小卫星测控通信技术发展与趋势

窦骄 韩孟飞 宁金枝 王畅

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

卫星测控通信技术包括卫星测控技术(Tracking Telemetry and Command，TT&C)以及数据传输技术两部分，其中卫星测控技术即遥测、遥控、跟踪及导航定位、定轨、定时功能由测控分系统完成，数据传输技术由数据传输分系统完成。卫星升空后，由星上测控分系统、数据传输分系统、数据中继分系统与地面测控系统、中继卫星系统一起，共同建立星地无线测控、测量以及对地数据传输、中继数据传输通信链路，完成对卫星状态采集、轨道测量、运行控制、卫星载荷数据下传地面等功能。卫星测控通信系统是卫星在轨与地面沟通和数据传输通信的重要生命线，为卫星在轨正常工作提供各项信道保障条件。

近年来，随着微电子、软件无线电等技术的发展，涌现了大量应用于小卫星测控通信领域的新技术[1-6]、新产品[7-9]、新思路[10-14]，呈现出一些新变化[15-16]、新趋势[17-18]。本文在调研国内外典型的在轨卫星测控通信系统情况基础上，梳理和总结出测控通信技术的发展现状，并结合小卫星测控通信技术的发展历程，总结提炼了近年来小卫星测控、导航、数传、星间等方面的发展趋势。在此基础上，归纳并给出未来小卫星对测控通信技术的需求，以及测控通信技术未来发展的重点方向和关键技术。

1 测控通信技术发展现状

1.1 国外测控通信技术发展现状

国外大部分卫星制造来自于美国、欧洲和日本，因此这些国家和地区发射的卫星所采用的测控通信技术具有一定的代表性，表1梳理出近20年来国外卫星测控系统的配置和参数。

结合表1国外测控系统配置及状态，可梳理出国外测控技术的如下几个特点。

(1)频率以S频段为主，VHF/UHF为辅。

(2)体制普遍采用BPSK、FM、FSK、GMSK的调制方式。

(3)遥控速率1～100 kbit/s，遥测速率几千比特每秒～几兆比特每秒。

1.2 国内测控通信技术发展现状

国内卫星的测控技术状态较为统一，由于普遍基于同一卫星测控网，因此选用的测控技术基本一致，即USB或S频段扩频测控技术。2016年前后，伴随着国家的大力支持，商业航天出现了迅速发展的势头，商业卫星脱离了传统测控网的支撑，选择采用X频段，借助于商业测控网完成测控任务。

国内卫星测控系统近些年的发展主要有以下特点。

(1)测控网的日益完善使得测控资源日趋丰富，显著扩大了卫星测控弧段。对于低轨卫星，由于卫星与地面存在相对运动，无法保证某个卫星地球站对卫星能够长期可见，为扩大卫星的可测控区域，增加地面对卫星可测控时间，除了国内的地面测控网，还常采用中继星、测量船、活动站以及租借境外地面站等不同方式，完成卫星的测控。与传统只采用地基测控方式时每圈一或二个测控弧段约10或20 min左右相比，目前测控网的丰富资源可将低轨卫星可见弧段，最多提高至整圈可见(90 min左右)。图1为卫星测控通信网示意图，包含了多种测控通信方式。

图1 卫星测控通信网示意图

(2)星上增加设计多种形式的测控方式，进一步增加卫星测控系统的自主性。随着小卫星技术的蓬勃发展以及微纳卫星的出现，卫星数量急剧增加，要求卫星能够更多地实现星上自主管理，减少地面参与。在传统星地应答机测控方式基础上，通过增加中继测控、星间测控等辅助测控方式，提供多种测控信道。保证地面对卫星的可靠测控，不会因为某一种测控手段失效而影响整个卫星测控任务。图2为国内卫星星上设计采用了多种典型测控方式示意图。

图2 星上测控方式示意图

(3)星上普遍采用同构备份或者异构备份方式，通过双机冗余备份，增加星上测控系统可靠性。通常采用设备内部主备双备份、设备之间交叉连接备份的方式，使测控分系统不会因为单机故障或单根电缆连接故障而导致整个系统功能失效。图3为国内卫星测控分系统基于冗余备份设计的典型组成框图。

