航天測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)與展望*

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

航天測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)與展望*

雷 厲**

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

航天測(cè)控通信系統(tǒng)是航天工程和空間基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。為了探討航天測(cè)控通信技術(shù)的發(fā)展，介紹了當(dāng)今航天測(cè)控通信系統(tǒng)的總體性能和存在的問(wèn)題，給出了國(guó)內(nèi)外航天測(cè)控通信系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，展望了未來(lái)一段時(shí)間航天測(cè)控通信技術(shù)的發(fā)展方向。

航天工程；測(cè)控通信；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展態(tài)勢(shì)

1 引 言

航天測(cè)控通信是指對(duì)航天器進(jìn)行跟蹤測(cè)軌(即外測(cè))、遙測(cè)(即內(nèi)測(cè))、遙控和通信(傳輸數(shù)據(jù)、圖像和話音等)。航天測(cè)控通信系統(tǒng)是航天器與地面聯(lián)系的生命線和天地信息的傳輸線，也是航天工程和空間基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。

最早出現(xiàn)的測(cè)控系統(tǒng)是1942年德國(guó)用于支持V-2火箭發(fā)射的分離測(cè)控系統(tǒng)。1957年蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星，為人類開(kāi)啟了航天新紀(jì)元，也拉開(kāi)了航天測(cè)控通信系統(tǒng)大發(fā)展的序幕。70多年來(lái)，美、俄、中、歐等航天大國(guó)(或聯(lián)盟)都陸續(xù)建成了近地軌道測(cè)控網(wǎng)、深空測(cè)控網(wǎng)和天基測(cè)控網(wǎng)(廣義上包括跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))。

直至目前，測(cè)控通信的頻段仍以射頻為主，光測(cè)量與通信逐步得到應(yīng)用；測(cè)控通信覆蓋范圍從陸(海)基站的過(guò)頂區(qū)域到天基網(wǎng)的近地空間基本覆蓋，以及從月球到遙遠(yuǎn)的深空；測(cè)距誤差從30 m降到分米級(jí)；測(cè)速誤差從3 cm/s降到0.1 mm/s；測(cè)角誤差從0.05°降到0.002°；數(shù)據(jù)傳輸速率從幾kbit/s到800 Mbit/s；作用距離從地表到距地球10億公里。

雖然航天測(cè)控通信的體系、覆蓋能力、性能指標(biāo)等已經(jīng)比較完善和先進(jìn)，但仍然存在著測(cè)控通信資源利用效率不高和新的需求尚未得到滿足的問(wèn)題，具有很大的改進(jìn)和發(fā)展空間。一是“煙囪”林立，一體化、綜合化、網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)展緩慢，系統(tǒng)彈性不夠，擴(kuò)展和重構(gòu)難，資源使用效率低下；二是同時(shí)多目標(biāo)服務(wù)能力和數(shù)據(jù)傳輸速率尚有差距；三是需要建設(shè)在軌服務(wù)與維護(hù)的測(cè)控通信支持能力；四是系統(tǒng)和設(shè)備的自主化、智能化程度低，對(duì)操作人員和地面系統(tǒng)的依賴性強(qiáng)；五是系統(tǒng)的安全防護(hù)能力比較脆弱。

本文在歸納國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上，展望了未來(lái)一段時(shí)間航天測(cè)控通信技術(shù)的發(fā)展方向。

2 國(guó)外航天測(cè)控通信技術(shù)的主要發(fā)展態(tài)勢(shì)

2.1 美國(guó)軍用測(cè)控網(wǎng)

美國(guó)軍用測(cè)控網(wǎng)將打破以專用測(cè)控系統(tǒng)為主的“煙囪式”結(jié)構(gòu)，建立企業(yè)級(jí)地面服務(wù)體系，以實(shí)現(xiàn)通用化和互聯(lián)互通互操作，提高資源利用效率。

