微波统一测控系统的发展趋势及建议

王 彬，刘友永,2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081；2.CETC 航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄050081)

微波统一测控系统的发展趋势及建议

王 彬1，刘友永1,2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081；2.CETC 航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄050081)

面向未来航天测控任务的新需求和微波统一测控系统的现实挑战，在国内外测控通信技术发展需求的基础上，梳理了微波统一测控系统的发展趋势的几点考虑：现有系统的信息化智能化发展趋势、PNT服务的多样化高精度与自主化、射频与光学测控通信和天地一体化网络等，并着重提出了相应的技术发展方向和关键技术建议，以满足我国微波统一测控系统更高、更远、更快和更多的发展需求。

微波统一测控系统；自主化PNT；光电混合测控通信；天地一体化信息网络

0 引言

我国微波统一系统设备历经二十余年的发展，逐渐形成了S波段统一测控系统、C波段统一测控系统、扩频统一测控系统和深空测控系统等[1]，其系统设计日臻成熟，并且在关键器件国产化、软件无线电设计、标准化研制、远程监控和自动化运行等方面取得了长足进步，已成为我国地面航天测控网主干设备，具备S、C、X和Ka频段的航天任务支持能力。

未来航天测控任务将具有任务复杂化、目标多样化、信息综合化和测控通信一体化等特征，则要求微波统一系统具有更高轨道覆盖、更高的测定轨精度、更高的数据速率和更远的作用距离，能够承担更多目标、更加复杂的测控通信任务。然而随着网络技术、导航技术、通信技术、天基测控技术和光学技术等新技术的发展，对传统地基微波统一系统提出了挑战，对传统的航天测控概念提出了挑战[2]，如：天基测控通信对地基测控通信的挑战[3]；天地综合信息网络对专门测控通信系统的挑战[4-5]；网络化测控通信对传统分离测控通信系统的挑战；各种导航技术对无线电外测的挑战[6-7]；航天器自主导航对人在回路的测控通信的挑战；光学测控通信对射频测控通信的挑战[8-9]等。因此，需要在航天测控的新形势、新需求下，梳理出微波统一系统的未来技术发展趋势，并给出相应的发展建议。

1 微波统一系统的发展趋势

根据我国微波统一系统现状和航天活动中长期发展规划，并借鉴其他航天强国的发展规划及技术发展路线图等，给出对我国微波统一系统及其技术在今后一段时间及未来发展趋势的几点考虑。

1.1 深挖现有测控设备的潜力，向信息化、智能化方向发展

从航天任务规划和航天测控系统的发展情况看，近地卫星、地球同步卫星、载人航天飞船、空间实验室和返回式飞船等将是今后一段时间的主要管控及服务目标[10]，远期可能会延伸到拉格朗日点、火星或更远的外层空间[11]。更高精度、更多目标、更加高效、更加智能和更低成本等仍是地基测控通信网不断追逐的目标，因此需要深挖现有微波统一系统潜力，不断优化地基测控通信网络，主要体现在以下几点：

① 深挖设备潜力，优化测控网络，不断向更高精度迈进。

更多目标、更高精度是测控设备发展的永恒追求。根据航天任务发展需要，地球同步轨道卫星、各种应用卫星对高精度测定轨的要求越来越强烈。因此应深挖现有测控设备潜力，突破影响精度的“瓶颈”因素，寻求新的技术体制[12-14]和误差修正方法[15]等，不断优化地基测控网络布局和能力，向更多目标、更高精度的方向迈进。

② 加强测控设备的综合化、小型化、数字化、模块化和标准化。

目前，测控通信设备已实现了单天线多频段的综合，实现了多功能信道一体化，实现了测距、测速、遥测、遥控和中低速数传基带等功能的一体化终端，以及单站多天线系统的“池式”资源调度配置和集中监控共享后端设备，基本实现了测站“有人值守，无人操作”的设备自动化运行和自动故障诊断等。

