低轨星座系统测运控技术与管理研究

杨学猛，赵 悦，李 娟，姚发海

(中国卫通集团股份有限公司，北京 100094)

0 引言

全球导航、通信以及遥感等一些卫星应用任务，需要多颗卫星按照一定规则和形状组网，使地球上任意地区在任意时刻都能被系统中至少一颗卫星覆盖。星座构型是以卫星轨道为基础，反映星座中卫星的布局，影响网络覆盖区域、网络时延以及系统成本等[1]。作为一个庞大的空间系统，对于不同任务需求在组网卫星数量、星座构型、网络设计、卫星平台及载荷设计方面的需求均不相同，因此在低轨星座设计时，在满足航天任务需求的前提下，还要对成本、风险及性能等方面进行优化，从而最大限度降低航天任务的风险及成本。

近年来，随着商业航天兴起和低轨星座第二次投资热潮，大部分热点集中在卫星平台研制、火箭发射和通/导/遥业务运营上，对低轨星座长期测运控管理关注度尚不够高。本文通过对典型低轨遥感星座系统的测运控管理业务流程进行梳理，对低轨星座测运控管理特点、自动化技术和地面测控系统方案进行了探讨，提出了一种可行的低轨星座测运控系统方案。

1 低轨遥感星座特点

遥感卫星通过星载传感器接收来自地球表层和大气的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而得到目标的物理特性及变化规律。

低轨遥感卫星主要分为光学卫星、SAR卫星(合成孔径雷达)、气象卫星和海洋卫星。

针对遥感卫星的应用场景，低轨卫星具有星地距离短、时延短、能够周期性重复对同一地区进行观测、通过组网实现全球覆盖等优势。由于高分辨率光学遥感卫星具有极高的商业价值，国际上各主要航天公司均采用“军、民、商”结合的模式陆续研制并发射了多种类型的高分遥感卫星，有力地推动了高分辨率遥感卫星的发展。

1.1 卫星基本参数

遥感卫星平台包括结构与机构分系统、综合电子分系统、姿控分系统、测控分系统、数传分系统、相机分系统、热控分系统、电源分系统以及总体电路分系统共9个分系统组成。卫星构型采用星载一体化构型，各星之间无星间链路。各分系统组成及主要功能如下[2]：

① 一体化整星结构采用主承力结构与夹层仪器设备安装板组合的总体方案，围绕星载一体化设计目标，实现载荷及平台的一体化设计。

② 综合电子分系统负责整星在轨运行阶段的任务管理、姿态控制、遥测遥控、热控、电源以及载荷的控制与数据采集等工作。

③ 姿控分系统负责实现高精度、高可靠的姿态测量与控制。日常在轨运行期间，采用对日定向模式；成像和数传时采用对地定向模式，具有姿态机动控制能力，以适应不同任务的多种工作模式，可通过侧摆和快速机动扩大对地成像范围和成像模式，满足相机高分辨率成像要求。

④ 测控分系统采用测控数传一体化设计，具有标准TTC、非相干扩频、测控数传一体化测控功能及数据接收能力，具备多频段分时测控工作能力，辅以GPS定轨，能够满足遥测遥控以及高精度轨道测量要求。

⑤ 数传分系统包括数据处理器和数传通道两部分。数传通道采用双机双通道工作模式，也可只用单通道工作，数传分系统可实现准实时数传或延时数传。

⑥ 相机分系统采用同轴偏视场光学系统，具备高速高信噪比图像信号处理核心技术。

⑦ 热控分系统采用以被动热控为主、主动热控为辅的设计方式，能够满足光学相机、锂离子蓄电池的热控制以及整星在复杂运行工况下的热控需求。

⑧ 电源分系统采用三界砷化镓太阳电池与星载蓄电池联合供电方式，通过功率控制单元(PCU)在轨运行期间为整星提供能量，实现整星能量平衡。

⑨ 总体电路分系统采用集中式供配电方式，负责完成整星设备的供配电及星上火工品控制。其系统功能主要向整星提供总线一次电源，各设备所需的二次电源均通过各自的DC/DC模块变换产生。