美國(guó)軍用地面測(cè)控系統(tǒng)包括空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)(Air Force Satellite Control Network, AFSCN)、海軍測(cè)控網(wǎng)、陸軍測(cè)控網(wǎng)、海軍研究實(shí)驗(yàn)室控制網(wǎng)、海洋與大氣管理局測(cè)控網(wǎng)等，近20個(gè)跟蹤站遍布全球。軍用地面系統(tǒng)中專用系統(tǒng)的占比大約是85%，有獨(dú)立的操作員、軟件和硬件，全天候有人值班，但不具備與其他地面系統(tǒng)的互操作能力，資源使用效率低下[1]。

從2008年起，美國(guó)空軍航天司令部開(kāi)始考慮航天測(cè)控系統(tǒng)向地面系統(tǒng)企業(yè)轉(zhuǎn)型。2009年美軍在“快速響應(yīng)航天”計(jì)劃中提出了適用于快響衛(wèi)星的地面系統(tǒng)企業(yè)[2],由空軍航天司令部的“多任務(wù)衛(wèi)星操作中心”(Multi-Mission Satellite Operations Center, MMSOC)、美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)哥達(dá)德任務(wù)業(yè)務(wù)發(fā)展中心(Goddard Mission Services Evolution Center, GMSEC)的消息總線中間件、海軍研究實(shí)驗(yàn)室的“虛擬任務(wù)操作中心”和分布式通用地面系統(tǒng)等組成。它通過(guò)全球信息柵格(Global Information Grid, GIG)和空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通過(guò)全球信息柵格分發(fā)。最終目標(biāo)是將載荷數(shù)據(jù)直接傳送給聯(lián)合部隊(duì)指揮官，或?qū)⑻幚砗蟮男畔⒅苯觽魉徒o戰(zhàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)人員。

2013年，美國(guó)航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心提出了“企業(yè)地面體系”計(jì)劃[3]，目標(biāo)是提高航天地面測(cè)控系統(tǒng)的靈活性、自動(dòng)化程度、安全性、彈性及降低成本。以MMSOC為基礎(chǔ)構(gòu)建的企業(yè)級(jí)地面系統(tǒng)由收/發(fā)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星/任務(wù)操作中心、聯(lián)合作戰(zhàn)中心、空間作戰(zhàn)管理指揮控制系統(tǒng)、指揮控制中心/數(shù)據(jù)中心和MMSOC系統(tǒng)組成，如圖1所示。美軍計(jì)劃在2017～2019財(cái)年實(shí)現(xiàn)從原有測(cè)控系統(tǒng)向通用的企業(yè)地面體系過(guò)渡。

圖1 以MMSOC為基礎(chǔ)構(gòu)建的企業(yè)級(jí)地面系統(tǒng)(EGS)[3]Fig.1 MMSOC-based Enterprise Ground System (EGS)

鑒于大部分軍事航天系統(tǒng)并非基于威脅而設(shè)計(jì)，美軍制定了太空戰(zhàn)新藍(lán)圖——“太空企業(yè)級(jí)構(gòu)想”(Space Enterprise Vision, SEV)[4]?！疤掌髽I(yè)級(jí)構(gòu)想”是一種跨越所有太空任務(wù)領(lǐng)域的一體化方法，把太空任務(wù)效能(包括通信、定位/導(dǎo)航/授時(shí)、導(dǎo)彈預(yù)警和氣象數(shù)據(jù))與防范太空資產(chǎn)免受新興威脅的能力結(jié)合起來(lái)。建設(shè)一支更富彈性的太空部隊(duì)，相關(guān)工作的基礎(chǔ)之一是發(fā)展可管理各種衛(wèi)星的地面站，使用自動(dòng)化技術(shù)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)控。這將解放很多從事航天器跟蹤、遙測(cè)和通信工作的人力[5]。

