中繼衛(wèi)星支持海量航天器在軌測(cè)控技術(shù)

單長(zhǎng)勝，李于衡，*，孫海忠

1.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094 2.中國(guó)衛(wèi)星發(fā)射測(cè)控系統(tǒng)部，北京 100120

中繼衛(wèi)星支持海量航天器在軌測(cè)控技術(shù)

單長(zhǎng)勝1，李于衡1，*，孫海忠2

1.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京 100094 2.中國(guó)衛(wèi)星發(fā)射測(cè)控系統(tǒng)部，北京 100120

目前中低軌的衛(wèi)星在軌測(cè)控主要基于地面測(cè)控設(shè)備，當(dāng)管理的在軌衛(wèi)星數(shù)量持續(xù)增加時(shí)，需要不斷地建設(shè)新的測(cè)控站或增加測(cè)控設(shè)備，同時(shí)由于地球遮擋限制，一個(gè)地面測(cè)控站的測(cè)控范圍只占一顆衛(wèi)星運(yùn)行弧段的很小部分，集中在國(guó)內(nèi)建設(shè)的地面測(cè)控站無(wú)法解決軌道全弧段覆蓋難題。地球靜止中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的高覆蓋特性和多址服務(wù)能力為近地衛(wèi)星在軌測(cè)控提供了空間和頻域的多重復(fù)用能力，文章從中繼鏈路性能、多目標(biāo)服務(wù)項(xiàng)目、多目標(biāo)服務(wù)能力、覆蓋特性等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明在現(xiàn)有的管理模式下，3顆具有多址能力的中繼衛(wèi)星就能管理中國(guó)目前在軌的和今后一段時(shí)間發(fā)射的所有近地衛(wèi)星，這將顯著降低在軌衛(wèi)星對(duì)地面測(cè)控設(shè)備的需求。同時(shí)，中繼多址測(cè)控服務(wù)模式可以克服現(xiàn)有在軌衛(wèi)星管理時(shí)間域集中和應(yīng)急能力差的缺陷，為衛(wèi)星用戶提供更多的服務(wù)手段，滿足不同在軌衛(wèi)星管理和使用要求，大幅提升在軌衛(wèi)星的安全性和使用效率。

中繼衛(wèi)星；SMA多址技術(shù)；近地衛(wèi)星；衛(wèi)星在軌測(cè)控；前向鏈路；返向鏈路

地球靜止軌道均勻分布3顆中繼衛(wèi)星可以徹底克服地球的遮擋，實(shí)現(xiàn)對(duì)中、低軌衛(wèi)星和地面目標(biāo)的100%覆蓋。美國(guó)在執(zhí)行阿波羅登月任務(wù)時(shí)，建設(shè)的分布全球20多個(gè)地面站在最有利條件下也只能覆蓋30%以下的地球軌道，因此20世紀(jì)80年代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS)建成后，美國(guó)撤消了在全球布設(shè)的14個(gè)地面測(cè)控站，中繼衛(wèi)星(Tracking and Data Relay satellite，TDRS)的服務(wù)范圍從航天飛機(jī)擴(kuò)大到中低軌航天器、運(yùn)載火箭和機(jī)載平臺(tái)等1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年10月1日到2012年9月30日，TDRSS為近地衛(wèi)星提供了147 810圈次、176 141 h的服務(wù)(平均每天405圈、每圈72min)，系統(tǒng)的服務(wù)效率達(dá)到了99%以上3]。歐洲航天局也重視發(fā)展中繼衛(wèi)星為飛船和對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，歐洲第二代中繼衛(wèi)星(European Data Relay Satellite，EDRS)為“哨兵”觀測(cè)衛(wèi)星提供50%以上的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還為“伽利略”衛(wèi)星等提供測(cè)控服務(wù)4]。

