星座卫星在轨长期管理测控策略研究

高 括，刘会杰，刘 磊，杨杰峰，陈晓庆，潘小彤

(上海微小卫星工程中心 中国科学院微小卫星创新研究院,上海 201203)

0 引言

在物联网、移动互联网快速发展带动下，低轨卫星星座发展迎来一个崭新的发展高潮。以 L、S、VHF 等低频段为主的Iridrum星座、“全球星”(Globalstar)、“轨道通信”(Orbcomm)系统等传统的三大低轨移动通信星座已经完成升级换代；以 Ku、Ka频段甚至更高频段的新兴互联网星座计划呈现爆发式增长，美国一网公司OneWeb、美国太空探索技术公司SpaceX、低轨卫星公司LEOSat，加拿大电信卫星公司TeleSat等纷纷提出新兴互联网星座计划，国外典型低轨通信卫星星座计划发射卫星数量总和超过8 000颗[1]。

随着美国 Space X、One Web 等公司 “千星计划”的崛起，我国也积极构建自己的天基互联网系统，典型系统有中国航天科工集团的“虹云工程”卫星通信系统和中国航天科技集团的“鸿雁星座”卫星通信系统，其中“虹云工程”计划发射 156 颗卫星，在轨高度约为1 000 km，工作频段为Ka频段；“鸿雁星座”系统计划发射 300 颗卫星，一期将由 60 颗核心骨干卫星组成，工作频段为 L / Ka频段，以星间链路技术实现卫星空间组网，是一个能够连接卫星、飞机、船舶、车辆甚至个人的超级通信系统[2]。

世界各国典型低轨卫星星座的载荷工作频段、轨道高度以及卫星数量信息如表 1所示。如此庞大数量的卫星集中在500～1 400 km的轨道上，所有星座最终组网成功之后，众多卫星在此区域运行，犹如在地球近地轨道织就卫星网，星罗密布，相互交错，形成异常复杂的卫星星座运行场景，如表 1最后一列中的卫星在轨仿真场景所示。

1 卫星星座在轨长期管理面临的挑战

由于在轨卫星星座数量的逐年增多，卫星星座在轨测控长期管理面临诸多挑战：多站同时协同跟踪多目标在轨测控管理技术、地面站双站甚至多站跟踪切换技术、地面测控站和中继卫星形成天地一体测控联合管理等；未来随着卫星星座发展，在轨卫星在不远的将来可能会遇到以下情况：双站跟踪或者地面站和中继卫星同时跟踪相同测控扩频码的不同卫星；双站跟踪或者地面站和中继卫星同时跟踪相同测控扩频码相同测控频点的不同卫星等。在轨卫星的出现上述情况，地面测控系统如何应对？卫星测控中心长管如何处理这些新的状况？对测控系统提出了新的挑战。本文通过理论分析和地面概念星模拟验证，对星座卫星在轨长期管理可能出现的情况进行地面模拟，最后给出结论，为星座卫星在轨长期管理提供参考。

表1 典型低轨卫星星座轨道及卫星数量

2 地面模拟星座卫星在轨运行场景

星座卫星目前常用的测控体制为扩频体制[7-8]，在进行地面模拟验证试验过程中，采用两颗扩频体制模拟卫星进行试验；两套地面测控综合测试设备分别模拟两个地面测控站或者一台模拟地面测控站一台模拟中继卫星；通过调节上行链路可调衰减器模拟调节地面测控站或者中继卫星EIRP，通过调节下行链路可调衰减器模拟控制不同地面站接收到的下行信号强度。

场景一：地面测控站和中继卫星同时跟踪星座中的一颗卫星。

地面测控站和中继卫星同时跟踪星座中的一颗卫星场景如图 1所示，根据卫星的测控频点和扩频码组选用情况，该场景可以细化以下四种情形：

1)星座卫星中的对地测控和中继测控采用相同频点相同扩频码组设计，即“同频同码”的天地一体化测控体制；

2)星座卫星中的对地测控和中继测控使用相同的测控扩频码组、不同频点；

3)星座卫星中的对地测控和中继测控使用相同频点、不同的测控扩频码组；

4)星座卫星中的对地测控和中继测控使用不同的频点、不同的测控扩频码组。

对于情形2)～4)三种情行，卫星的对地测控链路和中继测控链路可以通过码分或者频分进行区分开，拥有两个相对独立的测控链路，类似于两颗不同的在轨卫星，这三种情形与场景三类似，将在后边进行统一阐述并试验验证在轨长期管理的方法。

