低軌巨型星座發(fā)展及其測控方法探析

章恩韜,司一童,張 威，馬 宏，吳 濤

(航天工程大學(xué) 電子與光學(xué)工程系，北京 101407)

0 引言

隨著可回收運(yùn)載器[1]以及衛(wèi)星批量化生產(chǎn)[2]的逐漸成熟，人類對太空開發(fā)的步伐逐漸加快，各類航天器的數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長態(tài)勢。其中，最引人注目的是各航天大國提出的各類巨型星座建設(shè)計(jì)劃。

目前，以Starlink[3]、OneWeb[4]、O3b[5]等衛(wèi)星系統(tǒng)為代表的巨型星座計(jì)劃已逐漸開始部署。這些衛(wèi)星星座主要用于寬帶服務(wù)，為用戶提供上網(wǎng)與大量數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。其中，規(guī)模最為龐大的SpaceX公司于2015年提出“星鏈(Starlink)”計(jì)劃，衛(wèi)星總量預(yù)計(jì)約4.2萬顆。同年，OneWeb宣布構(gòu)建一個(gè)由1 600顆衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)。而O3b星座系統(tǒng)是目前全球唯一成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營的中地球軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)。我國巨型星座發(fā)展起步較晚，但也取得了一些進(jìn)展。中國航天科技集團(tuán)的“鴻雁”衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)[6]與航天科工集團(tuán)的“虹云”工程都在2018年實(shí)現(xiàn)首顆衛(wèi)星入軌[7]。此外，中國于2020年向國際電信聯(lián)盟(ITU)遞交的頻譜分配檔案中包含兩個(gè)名為GW-A59和GW-2的寬帶星座計(jì)劃，其計(jì)劃發(fā)射的衛(wèi)星總數(shù)量達(dá)到12 992顆。

可以看出，未來我國在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量將呈爆炸式增長。傳統(tǒng)的航天測控系統(tǒng)負(fù)責(zé)的衛(wèi)星數(shù)量均在千顆以內(nèi)，而面向衛(wèi)星數(shù)量如此巨大的巨型星座，傳統(tǒng)的測控方式與技術(shù)架構(gòu)均將受到巨大沖擊。目前，我國測控方式與未來巨型星座測控需求的沖突主要表現(xiàn)在：① 有限測控資源與海量衛(wèi)星用戶目標(biāo)的沖突；② 傳統(tǒng)測控設(shè)備與全空域多目標(biāo)測控需求的沖突；③ 巨型星座自主在軌運(yùn)行與傳統(tǒng)測控模式的沖突；④ 測控網(wǎng)計(jì)劃管理與智能化接入管理的沖突。

為更好地滿足我國未來巨型星座的測控需求，必須引入新型測控體制和測控網(wǎng)架構(gòu)。本文首先對當(dāng)前典型巨型星座的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢進(jìn)行了分析，總結(jié)了巨型星座發(fā)展的主要特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步梳理了當(dāng)前巨型星座的測控難點(diǎn)和主要需求，最后對巨型星座測控的主要發(fā)展方向進(jìn)行了梳理與總結(jié)。

1 巨型星座發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢、特點(diǎn)分析

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀概述

近年來，許多國家都提出了自己的衛(wèi)星星座計(jì)劃，旨在為全球范圍提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。例如美國的Space X公司、亞馬遜公司和英國的OneWeb公司都提出了星座計(jì)劃，通過發(fā)射成千上萬顆衛(wèi)星組成自己的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。各國主要星座計(jì)劃如表 1所示。

表1 國際主要星座計(jì)劃一覽

1.1.1 美國

美國是世界上較早開始航天活動的國家，其技術(shù)水平居世界前列。美國的摩托羅拉公司于1987年提出“銥星系統(tǒng)”，該系統(tǒng)提供的用戶業(yè)務(wù)有移動電話、尋呼與數(shù)據(jù)傳輸。但受限于當(dāng)時(shí)衛(wèi)星通信的技術(shù)與成本，伴隨地面蜂窩移動通信迅速普及與發(fā)展，“銥星系統(tǒng)”在市場競爭中落敗。2000年3月，銥星公司宣布破產(chǎn)。2007年2月，重組后的銥星公司向外宣布了第二代“銥星計(jì)劃”的構(gòu)想，并于2019年組網(wǎng)完成。