2.2 連續(xù)波全空域相控陣天線

連續(xù)波全空域相控陣天線逐步進(jìn)入實(shí)用階段，將大幅提高多目標(biāo)同時(shí)測(cè)控能力。

為了提高測(cè)控系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)全空域多星同時(shí)測(cè)控，美軍從20世紀(jì)90年代開(kāi)始研究適用于美國(guó)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)的相控陣天線結(jié)構(gòu)。因地面測(cè)控天線要求半球覆蓋，在可選的多面平面陣列、曲面或共形陣列、透鏡陣列三類結(jié)構(gòu)中，球形相控陣具有更大的瞬時(shí)帶寬和更低的極化與失配損耗。

1998年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的鮑里斯·托馬斯克博士(Boris Tomasic)提出了“網(wǎng)格球頂相控陣天線”(Geodesic Dome Phased Array Antenna, GDPAA)[6]的方案，保留了球形相控陣的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保持了成熟的平面陣技術(shù)易于制造的特性。

2003年，貝爾宇航公司向美國(guó)海軍交付了一個(gè)72陣面的3波束S頻段相控陣天線，因此被美國(guó)空軍選中進(jìn)行技術(shù)合作，根據(jù)GDPAA的設(shè)計(jì)方案，研制第三代試驗(yàn)系統(tǒng)(如圖2所示)，進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證[7]。

圖2 GDPAA 的基本構(gòu)建[7]Fig.2 Basic structure of the GDPAA

GDPAA能夠形成多波瓣方向圖，直徑約10 m，至少取代無(wú)線電技術(shù)跟蹤站的4個(gè)拋物面天線系統(tǒng)。美國(guó)航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心的計(jì)劃是在2017年完成第一個(gè)全尺寸GDPAA的工程化，其后進(jìn)行部署。

2.3 跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)將向提供“增強(qiáng)業(yè)務(wù)”、建設(shè)星間和星地光鏈路，以及為眾多微小用戶服務(wù)和融入天地一體化網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。

2.3.1NASA跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

NASA在實(shí)施跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng) (Tracking and Data Relay Satellite System, TDRSS)的“天基網(wǎng)地面段增強(qiáng)計(jì)劃”(Space Network Ground Segment Sustainment, SGSS)[8]的同時(shí)，還開(kāi)展了下列研究：

(1)“下一代廣播業(yè)務(wù)”[9]

“下一代廣播業(yè)務(wù)”(Next Generation Broadcast Service, NGBS)就是原先的“TDRS衛(wèi)星增強(qiáng)業(yè)務(wù)”(TDRS Augmentation Service for Satellites, TASS)，為用戶提供單向無(wú)線電測(cè)量(多普勒和偽距)和前向數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。它有兩個(gè)功能：一是利用TDRSS衛(wèi)星的S頻段鏈路廣播全球差分GPS(Global Difference GPS, GDGPS)修正信息，可實(shí)現(xiàn)中低軌衛(wèi)星自主精確定位(精度優(yōu)于1 m)；二是隨機(jī)或按需的前向指令發(fā)送。NGBS將從第三代衛(wèi)星開(kāi)始提供這項(xiàng)服務(wù)。

未來(lái)NASA將采用三大策略來(lái)增加NGBS的業(yè)務(wù)量：第一個(gè)策略是在第四代TDRS衛(wèi)星上設(shè)計(jì)一個(gè)專用NGBS載荷；第二個(gè)策略是在極高緯度的地區(qū)增加NGBS地面信標(biāo)，拉格朗日點(diǎn)或月球軌道的用戶可以利用地面天線系統(tǒng)連續(xù)或定期訪問(wèn)NGBS信標(biāo)，這樣無(wú)需對(duì)指定緯度實(shí)現(xiàn)100%覆蓋就可擴(kuò)大NGBS的業(yè)務(wù)量，同時(shí)擴(kuò)大“空間移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)”(Space Mobile Network, SMN)的范圍；第三個(gè)策略是采用NASA目前正在研究的光學(xué)多址技術(shù)來(lái)取代天基網(wǎng)目前使用的多址返向業(yè)務(wù)，這項(xiàng)技術(shù)還可用于前向數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)現(xiàn)光頻率NGBS信標(biāo)。

