近地卫星天基测控现状研究

李于衡，孙海忠,王旭康

(1.北京宇航智科科技有限公司，北京 100095；2.中国卫星发射测控系统部，北京 100011；3.中国电子科技集团公司第五十三研究所，天津 300000)

0 引言

随着航天事业的蓬勃发展，越来越多的近地卫星计划进入太空，从几百颗遥感卫星星座到上万颗互联卫星星座，这些卫星将带来巨大的测控需求，如果仍然基于传统的地基测控观念，需要建设分布全球、数量众多的地面测控站。考虑到天基测控具有高覆盖特性和多目标服务能力[1-2]，利用在轨的中继卫星或者具有中继卫星能力的其它卫星去满足这些需求，可以减少地面站的建设投资、提高效率和发挥现有卫星的能力。

现有的地球同步中继卫星系统设计的出发点是为数量不多且速率要求高的近地卫星和航天器提供测控和数据中继服务[3]，主要依靠星上点对点服务的大口径天线，即使有一定的多目标服务能力，整体服务的用户数量仍然有限[4]。而当前和今后众多卫星的一些测控需求却是数量大、时效性高，但速率要求不高。直接使用现有的中继卫星系统去满足这些需求，存在着在可用性、适配性和性价比等问题。考虑到位于地球同步轨道通信卫星的天线口径、转发器输出功率的技术进步和已经建成的中低轨卫星星座与距离需要服务的目标较近，它们同样可以为近地卫星提供中继测控服务。国内外已经开展了利用中继卫星系统以外的其他卫星系统为近地卫星提供中继测控服务的研究和试验，并取得了一定的进展和突破[5]。

本文在现有中继卫星系统的基础上，研究利用在轨运行的地球同步通信卫星系统和近地轨道通信卫星星座开展对近地卫星测控的可行性，分析天基测控应用实例，完成典型的近地通信卫星星座中继测控覆盖率的仿真计算，研究的成果可以为近地卫星用户提供满足个性化需求的天基测控选择。

1 利用地球同步卫星中继测控

1.1 中继卫星测控

由于地球遮挡，美国在执行阿波罗登月任务时，分布全球20多个地面站在最有利条件下才能覆盖约30%的轨道，而地球同步轨道均匀分布的3颗中继卫星可以彻底克服地球的遮挡，实现低轨卫星100%覆盖，如图1(a)所示。因此20世纪80年代中继卫星系统(Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS)建成后，美国撤消了在全球布设的14个地面测控站，中继卫星(Tracking and Data Relay Satellite，TDRS)的服务范围从航天飞机扩大到中低卫星、运载火箭和机载平台等[6]。

中继卫星系统组成如图1 (b)所示，其中地面卫星用户-运控中心-中继卫星-用户星的通信链路称为前向链路，相反方向称为返向链路，其中前向链路用于向卫星发送遥控指令和注入数据，返向链路用于接收卫星遥测数据，中继卫星运控中心负责控制中继卫星，完成中继链路的建立和维持并负责将用户卫星下传的遥测数据送往用户中心，将来自用户中心的指令和注入数据发往卫星。

(a)地球同步轨道均匀分布的3颗中继卫星

(b)中继卫星系统组成图1 中继卫星覆盖及中继卫星系统组成Fig.1 Coverage and composition of tracking and data relay satellite system

图2(a)是美国中继卫星的结构，它可以提供高速数据中继和低速测控服务，图2(b)是它的多目标测控服务天线，提供1路10 kbit/s的前向测控信道和5路速率300 kbit/s的返向测控信道。

(a)TDRS外形结构

(b)TDRS多目标天线

表1是TDRS为典型近地卫星提供测控服务情况统计，根据每天运行的圈数分析，这些卫星主要依靠中继卫星系统完成日常在轨测控任务。公开资料显示，在一年时间内美国中继卫星系统为近地卫星提供了147 810圈次、176 141 h的服务(平均每天405圈、每圈72 min)，系统的使用率超过90%以上。欧空局也重视发展中继卫星为飞船和对地观测卫星提供数据中继服务，欧洲第二代中继卫星(European Data Relay Satellite，EDRS)为“哨兵”观测卫星提供50%以上的业务数据传输，同时还为“伽利略”卫星等提供中继测控服务。