成立于2002年的美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)于2015年提出星鏈計(jì)劃。該項(xiàng)目是目前全球設(shè)計(jì)規(guī)模最大、實(shí)際在軌衛(wèi)星最多的巨型星座項(xiàng)目。該項(xiàng)目設(shè)想在地球的近地軌道建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)系統(tǒng)，進(jìn)而為全球提供高速的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。項(xiàng)目總投資預(yù)計(jì)100億美元，目前已在北美開始互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，在大多數(shù)地區(qū)，下載速度在100～200 Mb/s之間，延遲低至20 ms。星鏈最初計(jì)劃分3個(gè)階段進(jìn)行，如表 2所示[8]。

表2 星鏈星座建設(shè)計(jì)劃

目前，SpaceX又對最初的星鏈計(jì)劃進(jìn)行了調(diào)整，追加了3萬顆衛(wèi)星，總計(jì)達(dá)到了4.2萬顆衛(wèi)星的規(guī)模。

此外，亞馬遜還提出了“Project Kuiper”，想要利用3 236顆低軌衛(wèi)星提供全球互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星服務(wù)，與星鏈存在巨大的競爭關(guān)系。但由于其運(yùn)行思路過于傳統(tǒng)、發(fā)射成本過高，該項(xiàng)目仍與星鏈有著不小的差距。值得一提的是，美國亞馬遜公司前CEO貝索斯創(chuàng)立的藍(lán)色起源公司也參與到衛(wèi)星星座建設(shè)的競爭中來。

1.1.2 英國

OneWeb是全球衛(wèi)星電信網(wǎng)絡(luò)的初創(chuàng)公司，利用自動化生產(chǎn)、流水線組裝達(dá)成大規(guī)模、低成本的衛(wèi)星生產(chǎn)制造模式，在全球范圍內(nèi)開創(chuàng)了先河,該公司提出的“OneWeb”衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)劃通過打造低軌衛(wèi)星星座創(chuàng)建覆蓋全球的高速電信網(wǎng)絡(luò)。

2017年，OneWeb首次向FCC提交的文件中說明，“OneWeb”衛(wèi)星星座由720顆1 200 km高度近地軌道(LEO)衛(wèi)星和1 280顆8 500 km高度的中地球軌道(MEO)衛(wèi)星構(gòu)成，這些衛(wèi)星使用Ka+Ku波段，用于實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。2020年5月，OneWeb又向FCC申請將1 200 km高度的LEO星座衛(wèi)星數(shù)量增加到約47 844顆。2021年1月，又將該數(shù)量降低到6 372顆。

按照OneWeb的設(shè)計(jì)，目前的“OneWeb”星座布局設(shè)計(jì)應(yīng)該包括6 372顆LEO衛(wèi)星和1 280顆中地球軌道衛(wèi)星，具體情況如表 3所示。

表3 “OneWeb”衛(wèi)星星座布局設(shè)計(jì)情況

1.1.3 加拿大

加拿大的衛(wèi)星通信公司Telesat在衛(wèi)星服務(wù)方面已持續(xù)運(yùn)行幾十年。該公司提出的巨型星座建設(shè)項(xiàng)目名為“Telesat Lightspeed”。該項(xiàng)目第一顆LEO衛(wèi)星于2018年1月發(fā)射，目前在軌運(yùn)行298顆，在全球范圍內(nèi)已建成50座地面站，已經(jīng)能夠組成網(wǎng)絡(luò)并開始運(yùn)營，網(wǎng)絡(luò)延遲為30～60 ms。

“Telesat Lightspeed”星座工作在Ka頻段，包含不少于117顆衛(wèi)星，衛(wèi)星分布在兩組軌道面上：第一組軌道面為極軌道，由6個(gè)軌道面組成，軌道傾角99.5°，高度1 000 km，每個(gè)平面至少12顆衛(wèi)星；第二組軌道面為傾斜軌道，由不少于5個(gè)軌道面組成，軌道傾角37.4°，高度1 200 km，每個(gè)平面至少有10顆衛(wèi)星。第一組極軌道提供了全球覆蓋，第二組傾斜軌道更關(guān)注全球大部分人口集中區(qū)域覆蓋[8],Telesat的星座模式如圖1所示。

