天基為主的空間站測控通信模式

李 瑭，劉保國，湯 達(dá)，張謙謙

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

0 引言

測控（Tracking，Telemetry，and Command，TT&C）通信系統(tǒng)是載人航天工程的重要組成部分之一，是地面與火箭、空間站及航天員聯(lián)系的唯一通道，被形象地稱為放飛“風(fēng)箏”的“線繩”，是航天器和航天員的“生命線”，也是控制飛行的“指揮棒”。測控通信手段分為地基和天基2 類，其中，地基測控手段包括陸上的測控站和海上的測量船，其優(yōu)勢在于陸上分布范圍廣、海上靈活機(jī)動(dòng)，能夠保證發(fā)射、返回等關(guān)鍵任務(wù)的可靠性，但測控站和測量船的測控覆蓋能力有限，采用擴(kuò)充地基站網(wǎng)的辦法不能從根本上解決高軌道覆蓋的問題［1］；天基測控通信手段主要有中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（Tracking and Data Relay Satellite，TDRSS）和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由于基本不受地球曲率的影響，天基手段具有較高的軌道覆蓋率［2］，具備長時(shí)間建立天地通道的技術(shù)條件。在以往載人航天任務(wù)中，采用“地基為主、天地聯(lián)合”的保障模式。

隨著2021 年4 月29 日天和核心艙成功發(fā)射入軌，標(biāo)志著中國載人航天進(jìn)入了空間站時(shí)代，并在2 年時(shí)間內(nèi)建成空間站三艙“T”字構(gòu)型組合體?？臻g站作為我國大型太空實(shí)驗(yàn)室，將在軌運(yùn)營10 年以上，開展大量在軌試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)，不斷產(chǎn)出科學(xué)和技術(shù)成果。期間，定期發(fā)射載人飛船進(jìn)行航天員輪換，發(fā)射貨運(yùn)飛船進(jìn)行貨物上行與推進(jìn)劑補(bǔ)加。

進(jìn)入空間站時(shí)代后，測控通信系統(tǒng)需解決以下難點(diǎn)問題。

1）保障時(shí)間更長：測控通信系統(tǒng)在航天器發(fā)射、在軌運(yùn)行、離軌和返回期間全程在線，為全部航天器提供全壽命保障，在空間站時(shí)代，需常年不間斷地提供服務(wù)。

2）覆蓋要求更高［3］：空間站在軌運(yùn)行期間，頻繁開展交會(huì)對(duì)接、航天員出艙活動(dòng)、太空科普活動(dòng)、推進(jìn)劑補(bǔ)加、平臺(tái)巡檢等關(guān)鍵事件，期間需持續(xù)與航天員保持聯(lián)絡(luò)，這些對(duì)測控通信覆蓋率提出較高的要求。

3）數(shù)據(jù)傳輸能力更強(qiáng)：建立空間站的主要目的之一是空間應(yīng)用，空間站的問天和夢天2 個(gè)實(shí)驗(yàn)艙配置多個(gè)載荷，且在長期運(yùn)營期間按需更換實(shí)驗(yàn)載荷，每天都會(huì)產(chǎn)生海量的實(shí)（試）驗(yàn)數(shù)據(jù)，需及時(shí)下傳到地面進(jìn)行分析挖掘，對(duì)天地信道傳輸速率提出了更高的要求。

4）航天員在軌服務(wù)更優(yōu)質(zhì)：每個(gè)航天員乘組在空間站駐留半年左右，為航天員提供良好的生活?yuàn)蕵窏l件和高品質(zhì)的天地聯(lián)絡(luò)方式，比如便捷的在軌上網(wǎng)服務(wù)、清晰的天地視頻通話等。

5）應(yīng)急處置更及時(shí)：航天員長期在軌，其身體狀況和航天器平臺(tái)狀態(tài)出現(xiàn)異常的可能性增大，需及時(shí)發(fā)現(xiàn)并有效處置，確保航天員在軌安全駐留。

本文基于空間站時(shí)代對(duì)測控通信系統(tǒng)提出的需求與挑戰(zhàn)，梳理了天基測控通信手段的功能特點(diǎn)，并針對(duì)空間站任務(wù)典型關(guān)鍵事件和常態(tài)化保障場景，提出了天基測控通信工作模式。

