一種基于互聯網星座的載人飛船測控模式構想

何宇 王丹 魏傳鋒

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 重慶星網網絡系統研究院有限公司，重慶 401123)

我國神舟載人飛船自從1999年首飛成功開始，至今已完成了13次飛行任務，隨著載人航天“三步走”發展戰略遞進，神舟飛船功能不斷升級。其中，測控通信模式也由最初的地基測控模式演進成天基測控為主、地基測控補充的模式[1-3]。如今，全球低軌高密度通信衛星技術蓬勃興起，我國也開展了低軌互聯網星座系統的建設[4-5]，為低軌航天器引入新的測控模式提供了契機。本文在總結神舟飛船測控模式演進的基礎上，提出了基于互聯網星座進行飛船測控的構想，并開展了相關設計和仿真分析，可為載人飛船未來測控模式的演進、其他低軌航天器的測控模式應用提供參考。

1 神舟飛船測控模式的演進

1.1 基于地基測控的模式

神舟一號到神舟六號載人飛船是完全基于地基的測控模式。在地面站、測量船支持下，完成神舟飛船的遙測遙控、圖像話音通信和測距測軌功能。由于地面站和測量船數量的限制，神舟飛船每圈測控弧段約12 min，在軌測控覆蓋率約為13%，測控覆蓋示意如圖1所示。圖中給出了國內地面測站對飛船測控覆蓋的情況，藍色曲線為神舟飛船星下點軌跡，紫色圓圈為地面站的覆蓋區域，綠色曲線則為神舟飛船在國內地基測控站內弧段，在地基測控模式下，測控站內完成飛船的發射、入軌和返回測控，在軌飛行期間的事件大部分在站外進行。

圖1 地基測控覆蓋圖

1.2 基于某國際衛星的測控模式

神舟七號飛船針對航天員首次出艙任務的通信需求，在地基測控配置的基礎上，新增衛星通信終端，實現地面站外天地通話和出艙活動期間關鍵數據下傳，該終端通道數據帶寬2.4 kbit/s，3顆衛星支持下，通信覆蓋率達到72.9%[6]。圖2為衛星星座的覆蓋示意圖，圖中相對圖1新增的3個紫色圈內為衛星星座覆蓋范圍。

圖2 基于某國際衛星星座測控覆蓋圖

相對于地基測控，衛星終端大幅提升了測控覆蓋范圍，但是由于下行數據速率低，在神舟七號任務中，出艙活動仍安排在國內連續測控弧段進行，衛星終端通道主要用于地基測控間隙的補充。

1.3 基于天鏈中繼衛星的測控模式

從神舟八號飛船開始，在地基測控配置基礎上，增加中繼終端，通過中國自主研制的天鏈中繼衛星，完成天地測控和通信功能。目前我國天鏈一號和天鏈二號中繼衛星共同提供服務，天鏈一號中繼衛星系統支持返向單路最大百兆量級的數據傳輸，天鏈二號中繼衛星系統支持返向單路最大幾百兆量級數據傳輸的能力，遠大于神舟飛船的數據量需求，基于3顆天鏈衛星軌位的覆蓋分析，神舟飛船在軌運行時天基測控覆蓋率達到88%[7]，測控覆蓋如圖3所示，圖中紫色圈內為中繼衛星測控覆蓋范圍。

圖3 基于天鏈中繼衛星測控覆蓋圖

在中繼衛星支持下，完成了空間實驗室任務階段飛船的軌控、交會對接、分離等全部在軌關鍵事件的測控，飛船測控模式從地基測控為主進入天基測控為主的模式。

1.4 小結

神舟飛船測控模式經歷了從地基到天基的演進，天基中繼測控的應用，大幅提高了測控覆蓋范圍和傳輸帶寬。我國空間站將全面建成后，在航天員連續駐留的常態任務模式下，測控覆蓋范圍更廣、傳輸能力更強、測控成本更低依然是不斷追求的目標[8]。

