低軌巨型星座發展及其測控方法探析

章恩韜,司一童,張 威，馬 宏，吳 濤

(航天工程大學 電子與光學工程系，北京 101407)

0 引言

隨著可回收運載器[1]以及衛星批量化生產[2]的逐漸成熟，人類對太空開發的步伐逐漸加快，各類航天器的數量呈現爆發式的增長態勢。其中，最引人注目的是各航天大國提出的各類巨型星座建設計劃。

目前，以Starlink[3]、OneWeb[4]、O3b[5]等衛星系統為代表的巨型星座計劃已逐漸開始部署。這些衛星星座主要用于寬帶服務，為用戶提供上網與大量數據傳輸服務。其中，規模最為龐大的SpaceX公司于2015年提出“星鏈(Starlink)”計劃，衛星總量預計約4.2萬顆。同年，OneWeb宣布構建一個由1 600顆衛星組成的星座系統。而O3b星座系統是目前全球唯一成功實現商業運營的中地球軌道衛星通信系統。我國巨型星座發展起步較晚，但也取得了一些進展。中國航天科技集團的“鴻雁”衛星星座通信系統[6]與航天科工集團的“虹云”工程都在2018年實現首顆衛星入軌[7]。此外，中國于2020年向國際電信聯盟(ITU)遞交的頻譜分配檔案中包含兩個名為GW-A59和GW-2的寬帶星座計劃，其計劃發射的衛星總數量達到12 992顆。

可以看出，未來我國在軌運行衛星數量將呈爆炸式增長。傳統的航天測控系統負責的衛星數量均在千顆以內，而面向衛星數量如此巨大的巨型星座，傳統的測控方式與技術架構均將受到巨大沖擊。目前，我國測控方式與未來巨型星座測控需求的沖突主要表現在：① 有限測控資源與海量衛星用戶目標的沖突；② 傳統測控設備與全空域多目標測控需求的沖突；③ 巨型星座自主在軌運行與傳統測控模式的沖突；④ 測控網計劃管理與智能化接入管理的沖突。

為更好地滿足我國未來巨型星座的測控需求，必須引入新型測控體制和測控網架構。本文首先對當前典型巨型星座的發展現狀及未來趨勢進行了分析，總結了巨型星座發展的主要特點。在此基礎上進一步梳理了當前巨型星座的測控難點和主要需求，最后對巨型星座測控的主要發展方向進行了梳理與總結。

1 巨型星座發展現狀與趨勢、特點分析

1.1 發展現狀概述

近年來，許多國家都提出了自己的衛星星座計劃，旨在為全球范圍提供互聯網服務。例如美國的Space X公司、亞馬遜公司和英國的OneWeb公司都提出了星座計劃，通過發射成千上萬顆衛星組成自己的衛星網絡系統。各國主要星座計劃如表 1所示。

表1 國際主要星座計劃一覽

1.1.1 美國

美國是世界上較早開始航天活動的國家，其技術水平居世界前列。美國的摩托羅拉公司于1987年提出“銥星系統”，該系統提供的用戶業務有移動電話、尋呼與數據傳輸。但受限于當時衛星通信的技術與成本，伴隨地面蜂窩移動通信迅速普及與發展，“銥星系統”在市場競爭中落敗。2000年3月，銥星公司宣布破產。2007年2月，重組后的銥星公司向外宣布了第二代“銥星計劃”的構想，并于2019年組網完成。

成立于2002年的美國太空探索技術公司(SpaceX)于2015年提出星鏈計劃。該項目是目前全球設計規模最大、實際在軌衛星最多的巨型星座項目。該項目設想在地球的近地軌道建設衛星互聯系統，進而為全球提供高速的互聯網服務。項目總投資預計100億美元，目前已在北美開始互聯網服務，在大多數地區，下載速度在100～200 Mb/s之間，延遲低至20 ms。星鏈最初計劃分3個階段進行，如表 2所示[8]。