隨著中國(guó)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，新發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量明顯增加、衛(wèi)星在軌壽命也隨之延長(zhǎng)，因此需要管理的在軌衛(wèi)星數(shù)量將顯著增加，采用目前以地基為主的近地衛(wèi)星測(cè)控模式只能通過(guò)大幅增加測(cè)控設(shè)備完成在軌管理任務(wù)，而且在主要依靠國(guó)內(nèi)測(cè)控站的條件下，即使建設(shè)了大量地面測(cè)控站，仍然無(wú)法彌補(bǔ)衛(wèi)星升、降軌之間運(yùn)行到國(guó)外不可見(jiàn)的測(cè)控間隙，日常衛(wèi)星在軌測(cè)控只能繼續(xù)采用時(shí)間域集中的測(cè)控模式，衛(wèi)星平臺(tái)應(yīng)急的安全需求和有效載荷控制快速響應(yīng)的效率需求無(wú)法得到滿足5-6]。

中繼衛(wèi)星對(duì)中、低軌道衛(wèi)星具有高覆蓋特性，可以工作在單址和多址工作方式，在多址工作模式下，一顆中繼衛(wèi)星可以同時(shí)為多個(gè)用戶目標(biāo)服務(wù)。中國(guó)一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)在載人飛船的長(zhǎng)弧段測(cè)控任務(wù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用7]，第二代中繼衛(wèi)星將具備多址工作模式，這種多目標(biāo)服務(wù)能力和高覆蓋特性的結(jié)合，就有可能利用少數(shù)幾顆中繼衛(wèi)星對(duì)大量的在軌近地衛(wèi)星實(shí)施測(cè)控管理。為此，從中繼衛(wèi)星對(duì)近地衛(wèi)星的覆蓋特性、鏈路性能、多目標(biāo)服務(wù)項(xiàng)目、多目標(biāo)服務(wù)能力等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明在現(xiàn)有的近地衛(wèi)星管理模式下，1顆具有多址能力的中繼衛(wèi)星可以管理100顆以上的近地衛(wèi)星，3顆均勻分布在地球靜止軌道上的中繼衛(wèi)星就能管理中國(guó)目前在軌和預(yù)期今后發(fā)射的所有近地衛(wèi)星。除了管理數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)，中繼衛(wèi)星的高覆蓋特性還將帶來(lái)管理模式上的改變，可以徹底改變當(dāng)前衛(wèi)星時(shí)間域集中管理的單一模式?；诙嗄繕?biāo)服務(wù)能力和高覆蓋特性，初步設(shè)計(jì)了中繼衛(wèi)星對(duì)近地衛(wèi)星的均勻測(cè)控、輪詢測(cè)控和連續(xù)測(cè)控三種模式。

1 中繼衛(wèi)星多址業(yè)務(wù)

中繼衛(wèi)星安裝有大口徑拋物面和相控陣星間天線，為用戶航天器和地面之間的高速業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和低速遙測(cè)、遙控和軌道測(cè)量數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，其中大口徑星間天線提供一個(gè)波束服務(wù)，相控陣星間天線提供多個(gè)波束服務(wù)。S頻率下利用大口徑星間天線提供服務(wù)的方式被稱為S頻率單址方式(S-band Single Access，SSA)、S頻率下利用相控陣星間天線提供服務(wù)的方式被稱為S頻率多址方式(S-band Multiple Access，SMA)。采用SSA模式，一顆中繼衛(wèi)星通常只能為一個(gè)用戶航天器服務(wù)；采用SMA服務(wù)模式，一顆中繼衛(wèi)星可以同時(shí)為5個(gè)以上的近地航天器服務(wù)8]。

1.1 多址技術(shù)

美國(guó)中繼衛(wèi)星的多址技術(shù)基礎(chǔ)是星載30陣元相控陣天線，其中收發(fā)共用陣元12個(gè)、接收陣元18個(gè)，單個(gè)陣元采用螺線構(gòu)型，如圖1所示，為星間鏈路提供前、返向信道服務(wù)。

(1)前向信道

前向發(fā)射波束在TDRS星上形成，12個(gè)螺線陣元利用5.6 dBW飽和功率放大器和雙工器，向用戶平臺(tái)提供所需要的等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP)。某一時(shí)刻只有8個(gè)發(fā)射機(jī)同時(shí)工作。通過(guò)地面發(fā)送指令，對(duì)12個(gè)收發(fā)共用陣元的8個(gè)進(jìn)行相移，形成寬約5°～8°的橢圓形發(fā)射波束，并將其指向±13°視場(chǎng)內(nèi)的任何地方，波束形成網(wǎng)絡(luò)原理如圖2所示。

