載人空間站中繼衛(wèi)星多址波束應(yīng)用

劉保國(guó) 萬鵬（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所）

多址波束接入是我國(guó)新一代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的拓展功能，可為多個(gè)用戶同時(shí)提供低速數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。目前，我國(guó)已開啟載人空間站建設(shè)工作，不久將轉(zhuǎn)入長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是支持運(yùn)營(yíng)階段的主要測(cè)控通信支持手段。由于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是為包括載人航天器、低軌衛(wèi)星等眾多目標(biāo)服務(wù)的公共服務(wù)系統(tǒng)，其星上可配置的寬帶中繼資源、窄帶中繼資源有限，而空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)營(yíng)既有高實(shí)時(shí)、高可靠的測(cè)控通信要求，又有大帶寬的載荷數(shù)據(jù)傳輸要求。如何合理使用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的各類單址、多址資源，不僅關(guān)系到對(duì)空間站本身的支持保障能力，而且關(guān)系到對(duì)其他低軌衛(wèi)星的測(cè)控與數(shù)據(jù)中繼支持能力。

1 引言

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)配置有工作于S/Ka頻段的單址鏈路（Single Access）、工作于S頻段的多址鏈路（SMA）。作為重要的多目標(biāo)天線技術(shù)之一，SMA鏈路主要由星載相控陣天線陣、星載前向波束控制系統(tǒng)、地面返向波束形成系統(tǒng)等組成，主要特點(diǎn)：一是前向波束為星上形成的相控陣波束，用于連續(xù)跟蹤特定航天器，波束可在不同航天器之間快速切換；二是返向波束為在地面形成的數(shù)字化相控陣波束，波束數(shù)量可通過并行信號(hào)處理按需產(chǎn)生，不同的返向波束既可用于獨(dú)立跟蹤不同的航天器，也可由多個(gè)波束拼接形成靜態(tài)廣域覆蓋波束（簡(jiǎn)稱全景波束），為覆蓋區(qū)內(nèi)的眾多航天器提供返向信息傳輸服務(wù)。本文主要探討中繼衛(wèi)星SMA資源在載人空間站中的應(yīng)用模式，以提高中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)空間站的支持效能。

2 中繼衛(wèi)星波束

為滿足低軌遙感衛(wèi)星、載人空間站等低軌航天器的實(shí)時(shí)測(cè)控及高碼率數(shù)據(jù)中繼需求，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)通常在地球靜止軌道（GEO）上經(jīng)度相隔120°左右設(shè)置3個(gè)中繼衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，多節(jié)點(diǎn)中繼衛(wèi)星共同實(shí)現(xiàn)對(duì)低軌航天器的全軌道覆蓋，為支持大量在軌低軌衛(wèi)星，通常在每個(gè)節(jié)點(diǎn)部署若干顆中繼衛(wèi)星，每顆中繼衛(wèi)星上均配置2副用于高碼率數(shù)傳的星間大口徑單址天線，以及1副用于多目標(biāo)支持的S頻段多址陣列天線。

單址天線同一時(shí)間僅能跟蹤1個(gè)在軌航天器并為其提供寬帶數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，當(dāng)有多個(gè)航天器有單址天線資源需求時(shí)，通常按用戶優(yōu)先級(jí)高低，分時(shí)為多個(gè)航天器提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

S頻段多址天線為陣列天線，其前向SMA發(fā)射波束在中繼衛(wèi)星上以相控陣方式形成，為保證前向波束衛(wèi)星的等效全向輻射功率（EIRP）性能，星上生成的前向可跟蹤點(diǎn)波束通常為有限個(gè)數(shù)，每個(gè)波束均獨(dú)立跟蹤1個(gè)航天器并向其傳輸?shù)退贁?shù)據(jù)。當(dāng)需要跟蹤的目標(biāo)數(shù)量多于SMA波束時(shí)，采用和單址波束相似的分時(shí)支持模式。

