ETSI卫星测控标准与商业卫星测控体制研究

闫建华，李小梅，张 涛

（北京遥测技术研究所 北京 100094）

引 言

近年来，国内外商业航天发展如火如荼，涌现出了一大批商业航天公司，给世界航天产业注入了新的发展活力。目前，国内商业航天还处于起步阶段，特别是作为航天工程重要组成部分的卫星、火箭等航天器测控领域，鲜有公司涉猎。卫星应用方的测控需求，目前主要有两个解决途径：一是依赖于国家航天测控网，二是一些在轨卫星数量不多的卫星公司以自己建站的方式完成自有卫星的测控。国家航天测控网能为商业卫星提供的测控服务十分有限，且价格昂贵；自己建站同样成本高昂，且覆盖范围小，效率很低，特别是当卫星数量上升后，卫星公司无力承担所有站点和人员的投入成本。基于此，国内已有公司专门从事航天器测控服务，如天链测控技术有限公司，据报道，其已建成六个国内地面测控站，一个海外地面测控站，并在同步建设多个海外地面站及海上船载站[1]。可以预见，未来将会有更多的公司开展卫星测控业务，亟需一套我国自主知识产权的商业卫星测控体制。本文在研究欧洲电信标准化协会（ETSI）发布的一系列测控标准的基础上，对国内商业卫星的测控体制进行初步的探讨。

ETSI对通信卫星的遥测、遥控、测量（TCR）的标准化制定始于本世纪初，并于2001年9月发布了技术报告《ETSI TR 101 956 v1.1.1》[2]。这一报告主要是对应用于地球同步轨道通信卫星的遥测、遥控、测量（TCR）的扩频技术分析，给出了卫星不同操作场景下的TCR解决方案。2002年6月，ETSI发布了第一个标准《ETSI EN 301 926 v1.2.1》[3]，这一标准同样是针对地球同步轨道通信卫星的，主要是对卫星遥测、遥控、测量的调制方式与射频信号制定了标准。经过十多年的发展，ETSI于2015年5月启动了对标准的修订，并于2017年10月发布了标准修订版《ETSI EN 301 926 v1.3.1》[4]。修订版v1.3.1与v1.2.1主要区别见表1。2018年12月，ETSI发布了标准修订版的补充说明《ETSI TR 103 956 v1.1.1》[5]，主要描述了频率规划、应用场景、扩频调制、PM/FM调制以及编码和交织等内容的修改情况，将CCSDS关于同步和信道编码的标准[6,7]合并进来。本文主要对修订版标准及其补充说明进行了研究。

表1 标准修订版v1.3.1与v1.2.1主要区别Table 1 The main differences between v1.3.1 and v1.2.1

图1 ETSI通信卫星TCR标准化发展Fig.1 The development of ETSI standardization of TCR system of communication satellites

1 ETSI修订版标准及其补充说明的研究

2017年10月发布的修订版标准《ETSI EN 301 926 v1.3.1》是由ETSI委员会针对卫星地球站和系统（SES）拟制并发布的。此标准适用于地球同步静止轨道（GSO）和非地球同步静止轨道（NGSO）通信卫星的遥测、遥控和测距，对标准体制和扩频体制各方面提出了要求，并对不同的应用场景给出了配置建议。

表2 不同体制功能配置Table 2 Modulation modes and potential configurations

1.1 标准体制

标准体制上下行信号采用多副载波PM/FM调制方式，采用侧音测距方式，主要是为兼容上一版标准而保留的。其功能如图2所示。

图2 标准体制功能Fig.2 Functional stages of transmit chain for FM/PM modulation (MTC1/MTM1)

标准体制下对信号的要求如表3所示。

此外，标准还对符号传输密度、调制线性度、残留载波、带外抑制等作了要求。

1.2 扩频体制

扩频体制采用直接序列扩频方式，根据应用场景的不同，上行链路分为MTC2和MTC3两种模式，下行链路分为MTM2和MTM3两种模式。其中，MTC2是2002年第一版标准中采用的上行链路模式；MTC3是2017年第二版标准中新增加的模式，可用于存在严重多址干扰的环境；MTM2为上下行相干模式，即下行长码是上行长码的接收转发，两者同步；MTM3为上下行非相干模式，即下行长码为应答机本地产生，与上行长码相互独立；正常情况下使用MTM2模式，在上下行链路不同步时使用MTM3模式。各模式的功能如图3～图5所示。

