基于北斗全球系統(tǒng)的天基測控任務(wù)可行性分析

謝 羿，歐陽佶，冉旭東，孫家豪，劉 陽

（國防科技大學(xué) 系統(tǒng)工程學(xué)院，湖南 長沙 410072）

天基測控系統(tǒng)是對運載火箭、低中高軌航天器、戰(zhàn)略武器、深空航天器及各類航天飛行器飛行的各個階段完成測量和控制的系統(tǒng)，是航天工程的重要組成。在實際的天基測控任務(wù)中，為了實現(xiàn)對飛行器全空域全時間段的跟蹤測控，往往需要借助于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是利用高軌衛(wèi)星實現(xiàn)對中低軌飛行器數(shù)據(jù)傳輸和跟蹤測軌的空間信息傳輸系統(tǒng)，是世界航天大國必備的航天基礎(chǔ)設(shè)施[1]。目前，我國已初步建成多星組網(wǎng)的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，并將不斷提高完善，結(jié)合我國航天任務(wù)的發(fā)展及中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的特點，明確應(yīng)用需求，合理規(guī)劃應(yīng)用方向，以優(yōu)化我國天基測控網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，提升我國天基測控的能力。

我國目前正在建設(shè)的北斗全球系統(tǒng)由地球同步軌道衛(wèi)星（Geostationary Earth Orbit，GEO），傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，IGSO），中圓地球軌道衛(wèi)星（Medium Earth Orbit，MEO）3層星座組成，其中MEO星座的高度也在兩萬公里左右，具有中繼衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)具備的高覆蓋率特性，且北斗全球系統(tǒng)的MEO星座可以全空域覆蓋，若天基測控系統(tǒng)可以借助北斗全球系統(tǒng)的導(dǎo)航星座，可以使天基測控系統(tǒng)全空域測控上述各類測控目標(biāo)，包括運載火箭、高中低軌航天器、戰(zhàn)略武器、載人航天器、高軌衛(wèi)星，甚至深空航天器。本文研究結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

1 測控任務(wù)需求分析

天基測控系統(tǒng)跟蹤測量與監(jiān)視控制航天器，是通過接收航天器專用數(shù)據(jù)信息或載人航天器內(nèi)航天員語音信息，檢測和控制航天器上各種裝置和系統(tǒng)的工作，實現(xiàn)航天器狀態(tài)與運動的測定和控制。

天基測控系統(tǒng)的主要任務(wù)可以歸納為4個方面[3]。

（1）跟蹤測量運載火箭、航天器的飛行軌跡，獲取各分系統(tǒng)的工作和環(huán)境狀態(tài)，對獲取的數(shù)據(jù)加以分析，判斷航天器飛行軌道的正確性和航天器對空間環(huán)境的適應(yīng)性，為改變航天器軌道、飛行程序和工作狀態(tài)及改進航天器設(shè)計提供依據(jù)。

（2）完成實時控制或程序控制，使航天器達到預(yù)定的軌道，得到所需的姿態(tài)。

（3）接收航天器內(nèi)部各分系統(tǒng)的工況參數(shù)、反映航天員生理狀態(tài)的遙測信息以及話音、電視圖像等專用信息，航天控制中心對這些信息進行記錄、顯示、處理，供實時和事后分析使用。

圖1 研究結(jié)構(gòu)流程

（4）對于要求高精度定位的應(yīng)用衛(wèi)星（如導(dǎo)航衛(wèi)星、測地衛(wèi)星、高分辨率偵察衛(wèi)星），由測控網(wǎng)向用戶提供準(zhǔn)確的衛(wèi)星位置（或軌道）數(shù)據(jù)和相應(yīng)的時間等數(shù)據(jù)，作為應(yīng)用數(shù)據(jù)處理的基準(zhǔn)信息。