1.2 典型轨道

遥感卫星常采用以下几种典型轨道[3]。

1.2.1 太阳同步轨道

太阳同步轨道是指航天器轨道面转动角速度与地球公转角速度相同的轨道，即航天器轨道面转动方向和周期与地球公转的方向和周期相同，卫星轨道平面的进动角速度每天东进0.985 6°，卫星经过赤道的地方时间不变。此类轨道特别适用于低轨对地遥感卫星，主要优点是卫星太阳照射角、太阳能源接收量、同纬度星下点的地方平太阳时、同纬度星下点照度以及地影时间等重要技术参数的周年变化最小。

1.2.2 回归轨道

回归轨道是指卫星星下点轨迹表现出周期性重复的轨道，重复出现的周期称为回归周期。卫星定期出现在以前经过的地区上空，可以对地球表面同一区域在每个回归周期内进行反复观测，比较地面目标的变化。这样就有可能了解地面，诸如工程建设进展、特殊调动、农作物生长以及自然灾害的形成过程等信息，对各个领域都有十分重要的意义。

1.3 星座构型

以12颗低轨卫星组网的遥感星座为例，星座构型采用太阳同步准回归轨道，轨道倾角为97.98°，每41太阳日绕地球转604圈[2]，各卫星之间无星间链路连接，具体轨道参数如表1所示。

表1 轨道参数Tab.1 Orbit elements

对于一个拥有12颗遥感卫星的星座，可将其分为4个轨道面，每个轨道面3颗卫星。每颗星都采用太阳同步的近圆轨道(即偏心率e≈0)，考虑到需要全球覆盖半长轴为7 029 km左右，从而可以计算出其轨道倾角为97.979 7°，轨道周期为97.56 min，每天运行圈数约为14.73圈，每个轨道面的升交点赤经相差45°，每个轨道面的3颗卫星真近点角相差120°，为防止各星在交汇点碰撞，每个真近点角相近的卫星设置了20°的隔离。

1.4 遥感卫星工作阶段

遥感卫星从发射到在轨结束任务共经历箭上及发射、初始入轨、整星在轨测试以及整星业务运营4个工作阶段[4]。

箭上及发射阶段卫星接通电源，当运载火箭达到预定轨道后，启动星箭分离程序，卫星转入初始入轨阶段。

初始入轨阶段由中心计算机自主进行帆板展开以及姿态控制，地面对卫星遥测状态进行监测，中心计算机自主给GPS和星敏加电，进行整星速率阻尼，将卫星三轴角速度控制在0.3°/s以下后，卫星开始进行太阳捕获。太阳捕获完成后执行相机热控加热等操作，卫星转入对日三轴稳定模式，建立正常工作姿态，进入整星在轨测试阶段。

整星在轨测试阶段主要对卫星载荷性能进行测试，获取拍照图像并监测卫星各分系统遥测，确认各分系统工作及性能指标正常。当卫星进入测控弧段时，根据需要对卫星发送常规工作指令，对卫星的长期在轨工作状态及参数进行设置。在轨测试完成后，卫星各分系统状态正常，初始设置完成后，整星进入正常业务运营阶段。

整星业务运营阶段地面测控系统对卫星重要状态进行检测，并记录遥测数据，通过远程终端提供卫星遥测参数，按期提供遥测数据文件，通报卫星运行状态，运控系统按应用系统提出的任务需求上注任务表，获取并下传高分辨图像，期间通过整星姿态调整实现对日/对地姿态建立。在成像任务期间卫星由任务表中提取拍照时间等参数，拍照任务由综合电子分系统指令驱动，完成载荷相关设备的加断电、启动以及关机等操作。在数传任务期间卫星由任务表中提取数传时间等参数，拍照任务由综合电子分系统指令驱动，完成数传固存压缩机编码设备的加断电、固态放大器及调制设备的加断电、控制固存回放等操作。