表1 TDRS为典型近地卫星提供测控服务统计
Tab.1 TDRS TT&C service statistics

近地卫星业务类型速率/kbps使用情况HSTSMA430圈/d、40min/圈GROSMA12820圈/d、45min/圈COBESMA47圈/d、12 min/圈LAND-SATSMA1283圈/d、15min/圈ERBSSMA1284圈/d、25min/圈EUVESMA1287圈/d、25 min/圈TOPEXSMA12812圈/d、40 min/圈

我国中继卫星系统在载人航天任务中发挥了巨大的作用[7]。以我国3颗中继卫星组网为近地卫星提供中继测控服务为例，假设中继测控终端的天线安装在近地卫星星体表面的对天面，测控天线的波束宽度75°，计算3颗天链卫星跟踪1颗600 km轨道高度用户卫星在一个回归周期的可视弧段，计算结果表明3颗中继卫星对该近地卫星的测控覆盖率达到79%，单颗中继卫星对近地卫星的最长连续测控时间为223.6 min，有8段时间2颗中继星可以同时对近地卫星测控，双星最长同时测控时间32 min[8]。

要利用中继卫星测控，近地卫星必须加装中继测控终端和收发天线，接收中继卫星转发的前向指令和注入数据、向中继卫星发送用户目标产生的返向数据或测距信息。实际应用中通常采用全向宽波束天线的S频段中继终端，美国中继终端已经发展到第四代，其重量小于1 kg、功率小于5 W，使用全向螺旋天线、微带天线或相控阵天线。

1.2 通信卫星测控

中继卫星利用大口径天线和高功率转发器克服了长距离路径衰减，实现了近地卫星的高速数据中继。目前，一些地球同步通信卫星也装备了大口径天线和高功率转发器，特别是高增益的点波束天线的广泛应用，为低轨卫星的数据中继提供了可能性[9]。

美国曾经在上世纪90年代未开展了利用地球同步轨道的国防卫星通信系统(DCDS)和先进通信技术卫星(ACTS)对低轨卫星进行低成本通信的研究[10]，它计算在近地卫星功放功率为40 W、天线增益28.5 dB(对应口径0.5 m)、频率7.5 GHz条件下，通信速率可以达到2 Mbps，且链路余量大于2 dB，证明了利用地球同步通信卫星对近地卫星测控的可行性。

2015年国际移动卫星组织(Inmarsat)与新加坡增值创新(AVI)公司联合进行了利用海事卫星与近地卫星实时通信、指挥与控制的技术验证，试验结果表明基于海事卫星系统，可以为卫星运营者提供国际卫星数据中继服务。系统组成如图3(a)所示，全球分布的I4系列海事卫星提供中继服务，这些卫星的天线口径高达十几米，其独有的BANG技术可以保证近地卫星绕地球运动时数据传输的连续性。近地卫星上安装中继终端，每个终端重量约1 kg，工作在L波段，其外形如图3(b)所示。中继终端搭载在2015年入轨的6U立方星Velox-2，试验中AVI公司通过Inmarsat-4星座向Velox-2卫星发送指令和接收数据，双向数据传输速率超过200 kbps，可以实现全球大于70%以上的测控覆盖率。基于海事卫星中继测控的客户购买通信服务的方式与个人购买移动装置数据包的方式一样，费用与卫星交换的数据量有关。

(a)海事卫中继测控系统

(b)海事卫中继终端外形 图3 基于海事卫星系统的中继测控系统组成和终端外形Fig.3 Inmarsat IDRS system and its terminal