(2)下一代天基中繼體系

2013年3月7日, NASA 向外界發(fā)布了下一代天基中繼體系結(jié)構(gòu)意見(jiàn)征詢書(shū)。2013～2014 年，哥達(dá)德飛行中心“探索與空間通信部”進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)1年的“天基中繼研究”( Space Based Relay Study, SBRS)[10]，探討能支持2020年以后航天任務(wù)需求的天基中繼通信與導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)。研究?jī)?nèi)容包括：用戶需求和業(yè)務(wù)性能；光通信、微波通信、毫米波星間鏈路、相控陣天線、容斷組網(wǎng)、空間組網(wǎng)、認(rèn)知和自適應(yīng)協(xié)議、軟件無(wú)線電等技術(shù)；采用專用衛(wèi)星(類似現(xiàn)有的TDRS衛(wèi)星)、寄宿載荷、小衛(wèi)星群以及上述形式的組合等衛(wèi)星物理結(jié)構(gòu)，并考慮天地網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計(jì)。

2.3.2美國(guó)的商業(yè)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)方案

美國(guó)Audacy公司計(jì)劃建造由3顆GEO衛(wèi)星和2個(gè)地面站組成的數(shù)據(jù)中繼通信網(wǎng)絡(luò)，為私營(yíng)航天飛行活動(dòng)提供數(shù)據(jù)中繼能力[11]。Audacy公司的系統(tǒng)類似NASA“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”(TDRS)系統(tǒng)，3顆衛(wèi)星將同時(shí)支持大約2 000顆立方體衛(wèi)星，允許12個(gè)高容量用戶和約1 000個(gè)小容量用戶同時(shí)共享帶寬。

這個(gè)商用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)將用于幫助商業(yè)衛(wèi)星遙感公司(如加拿大地球直播公司、美國(guó)行星實(shí)驗(yàn)室公司等)向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，幫助衛(wèi)星發(fā)射公司監(jiān)測(cè)火箭狀態(tài)，或者幫助互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商跟蹤大型衛(wèi)星星座[12]。

2.3.3歐洲發(fā)展中繼衛(wèi)星星間光鏈路

2016年1月，歐洲第一顆第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星EDRS-A發(fā)射，定點(diǎn)在歐洲上空東經(jīng)9°的地球靜止軌道。EDRS衛(wèi)星系統(tǒng)被稱為“空間數(shù)據(jù)高速通道”，其星間通信速率最高可達(dá)1.8 Gbit/s。

2.3.4日本宣布將發(fā)射“光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”

2014年日本宣布計(jì)劃于2019年發(fā)射“光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”，采用光通信方式將“先進(jìn)光學(xué)衛(wèi)星”等低軌道對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼傳輸?shù)叫l(wèi)星地面站，其傳輸速率將達(dá)到1.8 Gbit/s。由于光通信不使用無(wú)線電波，避免了程序復(fù)雜的國(guó)際間無(wú)線電協(xié)調(diào)，同時(shí)還具有設(shè)備體積小、功耗低、回避外部無(wú)線電干擾等特點(diǎn)。

2.4 星間射頻和光學(xué)鏈路

星間射頻和光學(xué)鏈路的通信、測(cè)量和時(shí)間同步能力越來(lái)越強(qiáng)，星座管理將減少對(duì)地面測(cè)控站的依賴[13-14]。.

星間鏈路是指在衛(wèi)星與衛(wèi)星之間直接建立射頻/光學(xué)通信、測(cè)量(為衛(wèi)星軌道和鐘差估計(jì)提供測(cè)量值)鏈路。星間鏈路將各顆衛(wèi)星有機(jī)地聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了星座在太空組網(wǎng)，即可以不依賴地面設(shè)備而實(shí)現(xiàn)所有太空網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接，具有星間通信、星間相對(duì)測(cè)量、時(shí)間同步、測(cè)控信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)、衛(wèi)星的星地聯(lián)合精密定軌等功能。