圖1 TDRS相控陣天線排列示意Fig.1 Antenna array of a TDRS

圖2 TDRS前向波束形原理Fig.2 Beam forming principle for forward link

(2)返向信道

TDRS利用所有30個(gè)陣元跟蹤和接收用戶多址返向信號(hào)，對(duì)來(lái)自每個(gè)陣元的信號(hào)進(jìn)行前置放大、下變頻為中頻并進(jìn)行帶通濾波，形成30個(gè)陣元信道頻率復(fù)用信號(hào)，并發(fā)送至返向處理器，在這里與其他返向信號(hào)和TDRS遙測(cè)進(jìn)行組合。組合后的復(fù)合信號(hào)經(jīng)由星地下行鏈路傳輸?shù)降孛娼K端站。與前向波束在星上形成不同，返向接收波束在地面形成，地面終端站對(duì)接收的返向信號(hào)進(jìn)行分離、相位、幅度加權(quán)和線性組合，形成6個(gè)3 dB帶寬為3°的波束。

表1分別列出了TDRS的SMA前、返向信道主要性能指標(biāo)，可以看出TDRS可以同時(shí)為1路最大速率10 kbit/s的前向信道、5路最大速率300 kbit/s的返向信道提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)4]。

表1 美國(guó)中繼衛(wèi)星SMA主要性能指標(biāo)

1.2 海量中繼測(cè)控帶來(lái)的變化

與目前基于地面測(cè)控系統(tǒng)完成在軌衛(wèi)星的管理方式相比，利用中繼SMA不僅可以擴(kuò)大測(cè)控覆蓋率，還可以滿足海量在軌管理要求，引起衛(wèi)星管理模式的改變，進(jìn)一步提升衛(wèi)星在軌安全性和使用效率。

(1)改變當(dāng)前衛(wèi)星在軌管理模式

受地面站測(cè)控可視條件限制，目前近地衛(wèi)星的在軌管理采取盡能力管理模式，即每天升、降軌各連續(xù)若干圈的集中式管理，在升、降軌大約6 h時(shí)間間隙地面無(wú)法監(jiān)視衛(wèi)星。使用中繼測(cè)控消除了測(cè)控可視條件限制，消除了升、降軌的測(cè)控間隙，可以對(duì)在軌衛(wèi)星實(shí)施按需管理模式，即根據(jù)衛(wèi)星管理和使用要求，采取時(shí)間間隔均勻、時(shí)間間隔可變、甚至7×24 h的無(wú)間隙管理。

(2)提高管理效率

對(duì)地觀測(cè)的需求決定了近地衛(wèi)星大部分采用太陽(yáng)同步軌道，由于觀測(cè)條件和數(shù)據(jù)接收的限制，大部分衛(wèi)星過(guò)降交點(diǎn)的時(shí)刻相近。當(dāng)采用每天升、降軌各連續(xù)若干圈的盡能力管理模式時(shí)，如果在軌衛(wèi)星數(shù)量顯著增加，在每天集中管理的時(shí)間內(nèi)，需要同時(shí)測(cè)控的衛(wèi)星數(shù)量也將顯著增加，需要建立龐大的衛(wèi)星管理隊(duì)伍?；谥欣^衛(wèi)星系統(tǒng)采用按需管理模式后，可以均勻安排測(cè)控任務(wù)，消除集中管理的弊端。

(3)增加單次測(cè)控時(shí)長(zhǎng)

如上所述，受地球遮擋的影響，利用一顆中繼衛(wèi)星對(duì)近地衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)控，每個(gè)跟蹤圈次至少可以提供半個(gè)軌道周期的測(cè)控時(shí)間(40 min以上)，為地面衛(wèi)星測(cè)控中心提供足夠的上行操作和執(zhí)行效果判斷的時(shí)間，提高了每個(gè)跟蹤圈次的測(cè)控效率并增強(qiáng)了上行操作可靠性。