未来的测控通信设备应不断加强设备的综合集成、小型化、网络化和开放性，不断提高数字化水平，建立完善的设备标准体系和维护机制，依据相应国际标准(如CCSDS标准等)形成模块化、标准化的产品，基于先进的微波光子技术、光纤传输技术和网络技术等不断走向“模块化的小测站大中心”的系统架构配置[16]，同时注重测控通信设备的安全防护。

③ 不断加强测控设备的智能化、信息化和自动化水平。

随着未来航天任务的复杂化和航天应用的多样化，测控设备不会仅局限于现有的测量、控制和数传功能，随着通信技术、网络技术和云计算等技术的发展，未来“测站+中心”将在高速信息传输、信息融合的基础上，成为具有感知、认知、测控、通信、导航和决策等能力综合化、智能化的系统，并不断提高其管理信息化和智能化水平、设备自动化水平等。

④ 积极开展国际合作，降低效费比。

在测控设备满足国际标准的前提下，通过广泛地、有计划地开展国际合作，可充分利用不同地域或国家的测控资源，提高轨道覆盖和测控精度，节省各国的航天测控费用，也能够促进我国航天测控技术的进步，提升我国航天测控在国际航天领域的知名度和影响力。因此，未来应综合利用全球地面测控资源，在独立自主、平等互利的前提下积极开展国际测控合作，尤其是在深空探测、天文观测等领域，降低效费比同时也利于提高系统观测精度。

1.2 重塑PNT服务，向综合化、高精度和自主化方向发展

NASA在其未来发展规划中重新进行了业务梳理、归纳，将数传、遥测和遥控等信息传输归口为通信业务，将无线电跟踪测量、导航和授时等业务统一归结为PNT(Positioning、Navigation and Timing)服务。因此，未来航天器的PNT将表现出综合化、高精度和自主化的趋势[17]。

目前，NASA的定位、导航与授时手段主要有地基和天基无线电测量跟踪系统、GNSS系统、激光测距系统和光学导航设备(如星跟踪器、目标成像)等，能够满足当前的航天任务。但是，未来航天任务中，精确着陆、交会、编队飞行、与机器人协作、远距离操作以及航天器自主导航与操控等需求，对绝对和相对导航精度提出了更新更高的要求，需要发展多种自主导航、相对导航、近距导航技术及其综合应用技术。需要更多地利用星上设备通过星间激光/微波链路和星地链路等进行协同作业和信息交互，实现高精度测量、自主导航作业和授时等[18]。

GPS系统易受干扰性已成为GPS应用中的共识，需要开展多手段的PNT服务体系，如利用多导航源建立PNT综合系统、研究可交换能力的PNT解决方案、建立PNT系统与通信系统的协同能力，提高PNT服务的强健性等。

1.3 走向更高频段，射频和光学测控通信系统的优势互补

更高的数据速率、更高的测量精度以及更远的作用距离都要求微波统一系统的频段、带宽向更高发展。NASA在其TDRSS系统、深空网和IPN网络等的星间、星地的测控通信链路中都使用了Ka频段；中继星系统、深空测量站也规划使用了Ka频段，也将作为我国未来天地一体化综合信息网的主要工作频段[19]。

而激光测量通信技术具有测量精度高、通信容量巨大、码速率高、抗干扰能力强、保密性好和链路终端体积小、重量轻、功耗低等优势，已被公认是星间(LEO星座)、轨道间(LEO -GEO)、同步卫星与深空探测器之间及星-地间海量、超高速数据传送的有效方式。同时其测距精度可非常容易达到cm级，技术优势明显。NASA、ESA和JAXA等机构开展了大量研究及演示验证试验工作[20-21]，技术成熟度不断提高，其通信速率最高达到了2.5 Gbps，测距精度达到了3 cm量级。

然而，光学测控通信系统易受天气影响难以全天候工作，其光束发散角极小、捕获跟踪难度大，在一定程度上会限制其未来应用，因此NASA将发展射频技术同时并行发展光学测量通信能力作为一个重要研究领域，从而实现其优势互补。

