国际空间站测控通信系统研究

郝玉涛，刘保国，王瑞军，李 塘，万 鹏

（北京跟踪与通信技术研究所，北京100094）

国际空间站测控通信系统研究

郝玉涛，刘保国，王瑞军，李 塘，万 鹏

（北京跟踪与通信技术研究所，北京100094）

测控通信系统是国际空间站的重要组成部分，可靠的测控通信系统是确保空间站长期稳定在轨运行的基础。对国际空间站测控通信系统进行了较为深入的研究，介绍了国际空间站测控通信系统的组成，梳理了国际空间站中继S系统、中继Ku系统、空空通信系统的链路特性与工作方式，并总结归纳了国际空间站测控通信系统多手段备份、采用高性能编码等特点，以及对我国的启示，能够为我国测控通信系统的发展提供借鉴与参考。

国际空间站；测控通信系统；跟踪与数据中继卫星系统；空空通信系统

space-to-space communication system

1 引言

国际空间站（International Space Station，ISS）是以美国、俄罗斯为主要参与国，联合日本、加拿大、巴西和欧洲航空航天局11个成员国等16个国家共同建造和运行的大型空间设施，集中了世界主要航天大国各种先进装备和技术力量，其舱段主要包括俄罗斯的“曙光”号多功能货舱、“星辰”号服务舱、美国的“团结”号节点舱、“命运”号实验舱和加拿大“机械臂”、日本“希望”号实验舱、欧洲“哥伦布”实验舱等［1］。

测控通信系统是国际空间站最重要的组成部分。国际空间站每天均需通过测控通信系统与地面传输不同类型的信息数据。可靠的测控通信系统，是确保国际空间站长期稳定在轨运行，充分开展其各项功能业务的基础。本文对国际空间站测控通信系统的中继S系统、中继Ku系统、空-空通信系统进行了研究与分析，梳理并归纳出了该系统的特点及对我国测控通信系统发展的启示。

2 国际空间站测控通信系统组成

国际空间站主要通过跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）与地面交互双向话音、视频、遥测、遥控及其它载荷等数据，近距离空间使用超高频（Ultra High Frequency，UHF）空空通信系统（Space-to-Space Communication System，SSCS）完成通信任务［2］。国际空间站测控通信系统组成如图1所示。

图1 国际空间站测控通信链路组成Fig.1 The TT&C System of ISS

国际空间站到地面的中继传输信道包括中继S链路与中继Ku链路，上述链路接收并处理通过NASA的跟踪与数据中继卫星系统转发的地面上行遥控、话音、视频等信息；同时将遥测、话音、视频等信息下传至位于白沙的中继卫星地面站，经由NASA的综合服务数据网（NASA Integrated Services Network，NISN）与位于休斯顿的任务控制中心（Mission Control Center-Houston，MCC-H）完成信息交互。中继数据传输链路的性能与质量要求是误码率要低于1×10-5，链路余量要求不小于3 dB［2］。

国际空间站与在轨运行的航天飞机（Space Shuttel Orbiter，SSO）、舱外机动单元（Extravehicularmobility Units，EMU）之间的通信由UHF空空通信系统完成。采用的是时分多址的方式，传输的数据类型包括话音、遥控和遥测等。传输数据误码率同样要求低于1×10-5，链路余量要求不小于3dB［2］。

国际空间站传输信息格式服从CCSDS（Consultative Committee for Space Data System）［3］建议的数据传输协议。

3 中继S系统

中继S系统利用了TDRSS的S波段单址接入（S-band Single Access，SSA）链路［4］，它包括了前向SSA链路和返向SSA链路业务，为国际空间站提供跟踪、遥测和遥控（TT&C）数据传输服务。国际空间站中继S链路天线包括一副喇叭天线与一副全向天线，国际空间站中继S前向链路与返向链路的信道特性［2］如表1、表2所示。

