天基为主的空间站测控通信模式

李 瑭，刘保国，汤 达，张谦谦

（北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094）

0 引言

测控（Tracking，Telemetry，and Command，TT&C）通信系统是载人航天工程的重要组成部分之一，是地面与火箭、空间站及航天员联系的唯一通道，被形象地称为放飞“风筝”的“线绳”，是航天器和航天员的“生命线”，也是控制飞行的“指挥棒”。测控通信手段分为地基和天基2 类，其中，地基测控手段包括陆上的测控站和海上的测量船，其优势在于陆上分布范围广、海上灵活机动，能够保证发射、返回等关键任务的可靠性，但测控站和测量船的测控覆盖能力有限，采用扩充地基站网的办法不能从根本上解决高轨道覆盖的问题［1］；天基测控通信手段主要有中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite，TDRSS）和卫星导航系统，由于基本不受地球曲率的影响，天基手段具有较高的轨道覆盖率［2］，具备长时间建立天地通道的技术条件。在以往载人航天任务中，采用“地基为主、天地联合”的保障模式。

随着2021 年4 月29 日天和核心舱成功发射入轨，标志着中国载人航天进入了空间站时代，并在2 年时间内建成空间站三舱“T”字构型组合体。空间站作为我国大型太空实验室，将在轨运营10 年以上，开展大量在轨试验及实验，不断产出科学和技术成果。期间，定期发射载人飞船进行航天员轮换，发射货运飞船进行货物上行与推进剂补加。

进入空间站时代后，测控通信系统需解决以下难点问题。

1）保障时间更长：测控通信系统在航天器发射、在轨运行、离轨和返回期间全程在线，为全部航天器提供全寿命保障，在空间站时代，需常年不间断地提供服务。

2）覆盖要求更高［3］：空间站在轨运行期间，频繁开展交会对接、航天员出舱活动、太空科普活动、推进剂补加、平台巡检等关键事件，期间需持续与航天员保持联络，这些对测控通信覆盖率提出较高的要求。

3）数据传输能力更强：建立空间站的主要目的之一是空间应用，空间站的问天和梦天2 个实验舱配置多个载荷，且在长期运营期间按需更换实验载荷，每天都会产生海量的实（试）验数据，需及时下传到地面进行分析挖掘，对天地信道传输速率提出了更高的要求。

4）航天员在轨服务更优质：每个航天员乘组在空间站驻留半年左右，为航天员提供良好的生活娱乐条件和高品质的天地联络方式，比如便捷的在轨上网服务、清晰的天地视频通话等。

5）应急处置更及时：航天员长期在轨，其身体状况和航天器平台状态出现异常的可能性增大，需及时发现并有效处置，确保航天员在轨安全驻留。

本文基于空间站时代对测控通信系统提出的需求与挑战，梳理了天基测控通信手段的功能特点，并针对空间站任务典型关键事件和常态化保障场景，提出了天基测控通信工作模式。

1 天基测控通信手段

1.1 TDRSS

我国的“天链号”中继卫星部署在36 000 km 高的地球同步轨道，分别定点于太平洋上空、印度洋上空和非洲上空共3 个节点，联合使用可实现对空间站轨道100%覆盖。

TDRSS 通过不同频段的多种链路，为用户航天器提供的测控通信服务，包括S 频段和Ka 频段，从链路能力上分为单址链路和多址链路。

1）单址链路

数据传输能力较强，能为我国“天宫”空间站提供最大1.2 Gbit/s 的返向数据传输能力，利用该通道可传输遥测、遥控、图像、话音、载荷等数据。

2）多址链路

S 频段多址（S-Band Multiple Access，SMA）链路可提供连续业务和短报文业务。在连续业务模式下，链路为用户专用，可为空间站传输前返向话音和关键遥测信息；短报文模式下，链路为多用户分时使用，传输遥控和关键遥测信息。中继卫星具有SMA 全景波束［4］覆盖能力，通过多个返向静态波束拼接，实现中继卫星对地可视范围内的返向全域覆盖，如图1 所示。如每10 s 发送1 条短报文，每颗中继卫星可服务不少于1 000 个用户［5］；利用中继多址波束的切换敏捷性［6］，可快速、分时地为多目标提供前向数据传输服务。

图1 中继卫星全景波束覆盖Fig.1 Diagram of the panoramic beam coverage for the tracking and data relay satellites

1.2 卫星导航系统

目前，提供服务的卫星导航系统包括北斗、GPS 和GLONASS，其中我国的北斗三号全球卫星导航系统功能最为全面，可提供定位服务、授时服务和短报文传输业务。如图2 所示，北斗三号卫星导航系统由部署在地球同步轨道、倾斜轨道和中轨道的共计45 颗卫星组成，已形成全球卫星导航能力，能够100%覆盖空间站运行轨道。