1.4 着重发展天基测控网，构建天地一体化综合信息网络

随着航天任务不断向深空推进，传统的航天测控模式已不能满足信息传输的需要，以往点对点的传输方式独存的局面将不复存在。用户航天器之间、中继卫星之间、用户航天器与中继卫星之间的互联互通成为空间信息系统发展的必然趋势和要求，研究并建设包括地基测控网、天基测控网和深空测控网在内的空间信息传输系统势在必行。

发展天地一体化综合信息网络[22]，可从根本上解决测控通信的高覆盖率和信息高效传输问题，解决高精度测定轨和大容量信息传输问题，缓解多星测控的压力，是世界航天测控系统的发展趋势。

NASA在其2030前NASA空间通信与导航计划[23]，提出将近地网、天基网和深空网整合成一个统一的综合网络，采用CCSDS国际标准，利用其所有资源向用户提供通信与导航业务(前向数据传输、返向数据传输、无线电测量、定位与授时等)。综合网络的建设分3个阶段进行：2015年前，3个测控网保持独立，增加扩展测控网功能的新能力，满足近期任务需求；2018年前，将3个测控网综合成统一的通信与导航综合网络，利用NASA所有资源提供标准化通信与导航业务，在地球范围内使用DTN和IP协议实现空间组网；在2025年前，进一步扩展综合网能力，研制近地和深空光学通信与跟踪系统，满足NASA远期探测与科学研究目标。

2 重点发展方向及关键技术

紧跟微波统一系统的发展趋势，需要预先开展其重点方向及其关键技术研究，下面将简要论述。

2.1 在深挖现有测控设备潜力方面

在实现更高精度方面，需要解决限制现有测控通信设备的“瓶颈因素”，需要重点研究高精度测量中的系统误差标校技术，cm级空间传播介质延迟修正技术，发展高精度新体制干涉测量技术(SBI和CEI)、单向测距测速技术等，突破测控设备的误差在线标校方法、基于GPS和WVR的电离层和对流层延迟修正技术、SBI和CEI的系统标校及整周期解模糊技术等关键技术。

在实现更多服务目标方面，需要重点研究Ka波段相控阵天线技术、单站多目标测控技术和分布式阵列多目标测控技术等，需要突破Ka波段相控阵天线设计与TR组件、共形阵列天线设计、多波束形成技术和分布式阵列的高精度时频同步等关键技术。

在更远距离方面，研究干涉测量技术、下行天线组阵技术[24]、上行天线组阵技术、超高精度和稳定度时钟技术、精密时频同步技术、超低噪声温度放大器技术、深空网大功率发射机技术、高效调制解调技术、高效编译码技术[25]等，需要着重突破nrad量级的△DOR测量技术、极微弱深空信号的高效合成算法、多天线开环合成及系统在线标校技术、ps量级的光纤时频同步网络技术、百千瓦量级的X波段调速管功放和极低噪声的射频放大器等。

在设备综合化、小型化、数字化、模块化和标准化方面，需要重点研究微波光子学在信道综合中的应用、数字化软件定义综合终端及其架构、系统配置与重构和研究CCSDS等相关国际标准等。在智能化和信息化方面，需要重点研究系统自动化运行及故障检测、健康管理、多任务多目标管理、多源信息融合和信息管理等技术。

2.2 在高精度自主化PNT方面

重点研究基于X射线脉冲星的高精度卫星自主导航技术、星载高精度频率源技术、星间/星地链路技术、星间/星座相对测量技术、卫星网络时频同步技术、智能天线技术、多源信息融合技术、自主导航技术和系统健康管理及服务技术等。在空间互联网环境中时间和频率高精度分发与同步技术。

重点研究自适应导航技术(ANS)，用于支持开展的PNT新算法和新结构研究，以实现不同PNT传感器的快速集成，达到“即插即用”能力，以此实现面向不同应用平台的快速PNT系统集成应用；研究高准确度的光原子钟，其准确度可以达到50亿年才产生 1s偏差。实现如此精度的便携式原子钟可以有效提高诸如GPS、新型雷达系统、激光雷达(LIDAR)及其他测量系统的应用性能。