1.5 遥感卫星工作模式

根据卫星运行工作阶段，遥感卫星设计有10种工作模式，但同一时刻只能工作在以下一种工作模式中[4]：

(1) 箭上及发射模式

该模式下，卫星不进行任何控制，载荷及大功率单机部件关机，中心计算机监控加电单机状态，并检测星箭分离状态。

(2) 初始入轨模式

当中心计算机检测到星箭分离信号后，卫星进入初始入轨工作模式。在该模式下，中心计算机为必要单机部件加电，顺序进行速率阻尼、对日捕获、对日定向以及对日三轴姿态稳定工作模式控制。

(3) 在轨飞行模式

该模式下，卫星维持对日三轴控制，等待地面注入任务，当卫星接收注入的任务指令或任务表中任务就绪时，结束在轨飞行模式，进行相关任务模式。

(4) 照相任务模式

该模式下，卫星进入对地照相姿态定向、相机、数传开机，相机按照任务规划执行照相工作，数传系统存储图像。照相任务结束后，相机与数传关机，卫星转入对日三轴稳定姿态，回到在轨飞行模式。照相任务模式又分为常规照相模式、立体照相模式和条带拼接照相模式。

(5) 数传任务模式

该模式下，卫星进入对地数传姿态定向、数传开机，按照任务规划将存储的图像下传到地面。任务结束后，数传关机，卫星转入对日三轴稳定姿态，回到在轨飞行模式。

(6) 准实时数传任务模式

当卫星在照相模式结束后立即执行数传任务模式，进入准实时数传任务工作模式。在该模式下，卫星正常执行照相任务，任务结束后相机关机、数传保持开机状态，继续执行数传任务。任务结束后，数传关机，卫星转入对日三轴稳定姿态，回到在轨飞行模式。

(7) 多点拍照模式

当卫星在照相模式结束后需再次执行拍照任务，进入多点拍照工作模式。在该模式下，卫星正常执行照相任务，任务结束后保持相机、数传开机状态，继续执行下次照相任务。所有照相任务结束后，相机与数传关机，卫星转入对日三轴稳定姿态，回到在轨飞行模式。

(8) 轨道调整模式

该模式下，卫星通过轨道高度调整和倾角调整来实现星下点轨迹调整、降交点地方时保持、轨道倾角调整等。当卫星在轨飞行模式接收到轨道调整任务就绪后，卫星进入轨道调整模式，执行注入指令，启动星上轨控推力器完成对轨道衰减的补偿或星座相位差的调整。轨道调整模式包括升轨模式、降轨模式及相位差调整模式。

(9) 存储器擦除模式

该模式下，地面可根据星上固存状态实施存储器擦除操作，释放存储空间，便于后续存储新获取的高分辨率图像数据。

(10) 安全模式

当卫星姿态严重超差或电源不足时卫星将进入安全模式，在该模式下，卫星开始重新对日捕获，建立对日定向三轴稳定姿态。星上不再执行其他任务，中心计算机关闭大功率负载，在安全模式下只能通过地面注入指令并解除故障后才能切换到正常工作模式。

2 卫星在轨测运控管理

低轨卫星的测控原理与高轨卫星相同，但由于其轨道周期短，速度快，对于地面测控站不是实时可见，因此针对低轨卫星的测运控管理方式与地球同步轨道卫星有较大的区别。首先，由于其对于地面站不是一直可见，这就要求星上具有较高的自主能力，包括轨道测量、轨道确定、轨道调整、工作模式转换、卫星平台及载荷操作以及故障检测、隔离及恢复等；其次，由于低轨星座涉及多颗卫星及多个地面站协同工作，因此低轨星座测运控管理需要一套功能强大的任务调度软件，基于卫星的可见弧段及任务需求，实现资源的最优分配及调度。