图3 卫星测控系统冗余设计框图

2 小卫星测控通信技术发展历程

多年来，小卫星测控通信系统瞄准用户需求，逐步解决了高可靠、高精度、小型化、抗干扰、商用化的问题，不断优化测控系统设计，使卫星更加的好用、易用。表2总结了小卫星测控通信技术的发展历程。

表2所列出的小卫星测控通信技术的发展历程，可以总结如下。

表2 小卫星测控通信技术发展历程

(1)小卫星测控系统的发展方向具有小型化、集成化、高可靠、高性能的特点。基于专用集成电路(ASIC)技术实现高可靠应答机，满足在轨抗单粒子需求；军用卫星在扩频体制基础上，发展出跳扩频体制，进一步提升了信道的抗截获性能；在测控方案选取策略方面，民用卫星采用USB体制，商用卫星选用X频段，业余卫星选用UHF/VHF频段，微纳卫星采用工业PC104总线或综合机箱架构，轻小型化卫星采用集成的测控一体机。

(2)导航接收机的发展大致满足从单频到多频，提高精度；从单模到多模，增加可用性；从现场可编程门阵列(FPGA)架构到片上系统(SOC)架构增加可靠性的特点；在导航方案选取方面，国内自用卫星导航接收机通常选用GPS加北斗(GPS+BD)模式，出口卫星则选用单GPS模式，高精度要求选用双频双模全球导航卫星系统(GNSS)接收机。

(3)在对地数据传输通信方面，随着卫星载荷密度越来越大、性能越来越高，数据传输在数据率、存储容量、传输频段、设备集成度等方面均取得了较大的进展。趋势是速率由低向高发展、单通道向双通道发展、分立单机向集成化发展、频段由X向Ka发展；对地数传系统进入到1.5 Gbit/s的4代高速数传，固存进入到Tbits量级的4代固存。

(4)星间测控数据传输大致向着距离越来越远、速率越来越高、微波激光方式并存、点对点到多点组网的方向发展；随着微纳卫星的发展，出现了适用于微纳平台的PC104小型化星间终端设备。

(5)星上测控通信系统为增加鲁棒性，普遍采用了自主管理设计，当诊断出信道或基带因空间环境影响出现故障时，进行自主复位或断电操作，使系统能够快速、自主恢复，减少了地面人为干预，提升了效率。

此外，在小卫星测控通信领域，深空通信技术、高速测控通信、北斗短报文、二代测控中继终端、可视遥测等技术均已在型号中得到应用验证；在无地面干预自主测控技术，解决远距离高码率星间传输的激光通信技术，以及高速数传一体机关键技术等方面，也已开展了卓有成效的前期研究和探索。

3 小卫星对测控通信技术的需求

随着小卫星技术的迅猛发展，近几年小卫星对测控通信技术的需求，呈现出以下特点。

(1)对测控通信链路应急通信需求。卫星测控、数传、星间链路、导航定位要能满足应急通信要求，体现在保密性、抗干扰、抗截获性，以及通信链路的可靠稳定、导航定位的精度保证。

(2)大规模星座的测控管理技术需求。在轨大批量星座的应用，要求星上测控通信产品与地面测控网提供相应的支持，目前的测控模式下，有限的测控资源与巨型星座的测控管理之间存在矛盾，需要测控技术进一步升级、革新以解决矛盾。

(4)商业卫星对测控通信产品的高性价比需求。商业卫星市场蓬勃发展，随着商业航天的发展，国内商业卫星公司越来越多，目前已达数十家，以遥感、通信、科学试验卫星为主。商业卫星市场愈加激烈的竞争，必将导致测控通信技术向低成本、高性能、高集成度、小型化、低功耗方向发展。

(5)对测控通信产品的批产化需求。从国际卫星发展现状来看，成千上万的卫星星座已处于实施阶段，比如美国星链项目(StarLink)每2周发射60颗星，国内商业卫星公司批产化生产线也在逐步推进，巨型星座的出现必将要求批产化。