目前已經(jīng)在軌應(yīng)用的導(dǎo)航衛(wèi)星是GPS IIR /IIF，其星間鏈路采用UHF頻段、時(shí)分多址(TDMA)和擴(kuò)頻體制。正在研發(fā)GPS III Ka頻段和激光星間鏈路。GPS III每顆衛(wèi)星可建立3～4條Ka頻段星間鏈路，除發(fā)射早期在軌操作以及故障處理外，其遙測(cè)跟蹤和控制完全由美國(guó)本土的地面站通過(guò)星間鏈路完成，大幅降低了對(duì)海外地面站的依賴。美國(guó)計(jì)劃將激光鏈路先用于監(jiān)測(cè)站和衛(wèi)星(預(yù)計(jì)2019年發(fā)射的GPS III)之間的測(cè)距，技術(shù)成熟后再將激光測(cè)距和激光通信用于GPS星間鏈路。

歐空局也開(kāi)展了Galileo星間鏈路研究，欲通過(guò)星間鏈路提升衛(wèi)星的定軌精度和時(shí)鐘同步精度，以及降低導(dǎo)航星座對(duì)地面段的依賴。射頻星間鏈路的主要方案是建立星間、星地鏈路，通過(guò)星間雙頻偽距測(cè)量、星地雙向雙頻偽距測(cè)量以衛(wèi)星觀測(cè)輔助地面觀測(cè)來(lái)共同提高衛(wèi)星的定軌精度和時(shí)鐘同步精度。

歐空局還開(kāi)展了“量子通信在GNSS中的應(yīng)用”研究，提出的光-量子星間鏈路具有量子密鑰分發(fā)、量子時(shí)鐘同步、光學(xué)測(cè)量、全雙工雙向高速通信等功能。

2.5“鳳凰計(jì)劃”等在軌維護(hù)與服務(wù)項(xiàng)目

“鳳凰計(jì)劃”等在軌維護(hù)與服務(wù)項(xiàng)目的實(shí)施將推動(dòng)星間精密相對(duì)測(cè)量、星間組網(wǎng)、智能遙操作、地面光學(xué)觀測(cè)等技術(shù)的發(fā)展[15-18]。.

2012年2月，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)向航天界宣布一項(xiàng)新的空間技術(shù)研究項(xiàng)目——“鳳凰”( Phoenix )計(jì)劃。其目的是發(fā)展衛(wèi)星有效載荷回收重用技術(shù)，涉及對(duì)地球靜止軌道非合作目標(biāo)的監(jiān)測(cè)、繞飛、捕獲、維修和變軌等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可形成對(duì)衛(wèi)星的在軌捕獲和操控的能力。

“鳳凰計(jì)劃”將演示驗(yàn)證“細(xì)胞衛(wèi)星” (Satlet)、有效載荷在軌交付系統(tǒng)(Payload Orbital Delivery System, PODS)、“服務(wù)航天器”(Servicer/Tender)等多個(gè)先進(jìn)的、具有挑戰(zhàn)性的航天概念。“鳳凰計(jì)劃”在軌任務(wù)將分PODS搭載發(fā)射、服務(wù)航天器發(fā)射入軌、釋放PODS、捕獲并儲(chǔ)放PODS、與退役衛(wèi)星交會(huì)接近、安裝模塊衛(wèi)星、切割天線將新衛(wèi)星移至新運(yùn)行地點(diǎn)等8個(gè)步驟完成。正在著力解決的測(cè)控通信問(wèn)題主要有：

(1)星間高精度相對(duì)測(cè)量技術(shù)。細(xì)胞衛(wèi)星為了共同完成任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)重組、“服務(wù)衛(wèi)星”與“目標(biāo)衛(wèi)星”的交會(huì)對(duì)接等都需要星間高精度測(cè)量手段的支持。用于星間相對(duì)狀態(tài)測(cè)量的主要手段有GPS載波相位差分測(cè)量、基于航天器間無(wú)線電的測(cè)量和基于光學(xué)的測(cè)量等。要求的測(cè)量精度從測(cè)量距離的5%到2 mm，姿態(tài)測(cè)量精度達(dá)到0.5°。

