面向商業(yè)通信衛(wèi)星的測運控一體化系統(tǒng)設計

李靖

（天津七一二通信廣播股份有限公司北京研發(fā)中心 北京市 100084）

隨著商業(yè)航天和衛(wèi)星互聯(lián)網產業(yè)的蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星的發(fā)射數量和頻次急劇增長，國內現有測運控運行體系難以適應純商業(yè)衛(wèi)星的要求[1]，由國家測控系統(tǒng)統(tǒng)一完成衛(wèi)星在軌管理的模式逐漸向更靈活的商業(yè)測控模式分流。由于衛(wèi)星測控處理的專業(yè)性，中小型商業(yè)公司一般選擇將衛(wèi)星的在軌管理交由專業(yè)商業(yè)測控公司代為管理。然而，衛(wèi)星作為商業(yè)公司的重要資產，特別是對于復雜度較高的、涉及星上再生處理等功能的商業(yè)通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)，衛(wèi)星已經不再是單純的轉發(fā)通道，而是重要的通信系統(tǒng)網元，在傳統(tǒng)衛(wèi)星測運控功能的基礎上，還需要針對通信業(yè)務狀態(tài)對衛(wèi)星通信載荷做頻繁的業(yè)務測控處理?；谏鲜鎏卣?，出于保證公司的衛(wèi)星核心資產安全、實現有效實現衛(wèi)星在軌管理的目的，很多商業(yè)公司選擇自行管理本系統(tǒng)的衛(wèi)星，并且與通信網絡的運行管理和數據業(yè)務做有機的結合。因此，測運控以平臺載荷為核心的管理服務模式，正在向以數據業(yè)務為核心的服務管理模式轉變[2]。

本文針對商業(yè)衛(wèi)星獨特的運營模式，以“提高商業(yè)衛(wèi)星在軌運行管理效率，減少衛(wèi)星在軌管理成本”[3]為目的，為通信衛(wèi)星星座構建一種自動程度較高的測運控一體化系統(tǒng)架構。

1 系統(tǒng)架構

測運控一體化架構由：信號傳輸處理子系統(tǒng)、衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)、業(yè)務測控管理子系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1：測運控一體化架構

1.1 信號傳輸處理子系統(tǒng)

信號傳輸處理子系統(tǒng)負責完成衛(wèi)星測控信號的處理。衛(wèi)星測控信息可通過專用測控鏈路經測控站，或通過數據復接的方式將測控數據與業(yè)務數據復接在饋電鏈路上通過信關站完成與地面的交互。

1.2 衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)

衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)負責完成星地數據處理和衛(wèi)星在軌管理。包括遙測、遙控數據的處理和分發(fā)，衛(wèi)星在軌重構、工程數據處理、衛(wèi)星軌道測量和定軌預報、衛(wèi)星的軌道保持、姿態(tài)控制管理等功能。

1.3 網絡運行管理子系統(tǒng)

網絡運行管理子系統(tǒng)負責完成通信網絡各設備的狀態(tài)監(jiān)控，包括地面系統(tǒng)的設備狀態(tài)的管理以及衛(wèi)星測控任務規(guī)劃等功能。

1.4 業(yè)務規(guī)劃子系統(tǒng)

業(yè)務規(guī)劃子系統(tǒng)負責完成通信任務的規(guī)劃工，通過受理業(yè)務需求，形成業(yè)務配置參數指令，并發(fā)送到衛(wèi)星載荷和網絡運行管理子系統(tǒng)，實現通信任務的相關處理。

其中，信號傳輸處理子系統(tǒng)由分布在適當的境內或海外位置的信關站和測控站組成；衛(wèi)星運行管理、網絡運行管理和業(yè)務測控管理分系統(tǒng)位于系統(tǒng)運控中心，由運控服務器、網絡設備和相應的管理席位構成，運控中心通過地面網絡實現與外部地面站點的信息交互。

2 系統(tǒng)設計

2.1 地面站點設計

系統(tǒng)的專用測控站和信關站等地面站點構成信號傳輸處理子系統(tǒng)。根據國家測控系統(tǒng)的管控要求，商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的測控鏈路一般采用X、Ka 或更高的V 頻段鏈路。單個測控站/信關站由天伺饋單元、信道處理單元、基帶處理單元、時頻單元、站控單元、網絡處理單元組成。此外，對于信關站，還包括處理通信業(yè)務的管控單元等（接入網、核心網設備）。其中，站控單元通過網管協(xié)議，接收運控中心下發(fā)的衛(wèi)星的星歷信息和測控計劃信息，并轉發(fā)給天伺饋單元的ACU 模塊，指示天線按測控任務的計劃安排完成對星和跟蹤處理。

2.2 運控中心設計

運控中心負責衛(wèi)星通信運行控制，衛(wèi)星通信運行控制系統(tǒng)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分，是保障系統(tǒng)可靠、高效運行的主要手段[4]。

2.2.1 衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)

衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)主要完成傳統(tǒng)衛(wèi)星地面測控系統(tǒng)實現的對衛(wèi)星在軌運行的測控處理和在軌管理功能。衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)主要由測控信息處理單元、數傳信息處理單元、測定軌處理單元和姿軌控處理單元組成。