天基測控系統(tǒng)由航天控制中心和若干配有跟蹤測量、遙控和遙測設(shè)備（簡稱TTC設(shè)備）的天基測控站（包括測量船）組成。不管是地基，還是天基，所有的測控資源都由中心來計劃、控制和使用，航天控制中心通過測控通信網(wǎng)與各測控站構(gòu)成一個綜合系統(tǒng)。我國天基測控系統(tǒng)由發(fā)射和測控中心、若干陸地固定和機動測控站及航天測量船組成。已由UHF，S，C 3個頻段TTC設(shè)備組成的天基測控系統(tǒng)，具備完成第二代衛(wèi)星、載人航天工程的測控支持能力。

在對天基測控系統(tǒng)的主要任務(wù)進行分析后，將天基測控需求歸納為以下3個方面[4]。

（1）天基測控系統(tǒng)執(zhí)行全空域?qū)崟r測控任務(wù)需要，此類測控任務(wù)為天基測控系統(tǒng)建設(shè)所需。

（2）在天基測控系統(tǒng)執(zhí)行全空域?qū)崟r測控任務(wù)期間，其所處空域超出境內(nèi)地面站可視空域時，天基測控系統(tǒng)急需與境內(nèi)站通信聯(lián)絡(luò)，以實現(xiàn)實時測控需求。此刻便需要借道其他空間系統(tǒng)星地、星間信道資源，以實現(xiàn)天基測控目標(biāo)與境內(nèi)地面站的實時測控要求。

（3）天基測控系統(tǒng)執(zhí)行全空域?qū)崟r測控任務(wù)時，借道其他空間系統(tǒng)星地、星間信道資源的資源需求[5]。

2 北斗全球系統(tǒng)對天基測控任務(wù)分析

2.1 北斗全球系統(tǒng)全球覆蓋性分析

北斗全球系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由GEO，IGSO和MEO 3個星座組成，其中的MEO星座為24顆MEO衛(wèi)星，采用Walker 24/3/1星座構(gòu)型。北斗全球系統(tǒng)中MEO星座內(nèi)任一MEO衛(wèi)星的信息均可通過星間鏈路一跳或多跳到達指定地面站，因此，從建鏈拓撲來看，天基測控系統(tǒng)全空域測控任務(wù)可以通過北斗全球系統(tǒng)MEO星座中繼后落地境內(nèi)地面站，即北斗全球系統(tǒng)MEO星座支持天基測控系統(tǒng)全空域測控任務(wù)的完成，但須經(jīng)過一跳或多跳MEO衛(wèi)星的中繼。

北斗全球系統(tǒng)MEO星座具有最佳的全空域覆蓋特性，可以滿足覆蓋包括運載火箭、低中高軌航天器、戰(zhàn)略武器、深空航天器等天基測控對象，通過MEO導(dǎo)航星與天基測控對象建立的可視鏈路，可以實現(xiàn)天基測控系統(tǒng)對測控對象的全空域覆蓋，而IGSO星座和GEO星座則不能全空域覆蓋天基測控對象。

支撐MEO星座的基于相控陣通道的星間鏈路技術(shù)已經(jīng)在北斗全球系統(tǒng)試驗星之間基本驗證成功，可以支持天基測控系統(tǒng)全空域測控對象之間的中間接入。

通過對比分析，對天基測控系統(tǒng)全空域測控任務(wù)的支持以北斗全球系統(tǒng)MEO星座支持最佳，IGSO次之，最后才考慮GEO星座。

2.2 北斗全球系統(tǒng)可連接性分析

考慮來自天基測控系統(tǒng)的全空域測控信息并不需要北斗全球系統(tǒng)內(nèi)部解析[6]，為了不增加北斗全球系統(tǒng)額外負擔(dān)，降低對北斗全球系統(tǒng)影響，北斗全球系統(tǒng)可不對來自天基測控系統(tǒng)的測控信息作任何解析，而是直接轉(zhuǎn)發(fā)給天基測控系統(tǒng)或經(jīng)地面站。盡管如此，為了保障天基測控系統(tǒng)全空域測控信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，天基測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸體制還是應(yīng)該遵循北斗全球系統(tǒng)的協(xié)議體系[7]。