表2 星鏈星座建設計劃

目前，SpaceX又對最初的星鏈計劃進行了調整，追加了3萬顆衛星，總計達到了4.2萬顆衛星的規模。

此外，亞馬遜還提出了“Project Kuiper”，想要利用3 236顆低軌衛星提供全球互聯網衛星服務，與星鏈存在巨大的競爭關系。但由于其運行思路過于傳統、發射成本過高，該項目仍與星鏈有著不小的差距。值得一提的是，美國亞馬遜公司前CEO貝索斯創立的藍色起源公司也參與到衛星星座建設的競爭中來。

1.1.2 英國

OneWeb是全球衛星電信網絡的初創公司，利用自動化生產、流水線組裝達成大規模、低成本的衛星生產制造模式，在全球范圍內開創了先河,該公司提出的“OneWeb”衛星系統計劃通過打造低軌衛星星座創建覆蓋全球的高速電信網絡。

2017年，OneWeb首次向FCC提交的文件中說明，“OneWeb”衛星星座由720顆1 200 km高度近地軌道(LEO)衛星和1 280顆8 500 km高度的中地球軌道(MEO)衛星構成，這些衛星使用Ka+Ku波段，用于實現全球覆蓋。2020年5月，OneWeb又向FCC申請將1 200 km高度的LEO星座衛星數量增加到約47 844顆。2021年1月，又將該數量降低到6 372顆。

按照OneWeb的設計，目前的“OneWeb”星座布局設計應該包括6 372顆LEO衛星和1 280顆中地球軌道衛星，具體情況如表 3所示。

表3 “OneWeb”衛星星座布局設計情況

1.1.3 加拿大

加拿大的衛星通信公司Telesat在衛星服務方面已持續運行幾十年。該公司提出的巨型星座建設項目名為“Telesat Lightspeed”。該項目第一顆LEO衛星于2018年1月發射，目前在軌運行298顆，在全球范圍內已建成50座地面站，已經能夠組成網絡并開始運營，網絡延遲為30～60 ms。

“Telesat Lightspeed”星座工作在Ka頻段，包含不少于117顆衛星，衛星分布在兩組軌道面上：第一組軌道面為極軌道，由6個軌道面組成，軌道傾角99.5°，高度1 000 km，每個平面至少12顆衛星；第二組軌道面為傾斜軌道，由不少于5個軌道面組成，軌道傾角37.4°，高度1 200 km，每個平面至少有10顆衛星。第一組極軌道提供了全球覆蓋，第二組傾斜軌道更關注全球大部分人口集中區域覆蓋[8],Telesat的星座模式如圖1所示。

圖1 Telesat系統的星座模式

1.1.4 中國

中國也提出了自己的巨型星座發展計劃。2018年初，中國航天科技集團有限公司提出了全球低軌衛星移動通信與空間互聯網系統(“鴻雁”星座)建設計劃[6]。2018年12月29日，“鴻雁”星座首顆試驗星成功進入預定軌道并運行正常。星座計劃發射300多顆低軌衛星，星座由多個軌道面組成，軌道高度約為 1 000 km，同時配有全球數據業務服務中心系統，具備7×24 h不間斷服務能力[9]。

航天科工提出的“五云一車”商業航天工程之一——虹云工程，計劃部署150多顆軌道高度為1 000 km的小衛星，組建全球星載寬帶互聯網絡； “五云一車”工程中的另一項目行云工程計劃發射80顆小衛星，建設覆蓋全球的低軌窄帶天基物聯網系統[9]。

此外，中國還提出了GW星座部署計劃，如表4所示。根據國際電信聯盟(ITU)公開的資料信息，GW星座總共包含兩個子星座，軌道高度也分為兩組。GW-A59子星座的衛星分布在500 km以下的極地軌道，GW-2子星座的衛星分布在1 145 km的近地軌道。兩組衛星的軌道傾角分布在30°～85°之間。LEO衛星雖然覆蓋范圍小，但延遲更低，日后將會成為核心優勢,國際電信聯盟(ITU)關于GW-A59檔案如圖 2所示。