(2)細(xì)胞衛(wèi)星的組網(wǎng)技術(shù)。細(xì)胞衛(wèi)星需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓展系統(tǒng)性能、共享運(yùn)行狀態(tài)和與整體性能相關(guān)的信息，還需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，解決網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延丟包等對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

(3)針對(duì)精細(xì)裝配的空間遙操作。細(xì)胞星的裝配重構(gòu)和維護(hù)需要空間機(jī)器人操作完成，限于目前智能水平，不可能由空間機(jī)器人完全自主完成細(xì)胞星的在軌裝配，充分利用遙操作完成精細(xì)空間裝配任務(wù)是一個(gè)重要研究課題。

(4)可拆解衛(wèi)星的地基觀測(cè)技術(shù)。為了更精確地觀測(cè)和跟蹤在地球同步軌道上的可拆解衛(wèi)星，需要開(kāi)發(fā)下一代地基望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，以觀測(cè)廢棄衛(wèi)星軌道參數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)狀況的足夠信息，支持拆解衛(wèi)星項(xiàng)目的決策。

德國(guó)宇航中心支持的IBOSS( Intelligent Building Blocks for On-orbit Satellite Servicing) 項(xiàng)目可將傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺(tái)分解為在軌服務(wù)智能建造塊，通過(guò)在軌裝配和維護(hù)延長(zhǎng)航天器壽命，并可減少太空垃圾產(chǎn)生。

2.6“空間移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)”

“空間移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)”(Sapce Mobile Network,SMN)將成為一個(gè)可在任意時(shí)間任意地點(diǎn)接入的全新近地空間通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)[19-20]。

2015年，NASA在空間通信與導(dǎo)航(Space Communication and Navigation, SCaN)計(jì)劃下進(jìn)行了“地球空間網(wǎng)絡(luò)發(fā)展研究”(Earth Regime Network Evolution Study, ERNESt)，為2025年后近地空間通信與導(dǎo)航網(wǎng)的發(fā)展提出了新一代體系框架，利用地面移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)技術(shù)，在現(xiàn)有近地網(wǎng)和天基網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)一些關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，形成一個(gè)全球通信與導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)——“空間移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)”，目標(biāo)是為以地球?yàn)橹行摹霃?00萬(wàn)公里以內(nèi)數(shù)量更多的近地空間用戶提供與地面移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)智能手機(jī)用戶一樣的用戶體驗(yàn)，到2040年實(shí)現(xiàn)一個(gè)可在任意時(shí)間任意地點(diǎn)接入的全新近地空間通信與導(dǎo)航體系。

實(shí)現(xiàn)SMN涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要分為5個(gè)領(lǐng)域：一是多址鏈路，包括光學(xué)多址(Optical Multiple Access, OMA)、先進(jìn)增強(qiáng)的射頻多址；二是單址鏈路(高數(shù)據(jù)率/低體積、重量、功率的光學(xué)與射頻系統(tǒng))；三是用戶啟動(dòng)服務(wù)(User Initiated Services, UIS)，包括UIS協(xié)議和UIS代理；四是數(shù)據(jù)服務(wù)(DTN、IP)；五是定位、導(dǎo)航與授時(shí)(Position, Navigation, Timing, PNT)。

2.7 認(rèn)知組網(wǎng)技術(shù)

NASA推進(jìn)認(rèn)知組網(wǎng)技術(shù)在空間通信基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用。

未來(lái)，NASA將把互聯(lián)組網(wǎng)技術(shù)擴(kuò)展至整個(gè)太陽(yáng)系乃至太陽(yáng)系以外，并逐步納入采用自主和認(rèn)知技術(shù)的通信與導(dǎo)航服務(wù)；將開(kāi)發(fā)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建設(shè)自適應(yīng)、自主、安全、可伸縮的空間網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)效益得到最大程度發(fā)揮。

