我国在轨卫星测控发展历程及展望

关晖 宁永忠 （北京宇航智科科技有限公司）

卫星在轨长期管理是保障卫星正常运行和发挥作用的关键，尽管我国在1970年就发射了东方红-1试验卫星，但直到1990年才开始了卫星在轨的正式、规范和专业管理，如今在轨卫星测控的数量已从当初3颗到现在上百颗；无论在管理数量和质量上，我国的卫星管理水平都已经走在了世界的前列。随着我国航天事业发展，需要管理的卫星数量将急剧增加,卫星测控的覆盖性和时效性需求进一步提高、管理的内容和技术复杂度增加，需要为用户提供更多的服务模式，应该立足现有的资源，着眼长远、拓展思路和持续创新才能满足我国航天事业发展对卫星在轨测控的要求。

1 卫星在轨测控发展历程

我国在轨卫星管理可以划分为两个阶段，第一个阶段是从1990年至1997年，这一阶段卫星管理数量少、卫星功能简单、管理技术单一，地球同步卫星采用定时管理方式，可以称之为早期定时在轨卫星管理阶段；第二阶段从1997年之后，我国发射的卫星数量激增、功能复杂，管理要求显著提高，管理技术大大提升，地球同步卫星采用全时管理方式，实现了卫星长期管理由初期“单星经验型”到“多星智能型”转变，管理的卫星数量和水平跃居世界前列。

早期 定时在轨测控

这一阶段管理的代表性卫星有东方红-2A、风云-1B和实践-4卫星，其中东方红-2A是我国第一代地球同步轨道通信卫星，采用自旋稳定姿态方式；风云-1B是我国第一代极轨道气象卫星，采用三轴稳定姿态方式；实践-4是一颗用于探测空间辐射环境的科学试验卫星，采用的是远地点40000多千米、近地点200多千米的高偏心率椭圆轨道，自旋稳定姿态方式。

早期卫星定时在轨测控系统组成原理图

这一阶段东方红-2A卫星的遥测监视管理采用上、下午各监视半小时和每年90天左右的地影期间重点遥测监视，一个月左右进行一次东西位置保持控制、三个月左右进行一次南北位置保持；风云-1B采用每天上、下午的升、降轨各3圈、每圈10min左右遥测监视或发令/注数；实践-4是每天卫星运动到远地点时进行约40min的跟踪，完成对其测监视或发令/注数工作。东方红-2A卫星管理使用渭南和闽西站的C频段测控设备、风云-1B和实践-4使用渭南、长春和喀什站的超高频设备。这时期系统自动化运行能力差，各子系统间的操作需要依靠语音调度、手工操作执行。控制中心负责卫星管理计划制订、卫星状态监视、控制参数计算、轨道确定和预报等工作，测控站负责卫星跟踪和发令工作。控制中心所有的上行发令都是通过语音调度命令测站操作人员在测站执行，这个时期地面测控站的设备控制功能强、操作复杂和要求高，对卫星的发令主要通过单指令和指令链的形式完成，测站预先保存卫星所有的上行指令，加工成单指令或指令链。

多星全时在轨测控系统组成原理图

多星 全时在轨测控

这一阶段我国卫星水平有了很大提高，以东方红-3系列卫星、风云-2和资源-1等卫星为代表，表现在卫星体积变大、质量增加，姿态控制普遍采用了三轴稳定技术，有效载荷数量增多，性能先进，普遍使用星载计算机和星务管理等技术。这一阶段卫星管理方式的显著变化是实现了真正意义上的多星测控管理，开始使用S频段统一测控系统，地球同步卫星采用了全时段管理。低轨卫星的管理受测控站地理布局限制，仍然采用每天升、降轨测站的可见时段管理，自从2008年我国首颗中继卫入轨后星，我国卫星测控系统对350km以上的低轨卫星全天可见，因此整个测控系统对低轨卫星的测控覆盖率显著增强。

与早期定时管理模式相比，为了满足卫星数量激增、管理要求提高和管理难度增大的需求，多星全时管理系统显著增强了自动化运行能力，卫星测控系统也采用了大中心、小测站的设计思想。在具体的技术实现上，通过设备远控平台实现了对测控设备的远程自动控制，通过卫星遥平台实现了卫星上行发令和注数的自动执行，通过故障诊断系统实现了卫星状态的自动检测，最终通过测控计划执行平台调度设备远控平台、卫星遥控平台和各类测控软件，完成设备控制、卫星发令和软件运行的自动流程控制。

2 卫星在轨测控内容

卫星在轨测控需要完成卫星平台的早期测试、日常管理和末期管理三大任务，其中早期测试是为了测试卫星入轨后各项性能指标与总体设计符合情况，测试结果是卫星交付用户和开展业务运行的依据；日常管理完成卫星的遥测监视、遥控发令和异常处理等工作，确保卫星平台正常工作；末期管理完成地球同步轨道卫星的离轨控制和低轨卫星陨落等相关工作。