图2 北斗卫星导航系统Fig.2 Beidou navigation system

北斗卫星导航系统在全球范围内可提供的服务能力为：水平定位精度约1.52 m，垂直定位精度约2.64 m，测速精度优于0.1 m/s，授时精度优于20 ns。全球短报文业务可实现对轨道高度1 000 km 以下航天器的全球覆盖［7］，解决低轨卫星发生故障后，卫星境外长时间无测控资源支持而导致无法及时处置的问题，提高卫星执行任务、故障处置的实时性和时效性［8］。全球短报文传输服务1 次可传输560 bit 数据［9］，最高传输频度为3 s 发送1 条，利用这个通道，承载关键遥测信息、航天员短消息和定位数据，确定常态化轨道并监视状态，在应急情况下天地互发短消息。

2 天基为主的保障模式

2.1 多星多舱段接力保障航天员出舱

航天员出舱活动具有持续时间长、天地协同复杂、时间弹性大等特点，需接近全程的高覆盖测控通信，保证航天员与地面支持团队实时保持话音和图像联系，指挥和辅助舱外活动工作的顺利开展。

载人航天工程早期，航天员出舱活动由测控站和测量船搭接形成基本连续的测控区，在轨道条件较为理想时，基本连续的测控区最长仅有43 min［10］，无法满足空间站任务数小时的连续舱外活动需求，须依靠天基测控手段进行保障。

常规保障模式使用西、东2 个节点的中继卫星，先后与空间站天和舱建立链路，提供全功能测控通信服务，但因测控通信覆盖率与中继终端天线性能、中继卫星资源使用策略［11］等密切相关，常规保障模式暂无法达到100%覆盖。主要制约因素为：1）限于天和舱的窄波束中继终端天线工作视场范围，不能全程对中继卫星可视，空白部分超过10 min；2）中继链路在传输有效数据前，先建立射频通道，这个过程最长为分钟量级；3）天和舱中继终端天线在西、东节点中继卫星间进行链路切换时，转动天线的过程为分钟量级。

为此，充分挖掘在轨多颗中继卫星的资源优势和空间站多舱段多天线的视场特点，提出解决方案。针对天和舱单舱窄波束中继终端天线工作视场范围有限的现状，综合利用问天舱、梦天舱窄波束中继终端天线安装角度与天和舱不同的特点，组合使用不同天线扩大视场范围，实现全程对中继卫星可见；对于中继链路建立过程和空间站舱段中继天线切换过程，通过多舱段多链路弧段重叠设计，将链路建立过程、天线切换过程与链路跟踪并行实施，不占用主流程时间。例如，设置相邻2 个中继卫星任务弧段的重叠时长不少于3 min。当前弧段结束前，完成下一个弧段的空间站舱段中继天线指向调整、前返向中继链路建立、发送填充数据；当前弧段结束时，所需发送的有效数据由上一颗中继卫星转为下一颗中继卫星。

基于问天舱、梦天舱及天和舱的中继天线视场范围，在空间站3 舱组合体“T”字构型下，问天舱最早“可见”中继卫星，梦天舱最晚“可见”中继卫星。根据该特点，提出以下2 种中继跟踪方案，实现测控通信覆盖最大化。

方案1 是3 颗中继卫星与3 个空间站舱段的配对方案，形成3 个组合：组合1 是“西节点中继卫星与问天舱”，组合2 是“中节点中继卫星与天和舱”，组合3 是“东节点中继卫星与梦天舱”。每个组合对应1 个任务弧段，相邻2 个任务弧段有一定程度的重叠，3 个组合按照“组合1—组合2—组合3”的流程接力，联合覆盖整个轨道周期，可将全功能测控通信覆盖率提升至100%，如图3 和图4 所示。图中，蓝色和红色的“圆圈”是常规保障模式的中继覆盖区，在美洲上空存在10 min 以上的空白区域；蓝色、绿色和红色轨道区域采用多星多舱段跟踪方法时，西节点、中节点和东节点中继卫星的测控覆盖区，能够实现轨道全覆盖。

图3 3 颗中继星接力跟踪空间站3 个舱段的模式Fig.3 Diagram of the three-satellite and three-module relay mode

图4 3 星3 舱段接力模式测控通信覆盖Fig.4 Diagram of the TT&C and communication coverage of the three-satellite and three-module relay mode

方案2 是4 颗中继卫星与2 个空间站舱段的配对方案，形成4 个组合：组合1 是“西节点中继卫星与问天舱”，组合2 是“中节点中继卫星与梦天舱”，组合3 是“东节点中继卫星1 与问天舱”，组合4 是“东节点中继卫星2 与梦天舱”。每个组合对应1 个任务弧段，相邻两个任务弧段一定程度重叠，4 个组合按照“组合1—组合2—组合3—组合4”的流程接力，也能联合实现对整个轨道周期的覆盖。

2 种方案对应的中继卫星接力跟踪流程如图5所示。

图5 多星多舱段接力跟踪流程Fig.5 Flow chart of multi-module tracking with multiple satellites

对2 种方案的特点进行比较，结果表明，方案1的优势为占用的中继卫星资源相对较少（3 颗星），且空间站舱段故障时损失的测控覆盖率相对较小（约33%），但需循环使用空间站问天、天和和梦天3 个舱段；方案2 的优势为仅循环使用空间站问天和梦天2 个舱段，但占用中继卫星资源相对较多（4 颗星），且空间站舱段故障时损失的测控覆盖率相对较大（约50%）。