表4 中國GW衛星星座計劃

圖2 國際電信聯盟(ITU)關于 GW-A59檔案

GW星座除了能提供覆蓋全球的高速網絡通信以外，在航海、航空，以及信息安全、金融安全、軍事安全、導航定位、氣象研究、災害預警等諸多領域都會給我國帶來全方位的升級。

1.2 發展趨勢、特點分析

(1) 規模逐漸擴大，政府支持明顯

巨型星座發展前期，受制于資金與技術，大多數項目規劃所設計的衛星數量較少。但隨著科技的發展，許多公司都擴大了自己的項目建設規模。星鏈初始規劃衛星數量約1.2萬顆，后增加至4.2萬顆；“OneWeb”星座初始計劃發射650顆衛星，后計劃發射7 600顆衛星；加拿大的Teleset公司也于2020年提出將星座衛星數量擴建到1 600顆的計劃。同時也可明顯發現，各國公司的巨型星座項目受到各國政府的支持十分明顯。美國銥星公司破產后，美國政府與軍方收購銥星公司，將其作為重點項目推進，美國國防部成為“銥星系統”的最大客戶[10]；英國OneWeb公司在遇到資金問題后，英國政府投資資金使其繼續發展。顯然，眾多國家都將巨型星座的建設作為未來科技的制高點之一，即使短期無法獲得回報，政府也愿意大力支持企業發展建設計劃。

(2) 產業鏈趨向整合，實現智能化流水線一體化生產

巨型星座的建設計劃對衛星的數量與生產速度都提出了很高的要求，為解決這些問題，眾多企業開始向智能化流水線生產邁進，整合上下游產業鏈，實現貫穿于產業鏈全程的批量生產模式，在生產速度、成本與產品管理方面都有很大提升。OneWeb公司借鑒汽車生產的經驗，建設了世界首條衛星生產流水線，集設計、生產、總裝、測試于一體，采用協作機器人、自導引運輸車等自動化設備，可實現每月40顆衛星的批量化生產，大大降低了生產成本。SpaceX也建立了自己的流水線工廠，其產能甚至達到每天7顆衛星。中國航天科工集團在武漢建設了中國首條批產衛星智能生產線，完全建成后預計年產240顆衛星。

(3) 寬帶接入，互聯網入口競爭激烈

低軌巨型星座可實現百Mbit/s～Gbit/s的通信速率，存在時延低、速率高、可接入量大的特點，因此被認為是5G/6G發展中的重要環節。2019年4月，加拿大衛星通信公司Telesat與歐洲最大的移動運營商沃達豐(Vodafone)在英國完成了低軌衛星互聯網5G 通信試驗[11]。按照目前的發展計劃，衛星通信公司都將占據衛星軌道與搶占互聯網寬帶新入口置于很高的優先級，領域競爭十分激烈。

(4) 短期收益困難，長期穩定運營的測控需求較高

巨型星座因其建設規模的巨大，存在項目建設周期長的特點，因此難以在短期內實現收益。但其建成后所能帶來的巨大效益，使得各國家與衛星公司都在努力實現巨型星座長期穩定的測控運營。采用傳統測控技術與運營模式將導致低軌通信系統測控任務過于繁重，運營成本過高。因此，必須進行測控技術創新與系統運營流程簡化，降低星座穩定運營成本。

2 巨型星座的測控需求與難點

2.1 測控需求分析

通過上文對典型巨型星座發展現狀的概述與發展趨勢、特點的分析，可以總結出巨型星座有別于一般傳統在軌目標的測控需求，列舉如下：

① 海量衛星用戶目標的測控需求。巨型星座最大的特點在于其擁有海量的衛星，要保證巨型星座正常運行就必須滿足每一顆衛星的測控需求，因此，巨型星座的測控方式必須能夠滿足對海量衛星用戶目標的測控。

② 全空域多目標的測控需求。巨型星座衛星數量龐大，單個地面測控站必然需要在全空域范圍內對多個目標同時進行測控。傳統方法是增加測控設備以實現多目標同時測控，但存在管理組織成本高、效費比低等問題[12]，因此，需要發展全空域多波束技術以滿足全空域多目標的測控需求。

