ETSI衛(wèi)星測控標(biāo)準(zhǔn)與商業(yè)衛(wèi)星測控體制研究

閆建華，李小梅，張 濤

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100094）

引 言

近年來，國內(nèi)外商業(yè)航天發(fā)展如火如荼，涌現(xiàn)出了一大批商業(yè)航天公司，給世界航天產(chǎn)業(yè)注入了新的發(fā)展活力。目前，國內(nèi)商業(yè)航天還處于起步階段，特別是作為航天工程重要組成部分的衛(wèi)星、火箭等航天器測控領(lǐng)域，鮮有公司涉獵。衛(wèi)星應(yīng)用方的測控需求，目前主要有兩個解決途徑：一是依賴于國家航天測控網(wǎng)，二是一些在軌衛(wèi)星數(shù)量不多的衛(wèi)星公司以自己建站的方式完成自有衛(wèi)星的測控。國家航天測控網(wǎng)能為商業(yè)衛(wèi)星提供的測控服務(wù)十分有限，且價格昂貴；自己建站同樣成本高昂，且覆蓋范圍小，效率很低，特別是當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量上升后，衛(wèi)星公司無力承擔(dān)所有站點和人員的投入成本?；诖?，國內(nèi)已有公司專門從事航天器測控服務(wù)，如天鏈測控技術(shù)有限公司，據(jù)報道，其已建成六個國內(nèi)地面測控站，一個海外地面測控站，并在同步建設(shè)多個海外地面站及海上船載站[1]?？梢灶A(yù)見，未來將會有更多的公司開展衛(wèi)星測控業(yè)務(wù)，亟需一套我國自主知識產(chǎn)權(quán)的商業(yè)衛(wèi)星測控體制。本文在研究歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）發(fā)布的一系列測控標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對國內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星的測控體制進(jìn)行初步的探討。

ETSI對通信衛(wèi)星的遙測、遙控、測量（TCR）的標(biāo)準(zhǔn)化制定始于本世紀(jì)初，并于2001年9月發(fā)布了技術(shù)報告《ETSI TR 101 956 v1.1.1》[2]。這一報告主要是對應(yīng)用于地球同步軌道通信衛(wèi)星的遙測、遙控、測量（TCR）的擴(kuò)頻技術(shù)分析，給出了衛(wèi)星不同操作場景下的TCR解決方案。2002年6月，ETSI發(fā)布了第一個標(biāo)準(zhǔn)《ETSI EN 301 926 v1.2.1》[3]，這一標(biāo)準(zhǔn)同樣是針對地球同步軌道通信衛(wèi)星的，主要是對衛(wèi)星遙測、遙控、測量的調(diào)制方式與射頻信號制定了標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過十多年的發(fā)展，ETSI于2015年5月啟動了對標(biāo)準(zhǔn)的修訂，并于2017年10月發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)修訂版《ETSI EN 301 926 v1.3.1》[4]。修訂版v1.3.1與v1.2.1主要區(qū)別見表1。2018年12月，ETSI發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)修訂版的補(bǔ)充說明《ETSI TR 103 956 v1.1.1》[5]，主要描述了頻率規(guī)劃、應(yīng)用場景、擴(kuò)頻調(diào)制、PM/FM調(diào)制以及編碼和交織等內(nèi)容的修改情況，將CCSDS關(guān)于同步和信道編碼的標(biāo)準(zhǔn)[6,7]合并進(jìn)來。本文主要對修訂版標(biāo)準(zhǔn)及其補(bǔ)充說明進(jìn)行了研究。

表1 標(biāo)準(zhǔn)修訂版v1.3.1與v1.2.1主要區(qū)別Table 1 The main differences between v1.3.1 and v1.2.1

圖1 ETSI通信衛(wèi)星TCR標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展Fig.1 The development of ETSI standardization of TCR system of communication satellites

1 ETSI修訂版標(biāo)準(zhǔn)及其補(bǔ)充說明的研究

2017年10月發(fā)布的修訂版標(biāo)準(zhǔn)《ETSI EN 301 926 v1.3.1》是由ETSI委員會針對衛(wèi)星地球站和系統(tǒng)（SES）擬制并發(fā)布的。此標(biāo)準(zhǔn)適用于地球同步靜止軌道（GSO）和非地球同步靜止軌道（NGSO）通信衛(wèi)星的遙測、遙控和測距，對標(biāo)準(zhǔn)體制和擴(kuò)頻體制各方面提出了要求，并對不同的應(yīng)用場景給出了配置建議。

