我國在軌衛(wèi)星測控發(fā)展歷程及展望

關(guān)暉 寧永忠 （北京宇航智科科技有限公司）

衛(wèi)星在軌長期管理是保障衛(wèi)星正常運行和發(fā)揮作用的關(guān)鍵，盡管我國在1970年就發(fā)射了東方紅-1試驗衛(wèi)星，但直到1990年才開始了衛(wèi)星在軌的正式、規(guī)范和專業(yè)管理，如今在軌衛(wèi)星測控的數(shù)量已從當初3顆到現(xiàn)在上百顆；無論在管理數(shù)量和質(zhì)量上，我國的衛(wèi)星管理水平都已經(jīng)走在了世界的前列。隨著我國航天事業(yè)發(fā)展，需要管理的衛(wèi)星數(shù)量將急劇增加,衛(wèi)星測控的覆蓋性和時效性需求進一步提高、管理的內(nèi)容和技術(shù)復(fù)雜度增加，需要為用戶提供更多的服務(wù)模式，應(yīng)該立足現(xiàn)有的資源，著眼長遠、拓展思路和持續(xù)創(chuàng)新才能滿足我國航天事業(yè)發(fā)展對衛(wèi)星在軌測控的要求。

1 衛(wèi)星在軌測控發(fā)展歷程

我國在軌衛(wèi)星管理可以劃分為兩個階段，第一個階段是從1990年至1997年，這一階段衛(wèi)星管理數(shù)量少、衛(wèi)星功能簡單、管理技術(shù)單一，地球同步衛(wèi)星采用定時管理方式，可以稱之為早期定時在軌衛(wèi)星管理階段；第二階段從1997年之后，我國發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量激增、功能復(fù)雜，管理要求顯著提高，管理技術(shù)大大提升，地球同步衛(wèi)星采用全時管理方式，實現(xiàn)了衛(wèi)星長期管理由初期“單星經(jīng)驗型”到“多星智能型”轉(zhuǎn)變，管理的衛(wèi)星數(shù)量和水平躍居世界前列。

早期 定時在軌測控

這一階段管理的代表性衛(wèi)星有東方紅-2A、風云-1B和實踐-4衛(wèi)星，其中東方紅-2A是我國第一代地球同步軌道通信衛(wèi)星，采用自旋穩(wěn)定姿態(tài)方式；風云-1B是我國第一代極軌道氣象衛(wèi)星，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)方式；實踐-4是一顆用于探測空間輻射環(huán)境的科學(xué)試驗衛(wèi)星，采用的是遠地點40000多千米、近地點200多千米的高偏心率橢圓軌道，自旋穩(wěn)定姿態(tài)方式。

早期衛(wèi)星定時在軌測控系統(tǒng)組成原理圖

這一階段東方紅-2A衛(wèi)星的遙測監(jiān)視管理采用上、下午各監(jiān)視半小時和每年90天左右的地影期間重點遙測監(jiān)視，一個月左右進行一次東西位置保持控制、三個月左右進行一次南北位置保持；風云-1B采用每天上、下午的升、降軌各3圈、每圈10min左右遙測監(jiān)視或發(fā)令/注數(shù)；實踐-4是每天衛(wèi)星運動到遠地點時進行約40min的跟蹤，完成對其測監(jiān)視或發(fā)令/注數(shù)工作。東方紅-2A衛(wèi)星管理使用渭南和閩西站的C頻段測控設(shè)備、風云-1B和實踐-4使用渭南、長春和喀什站的超高頻設(shè)備。這時期系統(tǒng)自動化運行能力差，各子系統(tǒng)間的操作需要依靠語音調(diào)度、手工操作執(zhí)行。控制中心負責衛(wèi)星管理計劃制訂、衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視、控制參數(shù)計算、軌道確定和預(yù)報等工作，測控站負責衛(wèi)星跟蹤和發(fā)令工作?？刂浦行乃械纳闲邪l(fā)令都是通過語音調(diào)度命令測站操作人員在測站執(zhí)行，這個時期地面測控站的設(shè)備控制功能強、操作復(fù)雜和要求高，對衛(wèi)星的發(fā)令主要通過單指令和指令鏈的形式完成，測站預(yù)先保存衛(wèi)星所有的上行指令，加工成單指令或指令鏈。

