近地衛星天基測控現狀研究

李于衡，孫海忠,王旭康

(1.北京宇航智科科技有限公司，北京 100095；2.中國衛星發射測控系統部，北京 100011；3.中國電子科技集團公司第五十三研究所，天津 300000)

0 引言

隨著航天事業的蓬勃發展，越來越多的近地衛星計劃進入太空，從幾百顆遙感衛星星座到上萬顆互聯衛星星座，這些衛星將帶來巨大的測控需求，如果仍然基于傳統的地基測控觀念，需要建設分布全球、數量眾多的地面測控站。考慮到天基測控具有高覆蓋特性和多目標服務能力[1-2]，利用在軌的中繼衛星或者具有中繼衛星能力的其它衛星去滿足這些需求，可以減少地面站的建設投資、提高效率和發揮現有衛星的能力。

現有的地球同步中繼衛星系統設計的出發點是為數量不多且速率要求高的近地衛星和航天器提供測控和數據中繼服務[3]，主要依靠星上點對點服務的大口徑天線，即使有一定的多目標服務能力，整體服務的用戶數量仍然有限[4]。而當前和今后眾多衛星的一些測控需求卻是數量大、時效性高，但速率要求不高。直接使用現有的中繼衛星系統去滿足這些需求，存在著在可用性、適配性和性價比等問題。考慮到位于地球同步軌道通信衛星的天線口徑、轉發器輸出功率的技術進步和已經建成的中低軌衛星星座與距離需要服務的目標較近，它們同樣可以為近地衛星提供中繼測控服務。國內外已經開展了利用中繼衛星系統以外的其他衛星系統為近地衛星提供中繼測控服務的研究和試驗，并取得了一定的進展和突破[5]。

本文在現有中繼衛星系統的基礎上，研究利用在軌運行的地球同步通信衛星系統和近地軌道通信衛星星座開展對近地衛星測控的可行性，分析天基測控應用實例，完成典型的近地通信衛星星座中繼測控覆蓋率的仿真計算，研究的成果可以為近地衛星用戶提供滿足個性化需求的天基測控選擇。

1 利用地球同步衛星中繼測控

1.1 中繼衛星測控

由于地球遮擋，美國在執行阿波羅登月任務時，分布全球20多個地面站在最有利條件下才能覆蓋約30%的軌道，而地球同步軌道均勻分布的3顆中繼衛星可以徹底克服地球的遮擋，實現低軌衛星100%覆蓋，如圖1(a)所示。因此20世紀80年代中繼衛星系統(Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS)建成后，美國撤消了在全球布設的14個地面測控站，中繼衛星(Tracking and Data Relay Satellite，TDRS)的服務范圍從航天飛機擴大到中低衛星、運載火箭和機載平臺等[6]。

中繼衛星系統組成如圖1 (b)所示，其中地面衛星用戶-運控中心-中繼衛星-用戶星的通信鏈路稱為前向鏈路，相反方向稱為返向鏈路，其中前向鏈路用于向衛星發送遙控指令和注入數據，返向鏈路用于接收衛星遙測數據，中繼衛星運控中心負責控制中繼衛星，完成中繼鏈路的建立和維持并負責將用戶衛星下傳的遙測數據送往用戶中心，將來自用戶中心的指令和注入數據發往衛星。

(a)地球同步軌道均勻分布的3顆中繼衛星

(b)中繼衛星系統組成圖1 中繼衛星覆蓋及中繼衛星系統組成Fig.1 Coverage and composition of tracking and data relay satellite system

圖2(a)是美國中繼衛星的結構，它可以提供高速數據中繼和低速測控服務，圖2(b)是它的多目標測控服務天線，提供1路10 kbit/s的前向測控信道和5路速率300 kbit/s的返向測控信道。

(a)TDRS外形結構

(b)TDRS多目標天線

表1是TDRS為典型近地衛星提供測控服務情況統計，根據每天運行的圈數分析，這些衛星主要依靠中繼衛星系統完成日常在軌測控任務。公開資料顯示，在一年時間內美國中繼衛星系統為近地衛星提供了147 810圈次、176 141 h的服務(平均每天405圈、每圈72 min)，系統的使用率超過90%以上。歐空局也重視發展中繼衛星為飛船和對地觀測衛星提供數據中繼服務，歐洲第二代中繼衛星(European Data Relay Satellite，EDRS)為“哨兵”觀測衛星提供50%以上的業務數據傳輸，同時還為“伽利略”衛星等提供中繼測控服務。