2.1 轨道管理

遥感卫星运行在轨道高度约650 km的太阳同步轨道上。这类轨道的特点是太阳入射角变化较小，光照条件稳定，其与高轨卫星最明显的区别就是运行速度快，周期短，运行圈数多，轨道经过两极，卫星大部分时间在境外，相对于有限地面站布局来说不是实时可见。

在卫星运行中，卫星半长轴受大气阻力影响而衰减，同时造成卫星星下点轨迹发生漂移，当累积漂移超过一定范围，其轨道的重访特性将无法满足任务需求。通常卫星任务将给出轨道漂移的边界范围，当轨道漂出该范围之前执行轨道调整机动，改变轨道的半长轴，使轨迹开始向反方向漂移，理想情况下，半长轴的偏置调整量计算公式[5]如下：

在理想情况下，卫星在东边界进行升轨机动后，轨迹开始向西漂移，当轨迹正好漂至西边界时半长轴衰减至标称值，轨迹转而开始向东漂移，在这种情况下，轨迹从东到西的时间计算公式[4]如下：

通过上述公式能够计算出理想情况下对于太阳同步准回归轨道的机动量以及机动时间，但由于低轨卫星受大气密度影响较大，而大气密度与太阳活动密切相关，在轨道计算中对于大气密度的模型与实际情况相差较大，因此在实际轨道计算中，需要根据实际定轨情况及时增减机动或调整轨道机动时间。

针对低轨星座，要考虑星座构型的保持，若星座构型发生变化，其卫星编队飞行时序将被改变，若星间相位偏差超过一定范围，将会影响星座间相互补偿、载荷协同工作以及图像拼接等任务的正常进行。卫星相位差发生变化时，其影响体现在星下点轨道间距上。对于卫星星座相位的调整，可通过改变轨道半长轴，将卫星相位逐渐拉开，待相位达到要求后，再将半长轴调整回与轨道面内其他卫星相等，实现星座相位的调整。

2.2 电源管理

运行在太阳同步轨道上的卫星每天绕地球运行多圈，这就导致了卫星每天多次进出星蚀，地球同步轨道卫星每年进出星蚀次数约为90次，而太阳同步轨道卫星每年进出星蚀次数则多达5 500次。相同寿命条件下，卫星蓄电池充放电循环次数要比地球同步轨道卫星多出约60倍，势必导致卫星蓄电池性能衰减速度和故障率要远远高于地球同步轨道卫星。此外，由于低轨卫星轨道高度低，受地球辐射带和太阳耀斑影响，特别是地球辐射带的影响远大于地球同步轨道卫星，加剧了太阳帆板的性能下降趋势。在这种情况下，一方面在卫星能源系统的设计上要采用一定的技术手段和提高材料性能来加以克服及防护，根据卫星的任务需求及负载需求，综合考虑星上电池配置，合理控制蓄电池的在轨放电深度。另一方面，对卫星的在轨管理也要做如下考虑：

首先，蓄电池性能及寿命与温度压力密切相关，在轨管理需密切关注电池的温度及压力，电池温度和压力均不能过高，若发现电池压力偏高，通过调整充电电流来有效降低电池压力，电池温度则可以通过设置合理的加热器开关阈值来对蓄电池温度进行控制，确保其工作在合适的温度范围内。其次，放电深度对于电池的寿命影响也十分显著，当电池放电深度越大，其循环次数越少，因此当蓄电池在轨性能衰减超过预期，在满足任务需求的前提下，可采用降低星上负载功耗来降低电池放电深度[6]。

2.3 热控管理

低轨卫星每天运行圈数多，多次进入星蚀，冷热交替频繁，对于星上设备性能及寿命均有较大影响，因此低轨卫星在热控管理方面显得尤为重要。星上热控管理主要依赖星上自主机制控制，在轨管理地面需重点监视各重要部件的温度，特别是高分相机成像对于温度要求较高，当温度趋势发生变化，要及时调整加热器控制阈值，确保部件工作在其性能指标范围内。