圖1 Telesat系統(tǒng)的星座模式

1.1.4 中國

中國也提出了自己的巨型星座發(fā)展計(jì)劃。2018年初，中國航天科技集團(tuán)有限公司提出了全球低軌衛(wèi)星移動通信與空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(“鴻雁”星座)建設(shè)計(jì)劃[6]。2018年12月29日，“鴻雁”星座首顆試驗(yàn)星成功進(jìn)入預(yù)定軌道并運(yùn)行正常。星座計(jì)劃發(fā)射300多顆低軌衛(wèi)星，星座由多個(gè)軌道面組成，軌道高度約為 1 000 km，同時(shí)配有全球數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)中心系統(tǒng)，具備7×24 h不間斷服務(wù)能力[9]。

航天科工提出的“五云一車”商業(yè)航天工程之一——虹云工程，計(jì)劃部署150多顆軌道高度為1 000 km的小衛(wèi)星，組建全球星載寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)； “五云一車”工程中的另一項(xiàng)目行云工程計(jì)劃發(fā)射80顆小衛(wèi)星，建設(shè)覆蓋全球的低軌窄帶天基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[9]。

此外，中國還提出了GW星座部署計(jì)劃，如表4所示。根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)公開的資料信息，GW星座總共包含兩個(gè)子星座，軌道高度也分為兩組。GW-A59子星座的衛(wèi)星分布在500 km以下的極地軌道，GW-2子星座的衛(wèi)星分布在1 145 km的近地軌道。兩組衛(wèi)星的軌道傾角分布在30°～85°之間。LEO衛(wèi)星雖然覆蓋范圍小，但延遲更低，日后將會成為核心優(yōu)勢,國際電信聯(lián)盟(ITU)關(guān)于GW-A59檔案如圖 2所示。

表4 中國GW衛(wèi)星星座計(jì)劃

圖2 國際電信聯(lián)盟(ITU)關(guān)于 GW-A59檔案

GW星座除了能提供覆蓋全球的高速網(wǎng)絡(luò)通信以外，在航海、航空，以及信息安全、金融安全、軍事安全、導(dǎo)航定位、氣象研究、災(zāi)害預(yù)警等諸多領(lǐng)域都會給我國帶來全方位的升級。

1.2 發(fā)展趨勢、特點(diǎn)分析

(1) 規(guī)模逐漸擴(kuò)大，政府支持明顯

巨型星座發(fā)展前期，受制于資金與技術(shù)，大多數(shù)項(xiàng)目規(guī)劃所設(shè)計(jì)的衛(wèi)星數(shù)量較少。但隨著科技的發(fā)展，許多公司都擴(kuò)大了自己的項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模。星鏈初始規(guī)劃衛(wèi)星數(shù)量約1.2萬顆，后增加至4.2萬顆；“OneWeb”星座初始計(jì)劃發(fā)射650顆衛(wèi)星，后計(jì)劃發(fā)射7 600顆衛(wèi)星；加拿大的Teleset公司也于2020年提出將星座衛(wèi)星數(shù)量擴(kuò)建到1 600顆的計(jì)劃。同時(shí)也可明顯發(fā)現(xiàn)，各國公司的巨型星座項(xiàng)目受到各國政府的支持十分明顯。美國銥星公司破產(chǎn)后，美國政府與軍方收購銥星公司，將其作為重點(diǎn)項(xiàng)目推進(jìn)，美國國防部成為“銥星系統(tǒng)”的最大客戶[10]；英國OneWeb公司在遇到資金問題后，英國政府投資資金使其繼續(xù)發(fā)展。顯然，眾多國家都將巨型星座的建設(shè)作為未來科技的制高點(diǎn)之一，即使短期無法獲得回報(bào)，政府也愿意大力支持企業(yè)發(fā)展建設(shè)計(jì)劃。

(2) 產(chǎn)業(yè)鏈趨向整合，實(shí)現(xiàn)智能化流水線一體化生產(chǎn)