对于情形1)，如果卫星在地面测控站跟踪弧段内，没有必要再调用中继链路资源进行跟踪。这种情形主要是模拟验证在轨卫星中继跟踪弧段相对地面测控站较长，如果中继测控跟踪过程尚未结束，此时卫星已经进入地面测控站弧段，并且地面测控站也发送上行信号同时发送上行遥控指令，此时该卫星是如何响应？并通过地面试验验证，给出星座卫星在轨出现这种情形时的长管应对策略。

图1 地面测控站和中继卫星同时跟踪星座中一颗卫星场景

理论分析：卫星测控体制为同频同码的天地一体化测控体制，不管是中继卫星发送的测控上行信号还是地面测控站发送的测控上行信号均是相同的扩频信号，两种信号时延不同，信号强度不同。如果是卫星先经过中继弧段(测控应答机先锁定中继信号)，尚未停止发送中继上行信号时地面测控站也发送上行信号，此时的地面站发送的上行信号对于该卫星测控应答机来说可以看成是一种干扰信号。假设该卫星的抗干扰能力为Crd(dB)测控应答机接收到的地面发送的上行信号强度为Eg(dBm)，测控应答机接收到中继卫星发出的上行信号的强度为Ez(dBm)，那么：

1)如果Eg>Ez+Crd，此时相当于干扰信号过强，超过了卫星的抗干扰能力，则卫星测控应答机重新锁定地面发送的上行信号，如果此时中继链路和地面测控站同时发送上行遥控指令，卫星执行地面测控站发送的遥控指令，中继链路通道的遥控指令不会被执行。此种情形在卫星干扰领域应用较为广泛；

2)如果Eg≤Ez+Crd，此时由于干扰信号强度没有超过卫星的抗干扰能力，测控应答机始终锁定原来的中继链路发送的上行信号，如果此时中继链路和地面测控站同时发送上行遥控指令，卫星执行中继链路通道的遥控指令，地面测控站发送的遥控指令不会被执行。

试验验证：验证试验在微波暗室中进行，试验连接框图如图 2所示。概念星A配置扩频测控体制，支持对地测控和中继测控两种模式；中继卫星测控转发终端用测控综合地检设备A模拟，测控收发共用天线A模拟中继卫星测控天线；地面测控站用测控综合地检设备B模拟，测控收发共用天线B模拟地面测控站测控天线。测控前端A和B分别用于发送中继遥控指令、接收中继遥测数据和发送地面测控站遥控指令、接收对地遥测数据。

图2 双站跟踪星座中一颗卫星试验框图

模拟在轨星座场景：星座卫星轨道高度为800 km，卫星扩频抗干扰能力为18 dB，中继卫星选天链1代卫星，分别模拟地面测控站常用的天线为3 m和10 m两种应用情形。通过链路计算，当地面测控站选择3 m天线时，卫星应答机接收来自地面测控站发出的上行信号时接收机入口电平约-132.5 dBW，卫星应答机接收来自中继卫星发出的上行信号时接收机入口电平约-149 dBW，两个链路接收到的信号强度相差16.5 dB，此时两条链路接收到的信号差在卫星抗干扰能力内；当地面测控站选择10 m天线时，卫星应答机接收来自地面测控站发出的上行信号时接收机入口电平约-122.1 dBW，卫星应答机接收来自中继卫星发出的上行信号时接收机入口电平约-149 dBW，两个链路接收到的信号强度相差27 dB，此时两条链路接收到的信号差超过了卫星抗干扰能力。卫星和中继卫星相关参数如表2所示[4-6]。

应用情形一。

表2 模拟在轨卫星相关参数

信号标定：通过调节图 2测控综合地检设备A通道的上行可调衰减器，将概念星测控接收机入口处用频谱仪标定上行信号强度为-149 dBW，用于模拟在轨中继发送的上行信号；通过调节图 2测控综合地检设备B通道的上行可调衰减器，将概念星测控接收机入口处用频谱仪标定上行信号强度为-132.5 dBW，用于模拟地面站3 m测控天线发送的上行信号。信号标定结束后，停止发送两路上行信号，卫星恢复试验状态。