(4)提升衛(wèi)星應(yīng)急處置能力和業(yè)務(wù)使用的靈活性

在盡能力管理模式下，一顆衛(wèi)星的升軌跟蹤結(jié)束到降軌間歇地面無(wú)法監(jiān)視衛(wèi)星，衛(wèi)星出了故障或者地面出現(xiàn)臨時(shí)緊急觀測(cè)任務(wù)時(shí)，衛(wèi)星無(wú)法及時(shí)響應(yīng)處理，通常會(huì)有幾個(gè)小時(shí)的延誤。利用中繼衛(wèi)星全覆蓋和SMA天線指向快速電掃特性，這種衛(wèi)星應(yīng)急處置和業(yè)務(wù)的響應(yīng)時(shí)間可以壓縮到分鐘量級(jí)，提升了衛(wèi)星應(yīng)急處置能力和業(yè)務(wù)使用的靈活性。

2 SMA支持海量近地航天器在軌 管理能力分析

中繼衛(wèi)星的軌道高度決定了它對(duì)近地航天器的高覆蓋能力、多址服務(wù)能力使其能夠管理海量的近地在軌衛(wèi)星，具體管理能力分析如下。

2.1 鏈路性能

利用中繼衛(wèi)星可以完成目前地面測(cè)控系統(tǒng)承擔(dān)的所有在軌衛(wèi)星管理任務(wù)，如衛(wèi)星跟蹤、遙測(cè)數(shù)據(jù)接收、遙控指令發(fā)令、上行數(shù)據(jù)注入和軌道測(cè)量，中繼用戶終端越做越小，如美國(guó)中繼終端已經(jīng)發(fā)展到第四代，質(zhì)量小于3.6 kg、功放功率小于5 W。當(dāng)用戶衛(wèi)星終端采用高度不超過(guò)10 cm螺旋天線、G/T值為-26 dB/K、功放功率5 W時(shí)，利用TDRS指標(biāo)計(jì)算它跟蹤一顆600 km軌道高度的近地衛(wèi)星，以目前通常的衛(wèi)星測(cè)控鏈路指標(biāo)前向4 kbit/s、返向8 kbit/s計(jì)算TDRS的前、返向鏈路,尚有余量約8 dB。

2.2 測(cè)控覆蓋率

表2是以赤道上均勻分布的3顆地球靜止軌道中繼衛(wèi)星(A、B、C)組網(wǎng)為例，計(jì)算它們跟蹤1顆600 km軌道高度用戶衛(wèi)星的一個(gè)回歸周期可視弧段結(jié)果9]，中繼終端的天線安裝在衛(wèi)星星體表面、波束寬度75°。從表2可以計(jì)算得出，3顆中繼衛(wèi)星總跟蹤時(shí)長(zhǎng)1 477.7 min，對(duì)該近地衛(wèi)星的測(cè)控覆蓋率達(dá)到79%，單顆中繼衛(wèi)星最長(zhǎng)連續(xù)測(cè)控時(shí)間為223.6 min，有8段時(shí)間2顆中繼星可以同時(shí)測(cè)控，雙星最長(zhǎng)同時(shí)測(cè)控時(shí)間32 min。

上述分析只考慮了安裝一個(gè)中繼天線的情況，根據(jù)任務(wù)需要可以選擇合適的位置再安裝一個(gè)中繼終端天線，就能實(shí)現(xiàn)100%的測(cè)控覆蓋，同時(shí)還可以提高中繼測(cè)控可靠性。

2.3 測(cè)控衛(wèi)星數(shù)量

受地球遮擋限制，地面測(cè)控站對(duì)衛(wèi)星大部分時(shí)間不可見(jiàn)，因此基于地面測(cè)控站的衛(wèi)星管理模式是挑選地面站可見(jiàn)的弧段進(jìn)行測(cè)控，通常每天的升、降軌各選取幾圈，而地球的遮擋使每圈一個(gè)地面測(cè)控站對(duì)一顆近地衛(wèi)星的最長(zhǎng)可見(jiàn)測(cè)控弧段僅為15 min，在此弧段內(nèi)完成下行數(shù)據(jù)接收和上行數(shù)據(jù)發(fā)送，下面基于此進(jìn)行分析。

(1)下行接收

中繼衛(wèi)星的一副天線1天能夠測(cè)控的衛(wèi)星數(shù)N：

(1)