巨型星座的建設(shè)計(jì)劃對衛(wèi)星的數(shù)量與生產(chǎn)速度都提出了很高的要求，為解決這些問題，眾多企業(yè)開始向智能化流水線生產(chǎn)邁進(jìn)，整合上下游產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)貫穿于產(chǎn)業(yè)鏈全程的批量生產(chǎn)模式，在生產(chǎn)速度、成本與產(chǎn)品管理方面都有很大提升。OneWeb公司借鑒汽車生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)了世界首條衛(wèi)星生產(chǎn)流水線，集設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、總裝、測試于一體，采用協(xié)作機(jī)器人、自導(dǎo)引運(yùn)輸車等自動化設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)每月40顆衛(wèi)星的批量化生產(chǎn)，大大降低了生產(chǎn)成本。SpaceX也建立了自己的流水線工廠，其產(chǎn)能甚至達(dá)到每天7顆衛(wèi)星。中國航天科工集團(tuán)在武漢建設(shè)了中國首條批產(chǎn)衛(wèi)星智能生產(chǎn)線，完全建成后預(yù)計(jì)年產(chǎn)240顆衛(wèi)星。

(3) 寬帶接入，互聯(lián)網(wǎng)入口競爭激烈

低軌巨型星座可實(shí)現(xiàn)百M(fèi)bit/s～Gbit/s的通信速率，存在時(shí)延低、速率高、可接入量大的特點(diǎn)，因此被認(rèn)為是5G/6G發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。2019年4月，加拿大衛(wèi)星通信公司Telesat與歐洲最大的移動運(yùn)營商沃達(dá)豐(Vodafone)在英國完成了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)5G 通信試驗(yàn)[11]。按照目前的發(fā)展計(jì)劃，衛(wèi)星通信公司都將占據(jù)衛(wèi)星軌道與搶占互聯(lián)網(wǎng)寬帶新入口置于很高的優(yōu)先級，領(lǐng)域競爭十分激烈。

(4) 短期收益困難，長期穩(wěn)定運(yùn)營的測控需求較高

巨型星座因其建設(shè)規(guī)模的巨大，存在項(xiàng)目建設(shè)周期長的特點(diǎn)，因此難以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)收益。但其建成后所能帶來的巨大效益，使得各國家與衛(wèi)星公司都在努力實(shí)現(xiàn)巨型星座長期穩(wěn)定的測控運(yùn)營。采用傳統(tǒng)測控技術(shù)與運(yùn)營模式將導(dǎo)致低軌通信系統(tǒng)測控任務(wù)過于繁重，運(yùn)營成本過高。因此，必須進(jìn)行測控技術(shù)創(chuàng)新與系統(tǒng)運(yùn)營流程簡化，降低星座穩(wěn)定運(yùn)營成本。

2 巨型星座的測控需求與難點(diǎn)

2.1 測控需求分析

通過上文對典型巨型星座發(fā)展現(xiàn)狀的概述與發(fā)展趨勢、特點(diǎn)的分析，可以總結(jié)出巨型星座有別于一般傳統(tǒng)在軌目標(biāo)的測控需求，列舉如下：

① 海量衛(wèi)星用戶目標(biāo)的測控需求。巨型星座最大的特點(diǎn)在于其擁有海量的衛(wèi)星，要保證巨型星座正常運(yùn)行就必須滿足每一顆衛(wèi)星的測控需求，因此，巨型星座的測控方式必須能夠滿足對海量衛(wèi)星用戶目標(biāo)的測控。

② 全空域多目標(biāo)的測控需求。巨型星座衛(wèi)星數(shù)量龐大，單個(gè)地面測控站必然需要在全空域范圍內(nèi)對多個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行測控。傳統(tǒng)方法是增加測控設(shè)備以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同時(shí)測控，但存在管理組織成本高、效費(fèi)比低等問題[12]，因此，需要發(fā)展全空域多波束技術(shù)以滿足全空域多目標(biāo)的測控需求。

③ 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星自主在軌運(yùn)行的需求。巨型星座的海量衛(wèi)星導(dǎo)致測控工作量的極大增加，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星自主在軌運(yùn)行可以降低地面測控系統(tǒng)的運(yùn)行成本，并且能夠提高衛(wèi)星獨(dú)立自主的生存能力，當(dāng)?shù)孛嬲疽虍惓Ｔ驘o法完成測控任務(wù)時(shí)，衛(wèi)星依然能夠正常在軌運(yùn)行[13]。

2.2 測控難點(diǎn)問題分析

通過上文對巨型星座測控需求的分析，并結(jié)合我國目前測控發(fā)展現(xiàn)狀，本文總結(jié)分析了巨型星座測控的難點(diǎn)問題，具體如下：