1 天基測控通信手段

1.1 TDRSS

我國的“天鏈號(hào)”中繼衛(wèi)星部署在36 000 km 高的地球同步軌道，分別定點(diǎn)于太平洋上空、印度洋上空和非洲上空共3 個(gè)節(jié)點(diǎn)，聯(lián)合使用可實(shí)現(xiàn)對(duì)空間站軌道100%覆蓋。

TDRSS 通過不同頻段的多種鏈路，為用戶航天器提供的測控通信服務(wù)，包括S 頻段和Ka 頻段，從鏈路能力上分為單址鏈路和多址鏈路。

1）單址鏈路

數(shù)據(jù)傳輸能力較強(qiáng)，能為我國“天宮”空間站提供最大1.2 Gbit/s 的返向數(shù)據(jù)傳輸能力，利用該通道可傳輸遙測、遙控、圖像、話音、載荷等數(shù)據(jù)。

2）多址鏈路

S 頻段多址（S-Band Multiple Access，SMA）鏈路可提供連續(xù)業(yè)務(wù)和短報(bào)文業(yè)務(wù)。在連續(xù)業(yè)務(wù)模式下，鏈路為用戶專用，可為空間站傳輸前返向話音和關(guān)鍵遙測信息；短報(bào)文模式下，鏈路為多用戶分時(shí)使用，傳輸遙控和關(guān)鍵遙測信息。中繼衛(wèi)星具有SMA 全景波束［4］覆蓋能力，通過多個(gè)返向靜態(tài)波束拼接，實(shí)現(xiàn)中繼衛(wèi)星對(duì)地可視范圍內(nèi)的返向全域覆蓋，如圖1 所示。如每10 s 發(fā)送1 條短報(bào)文，每顆中繼衛(wèi)星可服務(wù)不少于1 000 個(gè)用戶［5］；利用中繼多址波束的切換敏捷性［6］，可快速、分時(shí)地為多目標(biāo)提供前向數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

圖1 中繼衛(wèi)星全景波束覆蓋Fig.1 Diagram of the panoramic beam coverage for the tracking and data relay satellites

1.2 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

目前，提供服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括北斗、GPS 和GLONASS，其中我國的北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)功能最為全面，可提供定位服務(wù)、授時(shí)服務(wù)和短報(bào)文傳輸業(yè)務(wù)。如圖2 所示，北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由部署在地球同步軌道、傾斜軌道和中軌道的共計(jì)45 顆衛(wèi)星組成，已形成全球衛(wèi)星導(dǎo)航能力，能夠100%覆蓋空間站運(yùn)行軌道。

圖2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.2 Beidou navigation system

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)可提供的服務(wù)能力為：水平定位精度約1.52 m，垂直定位精度約2.64 m，測速精度優(yōu)于0.1 m/s，授時(shí)精度優(yōu)于20 ns。全球短報(bào)文業(yè)務(wù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道高度1 000 km 以下航天器的全球覆蓋［7］，解決低軌衛(wèi)星發(fā)生故障后，衛(wèi)星境外長時(shí)間無測控資源支持而導(dǎo)致無法及時(shí)處置的問題，提高衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)、故障處置的實(shí)時(shí)性和時(shí)效性［8］。全球短報(bào)文傳輸服務(wù)1 次可傳輸560 bit 數(shù)據(jù)［9］，最高傳輸頻度為3 s 發(fā)送1 條，利用這個(gè)通道，承載關(guān)鍵遙測信息、航天員短消息和定位數(shù)據(jù)，確定常態(tài)化軌道并監(jiān)視狀態(tài)，在應(yīng)急情況下天地互發(fā)短消息。

2 天基為主的保障模式

2.1 多星多艙段接力保障航天員出艙

航天員出艙活動(dòng)具有持續(xù)時(shí)間長、天地協(xié)同復(fù)雜、時(shí)間彈性大等特點(diǎn)，需接近全程的高覆蓋測控通信，保證航天員與地面支持團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)保持話音和圖像聯(lián)系，指揮和輔助艙外活動(dòng)工作的順利開展。

載人航天工程早期，航天員出艙活動(dòng)由測控站和測量船搭接形成基本連續(xù)的測控區(qū)，在軌道條件較為理想時(shí)，基本連續(xù)的測控區(qū)最長僅有43 min［10］，無法滿足空間站任務(wù)數(shù)小時(shí)的連續(xù)艙外活動(dòng)需求，須依靠天基測控手段進(jìn)行保障。