多星全時在軌測控系統(tǒng)組成原理圖

多星 全時在軌測控

這一階段我國衛(wèi)星水平有了很大提高，以東方紅-3系列衛(wèi)星、風云-2和資源-1等衛(wèi)星為代表，表現(xiàn)在衛(wèi)星體積變大、質(zhì)量增加，姿態(tài)控制普遍采用了三軸穩(wěn)定技術(shù)，有效載荷數(shù)量增多，性能先進，普遍使用星載計算機和星務(wù)管理等技術(shù)。這一階段衛(wèi)星管理方式的顯著變化是實現(xiàn)了真正意義上的多星測控管理，開始使用S頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)，地球同步衛(wèi)星采用了全時段管理。低軌衛(wèi)星的管理受測控站地理布局限制，仍然采用每天升、降軌測站的可見時段管理，自從2008年我國首顆中繼衛(wèi)入軌后星，我國衛(wèi)星測控系統(tǒng)對350km以上的低軌衛(wèi)星全天可見，因此整個測控系統(tǒng)對低軌衛(wèi)星的測控覆蓋率顯著增強。

與早期定時管理模式相比，為了滿足衛(wèi)星數(shù)量激增、管理要求提高和管理難度增大的需求，多星全時管理系統(tǒng)顯著增強了自動化運行能力，衛(wèi)星測控系統(tǒng)也采用了大中心、小測站的設(shè)計思想。在具體的技術(shù)實現(xiàn)上，通過設(shè)備遠控平臺實現(xiàn)了對測控設(shè)備的遠程自動控制，通過衛(wèi)星遙平臺實現(xiàn)了衛(wèi)星上行發(fā)令和注數(shù)的自動執(zhí)行，通過故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了衛(wèi)星狀態(tài)的自動檢測，最終通過測控計劃執(zhí)行平臺調(diào)度設(shè)備遠控平臺、衛(wèi)星遙控平臺和各類測控軟件，完成設(shè)備控制、衛(wèi)星發(fā)令和軟件運行的自動流程控制。

2 衛(wèi)星在軌測控內(nèi)容

衛(wèi)星在軌測控需要完成衛(wèi)星平臺的早期測試、日常管理和末期管理三大任務(wù)，其中早期測試是為了測試衛(wèi)星入軌后各項性能指標與總體設(shè)計符合情況，測試結(jié)果是衛(wèi)星交付用戶和開展業(yè)務(wù)運行的依據(jù)；日常管理完成衛(wèi)星的遙測監(jiān)視、遙控發(fā)令和異常處理等工作，確保衛(wèi)星平臺正常工作；末期管理完成地球同步軌道衛(wèi)星的離軌控制和低軌衛(wèi)星隕落等相關(guān)工作。

早期 測試

衛(wèi)星入軌后需要完成早期測試工作，早期測試分衛(wèi)星平臺在軌測試和有效載荷在軌測試兩部分進行，目的是檢驗衛(wèi)星是否滿足衛(wèi)星研制總要求所規(guī)定的總體技術(shù)指標，檢驗衛(wèi)星各分系統(tǒng)功能和性能是否滿足設(shè)計指標。

日常 管理

衛(wèi)星完成在軌測試并投入使用后，地面需要按規(guī)定完成平臺管理和載荷開、關(guān)機控制等工作，具體任務(wù)如下：

（1）遙測監(jiān)視

接收、處理和顯示衛(wèi)星下傳的遙測數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星工作狀況進行全面監(jiān)視，當衛(wèi)星參數(shù)值超出規(guī)定的門限時報警。

（2）星上時鐘修正

由于存在頻率漂移，星上時鐘工作一段時間后，會與地面時鐘產(chǎn)生誤差，當誤差值大到一定程度，需要地面對星上時鐘進行修正。

（3）軌道注入

當衛(wèi)星使用地面軌道根數(shù)作為姿態(tài)或軌道計算基準時，需要地面定時將軌道確定結(jié)果注入到星上。

（4）遙控指令發(fā)送

通過地面站對衛(wèi)星發(fā)送直接指令和間接指令，控制星上執(zhí)行機構(gòu)，完成衛(wèi)星狀態(tài)設(shè)置和各種動作，其中直接指令是通過星上執(zhí)行機構(gòu)直接執(zhí)行、間接指令是通過星上計算機控制執(zhí)行。