式中：T為一副天線1天工作時(shí)間；t為一顆近地衛(wèi)星1天需要測(cè)控的時(shí)間。表 3是分別按中繼前、返向鏈路計(jì)算美國(guó)和歐洲一顆中繼衛(wèi)星1天能夠服務(wù)近地衛(wèi)星總數(shù)的計(jì)算結(jié)果，其中假設(shè)1顆近地衛(wèi)星每天測(cè)控升、降軌各3圈、每圈15min。可以看出一顆使用相控陣天線的中繼衛(wèi)星就能夠管理100顆以上的近地衛(wèi)星。

表2 可視弧段計(jì)算結(jié)果

(2)上行發(fā)射

與遙測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)下傳不同，通常在只有在業(yè)務(wù)服務(wù)設(shè)置、狀態(tài)改變和衛(wèi)星平臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，近地衛(wèi)星才有遙控上行任務(wù)，其他時(shí)間只是下行接收。因此，盡管在多址方式上，1顆中繼衛(wèi)星在同一時(shí)間只有一條上行鏈路，但通過(guò)分時(shí)方式，可以滿足不同數(shù)量衛(wèi)星的上行遙控或數(shù)據(jù)注入任務(wù)。以TDRS前向10kbit/s速率計(jì)算，一天上行的數(shù)量總量為864Mbit/s，如果為100顆用戶星服務(wù)，每個(gè)用戶星每天能夠得到的上行數(shù)據(jù)量為8.64Mbit/s，按每個(gè)用戶星前向速率4kbit/s速率計(jì)算，相當(dāng)于每個(gè)用戶星平均每天能得到36min的上行服務(wù)時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足當(dāng)前近地衛(wèi)星的管理要求。

因此3顆組網(wǎng)的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)就能夠管理300顆以上的近地衛(wèi)星的下行接收和上行發(fā)射測(cè)控要求。

2.4 軌道測(cè)量和確定

(1)軌道測(cè)量

通常中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)用戶星的軌道測(cè)量數(shù)據(jù)包括單向多普勒測(cè)速、雙向多普勒測(cè)速和雙向距離測(cè)量。其中航天器到中繼衛(wèi)星之間的距離測(cè)量利用了相干轉(zhuǎn)發(fā)原理，即地面站通過(guò)前向低速數(shù)據(jù)信道發(fā)送測(cè)距偽碼信息，經(jīng)中繼衛(wèi)星變頻轉(zhuǎn)發(fā)后由用戶終端接收、解擴(kuò)、濾波，并通過(guò)返向信道相干轉(zhuǎn)發(fā)至中繼衛(wèi)星，地面終端站對(duì)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的返向信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)后求出地面—中繼—用戶星之間的四程距離和信息10]。

(2)軌道確定

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)用戶星軌道確定的方法有兩種：一是固定中繼衛(wèi)星軌道，將中繼衛(wèi)星當(dāng)作一個(gè)移動(dòng)的測(cè)量站，使用星星測(cè)速數(shù)據(jù)和測(cè)距數(shù)據(jù)對(duì)用戶星進(jìn)行精密軌道確定；二是將中繼衛(wèi)星自身軌道當(dāng)作待求解量，聯(lián)合使用用戶星測(cè)距數(shù)據(jù)和中繼衛(wèi)星外測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)中繼衛(wèi)星和用戶星進(jìn)行聯(lián)合定軌，同時(shí)對(duì)中繼衛(wèi)星和用戶星軌道參數(shù)進(jìn)行求解，還可以進(jìn)一步提高中繼衛(wèi)星和用戶星的軌道確定精度11]。

(3)精度分析

表4是TDRSS利用定點(diǎn)西經(jīng)41°的TDRS-4和定點(diǎn)西經(jīng)174.3°的TDRS-5兩顆中繼衛(wèi)星對(duì)航天飛機(jī)軌道測(cè)量獲得的單向測(cè)速、雙向測(cè)速、雙向測(cè)距和2顆中繼星本身測(cè)距數(shù)據(jù)精度分析結(jié)果。表5是利用上述測(cè)軌數(shù)據(jù)，采用3種定軌方法計(jì)算的航天飛機(jī)位置殘差情況，可以看出這3種定軌方法計(jì)算的航天飛機(jī)位置誤差小于20m，滿足目前近地衛(wèi)星軌道確定的精度需求5]。