表1 TDRS為典型近地衛星提供測控服務統計
Tab.1 TDRS TT&C service statistics

近地衛星業務類型速率/kbps使用情況HSTSMA430圈/d、40min/圈GROSMA12820圈/d、45min/圈COBESMA47圈/d、12 min/圈LAND-SATSMA1283圈/d、15min/圈ERBSSMA1284圈/d、25min/圈EUVESMA1287圈/d、25 min/圈TOPEXSMA12812圈/d、40 min/圈

我國中繼衛星系統在載人航天任務中發揮了巨大的作用[7]。以我國3顆中繼衛星組網為近地衛星提供中繼測控服務為例，假設中繼測控終端的天線安裝在近地衛星星體表面的對天面，測控天線的波束寬度75°，計算3顆天鏈衛星跟蹤1顆600 km軌道高度用戶衛星在一個回歸周期的可視弧段，計算結果表明3顆中繼衛星對該近地衛星的測控覆蓋率達到79%，單顆中繼衛星對近地衛星的最長連續測控時間為223.6 min，有8段時間2顆中繼星可以同時對近地衛星測控，雙星最長同時測控時間32 min[8]。

要利用中繼衛星測控，近地衛星必須加裝中繼測控終端和收發天線，接收中繼衛星轉發的前向指令和注入數據、向中繼衛星發送用戶目標產生的返向數據或測距信息。實際應用中通常采用全向寬波束天線的S頻段中繼終端，美國中繼終端已經發展到第四代，其重量小于1 kg、功率小于5 W，使用全向螺旋天線、微帶天線或相控陣天線。

1.2 通信衛星測控

中繼衛星利用大口徑天線和高功率轉發器克服了長距離路徑衰減，實現了近地衛星的高速數據中繼。目前，一些地球同步通信衛星也裝備了大口徑天線和高功率轉發器，特別是高增益的點波束天線的廣泛應用，為低軌衛星的數據中繼提供了可能性[9]。

美國曾經在上世紀90年代未開展了利用地球同步軌道的國防衛星通信系統(DCDS)和先進通信技術衛星(ACTS)對低軌衛星進行低成本通信的研究[10]，它計算在近地衛星功放功率為40 W、天線增益28.5 dB(對應口徑0.5 m)、頻率7.5 GHz條件下，通信速率可以達到2 Mbps，且鏈路余量大于2 dB，證明了利用地球同步通信衛星對近地衛星測控的可行性。

2015年國際移動衛星組織(Inmarsat)與新加坡增值創新(AVI)公司聯合進行了利用海事衛星與近地衛星實時通信、指揮與控制的技術驗證，試驗結果表明基于海事衛星系統，可以為衛星運營者提供國際衛星數據中繼服務。系統組成如圖3(a)所示，全球分布的I4系列海事衛星提供中繼服務，這些衛星的天線口徑高達十幾米，其獨有的BANG技術可以保證近地衛星繞地球運動時數據傳輸的連續性。近地衛星上安裝中繼終端，每個終端重量約1 kg，工作在L波段，其外形如圖3(b)所示。中繼終端搭載在2015年入軌的6U立方星Velox-2，試驗中AVI公司通過Inmarsat-4星座向Velox-2衛星發送指令和接收數據，雙向數據傳輸速率超過200 kbps，可以實現全球大于70%以上的測控覆蓋率。基于海事衛星中繼測控的客戶購買通信服務的方式與個人購買移動裝置數據包的方式一樣，費用與衛星交換的數據量有關。

(a)海事衛中繼測控系統

(b)海事衛中繼終端外形 圖3 基于海事衛星系統的中繼測控系統組成和終端外形Fig.3 Inmarsat IDRS system and its terminal