（5）上行數(shù)據(jù)注入

注入衛(wèi)星載荷執(zhí)行計劃，控制衛(wèi)星在指定的時間載荷開機、數(shù)據(jù)傳輸和軌道控制等，同時還可以根據(jù)衛(wèi)星運行的需要修改星上程序等。

（6）軌道測量和外測數(shù)據(jù)處理

對衛(wèi)星的軌道進行測量并對數(shù)據(jù)進行處理，衛(wèi)星的軌道測量可以是基于GNSS數(shù)據(jù)或外測數(shù)據(jù)，外測數(shù)據(jù)的獲取通常有兩種方法：三站測距或單站或多站測角、測距，其中三站測距方式主要用于地球同步軌道衛(wèi)星測控，而多站測角、測距方式主要用于低軌衛(wèi)星測控。

（7）軌道確定

由軌道測量數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星軌道，提供瞬時、平均經(jīng)典根數(shù)或衛(wèi)星在空間的位置。

（8）軌道預(yù)報

根據(jù)給定的衛(wèi)星軌道根數(shù)，完成衛(wèi)星軌道、星下點、測站跟蹤、衛(wèi)星進/出地影時間、星上紅外地敏干擾預(yù)報等。

（9）軌道或位置保持控制

根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)要求，對衛(wèi)星軌道實施控制或姿態(tài)調(diào)整，通常完成軌道半長軸、偏心率和軌道傾角控制，控制近地衛(wèi)星運行在設(shè)計的軌道、同步衛(wèi)星運行在定點位置附近。

（10）姿態(tài)側(cè)擺控制

通過控制低軌衛(wèi)星的滾動或俯仰角，調(diào)整星上遙感儀器的指向變化，從而擴大衛(wèi)星每個圈次的對地觀測范圍，這項工作通常是地面計算控制參數(shù)，提前注入到星上計算機，由星上計算機控制衛(wèi)星在到達指定觀測區(qū)域前完成姿態(tài)偏置。

（11）太陽帆板轉(zhuǎn)角控制

星上太陽帆板具有旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽的能力，運行一段時間后，太陽帆板法線指向?qū)嶋H與理論出現(xiàn)誤差，因此每隔一段時間，需要調(diào)整太陽帆板轉(zhuǎn)動速度，修正跟蹤誤差，確保帆板準確跟蹤太陽，實現(xiàn)能源穩(wěn)定輸出。

（12）干擾力矩估計與補償

每次軌道控制后都要進行干擾力矩計算。通過采集一次軌道控制過程中相關(guān)遙測數(shù)據(jù)，計算推力器產(chǎn)生的干擾力矩并在下次軌道控制中進行補償，避免衛(wèi)星控制過程中姿態(tài)發(fā)生較大的變化。

（13）異常處理

當衛(wèi)星出現(xiàn)故障時，需要地面及時發(fā)現(xiàn)、準確判斷故障原因，根據(jù)故障對策發(fā)送遙控指令或注入數(shù)據(jù)進行處理，并對處理結(jié)果進行判斷。

（14）定點位置共位管理

由于定點位置緊張，目前一個地球同步軌道上會有多顆星共用一個軌位，為了避免這些衛(wèi)星相互碰撞，需要采用不同的位置保持策略，控制衛(wèi)星間距離在安全的范圍。

（15）自旋衛(wèi)星姿態(tài)測量和控制

自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的姿態(tài)在空間會產(chǎn)生漂移，需要地面定時測量和確定，并根據(jù)測量結(jié)果進行控制，確保衛(wèi)星姿態(tài)偏差在給定范圍。

（16）同步衛(wèi)星軌道位置漂移控制

將衛(wèi)星從當前定點位置漂移控制到另一個指定的地球同步軌道的定點位置，通常是通過控制衛(wèi)星的軌道半長軸實施控制。

末期 管理

按照國際電聯(lián)的要求，廢棄的地球同步軌道衛(wèi)星應(yīng)該被轉(zhuǎn)移到高于地球同步軌道高度約300km的“衛(wèi)星墓地”。因此定點衛(wèi)星在軌測控需要完成的最后一項任務(wù)就是抬高衛(wèi)星軌道，控制衛(wèi)星離開定點的位置運行到“衛(wèi)星墓地”，并進行旋轉(zhuǎn)部件關(guān)機、電池放電等鈍化處理。當?shù)蛙壭l(wèi)星軌道降得足夠低時，完成密集軌道測量和準確隕落位置預(yù)報。