（1）測控信息處理單元的主要功能包括遙測數據的解析和存儲、遙控和注數指令的編輯、組幀、碼表轉換和認證處理，以及測控數據的網絡分發(fā)。

（2）數傳信息處理單元的主要功能包括按測控計劃自動執(zhí)行對衛(wèi)星數傳業(yè)務數據的下載、分析和保存，以及載荷上注重構。通過在數據分析終端上的數傳分析軟件，能夠完成對數傳數據的解析，部分與設備狀態(tài)相關的數據傳遞給網絡運行管理子系統(tǒng)，生成網管的日志和報表。

（3）測定軌處理單元主要完成衛(wèi)星的定軌和預報功能，通過接收遙測信息中的衛(wèi)星GNSS 信息，計算得到衛(wèi)星的定軌信息，并通過比對外部傳來的衛(wèi)星TLE信息、信關站的軌道測量等信息，實現綜合精密定軌處理。并且通過SGP4/SDP4 等模型實現軌道預報。網絡運行管理子系統(tǒng)通過訪問調用測定軌處理單元的服務，能夠得到各地面信關站、測控站跟蹤衛(wèi)星測控圈數、進出站時間、對星仰角等的參數，進而完成相關設備的參數配置。

（4）姿軌控處理單元主要完成衛(wèi)星的軌道保持和姿態(tài)控制。通過分析當前衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)信息，比對軌道維持和姿態(tài)調整的目標要求，計算規(guī)劃衛(wèi)星的剩余燃料，得到衛(wèi)星軌道和姿態(tài)調整的參數；進而通過對調整參數的仿真，能夠預示姿軌控的調整結果，最后由管理員完成姿軌控的遙控上注處理。

2.2.2 網絡運行管理子系統(tǒng)

網絡運行管理子系統(tǒng)由衛(wèi)星狀態(tài)信息處理單元、網絡管理單元和測控計劃管理單元組成，實現對網絡中各設備健康狀態(tài)的管理。

（1）衛(wèi)星狀態(tài)信息處理單元通過接收衛(wèi)星遙測信息并轉換成網管協(xié)議格式，實現網管系統(tǒng)對衛(wèi)星的統(tǒng)一監(jiān)控。衛(wèi)星的遙測參數還進一步作用于測控站或信關站的上行鏈路的參數調整，實現網管對地面鏈路的自動調制編碼控制等功能。

（2）網絡管理單元通過與各設備的網管代理模塊之間的網管協(xié)議，實現網絡管理的各種功能，包括設備上線、離線的監(jiān)視、參數配置、異常上報、軟件更新等處理。此外，通過與外部通信任務規(guī)劃等子系統(tǒng)交互的網管北向接口，能還能夠受理通信任務，實現對信道設備的管控處理。

（3）測控計劃管理單元能夠實現對測控任務的編排，并通過網管協(xié)議，完成對地面各站點的配置。通過訪問衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)生成的軌道預報的數據結果，可以得到各信關站、測控站的跟蹤參數，形成測控計劃，并由網絡管理單元負責訪問測控計劃信息，形成網管參數配置指令，完成對地面各站點的自動配置。

2.2.3 業(yè)務規(guī)劃子系統(tǒng)

業(yè)務規(guī)劃子系統(tǒng)由業(yè)務規(guī)劃單元、資源調度單元組成。業(yè)務規(guī)劃單元負責為管理員呈現當前的業(yè)務運行狀態(tài)和通信資源的狀態(tài)，例如各波束照射位置、通信頻段、波束可用時段、信道設備占用情況等信息，能夠根據特殊通信業(yè)務的需求，預留相應的資源，形成針對特殊業(yè)務的管理計劃。資源調度單元負責接收衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)和網絡運行管理子系統(tǒng)的衛(wèi)星載荷設備和地面信道設備的狀態(tài)，為業(yè)務規(guī)劃提供資源信息支持，同時也負責將資源的調度指令發(fā)往衛(wèi)星載荷和網絡運行管理子系統(tǒng)的網絡管理單元，執(zhí)行通信資源的調度。

3 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)工作流程涉及衛(wèi)星的測控信息的收發(fā)處理、衛(wèi)星的在軌運行管理以及業(yè)務的規(guī)劃管理等多個方面。以下選取部分典型工作流程描述。

3.1 測控信息收發(fā)和處理

（1）衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)的測定軌單元根據從測控信息處理單元獲取的衛(wèi)星GNSS 信息和外部衛(wèi)星星歷信息實現定軌和預報功能。

（2）網絡運行管理子系統(tǒng)的測控計劃管理單元建立測控任務，選取某測控站并通過測定軌單元的軌道預報服務得到某測控站的跟蹤時段信息。

（3）網絡運行管理子系統(tǒng)的網管單元通過接收測控計劃管理單元的測控計劃信息，生成向測控站下發(fā)的配置參數，包括星歷信息、跟蹤起止時刻等，并通過網管協(xié)議接口下發(fā)給測控站。