研究恶劣环境下的空间、时间和定向信息获取技术，寻求建立恶劣环境下的PNT 系统实现能力，这种PNT系统可以达到GPS系统的精度但却不依赖于GPS系统实现。

2.3 在射频和光学测控通信技术方面

当前一段时间还需要深入挖掘射频测控与通信潜力，重点发展基于Ka波段的测控通信技术、具有高效频率利用率的调制解调新体制、基于空间组网的星间射频测控通信链路技术；发展上/下天线组阵技术，提高上下行通信速率和测控通信作用距离等。

光学测控通信技术，是未来测控通信的技术发展趋势，该技术可获得几乎不受限的光谱带宽，易于实现cm级测距精度和10 Gbps以上的通信速率，比射频技术至少提高1个数量级；另外，在体积、功耗等方面具有较大优势。重点开展运动平台的快速高可靠激光波束捕获跟踪技术、星间/星地激光测控通信一体化技术、星间/星地高速相干光通信技术等方面的研究。

另外，射频测控通信的全天候、高可靠性和激光通信的高速通信能力为二者的一体化复合提供了可能性，在未来一段时间内，要重点开展光电混合高速通信系统设计、一体化的光电混合天线、基于微波波束引导的激光波束快速捕获跟踪技术、高速相干光通信调制解调终端技术等。

2.4 在天地一体化综合信息网络方面

重点研究未来航天任务对天地一体化综合信息网络的通信、遥感和导航等需求，开展天地一体化综合信息网络总体架构、天地一体网络协议、天地融合移动接入、安全保密和运维管控等方面研究，重点研究满足未来需求的基于天网地网的一体化网络架构设计、微波/激光星间/星地的测控通信链路技术、天基信息处理与融合技术、天地基联合定位导航与授时技术、基于TCP/IP、IP over CCSDS和DTN协议的天地一体化协议及空间部署[26]、在网络协议、物理层、链路层的安全机制、面向卫星用户和移动用户的无线移动接入技术、移动单元间Ad Hoc组网及网状物的组网、授时、定位与间隔保持技术、基于分级分层的一体化网络运维管控技术等。

3 结束语

地基微波统一系统历经二十余年的发展已经日臻成熟，未来应当紧跟航天任务需求和发展理念，面向具有更高轨道覆盖、更高的测定轨精度、更高的数据速率和更远的作用距离的测控通信要求，深挖现有地基系统潜力，充分发展高精度测量、多天线组阵和多目标测量等技术，提高设备的标准化、智能化水平。同时，面向未来天地一体化综合信息网络建设需求，积极开展一体化网络总体架构、网络协议、基于微波/激光的星间链路和光学测控通信技术等研究，为微波统一测控系统后续发展奠定基础。

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王 彬 男，(1970—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：航天测控、信号处理技术。

刘友永 男，(1980—)，博士，高级工程师。主要研究方向：航天测控新技术。

Development Trends of Unified Microwave TT&C Systems and Suggestions

WANG Bin1,LIU You-yong1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.CETCKeyLaboratoryofSpaceInformationApplicationTechnology,ShijiazhuangHebei050081，China)

Considering the new requirement for future aerospace TT&C missions and the realistic challenges of unified microwave TT&C systems,and based on the research status of TT&C and communication technologies in China and other countries,the paper presents several developing trends of unified microwave TT&C systems such as the informationization and intellectualization of existing TT&C systems,the diversity,high accuracy and autonomy of PNT services,RF and optical TT&C technologies,and integrated space-terrestrial information networks.Some suggestions are given on the main development directions and key technologies of China’s TT&C systems to meet the demand for higher altitude,longer distance,faster speed and more targets.

unified microwave TT&C system；autonomous PNT services；RF and optical TT&C；integrated space-terrestrial information network

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.04.11

王 彬，刘友永.微波统一测控系统的发展趋势及建议[J].无线电工程,2017,47(4):44-48.

2017-01-08

国家高技术研究发展计划(“863”计划) 基金资助项目(2013AA122105)。

TN927;V566

A

1003-3106(2017)04-0044-05