① 有限測控資源與海量衛(wèi)星用戶目標(biāo)的沖突。伴隨衛(wèi)星數(shù)量激增，有限測控資源與海量衛(wèi)星用戶需求之間的矛盾逐漸突出，僅靠增加測控站中測控設(shè)備來解決多星、多任務(wù)的測控問題會帶來成本高、資源浪費(fèi)等問題[14]。我國現(xiàn)有地基為主、?；旎鶠檩o的測控網(wǎng)絡(luò)體系面臨維護(hù)難度大、系統(tǒng)復(fù)雜度不斷增加等問題[12]，建設(shè)天地一體化測運(yùn)控網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)測控資源的統(tǒng)籌重組，開放、靈活、高效地解決測控問題。

② 傳統(tǒng)測控設(shè)備與全空域多目標(biāo)測控需求的沖突。我國目前仍大量采用機(jī)械掃描式的拋物面天線作為航天測控的主要設(shè)備，在單波束內(nèi)采用碼分多址可對星座內(nèi)的多顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)同時(shí)測控,但這種方式僅能對少量衛(wèi)星進(jìn)行多目標(biāo)測控。要實(shí)現(xiàn)對巨型星座海量衛(wèi)星的測控任務(wù)就必須采用全空域多波束天線對全空域內(nèi)的多顆衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行跟蹤測控[15]。

③ 巨型星座自主在軌運(yùn)行與傳統(tǒng)測控模式的沖突。我國傳統(tǒng)的測控方式主要通過地面站上注指令實(shí)現(xiàn)[16]，面對巨型星座海量衛(wèi)星的測控需求時(shí)操作繁瑣、效率較低。如果衛(wèi)星能夠利用軌道測量信息自主計(jì)算修正軌道所需的控制量、軌控發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火時(shí)長,實(shí)現(xiàn)軌控發(fā)動機(jī)點(diǎn)火以進(jìn)行軌道控制[17]，則能極大減少地面測控工作量。

3 巨型星座測控主要發(fā)展方向

3.1 全空域多目標(biāo)測控

全空域多目標(biāo)測控可實(shí)現(xiàn)同時(shí)測控多個(gè)衛(wèi)星目標(biāo)，能夠有效緩解有限測控資源與巨型星座海量衛(wèi)星測控需求的矛盾。目前，全空域多目標(biāo)測控技術(shù)的應(yīng)用前景主要是以全空域球面相控陣測控系統(tǒng)為設(shè)備基礎(chǔ)，采用空分碼分結(jié)合的目標(biāo)復(fù)用形式，實(shí)現(xiàn)隨遇接入測控模式[12]，為巨型星座的長期穩(wěn)定運(yùn)行與智能化測控網(wǎng)的建設(shè)提供設(shè)備與技術(shù)支撐。

全空域多目標(biāo)測控的核心與基礎(chǔ)是地面站雷達(dá)上的全空域多波束天線。這種天線相較于傳統(tǒng)天線有很大優(yōu)勢：① 多波束測控天線可同時(shí)向多顆衛(wèi)星發(fā)送信號，并且不存在衛(wèi)星過頂跟蹤困難的情況，大大提高了測控效率；② 多波束天線可減少測控站內(nèi)設(shè)備數(shù)量，便于設(shè)備管理，減輕人力負(fù)擔(dān)，并有利于實(shí)現(xiàn)自動化測控；③ 多波束天線多波束使用同一時(shí)鐘源，有利于多星時(shí)間信息的統(tǒng)一處理；④ 多波束天線可幾乎瞬時(shí)完成波束方向改變，相比于機(jī)械轉(zhuǎn)動式雷達(dá)，大大提高了測控時(shí)效性與精度。

目前國際上發(fā)展最好的是美國GDPAA多波束測控天線，該天線掃描速率在千分之一秒。歐空局的GEODA多波束測控天線也非常先進(jìn)，其工作在1.7 GHz的L 頻段[18]，可同時(shí)跟蹤8顆衛(wèi)星。我國的全空域多波束天線也處于世界先進(jìn)水平，文獻(xiàn)[16]中球面陣形狀的全空域多波束天線所有試驗(yàn)測試項(xiàng)目均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,原理樣機(jī)的測距、測速和測角精度等技術(shù)指標(biāo)滿足傳統(tǒng)測控站的要求,能夠?qū)Ψ植加?5° ～ 90°仰角、0° ～ 360°全空域內(nèi)的16個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行測控,16個(gè)目標(biāo)的工作頻率可以在100 MHz帶寬內(nèi)任意設(shè)定,工作體制不限[15,19]。