在轨长管模拟：发送测控综合地检设备A通道的上行信号，卫星正常接收到A通道遥控指令，测控前端A接收到卫星遥测数据；状态稳定之后，加载测控综合地检设备B通道的上行信号，配置参数和A通道完全相同；此时星上状态显示正常锁定，测控前端A和测控前端B两个通道的下行遥测均能够正常接收；通过测控前端A和测控综合地检设备A发送遥控指令，卫星正常接收到遥控指令并成功执行；通过测控前端B和测控综合地检设备B发送遥控指令，卫星未接收到遥控指令。

调整中继卫星和地面站跟踪顺序，首先加载测控综合地检B上行信号(模拟地面测控站)，卫星状态稳定后发送测控综合地检A的上行信号(模拟中继卫星发出的上行信号)。此时卫星未收到通道A遥控指令，正常接收并正确执行通道B遥控指令。

应用情形二。

信号标定：测控综合地检设备A用于模拟中继卫星上行通道，在应用情形一中已经标定完成；通过调节图 2测控综合地检设备B通道的上行可调衰减器，将概念星测控接收机入口处用频谱仪标定上行信号强度为-122 dBW，用于模拟地面站10 m测控天线发送的上行信号。信号标定结束后，停止发送两路上行信号，卫星恢复试验状态。

在轨长管模拟：发送测控综合地检设备A通道的上行信号，卫星正常接收到A通道遥控指令，测控前端A接收到卫星遥测数据；状态稳定之后，加载测控综合地检设备B通道的上行信号，配置参数和A通道完全相同；此时星上状态显示失锁然后恢复锁定，测控前端A和测控前端B两个通道的下行遥测均能够正常接收；通过测控前端A和测控综合地检设备A发送遥控指令，卫星未接收到遥控指令；通过测控前端B和测控综合地检设备B发送遥控指令，卫星正常接收到遥控指令并成功执行。

调整中继卫星和地面站跟踪顺序，首先加载测控综合地检B上行信号(模拟地面测控站)，卫星状态稳定后发送测控综合地检A的上行信号(模拟中继卫星发出的上行信号)。此时卫星未收到通道A遥控指令，正常接收并正确执行通道B遥控指令。

场景二：地面测控站双站跟踪星座中的一颗卫星。

地面测控站双站接力跟踪星座中的一颗卫星的应用场景如图 3所示，地面测控站喀什站厦门站接力跟踪星座卫星中的一颗卫星A。该场景与场景一类似，涉及在轨卫星双站跟踪问题，区别是该场景测控双站均是地面测控站，两个站发送的上行信号到卫星测控应答机接收机的入口电平相差没有场景一大。地面模拟和场景一相同，如图 2所示。理论分析和星座模拟场景除了中继链路用地面测控站替换其他条件设置和场景一相同。

图3 地面测控站双站接力跟踪星座卫星中的一颗卫星场景

地面模拟试验：如图 2所示，通道A发送上行信号，卫星状态稳定后，发送通道B遥控上行信号，1 dB每档逐步减小通道A上行信号强度，同时1 dB每档增加通道B上行信号强度，模拟在轨卫星双站跟踪情况，每调节一档发送上行遥控指令并观察卫星遥测状态，直至通道A和通道B发送的上行信号强度相差超过卫星的抗干扰能力(18 dB)。

试验结果：当通道A和通道B给出的上行信号强度相差在18 dB以内时，卫星正常执行通道A遥控指令，通道B的遥控指令不会被执行；当通道A和通道B给出的上行信号强度相差超过18 dB时，卫星测控应答机上行锁定状态显示失锁后重新锁定，重新锁定后卫星正常执行通道B遥控指令，通道A的遥控指令不会再被执行。试验结果与前面理论分析一致。

场景三：地面测控站双站跟踪星座中的两颗卫星。

地面两个测控站均能够同时覆盖卫星星座中的两颗不同卫星，在轨运行场景如图 4所示。该场景可以分为两种情况：卫星星座中扩频码复用的两颗卫星(这两颗卫星测控扩频码和频点完全相同，通过卫星标识字区分)和扩频码或者频点不同的两颗卫星两种。对于第二种情况，属于比较常见的测控站覆盖两颗完全不同的卫星，是当前卫星在轨长管经常遇到的情况，应对方法和策略比较成熟，这里就不再分析。重点分析并试验验证第一种情况的在轨长管应对策略。