早期 测试

卫星入轨后需要完成早期测试工作，早期测试分卫星平台在轨测试和有效载荷在轨测试两部分进行，目的是检验卫星是否满足卫星研制总要求所规定的总体技术指标，检验卫星各分系统功能和性能是否满足设计指标。

日常 管理

卫星完成在轨测试并投入使用后，地面需要按规定完成平台管理和载荷开、关机控制等工作，具体任务如下：

（1）遥测监视

接收、处理和显示卫星下传的遥测数据，对卫星工作状况进行全面监视，当卫星参数值超出规定的门限时报警。

（2）星上时钟修正

由于存在频率漂移，星上时钟工作一段时间后，会与地面时钟产生误差，当误差值大到一定程度，需要地面对星上时钟进行修正。

（3）轨道注入

当卫星使用地面轨道根数作为姿态或轨道计算基准时，需要地面定时将轨道确定结果注入到星上。

（4）遥控指令发送

通过地面站对卫星发送直接指令和间接指令，控制星上执行机构，完成卫星状态设置和各种动作，其中直接指令是通过星上执行机构直接执行、间接指令是通过星上计算机控制执行。

（5）上行数据注入

注入卫星载荷执行计划，控制卫星在指定的时间载荷开机、数据传输和轨道控制等，同时还可以根据卫星运行的需要修改星上程序等。

（6）轨道测量和外测数据处理

对卫星的轨道进行测量并对数据进行处理，卫星的轨道测量可以是基于GNSS数据或外测数据，外测数据的获取通常有两种方法：三站测距或单站或多站测角、测距，其中三站测距方式主要用于地球同步轨道卫星测控，而多站测角、测距方式主要用于低轨卫星测控。

（7）轨道确定

由轨道测量数据计算卫星轨道，提供瞬时、平均经典根数或卫星在空间的位置。

（8）轨道预报

根据给定的卫星轨道根数，完成卫星轨道、星下点、测站跟踪、卫星进/出地影时间、星上红外地敏干扰预报等。

（9）轨道或位置保持控制

根据卫星任务要求，对卫星轨道实施控制或姿态调整，通常完成轨道半长轴、偏心率和轨道倾角控制，控制近地卫星运行在设计的轨道、同步卫星运行在定点位置附近。

（10）姿态侧摆控制

通过控制低轨卫星的滚动或俯仰角，调整星上遥感仪器的指向变化，从而扩大卫星每个圈次的对地观测范围，这项工作通常是地面计算控制参数，提前注入到星上计算机，由星上计算机控制卫星在到达指定观测区域前完成姿态偏置。

（11）太阳帆板转角控制

星上太阳帆板具有旋转跟踪太阳的能力，运行一段时间后，太阳帆板法线指向实际与理论出现误差，因此每隔一段时间，需要调整太阳帆板转动速度，修正跟踪误差，确保帆板准确跟踪太阳，实现能源稳定输出。

（12）干扰力矩估计与补偿

每次轨道控制后都要进行干扰力矩计算。通过采集一次轨道控制过程中相关遥测数据，计算推力器产生的干扰力矩并在下次轨道控制中进行补偿，避免卫星控制过程中姿态发生较大的变化。

（13）异常处理

当卫星出现故障时，需要地面及时发现、准确判断故障原因，根据故障对策发送遥控指令或注入数据进行处理，并对处理结果进行判断。

（14）定点位置共位管理

由于定点位置紧张，目前一个地球同步轨道上会有多颗星共用一个轨位，为了避免这些卫星相互碰撞，需要采用不同的位置保持策略，控制卫星间距离在安全的范围。

（15）自旋卫星姿态测量和控制

自旋稳定卫星的姿态在空间会产生漂移，需要地面定时测量和确定，并根据测量结果进行控制，确保卫星姿态偏差在给定范围。

（16）同步卫星轨道位置漂移控制

将卫星从当前定点位置漂移控制到另一个指定的地球同步轨道的定点位置，通常是通过控制卫星的轨道半长轴实施控制。

末期 管理

按照国际电联的要求，废弃的地球同步轨道卫星应该被转移到高于地球同步轨道高度约300km的“卫星墓地”。因此定点卫星在轨测控需要完成的最后一项任务就是抬高卫星轨道，控制卫星离开定点的位置运行到“卫星墓地”，并进行旋转部件关机、电池放电等钝化处理。当低轨卫星轨道降得足够低时，完成密集轨道测量和准确陨落位置预报。

3 卫星在轨测控技术发展展望

随着我国航天事业发展，中低轨道卫星在轨数量将大量增加，小卫星、星座要求航天测控网具备多星同时在轨测控能力；二代导航卫星星座、高精度对地观测卫星等要求提高飞行器轨道测量和定位精度；遥感卫星为提高使用效率要求更灵活的测控服务，因此未来的在轨卫星管理技术必须进一步扩展轨道测控覆盖率、提高测控设备使用率、提高测控时效性和灵活性，才能满足我国航天事业发展对卫星在轨测控的要求。