表3 标准体制信号主要参数要求Table 3 Parameters of FM/PM modulation modes

图3 MTC2体制功能Fig.3 Functional stages of transmit chain for spread spectrum modulation MTC2

图4 MTC3模式功能Fig.4 Functional stages of transmission chain for spread spectrum modulation MTC3

图5 MTM2/MTM3模式功能框图Fig.5 Functional stages of transmission chain for spread spectrum modulation MTM2/MTM3

扩频体制主要参数要求如表4所示。

表4 扩频体制信号主要参数要求Table 4 Parameters of spread spectrum link modulation modes

上行链路在使用MTC2模式时，在捕获阶段，I路使用短码Q路使用长码，在此阶段不发有效数据；一旦捕获完成载波锁定进入跟踪阶段，数据便调制到I路。

上行链路在使用MTC3模式时，在捕获阶段，I路使用短码Q路使用长码，在此阶段不发有效数据，I/Q功率比为10:1；在跟踪阶段，I路也使用长码，Q路不变，I/Q功率比为1:1。

1.3 典型应用场景

在通信卫星整个生命周期中，根据其面临的不同电磁环境，可分为五个不同的阶段：发射与早期轨道段（LEOP）、轨道上升段、漂移轨道段（指卫星从远地点进入同步轨道阶段）、在轨正常运行和在轨应急处理。针对每一阶段的特点，配置不同的测控体制、频点等设置。在标准中，给出了一个基本配置方案和四个可选配置方案。

1.3.1 基本配置方案

基本配置方案上下行均采用扩频体制，星上配置一个收发信机或两个独立的接收机和发射机，实现上行信号的接收解调与下行信号的调制发射。具体配置方案见表5。

表5 基本配置方案Table 5 Baseline configuration frequency and modulation assignment

1.3.2 可选配置方案一

可选配置方案一上下行均采用扩频和调频/调相双模式。具体配置方案见表6。

表6 可选配置方案一Table 6 Configuration alternative 1

1.3.3 可选配置方案二

可选配置方案二上行采用扩频和调频/调相双模式，下行采用调相体制。具体配置方案见表7。

表7 可选配置方案二Table 7 Configuration alternative 2

1.3.4 可选配置方案三

可选配置方案三在可选配置方案二的基础上，增加了一路下行扩频信号，用于测距。则测距采用扩频测距，而不是混合测距。具体配置方案见表8。

表8 可选配置方案三Table 8 Configuration alternative 3

1.3.5 可选配置方案四

可选配置方案四用于星上有搭载载荷的情况，在基本配置方案的基础上，上下行采用不同频点收发多路信号。

上行采用扩频和调频/调相双模式，下行采用调相体制。此外，下行增加一路扩频信号，用于测距。具体配置方案见表9。

表9 可选配置方案四Table 9 Configuration alternative 4

1.4 修订版标准补充说明《ETSI TR 103 956 v1.1.1》

2018年发布的这一技术报告对标准中很多内容进行了技术说明或修订，包括频率规划、不同应用场景的操作、搭载载荷的管理、大星座应用、扩频调制、调频和调相调制、编码与交织，详见表10。

2 对我国商业卫星测控体制的探讨

在对ETSI航天测控相关标准研究的基础上，结合我国商业卫星测控的现状与特点，总结我国航天测控网多年实践的经验与成果，对我国商业卫星测控体制进行初步探讨。

2.1 我国商业卫星测控的现状与特点

①商业卫星数量激增

国内商业航天公司已陆续完成“吉林一号”、“高景一号”、“珠海一号”、“天府军融一号”、“灵巧”通信实验卫星等商业卫星的发射，用以完成科学实验或提供通信、遥感等服务，并规划了庞大的商业星座计划。近年来国内商业卫星发射计划见表11。