常規(guī)保障模式使用西、東2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的中繼衛(wèi)星，先后與空間站天和艙建立鏈路，提供全功能測控通信服務(wù)，但因測控通信覆蓋率與中繼終端天線性能、中繼衛(wèi)星資源使用策略［11］等密切相關(guān)，常規(guī)保障模式暫無法達(dá)到100%覆蓋。主要制約因素為：1）限于天和艙的窄波束中繼終端天線工作視場范圍，不能全程對(duì)中繼衛(wèi)星可視，空白部分超過10 min；2）中繼鏈路在傳輸有效數(shù)據(jù)前，先建立射頻通道，這個(gè)過程最長為分鐘量級(jí)；3）天和艙中繼終端天線在西、東節(jié)點(diǎn)中繼衛(wèi)星間進(jìn)行鏈路切換時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)天線的過程為分鐘量級(jí)。

為此，充分挖掘在軌多顆中繼衛(wèi)星的資源優(yōu)勢和空間站多艙段多天線的視場特點(diǎn)，提出解決方案。針對(duì)天和艙單艙窄波束中繼終端天線工作視場范圍有限的現(xiàn)狀，綜合利用問天艙、夢天艙窄波束中繼終端天線安裝角度與天和艙不同的特點(diǎn)，組合使用不同天線擴(kuò)大視場范圍，實(shí)現(xiàn)全程對(duì)中繼衛(wèi)星可見；對(duì)于中繼鏈路建立過程和空間站艙段中繼天線切換過程，通過多艙段多鏈路弧段重疊設(shè)計(jì)，將鏈路建立過程、天線切換過程與鏈路跟蹤并行實(shí)施，不占用主流程時(shí)間。例如，設(shè)置相鄰2 個(gè)中繼衛(wèi)星任務(wù)弧段的重疊時(shí)長不少于3 min。當(dāng)前弧段結(jié)束前，完成下一個(gè)弧段的空間站艙段中繼天線指向調(diào)整、前返向中繼鏈路建立、發(fā)送填充數(shù)據(jù)；當(dāng)前弧段結(jié)束時(shí)，所需發(fā)送的有效數(shù)據(jù)由上一顆中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)為下一顆中繼衛(wèi)星。

基于問天艙、夢天艙及天和艙的中繼天線視場范圍，在空間站3 艙組合體“T”字構(gòu)型下，問天艙最早“可見”中繼衛(wèi)星，夢天艙最晚“可見”中繼衛(wèi)星。根據(jù)該特點(diǎn)，提出以下2 種中繼跟蹤方案，實(shí)現(xiàn)測控通信覆蓋最大化。

方案1 是3 顆中繼衛(wèi)星與3 個(gè)空間站艙段的配對(duì)方案，形成3 個(gè)組合：組合1 是“西節(jié)點(diǎn)中繼衛(wèi)星與問天艙”，組合2 是“中節(jié)點(diǎn)中繼衛(wèi)星與天和艙”，組合3 是“東節(jié)點(diǎn)中繼衛(wèi)星與夢天艙”。每個(gè)組合對(duì)應(yīng)1 個(gè)任務(wù)弧段，相鄰2 個(gè)任務(wù)弧段有一定程度的重疊，3 個(gè)組合按照“組合1—組合2—組合3”的流程接力，聯(lián)合覆蓋整個(gè)軌道周期，可將全功能測控通信覆蓋率提升至100%，如圖3 和圖4 所示。圖中，藍(lán)色和紅色的“圓圈”是常規(guī)保障模式的中繼覆蓋區(qū)，在美洲上空存在10 min 以上的空白區(qū)域；藍(lán)色、綠色和紅色軌道區(qū)域采用多星多艙段跟蹤方法時(shí)，西節(jié)點(diǎn)、中節(jié)點(diǎn)和東節(jié)點(diǎn)中繼衛(wèi)星的測控覆蓋區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道全覆蓋。

圖3 3 顆中繼星接力跟蹤空間站3 個(gè)艙段的模式Fig.3 Diagram of the three-satellite and three-module relay mode

圖4 3 星3 艙段接力模式測控通信覆蓋Fig.4 Diagram of the TT&C and communication coverage of the three-satellite and three-module relay mode