目前，基于地球同步衛星的近地衛星的測控主要還是依靠中繼衛星系統，圖4是中繼衛星與商業通信衛星INTELSAT-3傳輸性能比較。由圖4可以看出，發射同樣EIRP條件下，中繼衛星能夠獲得更高的傳輸速率，支持近地衛星的測控能力更強。但是當近地衛星的中繼測控更強調全球覆蓋率和實效性、且對速率要求不高時，通信衛星的大容量、多目標服務能力能夠更好地滿足要求。

圖4 中繼衛星與商用衛星能力比較Fig.4 Performance comparison between TDRS and commercial communication satellite

2 利用近地衛星星座中繼測控

與使用地球同步衛星相比，1 000 km左右高度的近地衛星星座對幾百千米高度的近地衛星測控突顯距離優勢，信號傳輸的路徑衰減相差超過20 dB，因此利用現有的近地衛星星座進行天基測控，在實現一定全球測控覆蓋率的前提下，可以顯著地減少中繼測控終端和天線的體積、重量和功耗，這個優點對擴展天基測控的應用是非常重要的。下面給出利用3個典型近地衛星星座實現天基測控的實例，并計算可以獲得的測控覆蓋率。

2.1 銥星測控

銥星系統由780 km的 66顆星組成，采用星間鏈路，提供全球話音服務。Qarman衛星由Von Karman Insittute (VKI)生產，體積30 cm×10 cm×10 cm，重量小于4 kg，用于驗證小衛星返回技術，其任務過程如圖5所示。

圖5 Qarman衛星任務過程Fig.5 Qarman satellite task process

由于衛星過黑障時無法通信，因此設計在衛星出黑障后，將黑障過程的數據存貯，出黑障后，將存貯的20 min數據在5 min內回放完畢。

圖6是Qarman使用銥星傳輸數據系統組成和接收效果，右上角是數據接收量與預期比較的結果，它表明衛星離地面越近，接收效果越好[11]。

圖6 Qarman使用銥星數據中繼系統組成和接收效果Fig.6 Space-based TT&C service system by Iridium for Qarman satellite

2.2 Orbcomm測控

Orbcomm衛星星座由分布在4個軌道面的32顆衛星組成，軌道高度825 km，傾角45°。OHB Technology公司利用其生產的Rubin-1到Rubin-5小衛星系列進行了多次基于Orbcomm系統的中繼測控和互聯網通信試驗[12]。中繼測控系統組成如圖7(a)所示，它可以為軌道高度小于700 km的近地衛星服務，Rubin-3 衛星與Orbcomm通信的天線安裝在太陽帆板頂端，確保能在最佳的可視范圍內與Orbcomm衛星通信，如圖7(b)所示。

(a)Orbcomm系統中繼測控示意

(b)與Orbcomm通信天線安裝位置圖7 Orbcomm衛星測控系統組成和測控天線安裝位置Fig.7 Orbcomm space-based TT&C service and user terminal antenna’s location on Rubin-3

2.2.1 Rubin-1

2000年7月，Rubin-1發射入軌后，Rubin-1通過Orbcomm衛星和位于意大利、美國、巴西及馬來西亞的信關站進行了通信，最長通信距離7 500 km，一次通信過程如圖8所示。在5天的試驗時間里，通過互聯網收到了1 600條E-mail信息，驗證了基于Orbcomm進行小衛星測控的可行性[13]。

圖8 基于Orbcomm的Rubin-1天基測控示意Fig.8 Orbcomm space-based TT&C service for Rubin-1

2.2.2 Rubin-2

2002年發射的Rubin-2是第一個完全使用互聯網和Orbcomm系統進行衛星測控的小衛星，它的軌道高度650 km、傾角 64.56°，性能指標如圖9(a)所示，衛星重30 kg，功率20 W，中繼數據傳輸有報告和全球報文2種模式。系統組成如圖9(b)所示，歐空局、科學家和OHB Technology公司通過信關站建立與Rubin-2的聯系。試驗結果表明：30%的信息可以在1 min內收到、 90%的信息可以在10 min內收到，每條信息長度為229 Byte，一天信息傳輸總量為30 kB。