4 小卫星测控通信技术发展趋势

为满足小卫星发展新阶段对测控通信技术的需求，小卫星测控通信技术有以下发展方向。

(1)抗干扰、抗截获。将时、频、空、码域的抗干扰技术结合应用模式，在测控通信系统中实现工程验证，满足特殊场合应用需求。

(2)批产化、通用化。通过测控通信产品的标准化、模块化，以满足测控通信产品状态统一和批产化的需求。在批生产方面，需要由分立单机装配方式向采用先进构架，集成统一单板和无缆化装配方式转换，如基于VPX总线构架，采用统一功能板，通过配备不同软件来实现各种功能。

(3)测控管理自主化、高效化。通过无依托自主测控、星间数据交互等有效测控手段，满足大规模星群的高效测控管理需求。

(4)数字化、小型化。采用先进的数字技术来降低成本，用软件技术实现相关功能，借用先进的工业技术成果，使设备集成度更高、性价比更高、成本更低。

(5)通过推动以激光、Ka频段高速数据传输为代表的先进技术应用，满足提升卫星通信性能的需求。

在上述发展方向牵引下，梳理出后续重点研究的几项测控通信领域关键技术。

（2）样品B的制备（工艺B）：丹参、大黄、1/3山药粉碎成细粉；豆蔻、白术加6倍量水，浸泡1 h，蒸馏法提取挥发油5 h，提取挥发油后的药液另存；药渣与黄芪等其余味药材煎煮2次，每次加10倍量水，煎煮2 h，滤过，加入提取挥发油后的药液，滤液减压浓缩成稠膏，与上述药材细粉混匀，真空干燥，粉碎，加入上述挥发油，制成1 g细粉相当于1.815 g生药。

(1)应答机抗干扰抗截获技术。充分利用在研型号，推进扩跳频应答机在轨验证，建立型谱。开展宽带扩跳频技术研究，提升抗干扰性能。

(2)导航接收机抗干扰技术。开展高精度抗干扰、干扰检测等技术攻关。

(3)多模通用化测控终端设计技术。开展“技术状态系列化，硬件平台通用化，特殊模块组合化”先进硬件技术研究工作，应用软件无线电技术，形成多功能、多体制、通用化的多模测控终端工程化产品。

(4)一体化通信架构技术。开展先进通信系统架构研究，基于标准化、通用化通信接口及平台处理模块，实现具有可重构、智能化能力的批产化一体通信产品。

(5)巨型星座测控技术。开展随遇接入、自主测控、星间组网、无依托测控等先进测控技术研究，形成切实可行的巨型星座测控方案。

(6)小型化激光通信设备终端设计技术。开展适用于小卫星的轻小型化激光通信终端，打通远距离、高速率、大动态的星间、星地激光通信链路。

(7)新体制高速数传技术。针对Q/Ka频段开展16APSK32APSK高阶调制技术研究，实现自适应编码调制(AMC)技术，完成在轨卫星与地面数据传输平均速率最大化。

5 结束语

本文通过对国内外典型在轨卫星测控通信系统现状的分析，以及对国内小卫星测控通信技术发展历程的梳理，结合近几年小卫星对测控通信技术需求的变化，总结出小卫星测控通信领域的主要发展趋势如下。

(1)测控通信链路的应急通信需求，要求应答机、导航接收机等典型测控通信产品，必须向具备抗截获、抗干扰、高保密的方向进一步优化、发展和改进。

(2)对测控通信产品通用化设计的需求，要求测控通信产品，借助通用化测控终端设计等关键技术，产品向支持模块化、批产化的方向发展。

(3)商业卫星、巨型星座对测控通信产品的高性价比需求，要求测控通信产品，借助一体化通信架构设计、小型化激光通信设备、新体制高速数传技术等关键技术，向低成本、小型化、数字化、高性能的方向发展和改进。

(4)大型星座对测控通信产品的自主测控管理需求，要求测控通信产品，借助随遇接入、自主测控、星间组网、无依托测控关键技术，向测控管理自主化、高效化的方向发展和改进。