目前，基于地球同步卫星的近地卫星的测控主要还是依靠中继卫星系统，图4是中继卫星与商业通信卫星INTELSAT-3传输性能比较。由图4可以看出，发射同样EIRP条件下，中继卫星能够获得更高的传输速率，支持近地卫星的测控能力更强。但是当近地卫星的中继测控更强调全球覆盖率和实效性、且对速率要求不高时，通信卫星的大容量、多目标服务能力能够更好地满足要求。

图4 中继卫星与商用卫星能力比较Fig.4 Performance comparison between TDRS and commercial communication satellite

2 利用近地卫星星座中继测控

与使用地球同步卫星相比，1 000 km左右高度的近地卫星星座对几百千米高度的近地卫星测控突显距离优势，信号传输的路径衰减相差超过20 dB，因此利用现有的近地卫星星座进行天基测控，在实现一定全球测控覆盖率的前提下，可以显著地减少中继测控终端和天线的体积、重量和功耗，这个优点对扩展天基测控的应用是非常重要的。下面给出利用3个典型近地卫星星座实现天基测控的实例，并计算可以获得的测控覆盖率。

2.1 铱星测控

铱星系统由780 km的 66颗星组成，采用星间链路，提供全球话音服务。Qarman卫星由Von Karman Insittute (VKI)生产，体积30 cm×10 cm×10 cm，重量小于4 kg，用于验证小卫星返回技术，其任务过程如图5所示。

图5 Qarman卫星任务过程Fig.5 Qarman satellite task process

由于卫星过黑障时无法通信，因此设计在卫星出黑障后，将黑障过程的数据存贮，出黑障后，将存贮的20 min数据在5 min内回放完毕。

图6是Qarman使用铱星传输数据系统组成和接收效果，右上角是数据接收量与预期比较的结果，它表明卫星离地面越近，接收效果越好[11]。

图6 Qarman使用铱星数据中继系统组成和接收效果Fig.6 Space-based TT&C service system by Iridium for Qarman satellite

2.2 Orbcomm测控

Orbcomm卫星星座由分布在4个轨道面的32颗卫星组成，轨道高度825 km，倾角45°。OHB Technology公司利用其生产的Rubin-1到Rubin-5小卫星系列进行了多次基于Orbcomm系统的中继测控和互联网通信试验[12]。中继测控系统组成如图7(a)所示，它可以为轨道高度小于700 km的近地卫星服务，Rubin-3 卫星与Orbcomm通信的天线安装在太阳帆板顶端，确保能在最佳的可视范围内与Orbcomm卫星通信，如图7(b)所示。

(a)Orbcomm系统中继测控示意

(b)与Orbcomm通信天线安装位置图7 Orbcomm卫星测控系统组成和测控天线安装位置Fig.7 Orbcomm space-based TT&C service and user terminal antenna’s location on Rubin-3

2.2.1 Rubin-1

2000年7月，Rubin-1发射入轨后，Rubin-1通过Orbcomm卫星和位于意大利、美国、巴西及马来西亚的信关站进行了通信，最长通信距离7 500 km，一次通信过程如图8所示。在5天的试验时间里，通过互联网收到了1 600条E-mail信息，验证了基于Orbcomm进行小卫星测控的可行性[13]。

图8 基于Orbcomm的Rubin-1天基测控示意Fig.8 Orbcomm space-based TT&C service for Rubin-1

2.2.2 Rubin-2

2002年发射的Rubin-2是第一个完全使用互联网和Orbcomm系统进行卫星测控的小卫星，它的轨道高度650 km、倾角 64.56°，性能指标如图9(a)所示，卫星重30 kg，功率20 W，中继数据传输有报告和全球报文2种模式。系统组成如图9(b)所示，欧空局、科学家和OHB Technology公司通过信关站建立与Rubin-2的联系。试验结果表明：30%的信息可以在1 min内收到、 90%的信息可以在10 min内收到，每条信息长度为229 Byte，一天信息传输总量为30 kB。