2 基于低軌互聯網星座的測控模式構想

當前國內外正在開展低軌互聯網星座論證建設，以美國SpaceX公司的星鏈計劃為代表，目前已完成3000多顆衛星發射，并已在北美、歐洲等地提供互聯網接入服務。互聯網星座的蓬勃發展為神舟飛船測控模式的再次演進提供了契機，本節圍繞以下5個演進目標提出基于互聯網星座的測控模式方案構想。

(1)更廣的測控覆蓋；

(2)更短的站外時間；

(3)更少的資源占用；

(4)更便捷的測控實施；

(5)更高的系統冗余度。

2.1 國外典型低軌星座介紹

2.1.1 銥星計劃

二代銥星屬于傳統意義的通信星座，利用66顆衛星組網為全球提供移動通信服務，平均分布在6個極地軌道面，每個軌道面11顆星，軌道高度780 km，軌道傾角86.4°[9]。每顆星配置48個點波束的移動通信載荷，衛星波束邊緣等效輻射功率(EIRP)27.7 dBW，增益噪聲溫度比(G/T)優于-3.8 dB/K，可支持的業務能力如下。

(1)L頻段核心話音和數據業務：數據速率為2.4 kbit/s～1.5 Mbit/s，每個衛星最多能提供1920條話音信道；

(2)Ka頻段高速數據業務：數據速率可達10～30 Mbit/s。

2.1.2 星鏈計劃

SpaceX公司的星鏈計劃是新一代的互聯網星座，第一座星鏈計劃由4396顆分布在550～570 km的低地球軌道(LEO)衛星和7518顆分布在340 km左右的極低地球軌道(VLEO)衛星構成，組網衛星總數達到11 914顆，計劃在2027年前分為兩個階段構建完成[10]。

(1)第一階段發射4396顆衛星，原規劃其中2825顆部署于1110～1325 km的軌道，其余部署于550 km軌道，后調整規劃全部部署于540 km、550 km、560 km、570 km四個不同的軌道高度，軌道面個數分別為72、72、10、36，主要工作在常規的Ka和Ku頻段；

(2)第二階段發射7518顆衛星，部署于335.9 km、340.8 km、345.6 km三個不同的軌道高度。

截至2022年8月份，已完成3007顆衛星發射，已在北美、歐洲部分地區推出家庭版、移動版終端服務，在相應近海領域推出海事版終端服務，終端下載速度可達150～500 Mbit/s，上傳速度可達20～40 Mbit/s。系統全部構建完成后，星座總容量將達到約200～276 Tbit/s，單個用戶鏈路的傳輸速率最高達1 Gbit/s，每顆衛星可提供17～23 Gbit/s的下行容量，鏈路時延約為15～20 ms。

目前SpaceX公司已經提交第二座星鏈申請，包括30 000顆衛星，考慮到第一座星鏈計劃沒有部署完畢，第二座星鏈規劃仍存在變數。

2.2 基于低軌互聯網星座的測控模式

我國互聯網星座尚論證建設中，不失一般性，采用已公布的星鏈星座和銥星星座參數，作為對飛船測控模式設計的基礎，在此基礎參數上，根據飛船測控覆蓋的需求，對不同軌道高度、不同星座規模對飛船的測控支持情況進行了仿真，給出了滿足飛船測控需求的適宜軌道高度和規模建議，并以此開展測控模式設計。

2.2.1 測控覆蓋仿真分析

飛船的軌道高度在300～400 km之間，互聯網星座軌道高度越高，對飛船的測控覆蓋越有利，以銥星星座的780 km軌道高度為起點，100 km為步長對不同軌道高度對飛船的測控可見情況進行了仿真，見表1。以星座的單顆星對飛船的可見時長的最長時間為主要考慮因素，建議用于飛船測控的星座軌道高度1000 km以上。