③ 實現衛星自主在軌運行的需求。巨型星座的海量衛星導致測控工作量的極大增加，實現衛星自主在軌運行可以降低地面測控系統的運行成本，并且能夠提高衛星獨立自主的生存能力，當地面站因異常原因無法完成測控任務時，衛星依然能夠正常在軌運行[13]。

2.2 測控難點問題分析

通過上文對巨型星座測控需求的分析，并結合我國目前測控發展現狀，本文總結分析了巨型星座測控的難點問題，具體如下：

① 有限測控資源與海量衛星用戶目標的沖突。伴隨衛星數量激增，有限測控資源與海量衛星用戶需求之間的矛盾逐漸突出，僅靠增加測控站中測控設備來解決多星、多任務的測控問題會帶來成本高、資源浪費等問題[14]。我國現有地基為主、海基天基為輔的測控網絡體系面臨維護難度大、系統復雜度不斷增加等問題[12]，建設天地一體化測運控網絡可實現測控資源的統籌重組，開放、靈活、高效地解決測控問題。

② 傳統測控設備與全空域多目標測控需求的沖突。我國目前仍大量采用機械掃描式的拋物面天線作為航天測控的主要設備，在單波束內采用碼分多址可對星座內的多顆衛星實現同時測控,但這種方式僅能對少量衛星進行多目標測控。要實現對巨型星座海量衛星的測控任務就必須采用全空域多波束天線對全空域內的多顆衛星同時進行跟蹤測控[15]。

③ 巨型星座自主在軌運行與傳統測控模式的沖突。我國傳統的測控方式主要通過地面站上注指令實現[16]，面對巨型星座海量衛星的測控需求時操作繁瑣、效率較低。如果衛星能夠利用軌道測量信息自主計算修正軌道所需的控制量、軌控發動機的點火時刻和點火時長,實現軌控發動機點火以進行軌道控制[17]，則能極大減少地面測控工作量。

3 巨型星座測控主要發展方向

3.1 全空域多目標測控

全空域多目標測控可實現同時測控多個衛星目標，能夠有效緩解有限測控資源與巨型星座海量衛星測控需求的矛盾。目前，全空域多目標測控技術的應用前景主要是以全空域球面相控陣測控系統為設備基礎，采用空分碼分結合的目標復用形式，實現隨遇接入測控模式[12]，為巨型星座的長期穩定運行與智能化測控網的建設提供設備與技術支撐。

全空域多目標測控的核心與基礎是地面站雷達上的全空域多波束天線。這種天線相較于傳統天線有很大優勢：① 多波束測控天線可同時向多顆衛星發送信號，并且不存在衛星過頂跟蹤困難的情況，大大提高了測控效率；② 多波束天線可減少測控站內設備數量，便于設備管理，減輕人力負擔，并有利于實現自動化測控；③ 多波束天線多波束使用同一時鐘源，有利于多星時間信息的統一處理；④ 多波束天線可幾乎瞬時完成波束方向改變，相比于機械轉動式雷達，大大提高了測控時效性與精度。

目前國際上發展最好的是美國GDPAA多波束測控天線，該天線掃描速率在千分之一秒。歐空局的GEODA多波束測控天線也非常先進，其工作在1.7 GHz的L 頻段[18]，可同時跟蹤8顆衛星。我國的全空域多波束天線也處于世界先進水平，文獻[16]中球面陣形狀的全空域多波束天線所有試驗測試項目均達到設計要求,原理樣機的測距、測速和測角精度等技術指標滿足傳統測控站的要求,能夠對分布于 5° ～ 90°仰角、0° ～ 360°全空域內的16個目標同時進行測控,16個目標的工作頻率可以在100 MHz帶寬內任意設定,工作體制不限[15,19]。

3.2 隨遇接入

隨遇接入是區別于當前基于集中預分配的測運控資源管理模式的測運控服務概念，在隨遇接入的測運控服務架構下，借鑒蜂窩移動網絡的隨機接入機制，在軌衛星直接按需發起測運控需求，站網對衛星實現靈活接入、即時響應。

航天測運控站網由接入網和測運控資源服務網構成。接入網實現用戶衛星的隨遇接入，資源服務網實現用戶衛星的“按需服務”。其中接入網支持3種接入鏈路：地基S波段全空域多波束測控設備接入、中繼衛星S頻段多址方式接入、北斗短報文通信鏈路接入。以下將分別從地基和天基兩方面介紹隨遇接入。