2.2 多手段共同保障常态化安全运行

1）北斗短报文业务

北斗短报文业务覆盖全球，作为中继卫星测控区外的基本监视手段，可将监视范围扩展至寿命全程。梦天实验舱配置了北斗短报文终端，可利用北斗短报文业务通道传输空间站定位数据、关键遥测和航天员短消息，按照紧急重要程度不同，设定3 类数据的传输优先级。完整的北斗短报文传输系统由航天器配置的北斗短报文终端、北斗卫星全球系统、地面飞行控制中心配置的北斗短报文地面接入系统等组成，3 类信息的传输路径呈“M”形，传输流程如图6 所示。

图6 北斗短报文业务数据传输流程Fig.6 Diagram of the data transmission process for the Beidou short message service

2）中继SMA 链路连续业务

中继卫星SMA 链路天线为相控阵形式，天线返向波束数量多且指向调整快，能够同时为众多用户提供返向连续数据传输业务。因此，基于中继SMA 返向链路连续业务的特点，建立常态化值班模式，提供关键状态监视和应急话音通信手段；同时，使用SMA 前向链路作为应急话音通信备用手段。该方案能够保证每圈次都有60%以上的天地联系时段，为发现和处置航天器及航天员异常情况提供有效的手段。实施流程如图7 所示。

图7 基于中继SMA 链路连续业务的应急处置流程Fig.7 Emergency response process for the continuous service based on the SMA links of tracking and data relay satellites

3）中继SMA 链路短报文业务

应用中继卫星SMA 全景静态波束模式，在波束覆盖范围内以10 s 左右间隔周期性发送短报文，下传部分关键遥测数据；有异常状态报告时，可随时发送返向报文。需对空间站进行上行控制时，无需申请资源，即可使用中继SMA 前向-短报文链路向空间站发送控制指令，指令接收执行情况可通过返向短报文实时反馈。

3 种手段均未占用中继卫星的单址天线资源，而是作为全功能天基测控通信链路的补充，综合实现轨道测量、遥测、遥控、话音和短消息传输，以高效费比、自主可控的方式为空间站和航天员提供基本的在轨安全保障。

2.3 天地一体网络化技术提供优质服务

空间站时代，测控通信系统对天地一体网络化信息传输技术（IP over CCSDS 技术）进行改进，将地面互联网技术“搬移”到天地之间，使空间站与地面形成一张网。

天地信道与地面网络通信条件不同，具有非对称（前返向容量比为1∶60）、空间时延大（250 ms 以上）等显著特征［12］，所以地面标准传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）协议直接应用于天地网络环境时，传输性能会下降（仅几十至几百kbit/s）［13-15］。解决该问题的主要途径如下。

1）紧贴空间站任务需求，基于天地信道高级在轨系统（Advanced Orbit System，AOS）数据结构，建立全新网络层，形成统一设计、统一标准的天地一体网络化测控通信体制。

2）基于IP 技术的空间信息网络化传输协议体系，研究确定链路层、网络层、传输层和应用层网络化协议全套配置，适用于航天员在轨上网、图像话音数据通信、载荷数据传输等各类任务场景。

3）采用基于机器学习的天地网络TCP 传输性能优化方法［16］，将在轨上网速率提升至6 Mbit/s（下载）/12 Mbit/s（上传）左右，大幅改善航天员网络服务体验。

应用天地一体网络化技术，航天员虽在遥远的太空，仍可与家人进行网络通话和视频聊天，可在轨访问地面局域网络，发送电子邮件、浏览网页、文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）下载等。

2.4 多星多目标保障交会对接

空间站时代，航天器交会对接以快速交会对接为主，追踪飞行器在几圈时间内完成多次变轨并不断靠近目标飞行器，直至与目标飞行器对接形成组合体。交会对接过程关键动作密集，需要TDRSS提供高覆盖率支持［17］，进行轨道测量、状态监视和必要的控制。在此期间，TDRSS 需同时为追踪飞行器和目标飞行器提供测控通信支持。在交会对接初期和中期，合理分配3 个节点的中继卫星资源，按照不同需求分别跟踪2 个飞行器，一般使用2 颗中继卫星跟踪追踪航天器，使用1 颗中继卫星跟踪目标航天器；在交会对接后期，2 个目标距离较近，同时处于中继卫星天线的可视范围内，使用1 颗中继卫星可满足2 个目标同时测控通信的需求，测控通信工作流程如图8 所示。该模式灵活适应天舟五号2.0 h 快速交会对接、神舟十五号6.5 h 快速交会对接等任务场景。

图8 交会对接任务测控通信工作流程Fig.8 Flow chart of TT&C and communication for rendezvous and docking missions

3 结束语

在空间站转入长期在轨运营阶段后，TDRSS、北斗导航系统等天基测控通信手段将发挥更重要的作用。通过确立天基为主的测控通信模式，优化完善测控通信系统配置和应用方案，对提高测控通信可靠性、鲁棒性，实现全天时、全天候可靠服务，以及有效支撑航天员在轨工作生活和空间应用效益发挥具有重要意义。