2.4 姿轨控管理

遥感卫星由于任务需求，需要频繁变换姿态完成对地或对日的姿态建立。主要的测量器件为陀螺和星敏，执行器件为磁力矩器、反作用飞轮和推力器，由于地面对于卫星不能实时可见，导致姿轨控分系统在进行姿态调整时无法实时监视，因此在有遥测回传的条件下，要对姿态分系统各重要部件的状态进行检查、对姿态调整操作的执行情况进行确认，评估姿态调整参数是否能够满足任务需求，对轨道数据进行处理，计算得到卫星当前轨道，从而更好地管理卫星姿态，提高卫星执行任务的准确性。

2.5 测控管理

测控及运控管理是遥感卫星与地球同步轨道区别最大的部分，地球同步轨道卫星相对于地面观测者为24小时可见，遥测实时可见，随时可对卫星进行上行指令控制，测控具有实时性。而对于低轨卫星，每天运行14～15圈，单个测控站可见圈次为3～6圈，每圈的可见时间最长只有十几分钟，因此对于测控管理而言，提前做好任务计划，配合合理的任务调度策略，在卫星过境时由任务调度软件驱动及时上注卫星指令链，并下传遥测数据，通过高度自动化、智能化的遥测判读软件完成对卫星状态迅速判读，确认之前上注指令星上的执行情况，以及卫星各分系统重点设备状态及工作情况。

遥感卫星应急管理主要依赖星上设计的FDIR机制进行自主检测、隔离及恢复。如果发现卫星出现故障或潜在的危险，软件自动完成故障诊断并给出恢复方式，为避免时间不足情况下误判率增加，从管理上要求对于星上故障在发现故障的圈次不进行恢复操作，在下一圈次优先跟踪故障卫星，当卫星再次可见时，再对故障进行处理及后续恢复。

2.6 运控管理

低轨遥感卫星的管理可与地球同步轨道的载荷操作相对应，但地球同步轨道通信卫星的载荷操作相对较少，基本只涉及调整增益档、设置射频静噪开关状态、设置行波管工作模式以及波束切换等，且载荷操作较为单纯，一般不涉及其他分系统。而对于遥感星座，运控主要是根据用户任务需求，拍摄指定时间与地点的高分辨率卫星遥感图像，并将图像数据通过数传通道传回至地面站，地面站将图像通过专门的设备进行解码处理后发送给用户，或不进行处理直接将原始数据发送给用户。卫星管理软件根据卫星轨道计算拍摄任务的时间和位置，并将拍摄时间和位置转化为卫星上注指令参数，然后发送至任务调度模块，在卫星进入可见弧段完成建链工作后，任务调度软件将运控指令参数通过遥测遥控通道上传至星上中心计算机，由中心计算机根据指定时间或地点，提前通过反作用飞轮以及磁力矩器将卫星工作模式设置为拍照模式或数传模式，当到达指定时间或地面时，中心计算机自动发出指令完成拍照或数传操作。

3 地面测运控系统方案设计

低轨卫星测控系统与传统地球同步轨道通信卫星地面测控系统在链路构成方面基本相似，均由天伺馈分系统、射频系统、中频基带分系统、计算机网络以及地面测控和监控软件组成，但基于低轨卫星轨道运行特点、平台特点以及任务特点，与地球同步轨道卫星地面测控系统相比，主要有如下特点：

① 由于卫星运行速度快，可见时间短，要求地面天线具有较强的跟踪能力及高速转动能力，方位角具有0°～360°转动能力，俯仰轴具备0°～180°指向能力，天线在卫星过顶时无盲区，需具备当仰角较低情况下的快速捕获及跟踪能力；