方案2 是4 顆中繼衛(wèi)星與2 個(gè)空間站艙段的配對(duì)方案，形成4 個(gè)組合：組合1 是“西節(jié)點(diǎn)中繼衛(wèi)星與問天艙”，組合2 是“中節(jié)點(diǎn)中繼衛(wèi)星與夢天艙”，組合3 是“東節(jié)點(diǎn)中繼衛(wèi)星1 與問天艙”，組合4 是“東節(jié)點(diǎn)中繼衛(wèi)星2 與夢天艙”。每個(gè)組合對(duì)應(yīng)1 個(gè)任務(wù)弧段，相鄰兩個(gè)任務(wù)弧段一定程度重疊，4 個(gè)組合按照“組合1—組合2—組合3—組合4”的流程接力，也能聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)軌道周期的覆蓋。

2 種方案對(duì)應(yīng)的中繼衛(wèi)星接力跟蹤流程如圖5所示。

圖5 多星多艙段接力跟蹤流程Fig.5 Flow chart of multi-module tracking with multiple satellites

對(duì)2 種方案的特點(diǎn)進(jìn)行比較，結(jié)果表明，方案1的優(yōu)勢為占用的中繼衛(wèi)星資源相對(duì)較少（3 顆星），且空間站艙段故障時(shí)損失的測控覆蓋率相對(duì)較?。s33%），但需循環(huán)使用空間站問天、天和和夢天3 個(gè)艙段；方案2 的優(yōu)勢為僅循環(huán)使用空間站問天和夢天2 個(gè)艙段，但占用中繼衛(wèi)星資源相對(duì)較多（4 顆星），且空間站艙段故障時(shí)損失的測控覆蓋率相對(duì)較大（約50%）。

2.2 多手段共同保障常態(tài)化安全運(yùn)行

1）北斗短報(bào)文業(yè)務(wù)

北斗短報(bào)文業(yè)務(wù)覆蓋全球，作為中繼衛(wèi)星測控區(qū)外的基本監(jiān)視手段，可將監(jiān)視范圍擴(kuò)展至壽命全程。夢天實(shí)驗(yàn)艙配置了北斗短報(bào)文終端，可利用北斗短報(bào)文業(yè)務(wù)通道傳輸空間站定位數(shù)據(jù)、關(guān)鍵遙測和航天員短消息，按照緊急重要程度不同，設(shè)定3 類數(shù)據(jù)的傳輸優(yōu)先級(jí)。完整的北斗短報(bào)文傳輸系統(tǒng)由航天器配置的北斗短報(bào)文終端、北斗衛(wèi)星全球系統(tǒng)、地面飛行控制中心配置的北斗短報(bào)文地面接入系統(tǒng)等組成，3 類信息的傳輸路徑呈“M”形，傳輸流程如圖6 所示。

圖6 北斗短報(bào)文業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.6 Diagram of the data transmission process for the Beidou short message service

2）中繼SMA 鏈路連續(xù)業(yè)務(wù)

中繼衛(wèi)星SMA 鏈路天線為相控陣形式，天線返向波束數(shù)量多且指向調(diào)整快，能夠同時(shí)為眾多用戶提供返向連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。因此，基于中繼SMA 返向鏈路連續(xù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，建立常態(tài)化值班模式，提供關(guān)鍵狀態(tài)監(jiān)視和應(yīng)急話音通信手段；同時(shí)，使用SMA 前向鏈路作為應(yīng)急話音通信備用手段。該方案能夠保證每圈次都有60%以上的天地聯(lián)系時(shí)段，為發(fā)現(xiàn)和處置航天器及航天員異常情況提供有效的手段。實(shí)施流程如圖7 所示。

圖7 基于中繼SMA 鏈路連續(xù)業(yè)務(wù)的應(yīng)急處置流程Fig.7 Emergency response process for the continuous service based on the SMA links of tracking and data relay satellites

3）中繼SMA 鏈路短報(bào)文業(yè)務(wù)

應(yīng)用中繼衛(wèi)星SMA 全景靜態(tài)波束模式，在波束覆蓋范圍內(nèi)以10 s 左右間隔周期性發(fā)送短報(bào)文，下傳部分關(guān)鍵遙測數(shù)據(jù)；有異常狀態(tài)報(bào)告時(shí)，可隨時(shí)發(fā)送返向報(bào)文。需對(duì)空間站進(jìn)行上行控制時(shí)，無需申請資源，即可使用中繼SMA 前向-短報(bào)文鏈路向空間站發(fā)送控制指令，指令接收執(zhí)行情況可通過返向短報(bào)文實(shí)時(shí)反饋。