3.2.1 地基隨遇接入

隨著巨型星座的發展，在軌運行衛星數量激增，當前測控站基于集中預分配的資源管控模式難以適應未來巨型星座的測運控需求，以隨遇接入測控技術為核心的新型測控模式將成為更好的選擇。借鑒蜂窩移動網絡的隨機接入機制，將衛星、測控站分別看作移動終端和基站，在測控網中引入隨遇接入技術，在全空域波束覆蓋范圍條件下，航天器進入波束范圍就能接入測控網絡進行測控，最終實現“隨遇接入，按需服務”。衛星隨遇接入流程圖如圖 3所示[12]。

圖3 隨遇接入測控流程圖

(1) 接入測控實施流程

在基于隨遇接入技術的測控過程中，為了實現接入控制和數據傳輸同時進行，分別設計控制信道和業務信道。測控流程具體如下[12,20]：衛星進入測控范圍，準備隨遇接入。首先衛星發送下行詢問信號，預先按照最優選擇策略搜索和選擇地面測控站，并向選擇的測控站發送隨遇接入請求，詢問信號中包含衛星標識編碼。測控站接收請求后，向地基測控網管控中心發送查詢申請，驗證衛星身份并確定優先等級，基于本站的測控資源和衛星優先等級進行測控資源的分配。若接入成功，業務信道開始正常工作，控制信道繼續尋找下一測控站，以便進行下一步的切換。當前測控業務完成，或衛星超出當前測控站覆蓋范圍時，衛星斷開連接，開始接入下一測控站。

(2) 隨遇接入測控優勢

① 可實現對多星同時測控。航天器只要進入測控站覆蓋范圍就能實現隨遇接入，有效解決了未來因衛星數量激增導致測控資源不足的問題。

② 降低資源調度的復雜度。隨遇接入是衛星自主接入，相較于傳統測控方式的提前統一調度，隨遇接入對于測控資源調度的復雜度大大降低。

③ 可靠性高。衛星可同時與多個測控站建立連接，必要時可快速切換，可靠性大大提高。

④ 靈活性提高，能更好適應未來多種任務需求。

⑤ 能有效降低衛星測控管理成本。若采用傳統測控模式，需新建大量測控站，而隨遇接入可實現一站對多星的資源管理分配，有效降低成本。

(3) 隨遇接入測控關鍵技術

① 衛星接入測控站時的最優選擇策略。測控站的覆蓋范圍多有重疊，這時就需要衛星綜合測控站覆蓋范圍大小、測控能力強弱等因素，制定出最優選擇策略。

② 測控資源調度計劃研究。測控方式發生變化：由地面主導變為需求主導，由提前統一調度變為實時動態調整。要建立衛星和測控站的資源清單，便于依據衛星需求進行實時資源調度。

③ 多信道實現方法研究。為實現可隨時切換測控站，業務信道和控制信道需要進行分離。而這兩類信道采用頻分還是碼分仍需研究。

3.2.2 天基隨遇接入

為有效滿足用戶衛星“隨遇接入，按需服務”的測控需求，我國正規劃建設和發展天基測控網，構建深空探測測控網，構建天地空一體化測控通信系統。隨著我國天基S頻段具備多址工作方式的中繼星投入使用[21]，天基測運控站網也將為用戶隨接隨用站網資源提供條件。

(1) 天基隨遇接入流程

根據接入鏈路不同，有以下兩種運行模式：

① S頻段多址接入。當在軌衛星進入到某中繼衛星的SMA覆蓋區后，全景波束將覆蓋該在軌衛星，在軌衛星以短報文形式向中繼衛星發送測控請求，中繼衛星實時轉發至地面站。地面站進行用戶衛星身份識別，根據用戶請求、用戶衛星軌跡信息和優先等級進行測控資源的分配，通過中繼衛星將測控指令轉發給對應用戶衛星。當前測控任務業務完成。

