個周期與北斗GEO衛星平均可視時間為1600 s。

在低軌航天器與北斗GEO衛星的可視范圍內，使用區域短報文資源，通信返向鏈路按照8 kbit/s的傳輸速率，每個可視弧段平均可以下傳12.8 MB的遙測數據。在其他區域，使用全球短報文資源傳輸遙測數據。低軌衛星測控中心持續檢測衛星的運控狀態，當衛星發生突發狀況，地面測控中心完成衛星的應急處理。

圖4 低軌航天器與北斗GEO衛星可視情況分析Fig.4 Visual analysis of LEO spacecraft and BDS GEO

4.2 測控時間分析

區域短報文通信鏈路采用星上透明轉發地面處理的模式，經GEO衛星報文通信系統轉發至北斗運控中心，建立報文通信終端與航天器測控中心之間的傳輸通道。報文通信終端工作在軌道高度約為1000 km，距離北斗三號GEO衛星的通信距離(T1)在35 000～43 000 km之間變化，北斗三號GEO衛星與北斗運控中心之間的通信距離(T2)為36 000 km。文獻[12]對北斗短報文通信信道傳輸性能進行專項實驗，測試地面報文通信終端之間單數據包行通信的平均傳輸時延為3.8 s，其中北斗運控中心處理分發時間與北斗終端處理時延為3.3 s。根據該實驗數據，北斗運控中心分發報文通信信息至低軌衛星地面測控中心的時延(Ttrans)按照3.3 s進行估算，c為光速(3×108m/s)，計算單向鏈路傳輸時延Ttotal約為3.6 s。

(1)

全球短報文通信鏈路采用星上處理模式，經MEO衛星報文通信系統接收與北斗星間鏈路轉發至北斗運控中心。根據全球短報文的服務能力，報文通信終端與北斗運控中心單向傳輸的最大時延≤20 s。按照最大的傳輸時延20 s計算，北斗運控中心經專用網絡傳輸至航天器測控中心的時延約0.5 s，使用全球短報文系統完成飛行器測控單向傳輸時延最大延遲為20.5 s，可以滿足航天器全球準實時測控的需求。

4.3 接入服務能力分析

星載報文通信終端發射報文信號的時間隨機，發射頻度與報文的長度根據衛星測控需求而變化。北斗報文通信系統單顆衛星每秒鐘接收低軌衛星發送的報文的業務量為

(2)

式中：λ為每秒鐘處理的平均報文通信信號業務量；li為第i類衛星發射報文信號的時間長度，單位為s；fi為第i類衛星發射報文信號的頻度，單位為次/分鐘;Ni為第i類衛星數目。按照表3設置低軌衛星測控業務的構成，低軌衛星發送報文信號的長度、發送頻度與衛星數目如表3所示，用式(2)計算的每秒鐘平均報文通信信號的業務量為10。

表3 報文通信系統測控能力統計Table 3 Statistics of TT&C capability of message communication system

不同星載報文通信終端發射報文信號相互獨立，達到北斗報文通信系統的過程符合泊松分布[13]，在τ秒的時間間隔內正好有K個報文信號達到概率見式(3)。單顆北斗衛星報文通信系統可以并行處理12個用戶，當多余12個報文信號達到時，星載報文通信接收機選擇其中12個信號進行接收，未接入成功的用戶可以再次發送。

(3)

對低軌星座進行仿真，單顆北斗衛星報文通信系統接入成功率如圖5所示，當報文通信每秒鐘平均業務量等于10時，低軌衛星遙測業務接入成功率在96.56%。按照目前報文通信系統在北斗衛星搭載數量，整個北斗三號衛星可以支持的報文通信業務量每秒鐘可達140。

圖5 接入能力仿真Fig.5 Access capability simulation

通過分析北斗報文通信系統服務能力，而全球短報文通過服務的用戶終端數量與每秒鐘報文通信業務量相關。按照表3低軌衛星的測控需求，單顆衛星可以為32顆低軌衛星提供測控服務。結合區域短報文與全球短報文的服務能力，北斗報文通信系統整個星座可以同時為400顆以上的低軌衛星提供測控服務。在星載報文通信終端與區域短報文可以建立鏈路時，使用區域短報文資源，通信返向鏈路按照8 kbit/s的傳輸速率工作，單向鏈路傳輸時延約為3.6 s。在其他區域時，使用全球短報文資源進行測控，測控時間最長為20.5 s。通過上述的設計分析可知，使用北斗報文通信資源可以為大規模的低軌航天器同時提供全球全時的測控服務。

5 結束語

通過對北斗報文通信系統的研究，設計的區域短報文與全球短報文相結合的測控方式，可以滿足軌道高度小于1000 km的航天器全球全時測控。該測控方式的通信能力、測控時間與接入服務能力可以滿足大規模低軌航天器測控的需求。根據低軌航天器對測控系統的發展需求，北斗報文通信終端除了具備測控能力，必須實現終端高集成度、小型化、低功耗的設計，盡可能地減小低軌航天器的資源壓力。目前，團隊正在進行報文通信終端的小型化與低功耗關鍵技術攻關工作，力爭突破報文通信終端質量小于500 g，功耗小于8 W的設計。