② 测控频段以S频段及X频段为主，数传频段以X频段为主，此外，由于S频段使用受限，民商业测控主要采用X频段；

③ 低轨星座由多颗卫星组成，针对不同卫星可见弧段的不同，特别是多颗卫星同时进入地面站可见弧段时地面资源的合理分配等，地面测控系统必须具有强大而灵活的任务规划及资源调度功能；

④ 针对不同任务的低轨星座，地面需根据任务特点设计数传地面设备用于遥感数据的接收、处理及分发。

3.1 站网布局

基于低轨星座轨道周期短、速度快、周期性回归、轨道面经过两极以及全球覆盖等运行设计要求，为使低轨星座测控系统对星可见弧段尽量长、可见节点尽量多，从而使低轨星座测运控管理更加灵活可控，低轨星座测控站网布局主要依据以下几点：

① 以国内为基础，建立大三角构型布局，在条件许可的情况下，三角形的迹线越长越好；

② 在两极地区设立测控站作为能力增长点；

③ 全球布局，做到南北半球及东西半球尽量平衡，进一步提高覆盖率。

3.2 地面系统架构

基于前述分析结论，在怀来、都江堰以及喀什分别建设一套地面系统，采用测运控一体化设计，上行采用6 MHz天线搭配100 W功放，下行采用6 MHz天线搭配50 dB场放，单站系统由天伺馈分系统、射频分系统、基带分系统、计算机与网络分系统及监控分系统组成，单站系统组成如图1所示。

图1 单站系统组成Fig.1 Composition of single station

本系统中，计算机系统以虚拟化方式部署，系统使用4台物理虚拟机服务器，实现数据处理、数据存储、任务调度及设备监控等功能。站内双网设计，租用地面通信线路实现站间数据通信。

3.3 测控中心软件

测控中心系统按功能模块可分为10个模块：权限管理、遥测遥控处理、在轨操作、任务规划、监视报警、碰撞规避、载荷管理、卫星轨道演示系统、运行状态监控和数据管理。

(1) 权限管理

具备用户和授权管理功能，通过权限控制和授权机制，对不同角色的用户行为进行控制，以保护系统和卫星的安全。

(2) 遥测遥控处理

遥测遥控模块是平台软件和硬件设备的界面层，负责获取卫星测控链路路由信息，建立卫星上下行链路连接，进行遥测数据接收处理，以及遥控指令的编码和发送。可对大量卫星同时进行遥测处理任务，并可适应不同可见时间段卫星的遥测数据接收与指令上注。

(3) 在轨操作

支持用户通过在轨操作控制卫星开展卫星管理业务。平台通过对卫星控制操作进行分解，在轨操作应提供顶层用户任务规划、常规测控操作程序定制、载荷应用操作程序定制、操作程序验证、操作程序实例化、操作程序人工执行、操作程序调度执行和遥控指令转码等主要功能，一方面支撑研制单位制作与验证卫星在轨操作程序模板，另一方面支撑用户的在轨管理、业务规划与实施业务。

(4) 任务规划

任务调度模块由任务计划模块和任务执行模块两部分组成。任务计划模块收集可见弧段预报、轨道事件预报、操作计划及数据拍照等需求，并将测运控管理计划和任务优先级等发送至资源调度软件；资源调度软件将任务执行计划与标志位等信息发送至任务执行模块，由任务执行模块负责操作任务计划和测距任务的分发与监视。

(5) 监视报警

对在轨卫星和测控平台自身的运行情况相关信息进行状态判读和报警，并提供进行在轨卫星日常监视所需的数据显示、数据回放、数据检索与分析、报警信息显示与响应等功能。

(6) 轨道计算

轨道计算模块具备轨道确定、轨道预报、轨道控制与修正以及碰撞风险预警与规避功能。测控平台具备低轨卫星星队碰撞规避功能，能够通过对卫星运行轨道的测量与计算，对卫星的轨道进行预报，在完成轨道预报后根据结果进行相应的轨道修正。