3.2 隨遇接入

隨遇接入是區(qū)別于當(dāng)前基于集中預(yù)分配的測運(yùn)控資源管理模式的測運(yùn)控服務(wù)概念，在隨遇接入的測運(yùn)控服務(wù)架構(gòu)下，借鑒蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)接入機(jī)制，在軌衛(wèi)星直接按需發(fā)起測運(yùn)控需求，站網(wǎng)對衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)靈活接入、即時(shí)響應(yīng)。

航天測運(yùn)控站網(wǎng)由接入網(wǎng)和測運(yùn)控資源服務(wù)網(wǎng)構(gòu)成。接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)用戶衛(wèi)星的隨遇接入，資源服務(wù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)用戶衛(wèi)星的“按需服務(wù)”。其中接入網(wǎng)支持3種接入鏈路：地基S波段全空域多波束測控設(shè)備接入、中繼衛(wèi)星S頻段多址方式接入、北斗短報(bào)文通信鏈路接入。以下將分別從地基和天基兩方面介紹隨遇接入。

3.2.1 地基隨遇接入

隨著巨型星座的發(fā)展，在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量激增，當(dāng)前測控站基于集中預(yù)分配的資源管控模式難以適應(yīng)未來巨型星座的測運(yùn)控需求，以隨遇接入測控技術(shù)為核心的新型測控模式將成為更好的選擇。借鑒蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)接入機(jī)制，將衛(wèi)星、測控站分別看作移動終端和基站，在測控網(wǎng)中引入隨遇接入技術(shù)，在全空域波束覆蓋范圍條件下，航天器進(jìn)入波束范圍就能接入測控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測控，最終實(shí)現(xiàn)“隨遇接入，按需服務(wù)”。衛(wèi)星隨遇接入流程圖如圖 3所示[12]。

圖3 隨遇接入測控流程圖

(1) 接入測控實(shí)施流程

在基于隨遇接入技術(shù)的測控過程中，為了實(shí)現(xiàn)接入控制和數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)進(jìn)行，分別設(shè)計(jì)控制信道和業(yè)務(wù)信道。測控流程具體如下[12,20]：衛(wèi)星進(jìn)入測控范圍，準(zhǔn)備隨遇接入。首先衛(wèi)星發(fā)送下行詢問信號，預(yù)先按照最優(yōu)選擇策略搜索和選擇地面測控站，并向選擇的測控站發(fā)送隨遇接入請求，詢問信號中包含衛(wèi)星標(biāo)識編碼。測控站接收請求后，向地基測控網(wǎng)管控中心發(fā)送查詢申請，驗(yàn)證衛(wèi)星身份并確定優(yōu)先等級，基于本站的測控資源和衛(wèi)星優(yōu)先等級進(jìn)行測控資源的分配。若接入成功，業(yè)務(wù)信道開始正常工作，控制信道繼續(xù)尋找下一測控站，以便進(jìn)行下一步的切換。當(dāng)前測控業(yè)務(wù)完成，或衛(wèi)星超出當(dāng)前測控站覆蓋范圍時(shí)，衛(wèi)星斷開連接，開始接入下一測控站。

(2) 隨遇接入測控優(yōu)勢

① 可實(shí)現(xiàn)對多星同時(shí)測控。航天器只要進(jìn)入測控站覆蓋范圍就能實(shí)現(xiàn)隨遇接入，有效解決了未來因衛(wèi)星數(shù)量激增導(dǎo)致測控資源不足的問題。

② 降低資源調(diào)度的復(fù)雜度。隨遇接入是衛(wèi)星自主接入，相較于傳統(tǒng)測控方式的提前統(tǒng)一調(diào)度，隨遇接入對于測控資源調(diào)度的復(fù)雜度大大降低。

