一种基于北斗RDSS短报文的天基测控方法

关新锋 范竞往 王小岛 张博 李玉鑫

(1 航天恒星科技有限公司，北京 100086) (2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(3 中国空间技术研究院，北京 100094)

我国商业卫星正处于不断蓬勃发展的阶段，可以预见未来会有大量卫星系统入轨并长期在轨运行。而当前地面通用测控系统和中继卫星系统各自承担专有任务，测控容量不足，建设与运行管理成本高，并且入网程序复杂时间长，无法满足未来商业卫星系统大规模、低成本、快捷入网的需求。

基于天基系统的天地一体化测控网络技术研究是当下卫星测控领域的研究热点，GEO卫星如国际海事卫星(ImmarSat)、我国的天通卫星、北斗导航卫星等均可能成为低轨航天器测控的新型天基平台。目前，已有美国国防先进研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)提出的“空间增强军事作战效能”(SeeMe)计划实现了国际海事卫星ImmarSat-4高低轨中继数传通信，通信速率可达492 bit/s；另外，新加坡南阳理工大学研制的VELOX-2卫星通过搭载高性能星间链路终端，成功利用海事卫星完成了为期一年的2路IP链路传输试验[1]。西安卫星测控中心杨天社等人开展了针对低轨航天器的天地基一体化模式(Space Ground Based Mode，SGBM)仿真研究，验证了利用GEO通信卫星中继测控的可行性[2]。同时西安卫星测控中心发表了通过遥感九号搭载北斗短报文终端开展测控试验的报道[3]。

本文以民商用低轨航天高效能测控应用为背景，提出一种基于北斗卫星无线电测定业务(Radio Determination Satellite Service，RDSS)短报文通信的测控应用方法，并在协议体制层面设计了基于北斗RDSS短报文测控体制的总体方案，旨在探讨以我国北斗导航星座作为天基测控平台的可行性，推动新型天基测控技术实用化研究进程。

1 需求分析

当前我国民商用卫星在轨测控管理主要采用地面测控模式，西安卫星测控中心通过其覆盖渭南、南宁、闽西、厦门、青岛、长春等国内站和卡拉奇站、马林迪站、基律纳站等境外测控站，以及若干活动测控站，管理着160余颗在轨卫星，已显地面资源能力不足，正在寻求以军民融合方式利用民站完成测控/数传管理任务。

而伴随国家“一带一路”战略构想的深入落实，以及民用、商用卫星及星座的密集发射，未来三年内我国的民商用卫星发射总量预计突破300颗，甚至达到500颗以上(主要为低轨卫星)，诸如虹云工程、鸿雁星座、银河航天星座、九天卫星物联网星座等[4-5]。现有地面站网资源显然无法满足与未来大规模星座的测控管理需求，而传统的地面测控服务模式势必需要站网资源建设的极大投入，采用天基测控则可利用高轨卫星经济、有效地实现民商用低轨卫星的广域覆盖，北斗RDSS短报文体制具有终端小巧、成本低廉、覆盖全面等特点，是作为新型天基测控体制的良好选择。

2 系统总体设计

基于北斗短报文的测控系统应用拓扑及总体组成架构如图1所示。针对低轨航天器，通过对低轨航天器加装或搭载北斗短报文终端载荷，以北斗导航星座作为天基平台，依托北斗中高轨卫星对低轨目标全面覆盖，应用北斗短报文数据服务体制，实现基于北斗RDSS短报文通信模式的在轨测控通信。

本文重点研究北斗短报文在天基测控应用的业务流、数据流、帧结构设计和应用效能分析，北斗短报文通信内部机制不在文中赘述。

基于北斗短报文的测控业务流程基本与RDSS短报文通信流程一致，将地面对星的遥控信息作为通信前向，卫星对地面的遥测信息作为通信返向，均经过“地面/低轨卫星终端—北斗卫星—定位总站—北斗卫星—低轨卫星/地面终端”的信息双跳流程完成测控任务，具体业务流程如图2、图3所示。