表1 国际空间站中继S前向链路信道特性Table 1 The SSA forward link characteristics of ISS

3.1 前向SSA链路

前向SSA链路用于支持指令、话音和轨道测量。分为高速率和低速率两种模式，在低速率状态下不支持话音业务［2］。

高速率模式下，前向SSA链路为空间站提供一路核心数据信道（由遥控指令和文件传输组成，数据速率为38.175～57.375 kbps）和两路上行数字话音信道（每路话音信道在源端采用摩托罗拉公司的残差期望线性预报（MRELP）算法，编码速率为9.6 kbps）。任务控制中心将核心数据与数字话音形成CCSDS格式的虚拟信道数据单元（Virtual Channel Data Units，VCDU），经过数据加密标准（Data Encryption Standard，DES）加密［5］，信道采用RS（252，220）编码［6］并进行了随机序列加扰后，形成速率为72 kbps的信道访问数据单元（Channel Access Data Unit，CADU）数据帧，随后完成NRZ-L码至NRZ-M码的码型变换后发往中继卫星地面终端站。中继卫星地面终端站将收到的信号UQPSK扩频调制后发送到中继卫星，经星间频率为2085.6875 MHz的前向信号发送至国际空间站装配应急子系统（Assemby and Contingency Subsystem，ACS），经低噪声放大器接收并解调、解扩形成比特同步流，依次完成NRZM码至NRZ-L码的码型变换、帧同步、解扰与R-S解码，最后经DES解密，还原出VCDU帧，分别通过话音处理器与分包处理器，解出上行话音与核心数据［2］。

应急情况或非正常情况下，S频段单址前向链路可转入低速率模式，关闭话音信道，只传输一路6 kbps低速上行遥控数据［2］。

国际空间站中继前向SSA链路示意图［2］如图2所示。

3.2 返向SSA链路

返向SSA链路用于支持关键遥测、话音和轨道测量。分为高速率和低速率两种模式，在低速率状态下不支持话音业务［2］。

高速率模式下，返向SSA链路用于将空间站的遥测与话音数据传往地面，数据内容包括2路下行话音（每路码速率9.6 kbps，采用MRELP算法编码，同前向话音）和1路核心遥测数据（数据速率为139.8～159 kbps）。话音与遥测数据经处理后形成VCDU帧，经R-S编码、帧同步、码型变换后，进行码率为1/2，约束长度为7的卷积编码，经扩频信号调制、上变频、射频放大后，经星间频率为2265 MHz的返向信号发送到中继卫星，再通过中继卫星的星地数传天线发往地面站，地面站经低噪声放大器接收，经过解扩与解调形成比特同步流，再经维特比译码、码型转换、帧同步与R-S解码后，形成192 kbps的VCDU帧，分别经过话音处理器和数据处理器，解出下行话音与遥测数据［2］。

应急情况或非正常情况下，S频段单址返向链路也可转入低速率模式，关闭话音信道，只传输一路12 kbps低速遥测数据［2］。

国际空间站中继返向SSA链路示意图［2］如图3所示。

表2 国际空间站中继S返向链路信道特性Tab le 2 The SSA return link characteristics of ISS

图2 国际空间站中继前向SSA链路示意图Fig.2 The SSA forward link of ISS

图3 国际空间站中继返向SSA链路示意图Fig.3 The SSA return link of ISS

4 中继Ku系统

中继Ku系统利用了TDRSS的Ku波段单址接入（Ku-band Single Access，KuSA）链路，包括前向KuSA链路和返向KuSA链路业务，其为国际空间站提供前返向话音、视频和高速数据传输服务。国际空间站Ku链路天线为一副1.83 m的可转动抛物面天线，国际空间站中继Ku前向链路与返向链路的信道特性［2］如表3、表4所示。

4.1 前向KuSA链路

前向KuSA链路主要用于支持话音、视频和遥控等数据业务。

国际空间站的任务控制中心位于休斯顿，将话音、视频与上行遥控等数据形成256字节的数据传输帧，该帧包含3字节的同步模式，7字节的帧头，230字节的数据域，以及16字节的RS校验位。形成3 Mbps（最大可扩展为12 Mbps）的码流后，经RS（255，239）编码后发往中继卫星地面站，经BPSK调制、信号上变频后经射频功率放大器发往中继卫星，中继卫星将信号转发往国际空间站，星间前向Ku频率为13.775 GHz，空间站通过天线指向控制，通过低噪声放大器接收中继卫星转发的前向Ku信号，经BPSK解调、比特同步后将3 Mbps的前向Ku信号分解出相应的话音、视频与上行遥控等数据［2］。

国际空间站中继前向KuSA链路示意图［2］如图4所示。

4.2 返向KuSA链路

返向KuSA链路主要用于支持载荷数据、视频数据和关键遥测业务，可提供4路视频信号（含伴音，数据速率43.196 Mbps），8路科学或有效载荷数据、1路核心遥测数据［2］。