图4 地面测控站双站跟踪星座中的两颗卫星场景

场景分析：假设地面测控站喀什站和厦门站同时覆盖天地一体化扩频体制卫星星座中的卫星A和卫星C，并且卫星A以喀什站为测控主站进行测控跟踪，卫星C以厦门站为测控主站进行测控跟踪；由于卫星首先进入喀什站测控弧段，喀什站发送上行信号，此时卫星A和卫星C均锁定喀什站的上行信号，当两颗卫星均进入厦门站弧段且还在喀什站测控弧段内，喀什站上行信号发送的同时厦门站也发送和喀什站同频同码的上行信号，此时卫星长管人员如何应对？根据测站跟踪计划，卫星C应该是厦门站主站，但是此时卫星C的扩频应答机还是锁定在喀什站的上行信号，此时喀什站和厦门站分别发送卫星A和卫星C的遥控指令，两颗卫星如何响应？这些将在此场景下进行分析并试验验证。

试验验证：验证试验在微波暗室中进行，试验连接框图如图 5所示。概念星A配置扩频测控体制，概念星B配置和概念星A同频同码的测控体制，两颗卫星的区别只是航天器标识字不同，两颗概念星模拟在轨星座中同频同码的两颗卫星；喀什站用测控综合地检设备A模拟；厦门站用测控综合地检设备B模拟。测控前端A和B分别用于发送中继遥控指令、接收中继遥测数据和发送地面测控站遥控指令、接收对地遥测数据。

试验步骤：

1)概念星A和B同时加电，测控综合地检设备A发送上行遥控信号，两颗卫星均锁定A通道上行遥控信号，通过星务前端监视概念星A和B的地测数据，发送概念星A的遥控指令，概念星A收到遥控指令并成功执行，概念星B显示收到错误帧计数增加1；

2)测控综合地检设备B发送和A通道相同的上行信号，测控前端A和测控前端B分别发送卫星A和卫星B的遥控指令，地测显示概念星A收到遥控指令并成功执行，概念星B显示收到错误帧计数增加1；

3)取消加载测控综合地检A的上行信号，通过测控前端B发送概念星B的遥控指令，地测结果显示地测显示概念星B收到遥控指令并成功执行，概念星A显示收到错误帧计数增加1；

4)在步骤3)基础上重新加载通道A上行信号，通过测控前端A和测控前端B分别发送卫星A和卫星B的遥控指令，地测显示概念星B收到遥控指令并成功执行，概念星A显示收到错误帧计数增加1；

5)增加通道A上行信号强度，直至超过通道B信号强度18dB以上，两颗卫星都会失锁后又重新锁定，此时再次发送两颗卫星遥控指令，卫星A正确执行，卫星B错误帧计数增加1。

图5 地面测控站双站跟踪星座中的两颗卫星地面试验验证框图

3 结束语

从第2章的三种在轨模拟场景试验结果得出结论：对于扩频体制卫星，卫星测控应答机锁定上行信号后，其他信号对于该卫星均是干扰信号，干扰信号在卫星抗干扰能力范围内时，均不能够改变应答机锁定状态，除非人工干预或者干扰信号强度超过卫星抗干扰能力。

星座卫星在轨长期管理过程中的双站跟踪：目前西安卫星测控中心在进行双站跟踪时的策略是前站跟踪结束后停止发送上行信号，再发送后站上行信号，此方法在默认测控主站发送上行遥控指令情况下是最优最稳妥的方法，代价就是换站过程会消耗部分时间，当然这对卫星的可靠遥控是值得的。

同频同码的两颗不同卫星同时入境的情况：如果卫星星座出现同频同码的不同卫星同时入境的情况，测控站可以通过串行遥控方式控制两颗卫星，如果是两套不同测控设备跟踪这两颗卫星，应首先发送一颗卫星上行信号并发送遥控指令，结束一颗任务后去掉该星上行信号并发送另外一颗上行遥控信号；如果是单套测控设备跟踪这两颗卫星，需要加工两颗卫星遥控指令，分别发送即可达到遥控两颗卫星的目的。

随着卫星星座的不断增多，分析卫星数量的增多可能为卫星在轨长期管理带来的问题与挑战，本文通过理论分析并结合地面模拟试验验证卫星在轨运行场景，给出星座卫星在轨长期管理的应对策略，为卫星测控中心和从事航天事业的同行提供参考。