前向跟蹤波束示意圖

S頻段多址天線的返向波束在地面采用數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)。通過增加處理資源，采用并行DBF技術(shù)，可按需形成所需的波束數(shù)量，但需兼顧資源投入的使用效益。形成的返向SMA波束有兩種使用方式：一是形成若干個(gè)可移動(dòng)點(diǎn)波束（簡(jiǎn)稱跟蹤波束），每個(gè)波束在可移動(dòng)范圍內(nèi)均獨(dú)立跟蹤1個(gè)特定航天器，接收并中繼該航天器發(fā)射的返向數(shù)據(jù)；二是將多個(gè)SMA波束進(jìn)行拼接，形成大范圍靜態(tài)覆蓋波束（簡(jiǎn)稱全景波束），所有波束指向均處于固定狀態(tài)，處于該全景波束內(nèi)的所有航天器，均可按規(guī)定的信號(hào)格式發(fā)送返向數(shù)據(jù)，由中繼衛(wèi)星接收并轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)中心。

全景波束示意圖

3顆中繼衛(wèi)星的全景波束可實(shí)現(xiàn)對(duì)地球近全部覆蓋

使用跟蹤波束進(jìn)行返向數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，優(yōu)點(diǎn)是航天器由特定波束在大范圍內(nèi)持續(xù)跟蹤，不存在在不同波束間頻繁切換的問題；不足之處是在每次跟蹤前，均需要該航天器的軌道數(shù)據(jù)，而且，當(dāng)在軌航天器為大規(guī)模星座時(shí)，所需的返向波束數(shù)量將線性增加，服務(wù)超大規(guī)模星座時(shí)將帶來巨大的建設(shè)投入和運(yùn)行復(fù)雜度。相反，使用全景波束進(jìn)行返向數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，因?yàn)椴ㄊ恍枰櫤教炱?，無需預(yù)知航天器軌道數(shù)據(jù)。另外，星座規(guī)模大小與波束數(shù)量間無緊耦合關(guān)系，星座規(guī)模增加不會(huì)帶來明顯的波束建設(shè)壓力，其不足之處是需要合理設(shè)計(jì)返向信號(hào)體制，解決在軌航天器在同一波束內(nèi)的共用問題，以及在不同波束之間切換時(shí)數(shù)據(jù)傳輸問題。

目前，用戶航天器通過返向跟蹤波束傳輸?shù)男盘?hào)通常為連續(xù)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面接收設(shè)備后，地面設(shè)備捕獲、跟蹤返向信號(hào)并解調(diào)出返向數(shù)據(jù)。在波束跟蹤航天器期間，地面設(shè)備連續(xù)接收、解調(diào)返向數(shù)據(jù)。

用戶航天器通過返向全景波束傳輸?shù)男盘?hào)，通常為周期性或隨機(jī)性的短突出信號(hào)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為短報(bào)文數(shù)據(jù)，該信號(hào)經(jīng)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面接收設(shè)備后，地面設(shè)備在信號(hào)持續(xù)期間捕獲、跟蹤返向信號(hào)并解調(diào)出返向短報(bào)文數(shù)據(jù)。所有在同一波束范圍內(nèi)的航天器，通過碼分、時(shí)分、頻分等方式共用波束資源。短信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，航天器在不同波束之間切換時(shí)，由于不同波束存在重疊，可確保有一個(gè)波束能接收到全部短報(bào)文數(shù)據(jù)，無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行跨波束拼接。

3 空間站全時(shí)狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用

應(yīng)用需求

空間站在軌長(zhǎng)期運(yùn)行期間，航天器平臺(tái)健康狀態(tài)、載荷工作狀態(tài)、航天員身體狀態(tài)是地面相關(guān)系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，需盡可能實(shí)現(xiàn)在軌不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)視。在僅有陸海基測(cè)控站（船）的條件下，地面站對(duì)空間站的軌道覆蓋率難以超過20%，大部分軌道段的相關(guān)監(jiān)視數(shù)據(jù)只能通過預(yù)先存貯、進(jìn)站下傳的方式傳輸至地面，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視。使用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)控支持后，3顆中繼衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)對(duì)空間站軌道近100%的幾何覆蓋，但中繼衛(wèi)星的星間單址天線為寬帶大口徑點(diǎn)波束機(jī)械跟蹤天線，為眾多在軌航天器分時(shí)共用資源，主要用于高碼率數(shù)據(jù)傳輸，資源十分有限，由于狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)多為低碼率數(shù)據(jù)，若使用多顆中繼衛(wèi)星的單址天線接力支持空間站狀態(tài)監(jiān)視，將嚴(yán)重浪費(fèi)中繼資源，擠占其他遙感類航天器高速數(shù)據(jù)傳輸，將嚴(yán)重制約中繼衛(wèi)星效能的發(fā)揮。