如何借道北斗全球系統(tǒng)中的導(dǎo)航衛(wèi)星實施天基測控目標(biāo)與境內(nèi)地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括通信模式、頻段、體制、通信容量、用戶終端形式、管控方式、協(xié)議規(guī)范等方面內(nèi)容。前三點天基測控系統(tǒng)在設(shè)計與研制時可采用與北斗全球系統(tǒng)相同或類似的通信模式。

本文主要從通信容量、用戶終端形式、管控方式以及協(xié)議規(guī)范方面，對北斗全球系統(tǒng)資源的可利用性分析如下[8]。

（1）在通信容量上，根據(jù)北斗全球系統(tǒng)兩種通信模式不同，基于相控陣天線的單頻時分的時域輪詢通信模式下的通信容量為：Q支路速率：1 kbps，I支路速率：15 kbps，31 kbps，55 kbps，93 kbps。基于反射面天線的雙頻頻分的全時域通信模式具有較大的通信容量，具體如下：I支路速率：10 kbps，100 kbps，Q支路速率：1 kbps。需要說明的是前期基于反射面天線的通信模式中也有相控陣天線，測距信息速率為2.5 kbps，但主要用于星間測距，難以支持天基測控系統(tǒng)的中繼接入，故此不做深入討論。

無論是基于相控陣天線的單頻時分通信模式還是基于反射面天線的雙頻頻分通信模式，用于數(shù)傳的Q支路最高數(shù)傳速率可達（或接近）100 kbps，可用于天基測控系統(tǒng)非音視頻的低速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)后期啟用星間激光鏈路后，數(shù)傳速率將進一步提高。

（2）在用戶終端形式與管控方式上，當(dāng)天基測控系統(tǒng)需要接入北斗全球系統(tǒng)，借助其導(dǎo)航星中繼轉(zhuǎn)發(fā)天基測控系統(tǒng)任務(wù)時，也構(gòu)成了北斗全球系統(tǒng)的一個用戶終端，只不過該天基測控系統(tǒng)用戶終端不僅要接收導(dǎo)航星信號，還要發(fā)送天基測控系統(tǒng)信號給導(dǎo)航星。形式上天基測控系統(tǒng)地面指控中心可作為北斗全球系統(tǒng)的一個用戶終端，實質(zhì)上天基測控目標(biāo)是北斗全球系統(tǒng)導(dǎo)航星座中的一顆節(jié)點衛(wèi)星。

（3）在協(xié)議規(guī)范上，北斗全球系統(tǒng)在協(xié)議規(guī)范的設(shè)計上是從頂層體系出發(fā)的，既考慮了國際標(biāo)準(zhǔn)，又兼顧了前期系統(tǒng)，特別是考慮了未來信息系統(tǒng)尤其是空間信息系統(tǒng)之間的兼容互操作，北斗全球系統(tǒng)是支持其他空間信息系統(tǒng)的接入與管控的。

3 軟件仿真

根據(jù)研究分析的結(jié)果，在組網(wǎng)構(gòu)成上，北斗全球系統(tǒng)的全空域、全時間段覆蓋性滿足天基測控需求；在系統(tǒng)對接上，北斗全球系統(tǒng)具備足夠的兼容性可供天基測控系統(tǒng)借道。故得出北斗全球系統(tǒng)完全可以用來輔助天基測控系統(tǒng)執(zhí)行一系列測控任務(wù)的結(jié)論。本文將北斗全球系統(tǒng)作為天基測控系統(tǒng)的輔助平臺，在進行模型的搭建與仿真過程中，使用衛(wèi)星工具包（Satellite Tool Kit，STK）仿真軟件建立北斗全球系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型。北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)空間段部分由MEO星座、IGSO星座和GEO星座組成，MEO星座包括相差120°、傾角55°的3個MEO軌道面，每一軌道面上布局8顆MEO工作衛(wèi)星和1顆MEO備份衛(wèi)星；IGSO星座也包括相差120°、傾角55°的3個IGSO軌道面，每一軌道面上布局1顆IGSO衛(wèi)星，3顆IGSO衛(wèi)星在地面的投影重合；GEO星座包括5顆GEO衛(wèi)星。