科学或有效载荷数据、视频、遥测数据经码率缓存器后，形成VCDU复接帧，经RS编码、帧同步后，形成50 Mbps（最大可扩展为150 Mbps）的CADU帧，经随机序列加扰与码型变换后，经BPSK调制，信号上变频，经射频放大器发射，返向KuSA星间频率为15.0034 GHz，中继卫星接收并转发该信号至地面终端站，经低噪放接收并下变频后，通过BPSK解调、比特同步与码型变换后，将50 Mbps的返向KuSA码流发往休斯顿任务控制中心，中心将数据随机序列解扰、RS解码后，通过VCDU帧处理器，将各类数据分发至相应的数据处理器解出，还原为相应的有效载荷数据、视频数据与遥测数据［2］。

国际空间站中继返向KuSA链路示意图［2］如图5所示。

表3 国际空间站中继Ku前向链路信道特性Table 3 The KuSA forward link characteristics of ISS

表4 国际空间站中继Ku返向链路信道特性Table 4 The KuSA return link characteristics of ISS

5 空-空通信系统

空-空通信系统是UHF时分复用（Time-Division-Multiple Access，TDMA）系统，用于空间站、航天飞机和舱外机动单元之间近距离话音、指令、遥测等数据传输服务［7］。

空-空通信系统由空间站空-空通信设备（Space-to-Space Station Radio，SSSR）、轨道航天器空-空通信设备（Space-to-Space Orbiter Radio，SSOR）和舱外机动单元空-空通信设备（Space-to-Space Extravehicular Mobility Radio，SSER）组成，每种设备都包括各自的数据DES加密、话音μ律A/D转换、RS编码、连续相位频率频移键控（Continuous Phase Frequency Shift Keying，CPFSK）调制、发射系统与相应的接收、解调、RS解码、话音μ律解压缩、数据DES解密装置。空-空传输的UHF频率为414.2 MHz或417.1 MHz，支持传输1.024 kbps的遥控、6.4 kbps遥测与192 kbps高清话音。支持的最大传输距离指标为：国际空间站至轨道航天器的空空通信距离为7 km，国际空间站至舱外机动单元的空空通信距离为80 m，轨道航天器至舱外机动单元以及舱外机动单元之间的空空通信距离为75 m［7］。

空空通信系统信息传输［7］示意图如图6、图7所示。

图4 国际空间站Ku频段TDRSS用户终端前向链路Fig.4 The KuSA forward link of ISS

图5 国际空间站Ku频段TDRSS用户终端返向链路Fig.5 The KuSA return link of ISS

图6 空空通信系统信息传输示意图（空间站接收信息）Fig.6 The functional configuration of SSSR（ISSReceives information）

图7 空空通信系统信息传输示意图（空间站发射信息）Fig.7 The functional configuration of SSSR（ISS transm its information）

6 系统特点及对我国的启示

经过对国际空间站测控通信体制架构的研究，我们可以归纳出以下特点及启示：

1）依靠天基测控完成测控通信任务

国际空间站运行段与地面的信息数据交换通过中继链路完成［8］。事实表明，以TDRSS为代表的天基测控系统是高覆盖、高码率、高可靠跟踪和避免高成本海外建站的最佳途径。我国未来测控通信系统，也应充分发挥中继卫星测控通信覆盖率高，数据传输能力强的特点，以天基测控网为主完成测控通信任务，从根本上解决测控通信的全球覆盖与大容量信息传输问题［9］。

2）空间站中继测控链路天线类型应全面多样，提高系统可靠性

国际空间站中继链路天线共3副，包括中继S链路的喇叭天线与全向天线各一副，中继Ku链路的一副抛物面天线。喇叭天线传输话音、遥控、遥测等数据，全向天线传输遥控、遥测数据，抛物面天线传输话音、遥控、遥测数据及高速率科学业务数据。三类天线业务分工明确，关键的遥控、遥测数据传输在不同天线上能够相互备份，极大地提高了国际空间站测控通信系统的可靠性。另外考虑到中继S链路相比Ku链路波束宽度宽，信号捕获时间短，受姿态变化影响小，捕获跟踪相比更加稳定、迅速［10］。因此，我国应当积极学习借鉴国际空间站的这种模式，坚持中继S链路与Ku链路互相补充，共同发展，积极研究在载人航天器上加装S频段宽波束中继终端天线，提供中继测控通信链路的可靠性。