（4）測控站的站控單元接收到測控配置參數，將參數加注到天線ACU 模塊，在規(guī)定的時刻，天線執(zhí)行對星操作，根據跟蹤的模式，開始程序跟蹤，或進入信號的搜索狀態(tài)。

（5）當天線捕獲到衛(wèi)星信號，將建立與衛(wèi)星的雙向信號連接，測控站的基帶單元將完成測控信息的調制解調等處理工作，并通過地面網絡，與運控中心的衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)交互衛(wèi)星遙控和遙測信息。

（6）對于遙測信息，經衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)的測控信息處理單元完成遙測信息的解包和物理量解析處理，將數據保存到時序數據庫中，并將物理量以組播方式在局域網內推送，供其他系統(tǒng)選擇使用。

（7）對于遙控信息，管理員可通過操作界面選取或配置遙控指令信息，并選擇是否經過碼表和認證設備的處理后，再完成遙控幀的組幀，傳遞到測控站最終上注給衛(wèi)星。

（8）當測控任務結束時，衛(wèi)星飛出測控可視范圍，測控站天線自動回位，測控計劃管理單元通過接收網管單元上報的信息，完成相關的日志記錄工作。

3.2 測控鏈路狀態(tài)管理

（1）網絡運行管理子系統(tǒng)的網絡管理單元分別從衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)的測控信息處理單元接收衛(wèi)星下發(fā)的上行信號質量的遙測信息，從測控站站控單元接收本站的基帶單元上報的基帶配置狀態(tài)和下行信號質量信息。

（2）當上下行信號質量信息發(fā)送變化，達到調制編碼檔位調整的閾值時，將觸發(fā)相應的調整流程。

當下行信號達到閾值，將觸發(fā)對衛(wèi)星測控基帶或發(fā)射的功率調整，網管單元將通過衛(wèi)星的網管代理生成對衛(wèi)星的發(fā)射調整指令，并通過接收測控站站控單元的網管代理反饋的下行信號狀態(tài)完成狀態(tài)確認。

當上行信號達到閾值，將觸發(fā)對測控站基帶和信道處理設備（如功放設備）的調整，網管單元將通過測控站的站控單元的網管代理生成對測控站的發(fā)射調整指令，并通過接收衛(wèi)星的遙測信息完成狀態(tài)確認。

3.3 業(yè)務規(guī)劃和執(zhí)行

（1）業(yè)務規(guī)劃子系統(tǒng)的資源調度單元負責從網絡運行管理子系統(tǒng)的網絡管理單元獲取衛(wèi)星的資源信息和信關站的信道狀態(tài)，并綜合呈現給業(yè)務管理員。

（2）管理員在業(yè)務規(guī)劃單元根據特種通信任務規(guī)劃，選擇使用的波束資源、子信道轉發(fā)資源、地面信道的資源，并根據任務規(guī)劃生成業(yè)務配置腳本。

（3）資源調度單元按照業(yè)務配置腳本的要求，觸發(fā)對衛(wèi)星和地面信關站的配置。其中，對衛(wèi)星的配置，由資源調度單元生成載荷的注數指令，配置衛(wèi)星的波束指向、頻段交換關系等信息；對地面信關站的配置，由資源調度單元生成對網管單元的配置需求指令，進而由網管單元通過網管協(xié)議完成對信關站信道單元的配置，或生成對衛(wèi)通終端的配置參數，當終端入網時，將相關參數經衛(wèi)星信道下發(fā)給衛(wèi)通終端，完成通信規(guī)劃的執(zhí)行。

4 結束語

隨著衛(wèi)星互聯(lián)網概念的實現和普及，催生了大量的商業(yè)衛(wèi)星公司，特別是針對商業(yè)通信衛(wèi)星系統(tǒng)建設，已進入到蓬勃發(fā)展的時期，各商業(yè)公司為了有效的管理復雜的衛(wèi)星載荷和整個通信網絡的管理和業(yè)務系統(tǒng)，需要將傳統(tǒng)的衛(wèi)星測運控系統(tǒng)與地面網絡管理和業(yè)務運行系統(tǒng)進一步做綜合化處理。本文提出了一種針對商業(yè)通信衛(wèi)星的測運控一體化架構，將系統(tǒng)劃分為“信號傳輸處理子系統(tǒng)”、“衛(wèi)星運行管理子系統(tǒng)”、“網絡運行管理子系統(tǒng)”和“業(yè)務規(guī)劃子系統(tǒng)”等四個部分，并針對其系統(tǒng)組成、功能描述、接口關系以及由上述各部分配合實現的若干典型的工作流程做了詳細的描述。

該架構通過將衛(wèi)星的測控、運控、網管、業(yè)管等各部分功能實體形成標準的模塊定義，并利用模塊、單元、分系統(tǒng)等各級接口協(xié)議，將各部分功能有機的結合在一起，形成高度自動化的測運控一體化架構。該架構對于提升網絡管理效率，特別是衛(wèi)星的在軌管理，降低整個運營人員和設備的成本都有巨大的幫助，能夠大大降低商業(yè)衛(wèi)星運營公司管理衛(wèi)星資產的難度。