形成天基为主、地面为辅的在轨卫星测控网

利用以跟踪与数据中继卫星系统为主建设的天地一体化测控网， 不仅能有效地提高网的测控覆盖率和多目标测控能力， 而且能够完成各类对地观测卫星的高速实时数据传输的任务。以一颗多址能力为前向1路、返向5路的中继卫星为例，在现有管理模式下，它具有支持100颗低轨卫星在轨工程测控的能力。以天基为主、天地结合在轨卫星测控网与现有的基于地基测控网管理低轨卫星相比，除了卫星管理数量的增加，还可以克服现有基于地基测控网在轨卫星管理时间域集中和模式单一的缺陷，比如在中继卫星多址服务方式下，均匀测控模式可以减小卫星测控间隔，轮询测控能确保在最短时间内发现卫星异常，连续测控模式能满足长时间测控需求和减小卫星测控间隔，这些多服务模式的使用将带来卫星在轨测控数量、管理质量和时效性的显著变化，提高卫星在轨测控安全性、灵活性和管理效率。

充分 发挥资源调度的作用

地面测控设备、中继卫星和相关运行系统统称为测控资源，这些测控资源不可能无限地增加。如何利用有限的测控资源支持更多数量的卫星管理，需要充分发挥资源调度的作用。以美国空军卫星测控网（AFSCN）的测控调度问题为例：1992年到2002年间，AFSCN的测控站数量没有发生变化，但是随着卫星的增加，每天的平均测控服务需求数目上涨了40～50%，其中存在冲突的任务数量更是上涨了5．4～6．6倍。1992年，通过测控调度算法能够达到近98%的任务满足度，到2002年，通过测控调度算法可使任务满足程度达到94%以上，仅下降了不足4%，充分体现了通过测控调度实现测控资源综合利用所实现的巨大效益。

发展 多目标测控管理技术

经过30多年的发展，我国卫星测控系统已经形成了多星测控能力，通常它侧重于对多个不同类型的卫星进行并行管理或者相同卫星的串行管理。未来海量小卫星组网以及大量的卫星星座运行，需要在同一时间，对多颗同类型卫星进行管理， 它们之间较单星运行相比，更多地强调协调性和依赖性，同时卫星间特征的相似性为单个卫星故障的检验提供了更多信息，因此需要在现有多星测控的基础上，针对这些特点，提升多目标测控服务的能力，着重编队卫星管理，充分挖掘多目标服务的优势。

关键 故障自动实时处置

与过去试验卫星数量居多相比，今后越来越多的是为用户提供服务的应用卫星，它们更强调卫星业务可用率。以地球同步轨道通信卫星为例，它要求卫星一年的服务率大于99．99%。尽管卫星在设计制造过程中为了整星的安全，采用各种技术确保卫星在各种情况下平台安全，但出现重大异常时，这种安全保护措施的执行会中断卫星的业务运行，进而影响卫星年度有效使用率。目前的普遍的做法是由操作人员判断故障原因，进而采取上行发令或注数，整个处理过程时间长、对操作人员要求高，会出现处理不及时导致卫星业务中断的现象。因此，为更好满足卫星业务高效运行和确保卫星安全，卫星在轨测控必须具有卫星关键故障自动实时处置能力。目前我国已经做了成功的尝试，并在某颗地球同步轨道卫星的太阳干扰保护的过程中发挥了作用，成功地避免了卫星姿态失稳。

提供 灵活的按需测控服务

过去由于受测控站分布的限制，建设在国内的测控站只能为低轨卫星提供每天上午、下午一定时段的升、降轨各几圈测控服务，其它圈次卫星不可见。卫星载荷和数据回传开、关机的时间通常是提前1天或几天注入星上计算机，地面很少修改已经注入的工作程序。现代对地观测卫星从提高卫星利用率和使用效能出发，提出了按需要测控服务的要求。据了解，光学成像卫星如果能及时调整工作计划避免云层遮挡，可以将卫星有效图像率提高一倍以上。因此，如果充分利用中继卫星的全球覆盖和多址服务能力，开发按需服务能力，地面测控系统就能够为卫星用户提供反应迅速、高效灵活的按需测控服务，将显著提升卫星的应用效果和卫星用户满意度。

4 结束语

我国卫星在轨测控事业伴随着卫星事业的蓬勃发展，从无到有，从弱到强，积攒了雄厚技术实力和管理能力，实现了卫星管理的自动化、智能化和高效可靠。随着我国大力鼓励民间资本进入航天市场，特别是卫星水平提高和生产成本下降，将会有越来越多的商用卫星进入太空，很多卫星的用途已经从为国家利益服务变成了为大众生活服务，这些卫星大量入轨后，需要实施高效、灵活和安全可靠的在轨测控才能更好地发挥卫星使用效益。采用过去不计成本的卫星集中管理模式已经很难适应这种飞速发展形式和要求，同时也需要从防灾减灾、军民融合的战略出发，进一步开放思想，创新卫星在轨运行机制、管理模式和管理技术，更好地为我国航天事业服务。