③ 可靠性高。衛(wèi)星可同時(shí)與多個(gè)測控站建立連接，必要時(shí)可快速切換，可靠性大大提高。

④ 靈活性提高，能更好適應(yīng)未來多種任務(wù)需求。

⑤ 能有效降低衛(wèi)星測控管理成本。若采用傳統(tǒng)測控模式，需新建大量測控站，而隨遇接入可實(shí)現(xiàn)一站對多星的資源管理分配，有效降低成本。

(3) 隨遇接入測控關(guān)鍵技術(shù)

① 衛(wèi)星接入測控站時(shí)的最優(yōu)選擇策略。測控站的覆蓋范圍多有重疊，這時(shí)就需要衛(wèi)星綜合測控站覆蓋范圍大小、測控能力強(qiáng)弱等因素，制定出最優(yōu)選擇策略。

② 測控資源調(diào)度計(jì)劃研究。測控方式發(fā)生變化：由地面主導(dǎo)變?yōu)樾枨笾鲗?dǎo)，由提前統(tǒng)一調(diào)度變?yōu)閷?shí)時(shí)動態(tài)調(diào)整。要建立衛(wèi)星和測控站的資源清單，便于依據(jù)衛(wèi)星需求進(jìn)行實(shí)時(shí)資源調(diào)度。

③ 多信道實(shí)現(xiàn)方法研究。為實(shí)現(xiàn)可隨時(shí)切換測控站，業(yè)務(wù)信道和控制信道需要進(jìn)行分離。而這兩類信道采用頻分還是碼分仍需研究。

3.2.2 天基隨遇接入

為有效滿足用戶衛(wèi)星“隨遇接入，按需服務(wù)”的測控需求，我國正規(guī)劃建設(shè)和發(fā)展天基測控網(wǎng)，構(gòu)建深空探測測控網(wǎng)，構(gòu)建天地空一體化測控通信系統(tǒng)。隨著我國天基S頻段具備多址工作方式的中繼星投入使用[21]，天基測運(yùn)控站網(wǎng)也將為用戶隨接隨用站網(wǎng)資源提供條件。

(1) 天基隨遇接入流程

根據(jù)接入鏈路不同，有以下兩種運(yùn)行模式：

① S頻段多址接入。當(dāng)在軌衛(wèi)星進(jìn)入到某中繼衛(wèi)星的SMA覆蓋區(qū)后，全景波束將覆蓋該在軌衛(wèi)星，在軌衛(wèi)星以短報(bào)文形式向中繼衛(wèi)星發(fā)送測控請求，中繼衛(wèi)星實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至地面站。地面站進(jìn)行用戶衛(wèi)星身份識別，根據(jù)用戶請求、用戶衛(wèi)星軌跡信息和優(yōu)先等級進(jìn)行測控資源的分配，通過中繼衛(wèi)星將測控指令轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)用戶衛(wèi)星。當(dāng)前測控任務(wù)業(yè)務(wù)完成。

② 基于北斗短報(bào)文接入。用戶衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)生成短報(bào)文信號向特定導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送，北斗衛(wèi)星接收信號后，將遙測短報(bào)文信號發(fā)送至地面短報(bào)文測控終端，地面短報(bào)文測控終端再將其發(fā)送至衛(wèi)星測控中心。衛(wèi)星測控中心進(jìn)行用戶衛(wèi)星身份識別，根據(jù)用戶請求、用戶衛(wèi)星軌跡信息和優(yōu)先等級進(jìn)行測控資源的分配，然后將遙控?cái)?shù)據(jù)通過地面短報(bào)文測控終端和北斗衛(wèi)星發(fā)送給指定用戶衛(wèi)星[22-23]。

(2) 天基隨遇接入優(yōu)勢

目前天基測控網(wǎng)主要包括導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：① 能為中低軌航天器提供精度較高的自主導(dǎo)航，實(shí)時(shí)定位與姿態(tài)測定；② 提供高精度時(shí)間同步；③ 算法簡約系統(tǒng)可靠性較高[24]。數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：① 軌道覆蓋率高，可利用體積較小、質(zhì)量較輕的相控陣天線實(shí)現(xiàn)多址工作方式，同時(shí)為多個(gè)衛(wèi)星服務(wù)；② 測控實(shí)時(shí)性強(qiáng)，有利于巨型星座的長期穩(wěn)定健康管理；③ 系統(tǒng)傳輸能力強(qiáng)，效費(fèi)比較高。