(a)Rubin-2衛星指標

(b)Rubin-2衛星天基系統組成

圖10是我們計算的Orbcomm系統對一顆500 km軌道高度、97°傾角的近地衛星提供中繼測控服務的24 h覆蓋時間統計。

圖10 Orbcomm系統24 h可見一顆近地星的時段分布Fig.10 Orbcomm space-based TT&C service distribution in 24 hours

可以看出36顆Orbcomm衛星在1天內有50次可見該近地衛星，一次連續可見時間最長194 s，最短9 s，平均70 s，覆蓋率為4.1%。一顆Orbcomm衛星覆蓋近地衛星時，2顆星的最小距離372 km、最大767 km，平均610 km。

2.3 Globalstar測控

Globalstar系統由分布在8個軌道面上32顆衛星組成，軌道傾角為52°、高度1 400 km。美國Taylor大學2014年生產TSAT衛星，使用Globalstar星座成功進行了天基測控，其結果表明這些衛星的測控無需地面站測控支持。圖11(a)是TSAT衛星在不同姿態條件下的鏈路建立成功率，可以看出在天線對天情況下，鏈路建立最好，成功率達到82%，即使在衛星姿態以2轉/分鐘旋轉的情況下，鏈路建立的成功率也能達到57.7%。2015年發射的GEARRS2也利用Globalstar完成測控通信，它的經驗表明，甚至在衛星姿態翻轉時也能達到85%的通信率，這一能力進一步證明了利用Globalstar對近地衛星測控的可靠性。圖11(b)是用于與Globalstar通信的終端組件，整個終端的重量不超過200 g，功耗小于1 W，雙向數據傳輸速率最高9.6 kbps[14]。

(a)TSAT衛星在不同姿態條件下的鏈路建立成功率

(b)體積微小的通信終端組件

從2014年開始，美國NSL公司開始利用Globalstar星座為低軌衛星提供測控服務，傳輸速率5.6～9.6 kbps，測控費用按時間計算。目前NSL已經為20個以上的近地衛星提供了天基測控服務，技術成熟，傳輸可靠。實際應用效果表明，采用天基測控后，這些小衛星完全可以不需要地面站的測控支持。NSL公司天基測控的發展歷程如圖12所示，可以看出從2016年以來，其應用速度明顯加快[15]。

圖12 NSL利用Globalstar星座提供測控的發展歷程Fig.12 Evolution of NSL’s Globalstar space-based TT&C service

我們對Globalstar系統跟蹤一顆軌道高度為600 km的近地衛星進行了仿真計算，計算結果表明，近地衛星繞地球一圈，平均能跟蹤7顆Globalstar衛星，平均每次跟蹤時長約300 s。由于Globalstar重點服務區靠近赤道，如圖13(a)所示。它對兩極覆蓋的效果差，如圖13(b)所示，因此中繼測控服務區也集中在赤道附近。

(a)地球赤道上空測控覆蓋情況地

(b)球極區上空測控覆蓋情況

表2是利用Globalstar星座對軌道高度500 km、700 km和傾角60°、97°四種情況下近地衛星測控覆蓋率計算的結果。可以看出，近地衛星的軌道高度越低，測控覆蓋效果越好；相同軌道高度，傾角越低測控覆蓋效果越好。每次測控可見的平均時長基本在2 min以上，可以實現33%的測控覆蓋率。要知道我們國家在完成載人航天任務時，為了提高測控覆蓋率，使用了國內、國外測控站和幾條測量船，才實現了不到20%的測控覆蓋率[16]，因此利用天基測控實現對近地衛星的測控效果顯著。天基測控除了可以用于遙測、遙控數據傳輸，也可以用于業務數據傳輸[17]。

表2 Globalstar星座一天內對近地衛星的測控可見計算結果
Tab.2 Globalstar space-based TT&C coverage in 24 hours

近地衛星可見次數/day平均可見時間/s最短可見時間/s最長可見時間/s可見總時間/s最長不可見時間/s測控覆蓋率/%500 km、97°128.5149.010.1309.229 034.91271.133.6500 km、60°94.0279.325.81 281.845 510.91 296.152.7700 km、97°105.0111.66.1261.420 844.51 355.824.1700 km、60°72.5259.812.51 383.434 618.51 439.540.1