(7) 载荷管理

载荷管理功能根据用户提出载荷操作的申请，申请内容包括拍照时间、拍照位置、数传、相机存储擦除等相关载荷运控需求。向任务规划模块提交载荷测运控初步计划，根据任务执行模块下发的任务执行计划执行数传数据的接收、处理及分析，将数据分发至最终用户，在数传数据接收完毕后，反馈给任务执行模块任务完成标志位。

(8) 卫星轨道演示系统

测控平台具备多星轨道演示功能，能够将卫星运行状态、轨道位置以图形化界面展示，并具备人工操作、多级显示等功能，可将n个轨道面所有卫星集中显示。

(9) 运行状态监控

状态监控功能对测控软件自身组成软件以及测控软件运行所在硬件环境的运行信息进行采集和监控，并能够根据需要扩展采集器，从而完成对相关外部系统的运行信息采集。

(10) 数据管理

数据管理功能对测控业务所使用的数据进行存储，以供人工或其他系统查看管理。数据管理功能在全系统提供统一且唯一的数据管理服务，用户或系统其他应用能够通过该接口获得数据。

3.4 设备监控软件

为实现多站设备集中监控，监控系统由统一监控系统和站监控系统组成。

站监控系统负责监控站内所有设备，主要包括：天线、射频、基带、时频及矩阵等设备。在设备监控的基础上，构建并管理模板化的通道资源池和基带资源池。其中通道资源池为中频矩阵以上部分，包括天线和上下行链路所有设备；基带资源池为基带内具有独立遥测或遥控功能的板卡。站监控分系统实现通道资源池和基带资源池的管理，包括资源的添加、配置、日常运行状态监视与控制等。站监控分系统按照标准接口，实时向统一监控系统上报当前站内资源使用情况和运行状态。同时，站监控系统能够接收统一监控系统发来的设备控制指令和资源调度指令。

统一监控管理系统通过标准化接口，实时接收各地面站监控分系统上报的站内资源使用状态和工作状态，能够实时监控各地面站资源使用情况和设备主要参数。

3.5 资源调度软件

地面资源调度软件是低轨星座测运控管理的核心。低轨星座测控不同于同步轨道卫星维护和操作方式，处于每条轨道的每颗卫星进入某个测控中心上空均有特定的可见弧段，需要在测控可见窗口时间内，完成该卫星的测控任务和数传数据解析处理。因此，地面资源调度软件需解决基于多个约束条件的资源优化问题，星座规模以及地面测控系统规模越大，其规则及算法越复杂。

3.5.1 运行场景

资源调度软件与测控中心软件以及设备监控软件配合，共同完成系统所涉及的怀来、都江堰以及喀什等至少3个测站对于遥感低轨星座的在轨测运控管理任务。通过调取由测控中心软件提交的测运控计划，以及由地面监控软件提交的地面站可用资源信息，对卫星测运控任务及地面站资源进行规划，制定出基于卫星测控任务的地面测站跟踪计划以及基于卫星任务的任务执行计划，并将地面站跟踪计划发送给设备监控软件，用于按时驱动地面测控系统完成对待测卫星的捕获及跟踪。将任务执行计划发送给测控中心软件以驱动卫星遥测遥控以及数传任务的执行。

资源调度软件还应该充分考虑紧急情况和特殊时段，如卫星发生异常导致正常调度任务无法执行、星蚀期管理及整星失效等情况下，可通过设置优先级将故障卫星的优先级设置为最高、增加跟踪圈数以及提高地面发射功率等，因此调度软件的设计不仅要具有规则性，还需要具有灵活性，以自动调度为主，同时具备人工干预能力。地面资源调度软件功能树如图2所示。