中繼衛(wèi)星覆蓋示意圖

中繼衛(wèi)星SMA返向波束用于空間站狀態(tài)監(jiān)視有以下優(yōu)點(diǎn)：一是狀態(tài)監(jiān)視功能僅使用返向波束即可完成；二是返向波束在地面通過DBF方式生成，波束數(shù)量可按需求擴(kuò)充；三是返向波束覆蓋范圍大，3顆衛(wèi)星的返向波束基本實(shí)現(xiàn)100%的軌道覆蓋；四是可在毫秒級(jí)實(shí)現(xiàn)波束指向改變，波束利用率高；五是返向波束由于增益有限，適合傳輸?shù)痛a率數(shù)據(jù)。上述功能需求與波束特點(diǎn)，使得中繼SMA波束特別適合進(jìn)行空間站的全時(shí)狀態(tài)監(jiān)視，進(jìn)而降低對(duì)中繼衛(wèi)星單址天線資源的使用壓力。

應(yīng)用流程

狀態(tài)監(jiān)視有跟蹤波束和全景波束兩種應(yīng)用方式。跟蹤波束方式下，當(dāng)空間站進(jìn)入到某衛(wèi)星的SMA覆蓋區(qū)后，1個(gè)跟蹤波束即按事先獲取的軌道參數(shù)連續(xù)跟蹤空間站，在跟蹤過程上接收并轉(zhuǎn)發(fā)空間站發(fā)送的低軌狀態(tài)監(jiān)視信號(hào)至地面站，地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)后送相關(guān)監(jiān)視中心?？臻g站進(jìn)入到下一個(gè)中繼衛(wèi)星SMA波束覆蓋區(qū)后，該衛(wèi)星的1個(gè)SMA波束接力跟蹤并中繼返向監(jiān)視數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視。

全景波束方式下，當(dāng)空間站進(jìn)入到某衛(wèi)星的SMA覆蓋區(qū)后，由多個(gè)靜態(tài)波束拼接的全景波束將覆蓋空間站，空間站以短報(bào)文方式周期性地向中繼衛(wèi)星發(fā)送狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)，中繼衛(wèi)星實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至地面站進(jìn)行解調(diào)后，送相關(guān)監(jiān)視中心?？臻g站進(jìn)入到下1顆衛(wèi)星的全景波束覆蓋區(qū)后，該衛(wèi)星自動(dòng)接收并轉(zhuǎn)發(fā)其監(jiān)視數(shù)據(jù)至地面站和監(jiān)視中心。上述方式下，空間站軌道是否改變，均不影響中繼衛(wèi)星SMA波束對(duì)監(jiān)視數(shù)據(jù)的接收。

在返向狀態(tài)監(jiān)視期間，當(dāng)發(fā)現(xiàn)返向?qū)崟r(shí)監(jiān)視數(shù)據(jù)中有異常情況需要處理時(shí)，可調(diào)用SMA前向相控陣波束進(jìn)行遙控處置。由于前向SMA波束為相控陣波束，可通過快速波束指向?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)。

4 航天員在軌應(yīng)急呼叫應(yīng)用

應(yīng)用需求

在空間站長(zhǎng)期運(yùn)行階段，若空間站或航天員出現(xiàn)緊急事態(tài)，需要及時(shí)通知地面并進(jìn)行天地協(xié)同處置，該需求要求空間站至地面持續(xù)保持有不間斷的通信鏈路。由于應(yīng)急呼叫為小概率事件，若使用中繼衛(wèi)星單址天線資源作為空間站與地面間的持續(xù)保持鏈路，在空間站無天地高碼率數(shù)傳期間，中繼衛(wèi)星的高碼率能力處于閑置狀態(tài)，嚴(yán)重制約系統(tǒng)效能的發(fā)揮。具有多波束擴(kuò)展性、高覆蓋性、指向敏捷性、低碼率等特點(diǎn)的SMA返向波束，作為空間站向地面的呼叫鏈路，在經(jīng)濟(jì)性、切換敏捷性等方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)用流程