3）UHF空空通信链路是解决与舱外活动单元通信的有效途径

国际空间站采用UHF空空通信系统与来访的航天飞机或出舱执行任务的航天员进行通信。未来我国航天员也存在出舱进行设备维修或其它科学试验任务的需求，如何解决航天员与空间站进行测控通信的难题，国际空间站给我们提供了UHF空空通信链路这种方式作为参考。

4）采用高性能的信道编译码方式

空间站测控通信链路普遍采用了卷积、RS等高性能的编码方式，高性能编码方式带来的编码增益对提高测控通信链路余量有极大帮助。我国后续测控通信系统发展应加强对高性能信道编译码技术的深入研究，充分挖潜现有的编码方式，充分挖掘编码增益更高、性能更好的编译码方式。

5）注重标准的应用和协议的统一

空间站工程由多个国家参与，其测控通信支持有时需要调动全球力量，采用统一的标准和协议，便于全球联网。同时空间站任务参与天地测控通信的舱段、设备众多，为保证各舱段、各分系统之间的相互协调，必须采用相同的协议和标准，如CCSDS协议，增强互操作性和互支持性。我国未来测控通信标准也应向CCSDS协议靠拢，提高天地链路的标准化水平，减轻地面测控设备技术状态的复杂度，为高频度航天任务的测控支持创造有利条件［11］。

7 结语

随着我国空间技术的进步和载人航天工程的逐步推进，突破与掌握空间交会对接技术后，我国将未来建设自己的空间站，届时将对未来测控通信系统数据传输能力、多目标支持能力、系统应急能力提出更高的要求，借鉴国际空间站的成果与经验，对我国测控通信系统的发展大有裨益。

［1］ 陈志国，张强.国际空间站信息系统架构综述［J］.载人航天，2011，17（1）：5-9.

［2］ International Space Station Communications Systems［R］.U-nited States of America，2005，9：2-17

［3］ 谭维炽，顾莹琦.空间数据系统［M］.北京：中国科学出版社，2006：50-51

［4］ 刘春平，安鹤男.跟踪及数字中继卫星系统正反向通信链路的信号设计［J］.空间电子技术，2004（4）：38-41.

［5］ 宣克祥.数据加密标准（DES）算法与安全性探析［J］.产业与科技论坛，2011（6）：71-75.

［6］ 朱爱军，郎宏山，武震东.RS编码与卷积编码级连在遥感卫星数据传输中的应用［J］.遥感信息，2007（1）：47-52.

［7］ Space to Space Communications System［R］.United States of America.2005，9：2-6

［8］ 张庆君，余孝昌，左莉华，等.神舟载人飞船测控与通信分系统的研制［J］.航天器工程，2004，13（1）：97-103.

［9］ 于志坚.我国航天测控系统的现状与发展［J］.中国工程科学，2006，8（10）：42-46.

［10］ 史西斌，费立刚，寇保华，等.国外中继卫星对航天器交会对接的测控通信支持［J］.航天器工程，2012，20（6）：79-85.

［11］ 杨奕飞，丛波，李强.CCSDS标准在新一代航天测控系统中的应用研究［J］.电讯技术，2007，47（5）：166-168.

Research on TT&C System in International Space Station

HAO Yutao，LIU Baoguo，WANG Ruijun，LITang，WAN Peng
（Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology，Beijing 100094，China）

Telemetry，Tracking and Communication（TT&C）system is an important component of the International Space Station（ISS）.Reliable TT&C system is the foundation to ensure the long term steady operation of ISS.An in-depth comparative study on the TT&C system in ISSwas conducted in this paper.First，the composition of ISS was introduced，then the characteristics and working methods of SBand System，Ku band system，and Space-to-space Communication system were described.In the end，the characteristics of the system and the enlightenment to uswere summarized，which may serve as an important reference for the development of the TT&C system in China.

international space station；TT&C system；tracking and data relay satellite system；

V423.4+5

A

1674-5825（2014）02-0165-08

2013-10-15；

2014-03-15

郝玉涛（1983-），男，硕士，工程师，研究方向为载人航天测控通信与应用总体工作。E-mail：sunshinehyt@126.com