表2 不同體制功能配置Table 2 Modulation modes and potential configurations

1.1 標(biāo)準(zhǔn)體制

標(biāo)準(zhǔn)體制上下行信號采用多副載波PM/FM調(diào)制方式，采用側(cè)音測距方式，主要是為兼容上一版標(biāo)準(zhǔn)而保留的。其功能如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)體制功能Fig.2 Functional stages of transmit chain for FM/PM modulation (MTC1/MTM1)

標(biāo)準(zhǔn)體制下對信號的要求如表3所示。

此外，標(biāo)準(zhǔn)還對符號傳輸密度、調(diào)制線性度、殘留載波、帶外抑制等作了要求。

1.2 擴(kuò)頻體制

擴(kuò)頻體制采用直接序列擴(kuò)頻方式，根據(jù)應(yīng)用場景的不同，上行鏈路分為MTC2和MTC3兩種模式，下行鏈路分為MTM2和MTM3兩種模式。其中，MTC2是2002年第一版標(biāo)準(zhǔn)中采用的上行鏈路模式；MTC3是2017年第二版標(biāo)準(zhǔn)中新增加的模式，可用于存在嚴(yán)重多址干擾的環(huán)境；MTM2為上下行相干模式，即下行長碼是上行長碼的接收轉(zhuǎn)發(fā)，兩者同步；MTM3為上下行非相干模式，即下行長碼為應(yīng)答機(jī)本地產(chǎn)生，與上行長碼相互獨立；正常情況下使用MTM2模式，在上下行鏈路不同步時使用MTM3模式。各模式的功能如圖3～圖5所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)體制信號主要參數(shù)要求Table 3 Parameters of FM/PM modulation modes

圖3 MTC2體制功能Fig.3 Functional stages of transmit chain for spread spectrum modulation MTC2

圖4 MTC3模式功能Fig.4 Functional stages of transmission chain for spread spectrum modulation MTC3

圖5 MTM2/MTM3模式功能框圖Fig.5 Functional stages of transmission chain for spread spectrum modulation MTM2/MTM3

擴(kuò)頻體制主要參數(shù)要求如表4所示。

表4 擴(kuò)頻體制信號主要參數(shù)要求Table 4 Parameters of spread spectrum link modulation modes

上行鏈路在使用MTC2模式時，在捕獲階段，I路使用短碼Q路使用長碼，在此階段不發(fā)有效數(shù)據(jù)；一旦捕獲完成載波鎖定進(jìn)入跟蹤階段，數(shù)據(jù)便調(diào)制到I路。

上行鏈路在使用MTC3模式時，在捕獲階段，I路使用短碼Q路使用長碼，在此階段不發(fā)有效數(shù)據(jù)，I/Q功率比為10:1；在跟蹤階段，I路也使用長碼，Q路不變，I/Q功率比為1:1。

1.3 典型應(yīng)用場景

在通信衛(wèi)星整個生命周期中，根據(jù)其面臨的不同電磁環(huán)境，可分為五個不同的階段：發(fā)射與早期軌道段（LEOP）、軌道上升段、漂移軌道段（指衛(wèi)星從遠(yuǎn)地點進(jìn)入同步軌道階段）、在軌正常運行和在軌應(yīng)急處理。針對每一階段的特點，配置不同的測控體制、頻點等設(shè)置。在標(biāo)準(zhǔn)中，給出了一個基本配置方案和四個可選配置方案。

1.3.1 基本配置方案

基本配置方案上下行均采用擴(kuò)頻體制，星上配置一個收發(fā)信機(jī)或兩個獨立的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，實現(xiàn)上行信號的接收解調(diào)與下行信號的調(diào)制發(fā)射。具體配置方案見表5。