表4 TDRSS對(duì)用戶星軌道測(cè)量數(shù)據(jù)精度

表5 多種定軌方法計(jì)算航天飛機(jī)位置殘差RMS

3 SMA服務(wù)模式初步設(shè)計(jì)

在SMA模式下，根據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的服務(wù)能力和衛(wèi)星在軌管理要求，可以為在軌航天器提供以下3種服務(wù)模式：均勻測(cè)控模式、輪詢測(cè)控模式和連續(xù)測(cè)控模式，以滿足不同衛(wèi)星的在軌管理要求。下面以美國(guó)TDRS返向5路、前向1路的SMA能力為例進(jìn)行近地衛(wèi)星在軌測(cè)控初步設(shè)計(jì)。

3.1 均勻測(cè)控

衛(wèi)星測(cè)控中心每天需要根據(jù)管理要求對(duì)在軌衛(wèi)星進(jìn)行一定圈次的在軌測(cè)控，完成衛(wèi)星遙測(cè)監(jiān)視、遙控發(fā)令和軌道測(cè)量等任務(wù)，使用SMA均勻測(cè)控模式，可以將這些管理圈次均勻分布在一天，每個(gè)圈次時(shí)間間隔固定，利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理衛(wèi)星出現(xiàn)的問(wèn)題，均勻測(cè)控工作流程如圖3所示。

圖3 均勻測(cè)控模式工作示意Fig.3 TDRS′SMA service in uniform mode

具體工作流程如下：

(1)遙測(cè)

在SMA模式下，TDRS可以同時(shí)接收5顆運(yùn)行在不同軌道的近地衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù)，假設(shè)每顆星的遙測(cè)監(jiān)視時(shí)長(zhǎng)一致，地面在設(shè)定的接收時(shí)間內(nèi)，同時(shí)接收5顆衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)超過(guò)接收時(shí)長(zhǎng)后，選擇另外5顆近地衛(wèi)星重復(fù)同樣操作，這樣依次循環(huán)，完成所有衛(wèi)星的遙測(cè)監(jiān)視任務(wù)。每顆近地衛(wèi)星的監(jiān)視頻度與需要監(jiān)視的近地衛(wèi)星總數(shù)和監(jiān)視時(shí)間長(zhǎng)度相關(guān)，衛(wèi)星總數(shù)越多、監(jiān)視時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，監(jiān)視頻度就越低。

(2)遙控/注數(shù)

與衛(wèi)星遙測(cè)需要頻繁監(jiān)視的要求不同，衛(wèi)星遙控業(yè)務(wù)是只有當(dāng)需要對(duì)衛(wèi)星發(fā)送指令或注入數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，有時(shí)一顆衛(wèi)星一天都不需要發(fā)送一條指令，有時(shí)一天可能需要發(fā)送多條指令或注數(shù)，因此需要根據(jù)每顆近地衛(wèi)星的上行需求安排遙控業(yè)務(wù)，同時(shí)，考慮到遙控發(fā)令需要遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行執(zhí)行效果判斷，在安排SMA對(duì)某顆近地星前向發(fā)令時(shí)，一定要接收該星的遙測(cè)數(shù)據(jù)，遙控發(fā)令/注數(shù)過(guò)程如圖3所示。

(3)測(cè)距

目前所有近地衛(wèi)星都已經(jīng)安裝GPS/BD接收設(shè)備，接收的GPS/BD信號(hào)跟隨遙測(cè)信號(hào)一起傳到測(cè)控中心用于軌道計(jì)算。但在實(shí)際應(yīng)用中，仍會(huì)有一些衛(wèi)星需要利用軌道測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌。使用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，是通過(guò)測(cè)量中繼衛(wèi)星與近地衛(wèi)星之間的四程距離得到軌道測(cè)量信息，為完成該任務(wù)，中繼衛(wèi)星需要發(fā)送前向信號(hào)，用戶星接收該前向信號(hào)并相干轉(zhuǎn)發(fā)，由地面接收和處理后，獲得中繼衛(wèi)星到近地衛(wèi)星的四程距離和數(shù)據(jù)。因此為完成測(cè)距任務(wù)，控制SMA的前向波束指向一顆近地星，同時(shí)使用一個(gè)SMA的返向波束接收該星的測(cè)距數(shù)據(jù)。