图2 地面资源调度软件功能树Fig.2 Function tree of ground resource scheduling software

3.5.2 任务规划策略

资源调度软件是基于任务规划策略完成对于测控系统的调度，以支撑多星测运控任务。任务规划策略是资源调度软件的核心，也是低轨星座测运控管理的核心。在多星调度中，主要需解决测控资源冲突问题，也就是卫星时间窗口冲突问题。卫星的时间窗口可分为可视时间窗口和服务时间窗口，前者是指考虑设备天线最低工作仰角限制后设备对于卫星的可见时间段；后者是设备为卫星提供服务的时间段。后者在前者的基础上预留了一个任务切换时间，包括任务接收时间、设备配置及设备状态上报时间。在制定任务规划策略中，对于地面站某一设备，如果一颗卫星的过境服务时间窗口与另一颗卫星过境的服务时间窗口出现了重叠，定义为该地面站设备出现了时间窗口冲突。对于调度中可能出现的时间窗口冲突问题，由于低轨卫星可视弧度的限制，当发生时间窗口冲突时，只能根据任务优先级策略，采用取其一而舍弃所有与该时间窗口冲突的其他时间窗口原则来排除冲突。同时为了获得较优化的任务规划结果，可在排除冲突求解过程中采用多次搜索取最优解，从而得到近似全局最优解的策略。

由于各个任务之间完成的先后顺序以及任务优先级是在一定范围内动态变化的，因此在保证完成任务优先级之和最大及占用资源最少的目标下，最终能得到的最优资源调动策略有时并不唯一，因此资源调度软件提供了人工介入的接口。在实际任务中采用哪一种调度结果，将根据具体的需要来决定。

4 低轨星座测运控管理流程

低轨星座在轨测运控管理完成卫星从发射入轨、在轨运行、离轨处理全生命周期的监视、控制及应急处置，包括监视卫星平台和载荷运行工况，管理卫星健康状态；调用测控资源，进行卫星平台及载荷控制；完成卫星轨道精确计算和预报、评估卫星碰撞风险、预报卫星可见弧段、计算卫星轨道偏差及星座构型偏差；完成卫星轨道控制计算，实现卫星轨位和星座保持。

遥感卫星在轨管理从内容上可以分为轨道确定、任务计划、轨道保持、遥测遥控和故障检测五部分。轨道确定功能通过从数据库调取外测数据、天文常数及测站信息等，完成轨道确定和推演功能，并将计算结果存入数据库供其他功能调用；轨道保持功能通过从数据库调用定轨数据、卫星参数等数据进行轨道保持计划的制定，并将结果存入数据库；任务规划功能由管理人员制定卫星任务计划，同时可自动调用轨道保持计划及轨道确定、轨道预报、可见弧段等结果进行卫星任务计划的自动生成，并基于任务计划驱动遥测遥控进行操作程序的自动执行；遥测/遥控功能执行遥控指令的编码和发送，遥测数据和数传数据的接收存储，从数据库获取门限文件实现对卫星状态的监视，并将报警和日志信息保存入库供管理人员进行查询及检索。故障诊断功能通过在轨卫星故障库以及FDIR策略，实现对报警信息的判别，可自动调用故障恢复程序，实现对于故障迅速的检测、隔离与恢复。各模块数据相互调用、支撑，与地面设备监视管理系统共同完成对各遥感卫星的管控监视。

基于如上对于遥感星座测运控管理的分析，遥感星座的测运控管理流程设计如图3所示。

图3 测控管理流程图Fig.3 Flow chart of TT&C

5 结束语

因为面临卫星以及地面系统具体技术参数不明确等困难，因此，文中部分研究内容主要立足于概念，基于理论分析进行定性研究。本文明确了地面站网全球布局原则，提出了基于任务规划驱动的地基低轨测运控管理方案，实现对整个星座的监视、控制以及故障恢复，指明了地面资源调度软件是低轨星座测运控管理的核心。

文中给出的低轨星座测运控管理方案仅基于本文设定之技术参数、指标以及管理场景，未来实际设计低轨星座测运控管理方案时，可将本文研究成果作为参考，以具体项目作为依托，制定更为详尽、具体以及有针对性的低轨星座测运控管理方案。