② 基于北斗短報文接入。用戶衛星遙測數據生成短報文信號向特定導航衛星發送，北斗衛星接收信號后，將遙測短報文信號發送至地面短報文測控終端，地面短報文測控終端再將其發送至衛星測控中心。衛星測控中心進行用戶衛星身份識別，根據用戶請求、用戶衛星軌跡信息和優先等級進行測控資源的分配，然后將遙控數據通過地面短報文測控終端和北斗衛星發送給指定用戶衛星[22-23]。

(2) 天基隨遇接入優勢

目前天基測控網主要包括導航衛星系統和數據中繼衛星系統。導航衛星系統具有以下優勢：① 能為中低軌航天器提供精度較高的自主導航，實時定位與姿態測定；② 提供高精度時間同步；③ 算法簡約系統可靠性較高[24]。數據中繼衛星系統具有以下優勢：① 軌道覆蓋率高，可利用體積較小、質量較輕的相控陣天線實現多址工作方式，同時為多個衛星服務；② 測控實時性強，有利于巨型星座的長期穩定健康管理；③ 系統傳輸能力強，效費比較高。

(3) 天基隨遇接入的局限性

① 中繼衛星位于地球同步靜止軌道，其軌道高度較高。而巨型星座以小衛星為主，其天線增益及發射功率一般較小，且絕大多數運行在低軌軌道與中繼星距離較遠，存在衛星測控無法徹底管控的問題。

② 目前中繼衛星的測控能力有限，不足以滿足未來巨型星座的海量衛星測控需求，目前我國有120余顆信息獲取衛星在軌運行，每天需接收數據1 000圈次， 一、二代中繼僅能滿足200余圈次，僅能滿足任務需求的四分之一[12]。

③ 天基測控網防護薄弱，抗毀能力差，組網衛星出現故障難以快速實現修復，對巨型星座長期穩定健康測控存在風險。

3.3 衛星自主在軌導航

衛星自主導航即指衛星不依靠地面支持，利用星上自備的測量設備確定自己的位置和速度[25]。衛星自主導航技術的研究已有近60年的歷史，較為傳統的自主導航技術主要有慣性導航、天文導航、無線電導航和組合導航等，自然偏振導航作為一種新型手段也逐漸開始研究[26]。傳統自主導航技術經過長期發展技術已相對成熟，在民用與軍事領域內都有廣泛應用，但都存在著不可避免的弊端。慣性導航技術存在星座整體旋轉誤差隨時間累積問題[27]，無線電導航易被干擾。自然偏振導航作為一種新技術具有如下優勢：① 作為無源被動導航手段，不需要向外界發射信息；② 易于小型化，系統成本低、功耗小；③ 在太空中不受對流層影響，精度較高。雖然這項技術仍處于探索階段，暫時無法單獨實現載體的定位，需要通過聯合使用其他敏感器才能實現導航定位的能力，但其展現出的優勢與發展前景依然可觀。

實現衛星自主在軌導航對巨型星座測控具有重要意義，具體作用如下：① 減少地面站至衛星的信息注入次數，極大降低地面測控系統管理要求和運行成本[28]；② 增強星座系統的自主能力，在衛星失去與飛行控制段的聯系后，能夠實現一段時間的自主運行，增強系統的生存能力；③ 為巨型星座智能化測控網絡提供支撐[29]；④ 對于受國際政治影響無法在全球范圍建立地面觀測站的衛星系統，如我國的北斗導航系統，衛星可視弧度受限，系統無法在全球范圍維持高精度運行。基于聯合使用星間鏈路和本土觀測站星地鏈路的衛星自主導航技術可有效解決這一難題[30]。

4 結論

當前正處于巨型星座建設與發展時期，測控技術也面臨著新的發展機遇。本文從巨型星座發展現狀中總結出其發展趨勢，進而分析出我國現有測控系統與未來巨型星座測控需求之間存在的矛盾，最后介紹了針對這些矛盾的全空域多目標測控、隨遇接入、衛星自主導航等技術。在我國未來測控系統建設中，這些技術具有重要意義和研究價值，對于我國建設適應巨型星座測控需求的測控網具有重要的借鑒意義。