(3) 天基隨遇接入的局限性

① 中繼衛(wèi)星位于地球同步靜止軌道，其軌道高度較高。而巨型星座以小衛(wèi)星為主，其天線增益及發(fā)射功率一般較小，且絕大多數(shù)運(yùn)行在低軌軌道與中繼星距離較遠(yuǎn)，存在衛(wèi)星測控?zé)o法徹底管控的問題。

② 目前中繼衛(wèi)星的測控能力有限，不足以滿足未來巨型星座的海量衛(wèi)星測控需求，目前我國有120余顆信息獲取衛(wèi)星在軌運(yùn)行，每天需接收數(shù)據(jù)1 000圈次， 一、二代中繼僅能滿足200余圈次，僅能滿足任務(wù)需求的四分之一[12]。

③ 天基測控網(wǎng)防護(hù)薄弱，抗毀能力差，組網(wǎng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障難以快速實(shí)現(xiàn)修復(fù)，對巨型星座長期穩(wěn)定健康測控存在風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 衛(wèi)星自主在軌導(dǎo)航

衛(wèi)星自主導(dǎo)航即指衛(wèi)星不依靠地面支持，利用星上自備的測量設(shè)備確定自己的位置和速度[25]。衛(wèi)星自主導(dǎo)航技術(shù)的研究已有近60年的歷史，較為傳統(tǒng)的自主導(dǎo)航技術(shù)主要有慣性導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航和組合導(dǎo)航等，自然偏振導(dǎo)航作為一種新型手段也逐漸開始研究[26]。傳統(tǒng)自主導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展技術(shù)已相對成熟，在民用與軍事領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛應(yīng)用，但都存在著不可避免的弊端。慣性導(dǎo)航技術(shù)存在星座整體旋轉(zhuǎn)誤差隨時(shí)間累積問題[27]，無線電導(dǎo)航易被干擾。自然偏振導(dǎo)航作為一種新技術(shù)具有如下優(yōu)勢：① 作為無源被動導(dǎo)航手段，不需要向外界發(fā)射信息；② 易于小型化，系統(tǒng)成本低、功耗??；③ 在太空中不受對流層影響，精度較高。雖然這項(xiàng)技術(shù)仍處于探索階段，暫時(shí)無法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)載體的定位，需要通過聯(lián)合使用其他敏感器才能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的能力，但其展現(xiàn)出的優(yōu)勢與發(fā)展前景依然可觀。

實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星自主在軌導(dǎo)航對巨型星座測控具有重要意義，具體作用如下：① 減少地面站至衛(wèi)星的信息注入次數(shù)，極大降低地面測控系統(tǒng)管理要求和運(yùn)行成本[28]；② 增強(qiáng)星座系統(tǒng)的自主能力，在衛(wèi)星失去與飛行控制段的聯(lián)系后，能夠?qū)崿F(xiàn)一段時(shí)間的自主運(yùn)行，增強(qiáng)系統(tǒng)的生存能力；③ 為巨型星座智能化測控網(wǎng)絡(luò)提供支撐[29]；④ 對于受國際政治影響無法在全球范圍建立地面觀測站的衛(wèi)星系統(tǒng)，如我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星可視弧度受限，系統(tǒng)無法在全球范圍維持高精度運(yùn)行?；诼?lián)合使用星間鏈路和本土觀測站星地鏈路的衛(wèi)星自主導(dǎo)航技術(shù)可有效解決這一難題[30]。

4 結(jié)論

當(dāng)前正處于巨型星座建設(shè)與發(fā)展時(shí)期，測控技術(shù)也面臨著新的發(fā)展機(jī)遇。本文從巨型星座發(fā)展現(xiàn)狀中總結(jié)出其發(fā)展趨勢，進(jìn)而分析出我國現(xiàn)有測控系統(tǒng)與未來巨型星座測控需求之間存在的矛盾，最后介紹了針對這些矛盾的全空域多目標(biāo)測控、隨遇接入、衛(wèi)星自主導(dǎo)航等技術(shù)。在我國未來測控系統(tǒng)建設(shè)中，這些技術(shù)具有重要意義和研究價(jià)值，對于我國建設(shè)適應(yīng)巨型星座測控需求的測控網(wǎng)具有重要的借鑒意義。