表10 修订版标准主要内容Table 10 The main differences between ETSI TR 103 956 v1.1.1 and ETSI EN 301 926 v1.3.1

表11 近年来国内商业卫星发射计划Table 11 Commercial satellite launch plans in China in recent years

②地面测控力量薄弱

与商业卫星如火如荼的井喷式发展相比，作为商业卫星关键组成的地面系统尤其是地面测控网的建设明显滞后。

目前，国内所有的卫星测控只能依赖原总装的卫星测控网，卫星测控网由西安卫星测控中心、多个固定和机动测控站、远洋航天测量船等组成，功能配备齐全，可完成高、中、低多种轨道不同类型卫星的测控和长期在轨管理，在国家历次航天任务中发挥了重要作用。但是，对于商业卫星而言，直接使用现有的功能大而全、各项技术指标余量较大的卫星测控网将会大大增加整个商业卫星的运行成本，并且，随着各类商业卫星和星座数量的逐年激增，现有卫星测控网的测控资源将无法满足商业卫星越来越强烈的测控需求，此外，受限于“军队全面停止一切有偿服务”等国家政策层面的约束，现有卫星测控网恐将难以为规模庞大、种类繁多的商业卫星提供长期测控服务。

部分卫星研制单位和用户出于科研或卫星管理方面的需求也分别建设了少量地面站，主要对部分卫星进行管理和接收卫星下行数据。除航天测控网之外的地面站，由卫星研制单位或用户研制建设，缺乏统一规划，技术标准不统一，通常仅用于管理各自的卫星，测运控能力有限，利用率低。

③卫星运行轨道低，需全天候测控

从商业航天公司公布的发射计划来看，未来发射的卫星多为几十颗至上百颗卫星组成的星座，测控目标数量多。商业卫星多为低轨卫星，过境时间短、出入站频繁，需全天候测控。

综上所述，我国商业航天的发展亟待建成一个覆盖范围广、测控能力强的商业航天测控网，而这一测控网的建设首先需要测控体制、数据接口等标准来指引。

2.2 我国商业卫星测控体制的探讨

结合我国商业卫星测控的现状与特点，参考ETSI通信卫星测控的系列标准，对我国商业卫星测控体制作一个初步的研究探讨。商业卫星测控体制建议参数详见表12。

①测控频段

优选Ku/Ka频段，此频段最大优点是可用带宽宽，在保证卫星高容量的情况下，可提供高速上下行数据传输的能力。S频段作为备选，此频段的优点是技术成熟、地面测控设施齐备，缺点是频带资源紧张，可用作应急测控。

②调制体制

优选扩频体制、数传体制，同时兼容标准体制PCM-PM/FM。扩频体制具有多目标同时测控的优点，适用于卫星编队飞行的情况，此外，还具有抗干扰、组网简单灵活、系统容量大、成本低等一系列优点；下行数传体制配合高效纠错码，可具备很高信息传输速率，用于遥感等对传信率要求高的场景。

③伪码

建议使用GOLD码，GOLD码是自相关特性、互相关特性及实现复杂性等方面表现较平衡的一种码，在ETSI去年发布的标准补充说明中还扩大了这一伪码族，可见其优异的特性。使用长码扩频，还可增加多址接入能力。

表12 商业卫星测控体制建议参数Table 12 Recommended parameters for commercial satellite TCR system

④遥测、遥控

建议采用基于AOS帧结构多功能一体化设计，支持遥测、遥控、测距、测速及业务功能的融合，针对低码率和高码率设计，可按需灵活配置，以适应不同的卫星应用场景。

⑤测距、测速

与调制体制保持一致，优选相干扩频模式测距。保留标准侧音测距功能。

⑥角跟踪

跟踪接收机建议使用单脉冲体制，可满足Ka频段的指向精度。

此外，针对商业航天卫星数量多、轨道周期短、全天候测控的特点，地面测控站应具备自动化无人值守测控、测控功能/体制快速切换等能力。

3 结束语

本文首先对欧洲ETSI系列标准进行了分析和总结，然后结合国内商业航天测控的特点，对我国商业航天测控体制进行了探讨研究，对测控频段、调制体制、遥测、遥控、测量等内容给出了初步的建议。