北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)地面控制段部分由1個主控站MCS、1個備份主控站BMCS、3個注入站ULS、7個一類境內(nèi)監(jiān)測站MOSA（或稱定軌與時間同步監(jiān)測站）、5個一類境外監(jiān)測站MOSB、30個二類監(jiān)測站MOSC（廣域差分與完好性監(jiān)測站）等組成?？紤]北京站、喀什站、三亞站。地面網(wǎng)由連接北京、喀什和三亞站的TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)組成，仿真對地面網(wǎng)絡(luò)建模進行了簡化，重點在空間階段。

建立北斗全球系統(tǒng)的STK模型后，將相關(guān)軌道信息導(dǎo)入OPNET以便進行具體通信過程的仿真。仿真任務(wù)以低軌衛(wèi)星LEO為測控目標(biāo)，MEO和GEO分別作為輔助執(zhí)行測控任務(wù)的中繼衛(wèi)星。仿真目的是獲取LEO在MEO和GEO作為中繼衛(wèi)星時的傳輸時延等測控性能指標(biāo)信息。

通過OPNET建立測控模型進行通信過程分析，MEO和GEO的傳輸時延結(jié)果對比如圖2所示。

圖2 MEO與GEO測控傳輸時延對比

4 結(jié)語

通過仿真發(fā)現(xiàn)，盡管北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)中的MEO具備良好的覆蓋性，通過其可以較好地滿足天基測控系統(tǒng)全空域測控的需求，但同時由于其相對高速的運動性和較多的衛(wèi)星數(shù)目。使得在測控過程中會出現(xiàn)星間跳數(shù)較多的情況以致在測控信息傳輸?shù)难舆t方面相對GEO并沒有過于明顯的優(yōu)勢（從圖2可見，除了最開始的12個小時內(nèi)具有較為明顯的低延遲優(yōu)勢，剩余時間優(yōu)勢均較小甚至第一天的后12個小時處于劣勢）。故在下一步的工作中，提高星間鏈路的通信速率以及優(yōu)化MEO星間鏈路路由傳輸策略就成為了解決靈活性與低延遲同步優(yōu)化的核心環(huán)節(jié)。因此，若天基測控系統(tǒng)借道北斗全球系統(tǒng)導(dǎo)航星中繼轉(zhuǎn)發(fā)這些測控數(shù)據(jù)，不僅要求北斗全球系統(tǒng)具有基于星間鏈路支持的全空域組網(wǎng)能力，還要求北斗全球系統(tǒng)的星間鏈路具有較高傳輸能力。

[參考文獻]

[1]李艷華，盧滿宏.天基測控系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展趨勢探討[J].飛行器測控學(xué)報，2012（4）：1-5.

[2]翟桅，張國柱，雍少為.基本星座下北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能分析[J].全球定位系統(tǒng)，2011（4）：56-60.

[3]鄭淑花.導(dǎo)航定位系統(tǒng)的天基測控應(yīng)用[C].北京：中國宇航學(xué)會飛行器測控專業(yè)委員會航天測控技術(shù)研討會，2005.

[4]張強，裴胤，王小輝.基于中繼衛(wèi)星的運載火箭天基測控系統(tǒng)研究[J].遙測遙控，2014（1）：18-22.

[5]楊天社，董小社，席政，等.低軌航天器天基測控方法研究[J].空間科學(xué)學(xué)報，2007（3）：245-249.

[6]SHANG Y，HADJITHEODOSIOU M.TCP splitting protocol for broadband aeronautical satellite network[C].Salt Lake City：Digital Avionics Systems Conference，2004：3-9.

[7]TC Space Data Link Protocol.Recommendation for space data system standards[S].Washington CCSDS 232.0-B-2，2010.

[8]劉基余.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)況與發(fā)展[J].遙測遙控，2013（3）：1-8.