3 種手段均未占用中繼衛(wèi)星的單址天線資源，而是作為全功能天基測控通信鏈路的補(bǔ)充，綜合實(shí)現(xiàn)軌道測量、遙測、遙控、話音和短消息傳輸，以高效費(fèi)比、自主可控的方式為空間站和航天員提供基本的在軌安全保障。

2.3 天地一體網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)

空間站時(shí)代，測控通信系統(tǒng)對(duì)天地一體網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸技術(shù)（IP over CCSDS 技術(shù)）進(jìn)行改進(jìn)，將地面互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)“搬移”到天地之間，使空間站與地面形成一張網(wǎng)。

天地信道與地面網(wǎng)絡(luò)通信條件不同，具有非對(duì)稱（前返向容量比為1∶60）、空間時(shí)延大（250 ms 以上）等顯著特征［12］，所以地面標(biāo)準(zhǔn)傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）協(xié)議直接應(yīng)用于天地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)，傳輸性能會(huì)下降（僅幾十至幾百kbit/s）［13-15］。解決該問題的主要途徑如下。

1）緊貼空間站任務(wù)需求，基于天地信道高級(jí)在軌系統(tǒng)（Advanced Orbit System，AOS）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立全新網(wǎng)絡(luò)層，形成統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的天地一體網(wǎng)絡(luò)化測控通信體制。

2）基于IP 技術(shù)的空間信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸協(xié)議體系，研究確定鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)化協(xié)議全套配置，適用于航天員在軌上網(wǎng)、圖像話音數(shù)據(jù)通信、載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀黝惾蝿?wù)場景。

3）采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的天地網(wǎng)絡(luò)TCP 傳輸性能優(yōu)化方法［16］，將在軌上網(wǎng)速率提升至6 Mbit/s（下載）/12 Mbit/s（上傳）左右，大幅改善航天員網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體驗(yàn)。

應(yīng)用天地一體網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，航天員雖在遙遠(yuǎn)的太空，仍可與家人進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通話和視頻聊天，可在軌訪問地面局域網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送電子郵件、瀏覽網(wǎng)頁、文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）下載等。

2.4 多星多目標(biāo)保障交會(huì)對(duì)接

空間站時(shí)代，航天器交會(huì)對(duì)接以快速交會(huì)對(duì)接為主，追蹤飛行器在幾圈時(shí)間內(nèi)完成多次變軌并不斷靠近目標(biāo)飛行器，直至與目標(biāo)飛行器對(duì)接形成組合體。交會(huì)對(duì)接過程關(guān)鍵動(dòng)作密集，需要TDRSS提供高覆蓋率支持［17］，進(jìn)行軌道測量、狀態(tài)監(jiān)視和必要的控制。在此期間，TDRSS 需同時(shí)為追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器提供測控通信支持。在交會(huì)對(duì)接初期和中期，合理分配3 個(gè)節(jié)點(diǎn)的中繼衛(wèi)星資源，按照不同需求分別跟蹤2 個(gè)飛行器，一般使用2 顆中繼衛(wèi)星跟蹤追蹤航天器，使用1 顆中繼衛(wèi)星跟蹤目標(biāo)航天器；在交會(huì)對(duì)接后期，2 個(gè)目標(biāo)距離較近，同時(shí)處于中繼衛(wèi)星天線的可視范圍內(nèi)，使用1 顆中繼衛(wèi)星可滿足2 個(gè)目標(biāo)同時(shí)測控通信的需求，測控通信工作流程如圖8 所示。該模式靈活適應(yīng)天舟五號(hào)2.0 h 快速交會(huì)對(duì)接、神舟十五號(hào)6.5 h 快速交會(huì)對(duì)接等任務(wù)場景。

圖8 交會(huì)對(duì)接任務(wù)測控通信工作流程Fig.8 Flow chart of TT&C and communication for rendezvous and docking missions

3 結(jié)束語

在空間站轉(zhuǎn)入長期在軌運(yùn)營階段后，TDRSS、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等天基測控通信手段將發(fā)揮更重要的作用。通過確立天基為主的測控通信模式，優(yōu)化完善測控通信系統(tǒng)配置和應(yīng)用方案，對(duì)提高測控通信可靠性、魯棒性，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候可靠服務(wù)，以及有效支撐航天員在軌工作生活和空間應(yīng)用效益發(fā)揮具有重要意義。