(a)Rubin-2卫星指标

(b)Rubin-2卫星天基系统组成

图10是我们计算的Orbcomm系统对一颗500 km轨道高度、97°倾角的近地卫星提供中继测控服务的24 h覆盖时间统计。

图10 Orbcomm系统24 h可见一颗近地星的时段分布Fig.10 Orbcomm space-based TT&C service distribution in 24 hours

可以看出36颗Orbcomm卫星在1天内有50次可见该近地卫星，一次连续可见时间最长194 s，最短9 s，平均70 s，覆盖率为4.1%。一颗Orbcomm卫星覆盖近地卫星时，2颗星的最小距离372 km、最大767 km，平均610 km。

2.3 Globalstar测控

Globalstar系统由分布在8个轨道面上32颗卫星组成，轨道倾角为52°、高度1 400 km。美国Taylor大学2014年生产TSAT卫星，使用Globalstar星座成功进行了天基测控，其结果表明这些卫星的测控无需地面站测控支持。图11(a)是TSAT卫星在不同姿态条件下的链路建立成功率，可以看出在天线对天情况下，链路建立最好，成功率达到82%，即使在卫星姿态以2转/分钟旋转的情况下，链路建立的成功率也能达到57.7%。2015年发射的GEARRS2也利用Globalstar完成测控通信，它的经验表明，甚至在卫星姿态翻转时也能达到85%的通信率，这一能力进一步证明了利用Globalstar对近地卫星测控的可靠性。图11(b)是用于与Globalstar通信的终端组件，整个终端的重量不超过200 g，功耗小于1 W，双向数据传输速率最高9.6 kbps[14]。

(a)TSAT卫星在不同姿态条件下的链路建立成功率

(b)体积微小的通信终端组件

从2014年开始，美国NSL公司开始利用Globalstar星座为低轨卫星提供测控服务，传输速率5.6～9.6 kbps，测控费用按时间计算。目前NSL已经为20个以上的近地卫星提供了天基测控服务，技术成熟，传输可靠。实际应用效果表明，采用天基测控后，这些小卫星完全可以不需要地面站的测控支持。NSL公司天基测控的发展历程如图12所示，可以看出从2016年以来，其应用速度明显加快[15]。

图12 NSL利用Globalstar星座提供测控的发展历程Fig.12 Evolution of NSL’s Globalstar space-based TT&C service

我们对Globalstar系统跟踪一颗轨道高度为600 km的近地卫星进行了仿真计算，计算结果表明，近地卫星绕地球一圈，平均能跟踪7颗Globalstar卫星，平均每次跟踪时长约300 s。由于Globalstar重点服务区靠近赤道，如图13(a)所示。它对两极覆盖的效果差，如图13(b)所示，因此中继测控服务区也集中在赤道附近。

(a)地球赤道上空测控覆盖情况地

(b)球极区上空测控覆盖情况

表2是利用Globalstar星座对轨道高度500 km、700 km和倾角60°、97°四种情况下近地卫星测控覆盖率计算的结果。可以看出，近地卫星的轨道高度越低，测控覆盖效果越好；相同轨道高度，倾角越低测控覆盖效果越好。每次测控可见的平均时长基本在2 min以上，可以实现33%的测控覆盖率。要知道我们国家在完成载人航天任务时，为了提高测控覆盖率，使用了国内、国外测控站和几条测量船，才实现了不到20%的测控覆盖率[16]，因此利用天基测控实现对近地卫星的测控效果显著。天基测控除了可以用于遥测、遥控数据传输，也可以用于业务数据传输[17]。

表2 Globalstar星座一天内对近地卫星的测控可见计算结果
Tab.2 Globalstar space-based TT&C coverage in 24 hours

近地卫星可见次数/day平均可见时间/s最短可见时间/s最长可见时间/s可见总时间/s最长不可见时间/s测控覆盖率/%500 km、97°128.5149.010.1309.229 034.91271.133.6500 km、60°94.0279.325.81 281.845 510.91 296.152.7700 km、97°105.0111.66.1261.420 844.51 355.824.1700 km、60°72.5259.812.51 383.434 618.51 439.540.1