表5 基本配置方案Table 5 Baseline configuration frequency and modulation assignment

1.3.2 可選配置方案一

可選配置方案一上下行均采用擴(kuò)頻和調(diào)頻/調(diào)相雙模式。具體配置方案見表6。

表6 可選配置方案一Table 6 Configuration alternative 1

1.3.3 可選配置方案二

可選配置方案二上行采用擴(kuò)頻和調(diào)頻/調(diào)相雙模式，下行采用調(diào)相體制。具體配置方案見表7。

表7 可選配置方案二Table 7 Configuration alternative 2

1.3.4 可選配置方案三

可選配置方案三在可選配置方案二的基礎(chǔ)上，增加了一路下行擴(kuò)頻信號，用于測距。則測距采用擴(kuò)頻測距，而不是混合測距。具體配置方案見表8。

表8 可選配置方案三Table 8 Configuration alternative 3

1.3.5 可選配置方案四

可選配置方案四用于星上有搭載載荷的情況，在基本配置方案的基礎(chǔ)上，上下行采用不同頻點收發(fā)多路信號。

上行采用擴(kuò)頻和調(diào)頻/調(diào)相雙模式，下行采用調(diào)相體制。此外，下行增加一路擴(kuò)頻信號，用于測距。具體配置方案見表9。

表9 可選配置方案四Table 9 Configuration alternative 4

1.4 修訂版標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充說明《ETSI TR 103 956 v1.1.1》

2018年發(fā)布的這一技術(shù)報告對標(biāo)準(zhǔn)中很多內(nèi)容進(jìn)行了技術(shù)說明或修訂，包括頻率規(guī)劃、不同應(yīng)用場景的操作、搭載載荷的管理、大星座應(yīng)用、擴(kuò)頻調(diào)制、調(diào)頻和調(diào)相調(diào)制、編碼與交織，詳見表10。

2 對我國商業(yè)衛(wèi)星測控體制的探討

在對ETSI航天測控相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國商業(yè)衛(wèi)星測控的現(xiàn)狀與特點，總結(jié)我國航天測控網(wǎng)多年實踐的經(jīng)驗與成果，對我國商業(yè)衛(wèi)星測控體制進(jìn)行初步探討。

2.1 我國商業(yè)衛(wèi)星測控的現(xiàn)狀與特點

①商業(yè)衛(wèi)星數(shù)量激增

國內(nèi)商業(yè)航天公司已陸續(xù)完成“吉林一號”、“高景一號”、“珠海一號”、“天府軍融一號”、“靈巧”通信實驗衛(wèi)星等商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射，用以完成科學(xué)實驗或提供通信、遙感等服務(wù)，并規(guī)劃了龐大的商業(yè)星座計劃。近年來國內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射計劃見表11。

表10 修訂版標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容Table 10 The main differences between ETSI TR 103 956 v1.1.1 and ETSI EN 301 926 v1.3.1

表11 近年來國內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射計劃Table 11 Commercial satellite launch plans in China in recent years

②地面測控力量薄弱

與商業(yè)衛(wèi)星如火如荼的井噴式發(fā)展相比，作為商業(yè)衛(wèi)星關(guān)鍵組成的地面系統(tǒng)尤其是地面測控網(wǎng)的建設(shè)明顯滯后。

目前，國內(nèi)所有的衛(wèi)星測控只能依賴原總裝的衛(wèi)星測控網(wǎng)，衛(wèi)星測控網(wǎng)由西安衛(wèi)星測控中心、多個固定和機(jī)動測控站、遠(yuǎn)洋航天測量船等組成，功能配備齊全，可完成高、中、低多種軌道不同類型衛(wèi)星的測控和長期在軌管理，在國家歷次航天任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。但是，對于商業(yè)衛(wèi)星而言，直接使用現(xiàn)有的功能大而全、各項技術(shù)指標(biāo)余量較大的衛(wèi)星測控網(wǎng)將會大大增加整個商業(yè)衛(wèi)星的運行成本，并且，隨著各類商業(yè)衛(wèi)星和星座數(shù)量的逐年激增，現(xiàn)有衛(wèi)星測控網(wǎng)的測控資源將無法滿足商業(yè)衛(wèi)星越來越強(qiáng)烈的測控需求，此外，受限于“軍隊全面停止一切有償服務(wù)”等國家政策層面的約束，現(xiàn)有衛(wèi)星測控網(wǎng)恐將難以為規(guī)模龐大、種類繁多的商業(yè)衛(wèi)星提供長期測控服務(wù)。

