一種基于互聯(lián)網(wǎng)星座的載人飛船測控模式構(gòu)想

何宇 王丹 魏傳鋒

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 重慶星網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究院有限公司，重慶 401123)

我國神舟載人飛船自從1999年首飛成功開始，至今已完成了13次飛行任務(wù)，隨著載人航天“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略遞進(jìn)，神舟飛船功能不斷升級。其中，測控通信模式也由最初的地基測控模式演進(jìn)成天基測控為主、地基測控補(bǔ)充的模式[1-3]。如今，全球低軌高密度通信衛(wèi)星技術(shù)蓬勃興起，我國也開展了低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)的建設(shè)[4-5]，為低軌航天器引入新的測控模式提供了契機(jī)。本文在總結(jié)神舟飛船測控模式演進(jìn)的基礎(chǔ)上，提出了基于互聯(lián)網(wǎng)星座進(jìn)行飛船測控的構(gòu)想，并開展了相關(guān)設(shè)計(jì)和仿真分析，可為載人飛船未來測控模式的演進(jìn)、其他低軌航天器的測控模式應(yīng)用提供參考。

1 神舟飛船測控模式的演進(jìn)

1.1 基于地基測控的模式

神舟一號到神舟六號載人飛船是完全基于地基的測控模式。在地面站、測量船支持下，完成神舟飛船的遙測遙控、圖像話音通信和測距測軌功能。由于地面站和測量船數(shù)量的限制，神舟飛船每圈測控弧段約12 min，在軌測控覆蓋率約為13%，測控覆蓋示意如圖1所示。圖中給出了國內(nèi)地面測站對飛船測控覆蓋的情況，藍(lán)色曲線為神舟飛船星下點(diǎn)軌跡，紫色圓圈為地面站的覆蓋區(qū)域，綠色曲線則為神舟飛船在國內(nèi)地基測控站內(nèi)弧段，在地基測控模式下，測控站內(nèi)完成飛船的發(fā)射、入軌和返回測控，在軌飛行期間的事件大部分在站外進(jìn)行。

圖1 地基測控覆蓋圖

1.2 基于某國際衛(wèi)星的測控模式

神舟七號飛船針對航天員首次出艙任務(wù)的通信需求，在地基測控配置的基礎(chǔ)上，新增衛(wèi)星通信終端，實(shí)現(xiàn)地面站外天地通話和出艙活動(dòng)期間關(guān)鍵數(shù)據(jù)下傳，該終端通道數(shù)據(jù)帶寬2.4 kbit/s，3顆衛(wèi)星支持下，通信覆蓋率達(dá)到72.9%[6]。圖2為衛(wèi)星星座的覆蓋示意圖，圖中相對圖1新增的3個(gè)紫色圈內(nèi)為衛(wèi)星星座覆蓋范圍。

圖2 基于某國際衛(wèi)星星座測控覆蓋圖

相對于地基測控，衛(wèi)星終端大幅提升了測控覆蓋范圍，但是由于下行數(shù)據(jù)速率低，在神舟七號任務(wù)中，出艙活動(dòng)仍安排在國內(nèi)連續(xù)測控弧段進(jìn)行，衛(wèi)星終端通道主要用于地基測控間隙的補(bǔ)充。

1.3 基于天鏈中繼衛(wèi)星的測控模式

從神舟八號飛船開始，在地基測控配置基礎(chǔ)上，增加中繼終端，通過中國自主研制的天鏈中繼衛(wèi)星，完成天地測控和通信功能。目前我國天鏈一號和天鏈二號中繼衛(wèi)星共同提供服務(wù)，天鏈一號中繼衛(wèi)星系統(tǒng)支持返向單路最大百兆量級的數(shù)據(jù)傳輸，天鏈二號中繼衛(wèi)星系統(tǒng)支持返向單路最大幾百兆量級數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，遠(yuǎn)大于神舟飛船的數(shù)據(jù)量需求，基于3顆天鏈衛(wèi)星軌位的覆蓋分析，神舟飛船在軌運(yùn)行時(shí)天基測控覆蓋率達(dá)到88%[7]，測控覆蓋如圖3所示，圖中紫色圈內(nèi)為中繼衛(wèi)星測控覆蓋范圍。

圖3 基于天鏈中繼衛(wèi)星測控覆蓋圖

在中繼衛(wèi)星支持下，完成了空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)階段飛船的軌控、交會(huì)對接、分離等全部在軌關(guān)鍵事件的測控，飛船測控模式從地基測控為主進(jìn)入天基測控為主的模式。

1.4 小結(jié)

神舟飛船測控模式經(jīng)歷了從地基到天基的演進(jìn)，天基中繼測控的應(yīng)用，大幅提高了測控覆蓋范圍和傳輸帶寬。我國空間站將全面建成后，在航天員連續(xù)駐留的常態(tài)任務(wù)模式下，測控覆蓋范圍更廣、傳輸能力更強(qiáng)、測控成本更低依然是不斷追求的目標(biāo)[8]。