上述基于銥星、Orbcomm和Globalstar衛星星座對近地衛星測控進行分析的結果表明，每個星座除了部署的衛星數量的不同，主要是軌道高度不同，帶來了對近地衛星測控覆蓋率和平均可見時長的變化。其中Orbcomm和Globalstar由于軌道高度較低，測控覆蓋率不高和連續測控時長較短，而Globalstar衛星軌道高度合適，對近地衛星測控效果最好，它對于700 km以下軌道高度的近地衛星的測控覆蓋率大于24%，最長不可見時間小于25 min，可以滿足大多數衛星的測控需求，這也是Globalstar天基測控在實際中應用最多的主要原因。

3 總結

從上面的分析可以看出，無論是利用高軌衛星還是低軌星座對近地衛星進行測控，只要有一定的空間距離，兩者都能完成天基測控任務，但由于這些衛星系統的設計初衷和服務對象不同，在具體的天基測控實現效果上各有優缺點，但同時也提供了中繼測控服務的多樣性的選擇，具體如下：

現有的地球同步軌道中繼衛星系統可以為近地衛星用戶提供最佳的測控中繼服務，中繼鏈路的速率、性能、穩定性和可靠性能夠得到充分保證，是天基測控的基本形式，但要求近地衛星安裝高性能的指向天線、功放輸出功率要求高，能源消耗較大，實現成本較高。同時，雖然中繼衛星系統具有多目標服務能力，但本質上還是點對點服務，很難實現用戶的海量服務和隨機接入，因此這類中繼衛星系統適合于為專業近地衛星用戶服務。

利用現有的地球同步軌道通信衛星系統，如海事衛星系統為近地衛星提供中繼測控服務，測控覆蓋達70%以上，還可以充分利用通信衛星多址通信的特點，滿足海量用戶同時工作和隨機接入，可以按通信流量收費，但由于通信衛星的天線覆蓋范圍通常限定在南、北緯85°以內，近地衛星運行到在南、北極附近無法測控，終端的重量、體積和功耗與中繼衛星的要求類似。因此，利用通信衛星系統提供的中繼測控服務適用于對全球測控覆蓋和實效性有要求，但無權使用中繼衛星系統的近地衛星用戶。

利用低軌衛星星座對近地衛星測控，盡管在覆蓋面積方面無法做到100%全覆蓋，但可以顯著降低不可見時間間隔，還可以使用低增益的全向天線和低功率放大器，終端可以做到重量幾百克、功耗幾百毫瓦，信息按流量收費，因此更適用于微小衛星測控。在現有的Iridium、Orbcomm和Globalstar三個低軌衛星星座中，由于前二者的軌道高度只有800 km左右，與需要測控的微小衛星軌道高度太接近，導致覆蓋率較低，而Globalstar的軌道高度為1 400 km，對一顆600 km的近地衛星測控，近地衛星一圈平均能跟蹤7個Globalstar衛星，傳輸速率可以達到9.6 kbps，每次平均跟蹤時間約300 s，一圈的測控時間30 min左右，完全可以滿足衛星測控的需求，因此利用現有的Globalstar星座對近地衛星測控是實現可行的，而且近年來國外有越來越多的成功應用例子。

4 結束語

近地衛星天基測控直接建立了衛星測控管理者與衛星之間的聯系，省去了建設地面測控站和申請測控頻率，大大提高了平臺測控的覆蓋率和有效載荷應用的時效性。研究結果表明，除了已有的中繼衛星系統可以為近地衛星提供天基測控服務外，現有的通信衛星系統和近地衛星星座也可以滿足近地衛星不同的測控需求。考慮到中繼衛星系統主要為特定的用戶服務，通信衛星系統和近地衛星星座在可用性和費效比等方面提供了更好的靈活性和替代性。衛星測控管理者可以根據衛星平臺能夠提供的能源、重量、熱耗和體積等條件，結合衛星平臺管理和載荷業務應用的時效性需求，確定合理的測控覆蓋率、連續測控時間和傳輸速率，甚至預期的通信費用，選擇相應的天基測控服務系統，設計合適的中繼終端，從功能、性能和費效比上實現天基測控效益最大化。