部分衛(wèi)星研制單位和用戶出于科研或衛(wèi)星管理方面的需求也分別建設(shè)了少量地面站，主要對部分衛(wèi)星進(jìn)行管理和接收衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)。除航天測控網(wǎng)之外的地面站，由衛(wèi)星研制單位或用戶研制建設(shè)，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，通常僅用于管理各自的衛(wèi)星，測運控能力有限，利用率低。

③衛(wèi)星運行軌道低，需全天候測控

從商業(yè)航天公司公布的發(fā)射計劃來看，未來發(fā)射的衛(wèi)星多為幾十顆至上百顆衛(wèi)星組成的星座，測控目標(biāo)數(shù)量多。商業(yè)衛(wèi)星多為低軌衛(wèi)星，過境時間短、出入站頻繁，需全天候測控。

綜上所述，我國商業(yè)航天的發(fā)展亟待建成一個覆蓋范圍廣、測控能力強(qiáng)的商業(yè)航天測控網(wǎng)，而這一測控網(wǎng)的建設(shè)首先需要測控體制、數(shù)據(jù)接口等標(biāo)準(zhǔn)來指引。

2.2 我國商業(yè)衛(wèi)星測控體制的探討

結(jié)合我國商業(yè)衛(wèi)星測控的現(xiàn)狀與特點，參考ETSI通信衛(wèi)星測控的系列標(biāo)準(zhǔn)，對我國商業(yè)衛(wèi)星測控體制作一個初步的研究探討。商業(yè)衛(wèi)星測控體制建議參數(shù)詳見表12。

①測控頻段

優(yōu)選Ku/Ka頻段，此頻段最大優(yōu)點是可用帶寬寬，在保證衛(wèi)星高容量的情況下，可提供高速上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。S頻段作為備選，此頻段的優(yōu)點是技術(shù)成熟、地面測控設(shè)施齊備，缺點是頻帶資源緊張，可用作應(yīng)急測控。

②調(diào)制體制

優(yōu)選擴(kuò)頻體制、數(shù)傳體制，同時兼容標(biāo)準(zhǔn)體制PCM-PM/FM。擴(kuò)頻體制具有多目標(biāo)同時測控的優(yōu)點，適用于衛(wèi)星編隊飛行的情況，此外，還具有抗干擾、組網(wǎng)簡單靈活、系統(tǒng)容量大、成本低等一系列優(yōu)點；下行數(shù)傳體制配合高效糾錯碼，可具備很高信息傳輸速率，用于遙感等對傳信率要求高的場景。

③偽碼

建議使用GOLD碼，GOLD碼是自相關(guān)特性、互相關(guān)特性及實現(xiàn)復(fù)雜性等方面表現(xiàn)較平衡的一種碼，在ETSI去年發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充說明中還擴(kuò)大了這一偽碼族，可見其優(yōu)異的特性。使用長碼擴(kuò)頻，還可增加多址接入能力。

表12 商業(yè)衛(wèi)星測控體制建議參數(shù)Table 12 Recommended parameters for commercial satellite TCR system

④遙測、遙控

建議采用基于AOS幀結(jié)構(gòu)多功能一體化設(shè)計，支持遙測、遙控、測距、測速及業(yè)務(wù)功能的融合，針對低碼率和高碼率設(shè)計，可按需靈活配置，以適應(yīng)不同的衛(wèi)星應(yīng)用場景。

⑤測距、測速

與調(diào)制體制保持一致，優(yōu)選相干擴(kuò)頻模式測距。保留標(biāo)準(zhǔn)側(cè)音測距功能。

⑥角跟蹤

跟蹤接收機(jī)建議使用單脈沖體制，可滿足Ka頻段的指向精度。

此外，針對商業(yè)航天衛(wèi)星數(shù)量多、軌道周期短、全天候測控的特點，地面測控站應(yīng)具備自動化無人值守測控、測控功能/體制快速切換等能力。

3 結(jié)束語

本文首先對歐洲ETSI系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析和總結(jié)，然后結(jié)合國內(nèi)商業(yè)航天測控的特點，對我國商業(yè)航天測控體制進(jìn)行了探討研究，對測控頻段、調(diào)制體制、遙測、遙控、測量等內(nèi)容給出了初步的建議。