3.2 輪詢測(cè)控

新一代衛(wèi)星性能強(qiáng)大、功能復(fù)雜，為了確保衛(wèi)星整星安全，除了在遙測(cè)監(jiān)視時(shí)段由地面完成衛(wèi)星狀態(tài)分析任務(wù)外，星上還采取了自主健康診斷系統(tǒng)，可以在衛(wèi)星出現(xiàn)重大異常時(shí)自動(dòng)報(bào)警。對(duì)于這種衛(wèi)星，測(cè)控中心需要定期接收衛(wèi)星的健康診斷結(jié)果。因此針對(duì)這類衛(wèi)星，在SMA模式下專門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)返向波束，采用輪詢方式檢測(cè)每個(gè)在軌衛(wèi)星的自動(dòng)報(bào)警信號(hào)，其工作流程如圖4所示。由于SMA模式下波束指向的切換時(shí)間在毫秒內(nèi)，即使管理衛(wèi)星數(shù)量多，這種輪詢方式的檢測(cè)間隔也能控制在很小范圍內(nèi)。使用這種輪詢測(cè)控方式，在沒(méi)有上行任務(wù)時(shí)，地面衛(wèi)星測(cè)控中心可以不用監(jiān)視衛(wèi)星狀態(tài)，只有當(dāng)檢測(cè)出報(bào)警信號(hào)時(shí)，才進(jìn)行處理，這樣能夠大大提高近地衛(wèi)星的測(cè)控效率和降低管理成本。

輪詢模式通常工作于對(duì)近地衛(wèi)星遙測(cè)接收，在該模式下只使用中繼衛(wèi)星的一個(gè)接收波束對(duì)近地衛(wèi)星的遙測(cè)進(jìn)行接收，其他的前、返向波束的使用不受影響，遙控發(fā)令、測(cè)距與均勻測(cè)控的方式相同。

圖4 輪詢測(cè)控模式工作示意Fig.4 TDRS′SMA service in polling mode

3.3 連續(xù)測(cè)控

圖5 連續(xù)測(cè)控模式工作示意Fig.5 TDRS′SMA service in continuing mode

3顆赤道上空均勻分布的中繼衛(wèi)星可以對(duì)軌道高度超過(guò)350km的近地衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)100%覆蓋、而且相鄰兩顆星之間有約50%重疊覆蓋區(qū)。通常一次衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，使用一顆中繼星就能完成任務(wù)。但也有一些在軌衛(wèi)星因特殊任務(wù)要求，需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)控。對(duì)于這種需求，可以在SMA模式下利用兩顆中繼星重疊覆蓋特性滿足這一要求，具體來(lái)說(shuō)就是在重疊覆蓋區(qū)使用2顆相鄰的中繼星SMA的各自一個(gè)返向波束，指向同一目標(biāo)星，同時(shí)接收遙測(cè)、選擇其中一顆中繼星發(fā)令或測(cè)距；在非重疊區(qū)，對(duì)目標(biāo)可視的中繼星SMA返向波束指向目標(biāo)星，接收遙測(cè)、發(fā)令或測(cè)距。連續(xù)測(cè)控流程如圖5所示。通常衛(wèi)星測(cè)控天線是全向天線，因此在連續(xù)模式下，執(zhí)行接力任務(wù)的兩顆星可以同時(shí)接收遙測(cè)數(shù)據(jù)，但由于衛(wèi)星接收只能在一個(gè)時(shí)刻接收一個(gè)站的上行，因此在兩顆星切換過(guò)程中，遙測(cè)接收不會(huì)中斷。遙控上行將會(huì)中斷，上行接收將由當(dāng)前的中繼星的前向鏈路切換到另一顆中繼星的前向鏈路，但切換的時(shí)間很短，取決于衛(wèi)星接收機(jī)的捕獲性能，通常在秒級(jí)即可完成。