表1 不同軌道高度對飛船軌道的覆蓋情況

參考星鏈前期規劃，選取1110 km軌道高度，對由不同軌道面數量組成的星座規模覆蓋飛船軌道的情況進行了仿真分析，結果見表2。仿真結果表明：在6個軌道面66顆星的星座規模條件下，可實現56.8%的測控覆蓋率，站外最長時間15 min，覆蓋情況如圖4所示，圖中紫色圈內為星座在某一時刻對飛船軌道的覆蓋范圍(下同)；在18個軌道面，198顆星的星座規模條件下，可實現93.1%的測控覆蓋率，站外最長時間7 min，覆蓋情況如圖5所示；在24個軌道面，264顆星的星座規模條件下，可實現99%的測控覆蓋率，站外最長時間縮短至2 min以內，覆蓋情況如圖6所示。

表2 不同規模星座對飛船軌道的覆蓋情況

圖4 基于66顆星的測控覆蓋

圖5 基于198顆星的測控覆蓋

圖6 基于264顆星的測控覆蓋

2.2.2 測控鏈路計算分析

由于星鏈系統鏈路參數未正式公布，本文參考銥星計劃的L頻段載荷指標，對使用星座對飛船測控進行了鏈路計算，計算結果表明：按照船上終端10 W發射功率，使用平裝耐燒蝕天線，70°半波束角條件下，可實現上行50 kbit/s，下行500 kbit/s的通信能力，可上行遙控和話音，下行1路低速圖像、話音和遙測數據。

2.2.3 方案應用可行性分析

本方案需重點考慮星座終端和飛船終端的多普勒頻偏補償，為估算飛船與可見星的最大頻偏，可認為飛船與星座的可見星運動軌跡相反時為最大相對速度，約為15.8 km/s，計算得到L頻段頻偏不大于79 kHz，星上信息處理載荷的多普勒補償能力大于300 kHz,能夠補償頻偏且余量較大。

使用星座測控后，覆蓋率遠大于地基測站覆蓋率，通信速率與地面測站能力相當，飛船可取消地基測控，使用星座鏈路和中繼鏈路為飛船提供測控通信服務，星座鏈路用于平臺低速遙測遙控話音業務，中繼鏈路用于低速業務的備份信道和高速業務的傳輸信道。船上系統配置如圖7所示，星座建設完成后，采取用星座通信終端和天線替換原有的應答數傳終端和天線的方式，即具備在神舟飛船平臺上升級該測控模式的可行性。

圖7 基于互聯網星座的系統框圖

2.3 特點分析

神舟飛船采用互聯網星座和中繼星相結合的純天基測控模式，相比目前的地基測控與中繼測控相結合的測控模式，有以下特點。

(1)在軌運行期間的測控覆蓋率大幅度提高，由日常單顆中繼星跟蹤的43%提高至99%，最短站外時間由目前的15(3顆中繼星接力跟蹤)～60 min(單顆星跟蹤)下降為2～3 min，應急能力大大提高，隨著星座規模進一步擴大，站外時間將進一步縮短。

(2)通過低軌互聯網星座接入地面互聯網，可充分利用互聯網資源進行天地測控通信，一方面取代測量船、地面站可極大降低測控成本，減少中繼星資源占用；另一方面使飛船具備了分布式測控通信的條件，在授權后，研制人員使用手持終端對飛船進行狀態監視和必要的控制，航天員家屬也可使用手持終端隨時隨地與航天員通信，可大幅提升用戶體驗。

(3)中繼星跟蹤模式下，單顆星故障將損失飛船每圈1/3的測控弧段，星座測控模式下，單顆星故障對飛船每圈測控弧段的影響最長只有幾分鐘，測控系統冗余度大幅提高。

3 結束語

本文基于神舟飛船的應用場景，構想了一種基于互聯網星座，并與中繼衛星結合實現純天基測控的模式。經過仿真分析，給出了適宜的互聯網星座軌道高度和規模的建議，基于該構想，可實現99%的測控覆蓋率，同時可大幅降低測控成本，提高測控效益，具備在各低軌商業衛星上推廣使用的可行性，是未來測控模式演進的選擇之一。