2 基于低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的測控模式構(gòu)想

當(dāng)前國內(nèi)外正在開展低軌互聯(lián)網(wǎng)星座論證建設(shè)，以美國SpaceX公司的星鏈計(jì)劃為代表，目前已完成3000多顆衛(wèi)星發(fā)射，并已在北美、歐洲等地提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)?；ヂ?lián)網(wǎng)星座的蓬勃發(fā)展為神舟飛船測控模式的再次演進(jìn)提供了契機(jī)，本節(jié)圍繞以下5個(gè)演進(jìn)目標(biāo)提出基于互聯(lián)網(wǎng)星座的測控模式方案構(gòu)想。

(1)更廣的測控覆蓋；

(2)更短的站外時(shí)間；

(3)更少的資源占用；

(4)更便捷的測控實(shí)施；

(5)更高的系統(tǒng)冗余度。

2.1 國外典型低軌星座介紹

2.1.1 銥星計(jì)劃

二代銥星屬于傳統(tǒng)意義的通信星座，利用66顆衛(wèi)星組網(wǎng)為全球提供移動(dòng)通信服務(wù)，平均分布在6個(gè)極地軌道面，每個(gè)軌道面11顆星，軌道高度780 km，軌道傾角86.4°[9]。每顆星配置48個(gè)點(diǎn)波束的移動(dòng)通信載荷，衛(wèi)星波束邊緣等效輻射功率(EIRP)27.7 dBW，增益噪聲溫度比(G/T)優(yōu)于-3.8 dB/K，可支持的業(yè)務(wù)能力如下。

(1)L頻段核心話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：數(shù)據(jù)速率為2.4 kbit/s～1.5 Mbit/s，每個(gè)衛(wèi)星最多能提供1920條話音信道；

(2)Ka頻段高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：數(shù)據(jù)速率可達(dá)10～30 Mbit/s。

2.1.2 星鏈計(jì)劃

SpaceX公司的星鏈計(jì)劃是新一代的互聯(lián)網(wǎng)星座，第一座星鏈計(jì)劃由4396顆分布在550～570 km的低地球軌道(LEO)衛(wèi)星和7518顆分布在340 km左右的極低地球軌道(VLEO)衛(wèi)星構(gòu)成，組網(wǎng)衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到11 914顆，計(jì)劃在2027年前分為兩個(gè)階段構(gòu)建完成[10]。

(1)第一階段發(fā)射4396顆衛(wèi)星，原規(guī)劃其中2825顆部署于1110～1325 km的軌道，其余部署于550 km軌道，后調(diào)整規(guī)劃全部部署于540 km、550 km、560 km、570 km四個(gè)不同的軌道高度，軌道面?zhèn)€數(shù)分別為72、72、10、36，主要工作在常規(guī)的Ka和Ku頻段；

(2)第二階段發(fā)射7518顆衛(wèi)星，部署于335.9 km、340.8 km、345.6 km三個(gè)不同的軌道高度。

截至2022年8月份，已完成3007顆衛(wèi)星發(fā)射，已在北美、歐洲部分地區(qū)推出家庭版、移動(dòng)版終端服務(wù)，在相應(yīng)近海領(lǐng)域推出海事版終端服務(wù)，終端下載速度可達(dá)150～500 Mbit/s，上傳速度可達(dá)20～40 Mbit/s。系統(tǒng)全部構(gòu)建完成后，星座總?cè)萘繉⑦_(dá)到約200～276 Tbit/s，單個(gè)用戶鏈路的傳輸速率最高達(dá)1 Gbit/s，每顆衛(wèi)星可提供17～23 Gbit/s的下行容量，鏈路時(shí)延約為15～20 ms。

目前SpaceX公司已經(jīng)提交第二座星鏈申請，包括30 000顆衛(wèi)星，考慮到第一座星鏈計(jì)劃沒有部署完畢，第二座星鏈規(guī)劃仍存在變數(shù)。

2.2 基于低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的測控模式

我國互聯(lián)網(wǎng)星座尚論證建設(shè)中，不失一般性，采用已公布的星鏈星座和銥星星座參數(shù)，作為對飛船測控模式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)參數(shù)上，根據(jù)飛船測控覆蓋的需求，對不同軌道高度、不同星座規(guī)模對飛船的測控支持情況進(jìn)行了仿真，給出了滿足飛船測控需求的適宜軌道高度和規(guī)模建議，并以此開展測控模式設(shè)計(jì)。

2.2.1 測控覆蓋仿真分析

飛船的軌道高度在300～400 km之間，互聯(lián)網(wǎng)星座軌道高度越高，對飛船的測控覆蓋越有利，以銥星星座的780 km軌道高度為起點(diǎn)，100 km為步長對不同軌道高度對飛船的測控可見情況進(jìn)行了仿真，見表1。以星座的單顆星對飛船的可見時(shí)長的最長時(shí)間為主要考慮因素，建議用于飛船測控的星座軌道高度1000 km以上。