图3 返向遥测业务流程图Fig.3 Backward link TM flow chart

3 短报文测控体制论证

针对低轨目标，通过在低轨航天器上搭载北斗短报文终端载荷，以北斗导航星座为天基平台，实现利用北斗RDSS短报文通信模式的在轨测控通信，该测控体制完全基于北斗RDSS短报文通信体制，仅需进行适应性修改移植当前测控信息格式即可满足在轨测控需求。

3.1 测控波束

基于北斗短报文的测控体制，其测控波束即北斗RDSS波束，测控波束以北斗卫星轨道类型为标识区分，分为高轨GEO波束、高轨倾斜地球同步轨道(IGSO)波束和中轨MEO波束。

高轨GEO波束和高轨IGSO波束主要覆盖星下点位于亚洲、亚太及澳洲范围，波束星下点覆盖E70°～E140°/N5°～N55°及E90°～E150°/N55°～S55°范围[6]；中轨MEO波束可实现除两极极点范围内的全球覆盖。

北斗卫星导航系统发展报告(3.0版)指出，截至2020年北斗系统将具备3颗GEO、3颗IGSO以及24颗MEO卫星具备区域及全球短报文服务能力，可提供全球化短报文信息服务[7]。

3.2 测控通信可行性

针对基于RDSS短报文进行测控通信的可行性研究，早在2010年遥感九号即搭载北斗用户机，文献[3]利用北斗卫星开展了北斗天基测控技术验证，得到了测控通信丢帧率为3.88%、传输时延小于1 s且遥控星地大环比对时延4.3 s的实验结果。文献[8]对北斗短报文通信传输时延做了概率分布研究，统计结果表明99%的传输时延集中在3～4 s区间内。

另外文献[9]根据天基通信场景特性，低轨卫星和北斗卫星的高低轨通信需要通过多普勒补偿、频率环路自适应等方法，对多普勒频偏、频率变化率指标进行严格控制，以实现北斗RDSS测控体制星载终端的天基链路互通。上述研究内容均充分验证了利用北斗RDSS短报文测控通信的技术可行性，为后续研究奠定了一定技术基础，同时降低丢包率、提高信道可靠性将是后续北斗短报文测控应用实现的研究重点。

3.3 数据流协议

根据北斗RDSS数据协议规定，北斗短报文通信固定入站数据速率8 kbit/s，出站数据速率16 kbit/s。北斗RDSS终端收发信息的频度与轨道类型有关。根据短报文通讯间隔权限设定，北斗GEO卫星采用区域短报文业务类型，最大数据速率为1 Hz频度(1次/s)；高轨IGSO和中轨MEO卫星均采用全球短报文业务类型为0.3 Hz频度(1次/3 s)，高低轨通用兼容的短报文电文帧长度为70 Byte，即560 bit[7]。

目前典型的测控数据流现状为：遥测速率2～16 kbit/s，遥测帧长度为64～256 Byte；遥控速率为1～2 kbit/s，遥控帧长度为4～32 Byte。据此规划出短报文应用于测控的数据流协议，如表1所示。

北斗短报文高轨波束最大可支持8 kbit/s数据速率的测控通信，低轨波束最大可支持2 kbit/s数据速率的测控通信，对于帧长度在70 Byte限制内的数据采用直接插入短报文方式实现，对于帧长度超过70 Byte的则以64 Byte为基本单元进行整数包分解后再行插入短报文。针对一般商业小卫星、立方星等，RDSS短报文测控体制(数据速率受限于2～8 kbit/s)可满足需求。

表1 短报文测控数据流设计表Table 1 Design table of data flow for short-message measurement and control

3.4 测控帧结构

为保证北斗短报文测控体制的适用性，采用兼容当前测控协议帧结构的方式实现，结合北斗RDSS短报文体制约束，对帧结构进行适应性移植，以符合国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的建议规范要求，契合卫星测控标准化发展趋势[10]。