對(duì)于具有不同端到端數(shù)據(jù)交付需求的各種指揮、遙測(cè)和科學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用而言，未來(lái)空間任務(wù)概念及設(shè)計(jì)提出了很多網(wǎng)絡(luò)方面的挑戰(zhàn)：一是滿足多個(gè)同時(shí)發(fā)生的任務(wù)數(shù)據(jù)流的應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量需求；二是如何對(duì)大量分散的、獨(dú)立尋址的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行編排和指揮，使這些系統(tǒng)協(xié)作實(shí)現(xiàn)總體網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)；三是網(wǎng)絡(luò)必須具備足夠的智能，不僅能在正常條件下工作，還能適應(yīng)意外情況，可以重組網(wǎng)絡(luò)完成原本沒(méi)有包含或明確確立的職責(zé)[21]。

2.8 “六分儀”項(xiàng)目

NASA逐步推進(jìn)X射線在通信與導(dǎo)航中的應(yīng)用研究。

2016年4月，NASA發(fā)布了“改變游戲規(guī)則發(fā)展”(Game Change Development, GCD)計(jì)劃，其中SEXTANT(“六分儀”項(xiàng)目)是用于驗(yàn)證X射線定時(shí)和導(dǎo)航技術(shù)的探測(cè)器，已經(jīng)由“獵鷹9”送上了國(guó)際空間站[22]。

“六分儀”項(xiàng)目目標(biāo)是：

(1)利用發(fā)射X射線間歇為毫秒的中子星(毫秒脈沖星)作為信標(biāo)，為太陽(yáng)系內(nèi)所有地方及更遠(yuǎn)地方提供類似GPS一樣的自主導(dǎo)航，可實(shí)現(xiàn)星座中航天器的位置精度優(yōu)于1 μm。

(2)探索基于脈沖星時(shí)間尺度的效能，它可以保持長(zhǎng)距離時(shí)鐘同步。

NASA還計(jì)劃在國(guó)際空間站開(kāi)展X射線通信演示驗(yàn)證，將利用X射線高速、遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，可提供太陽(yáng)系內(nèi)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率；也能解決在大氣中超聲速飛行時(shí)無(wú)線電通信失效的問(wèn)題。

3 國(guó)內(nèi)測(cè)控通信技術(shù)的主要發(fā)展態(tài)勢(shì)

近年來(lái)，我國(guó)在近地測(cè)控網(wǎng)建設(shè)方面，增加了Ka頻段、擴(kuò)頻測(cè)控體制(含直擴(kuò)、擴(kuò)跳結(jié)合)，實(shí)現(xiàn)了天線與機(jī)房拉遠(yuǎn)、多天線共用基帶池、多頻段測(cè)控系統(tǒng)與測(cè)量雷達(dá)共用天線、衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與測(cè)控一體化等；在深空測(cè)控網(wǎng)建設(shè)方面，66 m S/X雙頻段深空測(cè)控通信系統(tǒng)、35 m S/X/Ka三頻段深空測(cè)控通信系統(tǒng)和深空干涉測(cè)量系統(tǒng)已投入使用，3個(gè)深空站對(duì)深空目標(biāo)(火星遠(yuǎn)地點(diǎn)以內(nèi))的覆蓋率達(dá)到90%以上；在天基測(cè)控網(wǎng)建設(shè)方面，“天鏈一號(hào)”中繼衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三星組網(wǎng)運(yùn)行。整個(gè)測(cè)控網(wǎng)具備了“有人值班、無(wú)人操作”“遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)運(yùn)行”能力。

在先期技術(shù)研發(fā)方面，突破了全空域相控陣多目標(biāo)同時(shí)測(cè)控、擴(kuò)跳頻測(cè)控通信、測(cè)控天線與設(shè)備可重構(gòu)、上/下行天線組陣、高速數(shù)傳(3 Gbit/s)、新型跟蹤與數(shù)據(jù)中繼體制、同步軌道衛(wèi)星高精度測(cè)距、虛擬基帶、激光測(cè)控、測(cè)控設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷與維護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，為型號(hào)工程研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