航天員在軌應(yīng)急呼叫可分為返向跟蹤波束支持方式和全景波束支持方式兩種。

返向跟蹤波束支持方式下的工作流程：每個(gè)節(jié)點(diǎn)調(diào)用1個(gè)返向SMA跟蹤波束，在該節(jié)點(diǎn)中繼衛(wèi)星的覆蓋區(qū)內(nèi)，按空間站的軌道根數(shù)持續(xù)跟蹤空間站，時(shí)刻保持空間站到地面控制中心的鏈路暢通；當(dāng)航天員需要呼叫地面時(shí)，航天員啟用呼叫模式，并以話音方式直接呼叫地面控制中心；地面控制中心收到呼叫信息后，自動(dòng)快速調(diào)用SMA前向波束跟蹤空間站，并建立前向話音鏈路和遙控鏈路，開展天地話音交流及必要的遙控操作，需要時(shí)，調(diào)用中繼衛(wèi)星單址寬帶天線跟蹤空間站，在高質(zhì)量雙向話音圖像或數(shù)據(jù)碼率下開展處置工作。

全景波束支持方式下的工作流程：多個(gè)中繼衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的全景波束共同實(shí)現(xiàn)對(duì)空間站軌道的準(zhǔn)全球覆蓋，時(shí)刻保持可接收空間站返向呼叫信息；當(dāng)航天員需要呼叫地面時(shí)，航天員啟用呼叫模式，按符合全景波束數(shù)據(jù)協(xié)議的方式呼叫地面控制中心；地面控制中心收到呼叫信息后，自動(dòng)快速調(diào)用SMA前向、返向波束跟蹤空間站，并建立前向、返向話音鏈路和遙控鏈路，開展天地話音交流及必要的遙控操作，需要時(shí)，調(diào)用中繼衛(wèi)星單址寬帶天線跟蹤空間站，在高質(zhì)量雙向話音圖像或數(shù)據(jù)碼率下開展處置工作。

上述兩種方式的主要區(qū)別是，在航天員緊急呼叫前，連續(xù)跟蹤方式需要空間站的軌道數(shù)據(jù)作為波束引導(dǎo)源，而全景波束方式下不需要空間站軌道數(shù)據(jù)即可保證呼叫的可靠接收，可簡(jiǎn)化日常操作。但在兩種方式下，收到應(yīng)急呼叫后，均需空間站軌道數(shù)據(jù)對(duì)前向SMA波束或單址波束進(jìn)行跟蹤引導(dǎo)。

5 空間站與飛船協(xié)同操作應(yīng)用

應(yīng)用需求

空間站長(zhǎng)期在軌期間，貨運(yùn)飛船運(yùn)輸各種物資、載人飛船實(shí)現(xiàn)天地人員往返、載荷艙燃料補(bǔ)加及維修等，均需要進(jìn)行交會(huì)對(duì)接工作，該工作通常分為遠(yuǎn)距離導(dǎo)引、近距離導(dǎo)引、交會(huì)對(duì)接等子階段，在上述階段往往需要在飛船與空間站之間進(jìn)行協(xié)同操作。目前，空間站與各飛船之間設(shè)計(jì)有空空直接鏈路，但受限于軌道特性和鏈路能力，該空空鏈路的作用距離有限，通常為數(shù)十千米，可開展的工作僅為該距離范圍內(nèi)的通信和操作。若使用中繼衛(wèi)星SMA建立空間站與飛船之間的前返向鏈路，則可不受兩者之間的距離限制，實(shí)現(xiàn)在軌道任何位置上兩者的協(xié)同操作。

應(yīng)用流程

在飛船發(fā)射入軌后，中繼衛(wèi)星SMA系統(tǒng)可設(shè)計(jì)采用2對(duì)獨(dú)立的SMA波束（前返向SMA波束耦合構(gòu)成1對(duì)），建立飛船和空間站之間在中繼衛(wèi)星上鉸鏈的雙向數(shù)據(jù)和話音（針對(duì)載人飛船）鏈路。