3.4.1 遥控帧结构设计

遥控帧结构采用典型的直接离散指令格式，因遥控帧长度不超过北斗短报文70 Byte帧容量限制，通过直接插入短报文即可，具体如图4所示。其中，引导码、执行序列、结束序列均根据过往工程经验，完整移植现行体制，而指令码则须契合北斗RDSS短报文体制约束，指令长度要求控制在1～55 Byte，完全可满足传统指令码最大256 bit的长度需求。

图4 遥控指令帧格式Fig.4 Telecontrol instruction frame format

1)引导码

长度建议为24 bit，由同步字、地址字、方式字组成。

(1)同步字，长度8 bit，固定同步字码；

(2)地址字，长度8 bit，确定目标地址；

(3)方式字，长度8 bit，定义指令形式。

2)指令码

遥控信息序列组成，根据不同指令类型定义指令码字，长度16～440 bit。

3)执行序列

执行序列统一为1个执行图样，每个执行图样定义为16 bit。

(1)执行码字，长度8 bit，固定的执行码字；

(2)执行码字校验信息，长度8 bit，执行码字与引导码的相关校验值。

4)结束序列

长度为80 bit，内容为10个填充图样。

3.4.2 遥测帧结构设计

北斗短报文测控体制的遥测帧结构完全移植CCSDS遥测体制帧结构，由4种数据单元：信道接入数据单元(CADU)、虚拟信道数据单元(VCDU)、复用业务数据单元(MPDU)和源包数据单元(EPDU)组成，通过套嵌封装完成组帧，具体如图5所示。

图5 遥测数据帧格式Fig.5 Telemetry data frame format

因受北斗短报文70 Byte帧容量限制，对于遥测帧数据域提出设计约束，最大化短报文帧利用率，每帧的CADU数据域长度限定为64 Byte。其中VCDU通道头、校验码均完整移植现行体制，但要求MPDU尽量减少设计分包以提高数据利用率，以北斗短报文帧容量约束EPDU源包组包长度，控制在58 Byte之内。具体说明如下。

1)同步头

长度16～32 bit，同步字码。

2)数据域

包含EPDU、MPDU、VCDU套嵌封装，总长限制为64 Byte，即256 bit，其具体类型为：

(1)VCDU通道头，长度8～16 bit，每个虚拟信道单元的标识号；

(2)CRC校验，长度16 bit，数据域相关校验字；

(3)MPDU导头，长度16 bit，多路复用包封装标识号；

(4)EPDU源包，包长度16～464 bit，可根据业务类型自定义。

4 测控服务能力分析

根据上述系统设计及体制论证结论，对基于北斗短报文的测控服务能力进行综合分析，如表2所示。

表2 北斗短报文测控能力表Table 2 BeiDou short-message measurement and control capability table

上述分析表明，通过北斗卫星系统可以实现480 km以下低轨卫星的全球范围星下点实时测控覆盖，800 km以下的部分区域实时测控覆盖，800 km以上则可实现离散通信间断的准实时覆盖，基于北斗RDSS短报文的天基测控手段较地基测控效能大大提升。

针对北斗RDSS短报文数据速率2～8 kbit/s的体制硬性限制，可由卫星总体单位通过精简测控工程量参数项、优化测控超帧编排等方式进行改进。另外，可有效利用RDSS短报文波束对低轨目标的超长接入时效优势，采用多用户合并方法配置多张用户卡进行时分复用[9]，以量取胜而解决低速率硬伤，同时通过通信协议优化采用粘包分包数据通信机制进一步提高传输可靠性[11]，满足卫星日均在轨测控通信数据量需求。

5 结束语

本研究提出了一种基于北斗RDSS短报文的天基在轨测控方案，通过对北斗RDSS短报文测控体制的研究和测控服务能力理论分析，提出了完整的数据帧结构设计和格式约束，充分表明了以北斗导航星座为天基平台开展低轨卫星测控的技术可行性和适用性，证明该方法可实现对800 km以下高度低轨卫星的全球准实时测控覆盖，可以满足当前典型低轨卫星的在轨测控通信需求，为民商用小卫星测控提出了一条新的技术途径。仅以抛砖引玉，为后续进一步研究奠定一定技术基础，促进卫星在轨测控管理技术不断创新发展。