4 測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展展望

縱觀國(guó)內(nèi)外測(cè)控通信系統(tǒng)建設(shè)和先期技術(shù)研發(fā)情況可以看出，今后一段時(shí)間測(cè)控通信技術(shù)的主要發(fā)展方向如下：

(1)打破測(cè)控與運(yùn)控系統(tǒng)的“煙囪”式格局，利用通用的多功能地面站、通用用戶接口、多任務(wù)操作中心、航天數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)航天地面站網(wǎng)融合和測(cè)運(yùn)控業(yè)務(wù)操作自動(dòng)化，以提高航天地面資源的利用率和安全性，降低運(yùn)行維護(hù)成本。

(2)在中低軌航天器測(cè)控通信和衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收方面，全空域多目標(biāo)光控相控陣天線將取代拋物面天線；在深空測(cè)控通信方面，中、小天線組陣將代替超大口徑天線。

(3)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星將向提高S頻段多址能力、開(kāi)發(fā)Ka頻段多址技術(shù)、建立星間和星地激光鏈路、提供“增強(qiáng)業(yè)務(wù)”、打造眾多微小用戶服務(wù)能力，以及融入天地一體化網(wǎng)絡(luò)等方向發(fā)展。

(4)星間射頻和光學(xué)鏈路將成為星座、星群測(cè)控通信的重要手段，可大幅減輕對(duì)地面測(cè)控站的依賴，也可以看作是天基測(cè)控通信手段(跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用)的拓展。

(5)在軌維護(hù)與服務(wù)技術(shù)將帶動(dòng)星間高精度相對(duì)測(cè)量技術(shù)、細(xì)胞衛(wèi)星協(xié)同組網(wǎng)、精密遙操作、可拆解衛(wèi)星的地基觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

(6)空間移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將作為全新的近地空間通信與導(dǎo)航體系的載體，可為航天器提供按需、隨時(shí)隨地接入服務(wù)，并具有與地面移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)智能手機(jī)用戶一樣的用戶體驗(yàn)。

(7)數(shù)字化、軟件化、綜合化、光子化將不斷深入，網(wǎng)絡(luò)化和智能化將加速發(fā)展。

(8)太赫茲、渦旋電磁波、X射線等新技術(shù)的實(shí)用化將不斷推進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前正處于軍事航天、民用航天和商業(yè)航天的大發(fā)展時(shí)期，測(cè)控通信技術(shù)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇。在客戶需求和技術(shù)進(jìn)步雙輪驅(qū)動(dòng)下，測(cè)控通信技術(shù)的發(fā)展方向可以歸納為：一是在數(shù)字化、光子化、軟件化、綜合化方面將繼續(xù)深入發(fā)展；二是由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)控通信邁向網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控通信；三是智能化水平將逐步提高，由計(jì)劃驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行走向用戶發(fā)起服務(wù)、智能資源管理、智能數(shù)據(jù)處理的智能測(cè)控通信模式。廣大航天領(lǐng)域科技工作者應(yīng)把握機(jī)遇，攻堅(jiān)克難，為我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展作出新的貢獻(xiàn)。

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DevelopmentStatusandTrendsofSpaceTT&CandCommunicationTechnology

LEI Li

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

Space TT&C and communication system is an important component of space engineering and space infrastructure. For discussing the development of space TT&C and communication techniques, the general performance and problems of current space TT&C and communication systems at home and abroad are presented, the development trend is analyzed, and the vision of the development directions in the future is provided.

space engineering;TT&C and communication;development status;development trends

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.12.020

雷厲.航天測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)與展望[J].電訊技術(shù)，2017,57(12):1464-1470.[LEI Li.Development status and trends of space TT&C and communication technology[J].Telecommunication Engineering,2017,57(12):1464-1470.]

2017-10-25；

2017-12-05

date:2017-10-25；Revised date：2017-12-05

leil263@163.comCorrespondingauthorleil263@163.com

V556

A

1001-893X(2017)12-1464-07

雷厲(1958—)，男，陜西武功人，碩士，研究員，主要從事航天測(cè)控通信技術(shù)的發(fā)展研究。

Email:leil263@163.com