3 衛(wèi)星在軌測控技術(shù)發(fā)展展望

隨著我國航天事業(yè)發(fā)展，中低軌道衛(wèi)星在軌數(shù)量將大量增加，小衛(wèi)星、星座要求航天測控網(wǎng)具備多星同時在軌測控能力；二代導(dǎo)航衛(wèi)星星座、高精度對地觀測衛(wèi)星等要求提高飛行器軌道測量和定位精度；遙感衛(wèi)星為提高使用效率要求更靈活的測控服務(wù)，因此未來的在軌衛(wèi)星管理技術(shù)必須進一步擴展軌道測控覆蓋率、提高測控設(shè)備使用率、提高測控時效性和靈活性，才能滿足我國航天事業(yè)發(fā)展對衛(wèi)星在軌測控的要求。

形成天基為主、地面為輔的在軌衛(wèi)星測控網(wǎng)

利用以跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為主建設(shè)的天地一體化測控網(wǎng)， 不僅能有效地提高網(wǎng)的測控覆蓋率和多目標測控能力， 而且能夠完成各類對地觀測衛(wèi)星的高速實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。以一顆多址能力為前向1路、返向5路的中繼衛(wèi)星為例，在現(xiàn)有管理模式下，它具有支持100顆低軌衛(wèi)星在軌工程測控的能力。以天基為主、天地結(jié)合在軌衛(wèi)星測控網(wǎng)與現(xiàn)有的基于地基測控網(wǎng)管理低軌衛(wèi)星相比，除了衛(wèi)星管理數(shù)量的增加，還可以克服現(xiàn)有基于地基測控網(wǎng)在軌衛(wèi)星管理時間域集中和模式單一的缺陷，比如在中繼衛(wèi)星多址服務(wù)方式下，均勻測控模式可以減小衛(wèi)星測控間隔，輪詢測控能確保在最短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星異常，連續(xù)測控模式能滿足長時間測控需求和減小衛(wèi)星測控間隔，這些多服務(wù)模式的使用將帶來衛(wèi)星在軌測控數(shù)量、管理質(zhì)量和時效性的顯著變化，提高衛(wèi)星在軌測控安全性、靈活性和管理效率。

充分 發(fā)揮資源調(diào)度的作用

地面測控設(shè)備、中繼衛(wèi)星和相關(guān)運行系統(tǒng)統(tǒng)稱為測控資源，這些測控資源不可能無限地增加。如何利用有限的測控資源支持更多數(shù)量的衛(wèi)星管理，需要充分發(fā)揮資源調(diào)度的作用。以美國空軍衛(wèi)星測控網(wǎng)（AFSCN）的測控調(diào)度問題為例：1992年到2002年間，AFSCN的測控站數(shù)量沒有發(fā)生變化，但是隨著衛(wèi)星的增加，每天的平均測控服務(wù)需求數(shù)目上漲了40～50%，其中存在沖突的任務(wù)數(shù)量更是上漲了5．4～6．6倍。1992年，通過測控調(diào)度算法能夠達到近98%的任務(wù)滿足度，到2002年，通過測控調(diào)度算法可使任務(wù)滿足程度達到94%以上，僅下降了不足4%，充分體現(xiàn)了通過測控調(diào)度實現(xiàn)測控資源綜合利用所實現(xiàn)的巨大效益。

發(fā)展 多目標測控管理技術(shù)

經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國衛(wèi)星測控系統(tǒng)已經(jīng)形成了多星測控能力，通常它側(cè)重于對多個不同類型的衛(wèi)星進行并行管理或者相同衛(wèi)星的串行管理。未來海量小衛(wèi)星組網(wǎng)以及大量的衛(wèi)星星座運行，需要在同一時間，對多顆同類型衛(wèi)星進行管理， 它們之間較單星運行相比，更多地強調(diào)協(xié)調(diào)性和依賴性，同時衛(wèi)星間特征的相似性為單個衛(wèi)星故障的檢驗提供了更多信息，因此需要在現(xiàn)有多星測控的基礎(chǔ)上，針對這些特點，提升多目標測控服務(wù)的能力，著重編隊衛(wèi)星管理，充分挖掘多目標服務(wù)的優(yōu)勢。