上述3種測(cè)控模式中，均勻測(cè)控模式適合在現(xiàn)有衛(wèi)星能力和管理要求下利用中繼衛(wèi)星完成在軌管理，克服了衛(wèi)星升、降軌之間運(yùn)行到國(guó)外不可見(jiàn)的測(cè)控間隙；輪詢測(cè)控模式適用于具有健康自主管理能力的衛(wèi)星，在該模式下，能夠監(jiān)視衛(wèi)星的數(shù)量和監(jiān)視頻度都可以大大提高，可以在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星異常；連續(xù)測(cè)控模式適用于需要連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間衛(wèi)星監(jiān)視或者上行操作任務(wù)，可以保障衛(wèi)星重要的測(cè)控任務(wù)。因此，如何使用上述3種SMA服務(wù)模式，需要結(jié)合衛(wèi)星的能力、承擔(dān)的任務(wù)和具體的管理要求進(jìn)行選擇，但無(wú)論如何，與現(xiàn)有的基于地基測(cè)控網(wǎng)實(shí)現(xiàn)近地衛(wèi)星管理相比，這種管理數(shù)量和管理模式的改變改善了測(cè)控條件、提高應(yīng)急處置能力、增強(qiáng)業(yè)務(wù)使用的靈活性和提升衛(wèi)星使用效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)有衛(wèi)星管理要求下，一顆具有1路前向、5路返向多址能力的地球靜止軌道中繼衛(wèi)星能夠管理超過(guò)100顆近地衛(wèi)星，多顆中繼衛(wèi)星組網(wǎng)的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)將具有完成中國(guó)所有在軌衛(wèi)星管理的能力，將改變目前衛(wèi)星數(shù)量增加、地面測(cè)控站址和設(shè)備必須同步增加的困境，大大減少地面測(cè)控站的數(shù)量。同時(shí)，除了衛(wèi)星管理數(shù)量的增加，使用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)支持近地衛(wèi)星在軌管理，克服現(xiàn)有在軌衛(wèi)星時(shí)間域集中管理的缺陷，支持衛(wèi)星自主診斷報(bào)警信息實(shí)時(shí)下傳和在軌連續(xù)測(cè)控，將能夠顯著提升衛(wèi)星應(yīng)急處置能力、業(yè)務(wù)使用的靈活性和管理效率。

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(編輯：車曉玲)

Tracking and data relay satellite system for huge number satellite control

SHAN Changsheng1， LI Yuheng1，*，SUN Haizhong2

1.BeijingSpaceInformationRelayandTransmissionTechnologyCenter，Beijing100094，China2.ChinaSatelliteLanuch&TrackingControlGeneral，Beijing100120，China

Usually，on-orbit satellites are controlled by the ground-based TT & C stations. The more on-orbit satellites are on orbit，the more TT & C stations and equipments are needed to be constructed. Meanwhile，due to the Earth surface curve，a TT & C station can cover only a few part of a satellite′s entire orbit. High coverage percentage and multiple access technology enable the tracking and data relay satellite system(TDRSS)greatly enhancing its power in space domain and frequency to control much more on-orbit low earth orbit satellites. The analysis on the link performance，multiple service items，multiple service numbers and coverage percentage manifests that a TDRSS，with its SMA technology，can control huge numbers of on-orbit low earth orbit satellites. Three tracking and data relay satellites(TDRS) uniformly stationed at geostationary orbit can control all China current on-orbit and to be lunched satellites without increasing the TT & C stations and equipments. Then three SMA service modes were described，which eliminate the TT & C control gaps caused by the earth blackout and quickly response to any emergency service. With TDRS′ SMA support，a satellite control center has more choice to control on-orbit satellites which improves its management efficiency，use efficiency and most importantly to improve the guarantee of the satellite safety.

TDRS；SMA；low earth orbit satellite；on-orbit satellite control；forward link；return link

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0017

2015-07-31；

2017-01-10；錄用日期：2017-01-24；

時(shí)間：2017-02-16 18:13:13

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170216.1813.005.html

國(guó)家863計(jì)劃(2011AA7100016)

單長(zhǎng)勝(1969-)，男，高級(jí)工程師，Shangsheng_2005@sina.com,研究方向?yàn)樾l(wèi)星測(cè)控和中繼衛(wèi)星應(yīng)用

單長(zhǎng)勝，李于衡，孫海忠. 中繼衛(wèi)星支持海量航天器在軌測(cè)控技術(shù)J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2017，37(1)：89-96.SHANCS，LIYH，SUNHZ.TrackinganddatarelaysatellitesystemforhugenumbersatellitecontrolJ].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(1)：89-96(inChinese).

V525

A

http:∥zgkj.cast.cn