上述基于铱星、Orbcomm和Globalstar卫星星座对近地卫星测控进行分析的结果表明，每个星座除了部署的卫星数量的不同，主要是轨道高度不同，带来了对近地卫星测控覆盖率和平均可见时长的变化。其中Orbcomm和Globalstar由于轨道高度较低，测控覆盖率不高和连续测控时长较短，而Globalstar卫星轨道高度合适，对近地卫星测控效果最好，它对于700 km以下轨道高度的近地卫星的测控覆盖率大于24%，最长不可见时间小于25 min，可以满足大多数卫星的测控需求，这也是Globalstar天基测控在实际中应用最多的主要原因。

3 总结

从上面的分析可以看出，无论是利用高轨卫星还是低轨星座对近地卫星进行测控，只要有一定的空间距离，两者都能完成天基测控任务，但由于这些卫星系统的设计初衷和服务对象不同，在具体的天基测控实现效果上各有优缺点，但同时也提供了中继测控服务的多样性的选择，具体如下：

现有的地球同步轨道中继卫星系统可以为近地卫星用户提供最佳的测控中继服务，中继链路的速率、性能、稳定性和可靠性能够得到充分保证，是天基测控的基本形式，但要求近地卫星安装高性能的指向天线、功放输出功率要求高，能源消耗较大，实现成本较高。同时，虽然中继卫星系统具有多目标服务能力，但本质上还是点对点服务，很难实现用户的海量服务和随机接入，因此这类中继卫星系统适合于为专业近地卫星用户服务。

利用现有的地球同步轨道通信卫星系统，如海事卫星系统为近地卫星提供中继测控服务，测控覆盖达70%以上，还可以充分利用通信卫星多址通信的特点，满足海量用户同时工作和随机接入，可以按通信流量收费，但由于通信卫星的天线覆盖范围通常限定在南、北纬85°以内，近地卫星运行到在南、北极附近无法测控，终端的重量、体积和功耗与中继卫星的要求类似。因此，利用通信卫星系统提供的中继测控服务适用于对全球测控覆盖和实效性有要求，但无权使用中继卫星系统的近地卫星用户。

利用低轨卫星星座对近地卫星测控，尽管在覆盖面积方面无法做到100%全覆盖，但可以显著降低不可见时间间隔，还可以使用低增益的全向天线和低功率放大器，终端可以做到重量几百克、功耗几百毫瓦，信息按流量收费，因此更适用于微小卫星测控。在现有的Iridium、Orbcomm和Globalstar三个低轨卫星星座中，由于前二者的轨道高度只有800 km左右，与需要测控的微小卫星轨道高度太接近，导致覆盖率较低，而Globalstar的轨道高度为1 400 km，对一颗600 km的近地卫星测控，近地卫星一圈平均能跟踪7个Globalstar卫星，传输速率可以达到9.6 kbps，每次平均跟踪时间约300 s，一圈的测控时间30 min左右，完全可以满足卫星测控的需求，因此利用现有的Globalstar星座对近地卫星测控是实现可行的，而且近年来国外有越来越多的成功应用例子。

4 结束语

近地卫星天基测控直接建立了卫星测控管理者与卫星之间的联系，省去了建设地面测控站和申请测控频率，大大提高了平台测控的覆盖率和有效载荷应用的时效性。研究结果表明，除了已有的中继卫星系统可以为近地卫星提供天基测控服务外，现有的通信卫星系统和近地卫星星座也可以满足近地卫星不同的测控需求。考虑到中继卫星系统主要为特定的用户服务，通信卫星系统和近地卫星星座在可用性和费效比等方面提供了更好的灵活性和替代性。卫星测控管理者可以根据卫星平台能够提供的能源、重量、热耗和体积等条件，结合卫星平台管理和载荷业务应用的时效性需求，确定合理的测控覆盖率、连续测控时间和传输速率，甚至预期的通信费用，选择相应的天基测控服务系统，设计合适的中继终端，从功能、性能和费效比上实现天基测控效益最大化。