雙向鏈路建立工作流程：地面控制中繼衛(wèi)星，使得返向波束1和前向波束1、返向波束2和前向波束2分別在中繼衛(wèi)星上鉸鏈；地面控制中繼衛(wèi)星返向波束1和前向波束2，按照空間站軌道參數(shù)持續(xù)跟蹤空間站；控制前向波束1和返向波束2，按照載人飛船軌道參數(shù)持續(xù)跟蹤載人飛船；空間站上航天員通過返向波束1和前向波束1，向飛船發(fā)送協(xié)同控制數(shù)據(jù)或話音；載人飛船上航天員通過返向波束2和前向波束2，向空間站發(fā)送協(xié)同控制數(shù)據(jù)或話音。

雙向鏈路建立示意圖

在飛船開展交會(huì)對(duì)接的全過程中，空間站和載人飛船航天員之間可全程保持話音通信及控制數(shù)據(jù)傳輸，相互直接了解狀態(tài)，通報(bào)相關(guān)信息，協(xié)同開展操作，必要時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處置。該應(yīng)用模式可顯著提高空間站和飛船間協(xié)同操作的實(shí)時(shí)性。

6 中繼終端配置

為滿足空間站返向狀態(tài)監(jiān)視、航天員在軌應(yīng)急呼叫、雙目標(biāo)協(xié)同操作等應(yīng)用需求，載人空間站及飛船上需配置SMA中繼綜合終端，以及中繼衛(wèi)星及其地面運(yùn)控系統(tǒng)配合開展應(yīng)用。綜合終端主要由SMA收發(fā)設(shè)備、寬波束天線兩部分組成。

SMA綜合終端組成示意圖

SMA綜合終端的主要功能：接收中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的遙控或話音數(shù)據(jù)，并送給后端處理機(jī)；向中繼衛(wèi)星發(fā)射空間站日常狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)或航天員話音數(shù)據(jù)。

SMA寬波束天線主要完成前向SMA鏈路射頻信號(hào)的接收，以及返向SMA鏈路信號(hào)發(fā)送。波束覆蓋范圍在天線坐標(biāo)系中方位/俯仰角應(yīng)達(dá)到2π半球空間立體角覆蓋。

SMA收發(fā)處理設(shè)備主要功能包括：接收來自中繼衛(wèi)星SMA鏈路的前向信號(hào)，進(jìn)行捕獲、跟蹤和解調(diào)，解調(diào)出的遙控或話音數(shù)據(jù)送至空間站相關(guān)單元；接收來自空間站的返向狀態(tài)或話音數(shù)據(jù)，進(jìn)行組幀編碼、擴(kuò)頻調(diào)制和上變頻后送至寬波束天線，通過SMA鏈路發(fā)送給中繼衛(wèi)星；通過總線接收控制指令，并將收發(fā)處理設(shè)備自身工作狀態(tài)遙測(cè)數(shù)據(jù)送至空間站相關(guān)單元。

SMA綜合終端對(duì)外接口包括：

供電接口，用于空間站對(duì)綜合終端的供電接口；

指令接口，用于空間站管理系統(tǒng)對(duì)綜合終端進(jìn)行狀態(tài)控制；

遙測(cè)接口，用于空間站管理系統(tǒng)對(duì)綜合終端進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視；

前向遙控或話音數(shù)據(jù)接口，用于向空間站傳輸?shù)孛孢b控?cái)?shù)據(jù)和上行航天員話音；

返向狀態(tài)或話音數(shù)據(jù)接口，用于向地面?zhèn)鬏斂臻g站狀態(tài)監(jiān)視數(shù)據(jù)和下行航天員話音。

7 結(jié)束語(yǔ)

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)空間站軌道高覆蓋率特性和寬帶數(shù)據(jù)傳輸能力，對(duì)保證載人空間站正常在軌運(yùn)行、開展各項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)及航天員天地聯(lián)系具有重要作用。合理設(shè)計(jì)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)SMA多址天線在空間站任務(wù)中的作用，對(duì)增強(qiáng)空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)行期間的測(cè)控通信能力、提高中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的多航天器服務(wù)效能均有重要意義。