表1 不同軌道高度對飛船軌道的覆蓋情況

參考星鏈前期規(guī)劃，選取1110 km軌道高度，對由不同軌道面數(shù)量組成的星座規(guī)模覆蓋飛船軌道的情況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果見表2。仿真結(jié)果表明：在6個(gè)軌道面66顆星的星座規(guī)模條件下，可實(shí)現(xiàn)56.8%的測控覆蓋率，站外最長時(shí)間15 min，覆蓋情況如圖4所示，圖中紫色圈內(nèi)為星座在某一時(shí)刻對飛船軌道的覆蓋范圍(下同)；在18個(gè)軌道面，198顆星的星座規(guī)模條件下，可實(shí)現(xiàn)93.1%的測控覆蓋率，站外最長時(shí)間7 min，覆蓋情況如圖5所示；在24個(gè)軌道面，264顆星的星座規(guī)模條件下，可實(shí)現(xiàn)99%的測控覆蓋率，站外最長時(shí)間縮短至2 min以內(nèi)，覆蓋情況如圖6所示。

表2 不同規(guī)模星座對飛船軌道的覆蓋情況

圖4 基于66顆星的測控覆蓋

圖5 基于198顆星的測控覆蓋

圖6 基于264顆星的測控覆蓋

2.2.2 測控鏈路計(jì)算分析

由于星鏈系統(tǒng)鏈路參數(shù)未正式公布，本文參考銥星計(jì)劃的L頻段載荷指標(biāo)，對使用星座對飛船測控進(jìn)行了鏈路計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：按照船上終端10 W發(fā)射功率，使用平裝耐燒蝕天線，70°半波束角條件下，可實(shí)現(xiàn)上行50 kbit/s，下行500 kbit/s的通信能力，可上行遙控和話音，下行1路低速圖像、話音和遙測數(shù)據(jù)。

2.2.3 方案應(yīng)用可行性分析

本方案需重點(diǎn)考慮星座終端和飛船終端的多普勒頻偏補(bǔ)償，為估算飛船與可見星的最大頻偏，可認(rèn)為飛船與星座的可見星運(yùn)動(dòng)軌跡相反時(shí)為最大相對速度，約為15.8 km/s，計(jì)算得到L頻段頻偏不大于79 kHz，星上信息處理載荷的多普勒補(bǔ)償能力大于300 kHz,能夠補(bǔ)償頻偏且余量較大。

使用星座測控后，覆蓋率遠(yuǎn)大于地基測站覆蓋率，通信速率與地面測站能力相當(dāng)，飛船可取消地基測控，使用星座鏈路和中繼鏈路為飛船提供測控通信服務(wù)，星座鏈路用于平臺(tái)低速遙測遙控話音業(yè)務(wù)，中繼鏈路用于低速業(yè)務(wù)的備份信道和高速業(yè)務(wù)的傳輸信道。船上系統(tǒng)配置如圖7所示，星座建設(shè)完成后，采取用星座通信終端和天線替換原有的應(yīng)答數(shù)傳終端和天線的方式，即具備在神舟飛船平臺(tái)上升級該測控模式的可行性。

圖7 基于互聯(lián)網(wǎng)星座的系統(tǒng)框圖

2.3 特點(diǎn)分析

神舟飛船采用互聯(lián)網(wǎng)星座和中繼星相結(jié)合的純天基測控模式，相比目前的地基測控與中繼測控相結(jié)合的測控模式，有以下特點(diǎn)。

(1)在軌運(yùn)行期間的測控覆蓋率大幅度提高，由日常單顆中繼星跟蹤的43%提高至99%，最短站外時(shí)間由目前的15(3顆中繼星接力跟蹤)～60 min(單顆星跟蹤)下降為2～3 min，應(yīng)急能力大大提高，隨著星座規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，站外時(shí)間將進(jìn)一步縮短。

(2)通過低軌互聯(lián)網(wǎng)星座接入地面互聯(lián)網(wǎng)，可充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源進(jìn)行天地測控通信，一方面取代測量船、地面站可極大降低測控成本，減少中繼星資源占用；另一方面使飛船具備了分布式測控通信的條件，在授權(quán)后，研制人員使用手持終端對飛船進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和必要的控制，航天員家屬也可使用手持終端隨時(shí)隨地與航天員通信，可大幅提升用戶體驗(yàn)。

(3)中繼星跟蹤模式下，單顆星故障將損失飛船每圈1/3的測控弧段，星座測控模式下，單顆星故障對飛船每圈測控弧段的影響最長只有幾分鐘，測控系統(tǒng)冗余度大幅提高。

3 結(jié)束語

本文基于神舟飛船的應(yīng)用場景，構(gòu)想了一種基于互聯(lián)網(wǎng)星座，并與中繼衛(wèi)星結(jié)合實(shí)現(xiàn)純天基測控的模式。經(jīng)過仿真分析，給出了適宜的互聯(lián)網(wǎng)星座軌道高度和規(guī)模的建議，基于該構(gòu)想，可實(shí)現(xiàn)99%的測控覆蓋率，同時(shí)可大幅降低測控成本，提高測控效益，具備在各低軌商業(yè)衛(wèi)星上推廣使用的可行性，是未來測控模式演進(jìn)的選擇之一。