關(guān)鍵 故障自動實時處置

與過去試驗衛(wèi)星數(shù)量居多相比，今后越來越多的是為用戶提供服務(wù)的應(yīng)用衛(wèi)星，它們更強調(diào)衛(wèi)星業(yè)務(wù)可用率。以地球同步軌道通信衛(wèi)星為例，它要求衛(wèi)星一年的服務(wù)率大于99．99%。盡管衛(wèi)星在設(shè)計制造過程中為了整星的安全，采用各種技術(shù)確保衛(wèi)星在各種情況下平臺安全，但出現(xiàn)重大異常時，這種安全保護措施的執(zhí)行會中斷衛(wèi)星的業(yè)務(wù)運行，進而影響衛(wèi)星年度有效使用率。目前的普遍的做法是由操作人員判斷故障原因，進而采取上行發(fā)令或注數(shù)，整個處理過程時間長、對操作人員要求高，會出現(xiàn)處理不及時導(dǎo)致衛(wèi)星業(yè)務(wù)中斷的現(xiàn)象。因此，為更好滿足衛(wèi)星業(yè)務(wù)高效運行和確保衛(wèi)星安全，衛(wèi)星在軌測控必須具有衛(wèi)星關(guān)鍵故障自動實時處置能力。目前我國已經(jīng)做了成功的嘗試，并在某顆地球同步軌道衛(wèi)星的太陽干擾保護的過程中發(fā)揮了作用，成功地避免了衛(wèi)星姿態(tài)失穩(wěn)。

提供 靈活的按需測控服務(wù)

過去由于受測控站分布的限制，建設(shè)在國內(nèi)的測控站只能為低軌衛(wèi)星提供每天上午、下午一定時段的升、降軌各幾圈測控服務(wù)，其它圈次衛(wèi)星不可見。衛(wèi)星載荷和數(shù)據(jù)回傳開、關(guān)機的時間通常是提前1天或幾天注入星上計算機，地面很少修改已經(jīng)注入的工作程序。現(xiàn)代對地觀測衛(wèi)星從提高衛(wèi)星利用率和使用效能出發(fā)，提出了按需要測控服務(wù)的要求。據(jù)了解，光學(xué)成像衛(wèi)星如果能及時調(diào)整工作計劃避免云層遮擋，可以將衛(wèi)星有效圖像率提高一倍以上。因此，如果充分利用中繼衛(wèi)星的全球覆蓋和多址服務(wù)能力，開發(fā)按需服務(wù)能力，地面測控系統(tǒng)就能夠為衛(wèi)星用戶提供反應(yīng)迅速、高效靈活的按需測控服務(wù)，將顯著提升衛(wèi)星的應(yīng)用效果和衛(wèi)星用戶滿意度。

4 結(jié)束語

我國衛(wèi)星在軌測控事業(yè)伴隨著衛(wèi)星事業(yè)的蓬勃發(fā)展，從無到有，從弱到強，積攢了雄厚技術(shù)實力和管理能力，實現(xiàn)了衛(wèi)星管理的自動化、智能化和高效可靠。隨著我國大力鼓勵民間資本進入航天市場，特別是衛(wèi)星水平提高和生產(chǎn)成本下降，將會有越來越多的商用衛(wèi)星進入太空，很多衛(wèi)星的用途已經(jīng)從為國家利益服務(wù)變成了為大眾生活服務(wù)，這些衛(wèi)星大量入軌后，需要實施高效、靈活和安全可靠的在軌測控才能更好地發(fā)揮衛(wèi)星使用效益。采用過去不計成本的衛(wèi)星集中管理模式已經(jīng)很難適應(yīng)這種飛速發(fā)展形式和要求，同時也需要從防災(zāi)減災(zāi)、軍民融合的戰(zhàn)略出發(fā)，進一步開放思想，創(chuàng)新衛(wèi)星在軌運行機制、管理模式和管理技術(shù)，更好地為我國航天事業(yè)服務(wù)。