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(空間物理重點試驗室,北京 100076)

0 引言

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自行研制、獨立運行的全球衛(wèi)星導航定位與通信系統(tǒng)，空間部分采用地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道以及中軌衛(wèi)星的混合星座設(shè)計模式[1]。目前，我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的區(qū)域組網(wǎng)工作已順利完成，初步建成覆蓋國內(nèi)及亞太地區(qū)的區(qū)域性衛(wèi)星系統(tǒng)。2020年北斗衛(wèi)星系統(tǒng)將實現(xiàn)全球組網(wǎng)，從而為空間飛行器天基測控和通信提供了更多選擇和可能。

1 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)簡介

北斗計劃是1983年由中國科學院院士陳芳允首次提出的，其初衷是為中國海上船只提供導航服務。2003年12月完成了由三顆衛(wèi)星組成的北斗一代試驗衛(wèi)星系統(tǒng)部署。2004年啟動北斗二代區(qū)域衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)，自2007年成功將第一顆中軌衛(wèi)星M-1送上預定軌道，至2012年12月己有5顆地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)、5顆傾斜軌道衛(wèi)星(IGSO)及4顆中軌衛(wèi)星(MEO)相繼進入預定衛(wèi)星軌道，實現(xiàn)了5GEO+5IGSO+4MEO的區(qū)域衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)目標[2]。

至2020年，建成含33顆衛(wèi)星的北斗全球衛(wèi)星系統(tǒng)(下文簡稱北斗衛(wèi)星系統(tǒng))，實現(xiàn)全球覆蓋。全球化的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)星座是由27顆ME0(含三顆備份)、3顆GEO和3顆IGSO構(gòu)成。其衛(wèi)星星座布局如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)星座構(gòu)成

MEO衛(wèi)星為標準Walker24/3/1星座，分布在間隔120°的3條軌道上，每條軌道上均勻地分布著9顆衛(wèi)星，其軌道傾角為55°，軌道高度21528 km；5顆GEO衛(wèi)星分別定點于東經(jīng)80°、110.5°、140°，軌道高度35786 km；3顆IGSO衛(wèi)星分布在間隔120°的3條軌道上，相位差為120°，軌道傾角為55°，其星下點軌跡重合，交叉點的經(jīng)為180°，軌道高度35786 km[3]。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的地面控制部分主要包括監(jiān)測站、主控站和注入站。監(jiān)測站實時監(jiān)測衛(wèi)星的運行狀態(tài)，獲得衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)并保存。主控站則從監(jiān)測站處收集所有的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)匯總，解算衛(wèi)星的運行軌跡，進而統(tǒng)計出每個衛(wèi)星的星歷信息[4]。注入站主要任務是在主控站的統(tǒng)一調(diào)度下，完成衛(wèi)星導航電文、差分完好性信息注入和有效荷載的控制管理[5]。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計性能優(yōu)于俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)，在定位精度、授時精度、抗干擾能力等方面都與美國的第三代GPS系統(tǒng)性能相當。目前，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)基本服務性能可達到：位置精度平面10 m、高程10 m；測速精度每秒0.2 m；授時精度單向50 ns；還可提供雙向高精度授時和短報文通信服務。

在充分發(fā)展并利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)定位功能的基礎(chǔ)上，諸如監(jiān)視、指揮、通信等能力也在開發(fā)過程中。就未來應用而言，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)可讓空間飛行器的通信功能更透明，信息傳輸更通暢?？梢哉f北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)就像為各種飛行器裝上了“千里眼”與“順風耳”，使其“看得更清、夠得更遠”。

2 空間飛行器天基測控技術(shù)應用需求

天基測控技術(shù)以各類衛(wèi)星作為信號中繼、交換站，將信源信息傳遞至信宿，實現(xiàn)各節(jié)點間的互聯(lián)互通和信息交換，開展不間斷、實時、安全的信息傳輸與分發(fā)，是現(xiàn)代軍事信息網(wǎng)絡的重要組成部分[6]。相對于陸/?；鶞y控，天基測控的優(yōu)勢集中體現(xiàn)在測控覆蓋范圍、數(shù)據(jù)傳輸實時性和可靠性的大幅度提高[7]。在測控覆蓋范圍方面，陸/?；鶞y控受限于海外測控站和遠洋測量船的數(shù)量，測控存在盲區(qū)，而天基測控依托衛(wèi)星完成測控信息的中繼和轉(zhuǎn)發(fā)，能夠有效延長空間飛行器的測控弧段，提高測控覆蓋范圍。在數(shù)據(jù)傳輸實時性方面，天基測控能夠及時將其他中低軌衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)回傳到國內(nèi)，相對于傳統(tǒng)的過境回傳方式，顯著提高了數(shù)傳時效性。在數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面，天基測控系統(tǒng)和陸/?；鶞y控系統(tǒng)相互補充、相互備份，可顯著降低空間飛行器測控風險。

鑒于天基測控技術(shù)在提高空間飛行器測控能力方面的巨大優(yōu)勢，自美國在20世紀80年代建立了全球第一個數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)—“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”(Tracking and Data Relay Satellite System, TDRSS)以來，俄羅斯、歐洲、日本以及我國紛紛投資建設(shè)了自己的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，為各類軍/民用用戶提供中繼數(shù)據(jù)及跟蹤服務，以較低的成本和較少的地面站解決了高覆蓋率問題。目前，美國正在抓緊研究第四代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星方案，并計劃于2025年完成部署。第四代系統(tǒng)主要面向2020～2040年航天任務需求，擬采用光通信、微波通信、毫米波星間鏈路、相控陣天線、容斷組網(wǎng)、認知和自適應協(xié)議等新技術(shù)[8]。歐空局(European Space Agency，ESA)自2008年開始興建“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”(European Data Relay Satellite, EDRS)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩顆同步軌道節(jié)點及其地面系統(tǒng)組成[9]，能夠?qū)崿F(xiàn)對歐洲地區(qū)的覆蓋。俄羅斯研制了第二代Luch衛(wèi)星系統(tǒng)，并于2011～2014年間相繼發(fā)射了“Luch-5A”、“Luch-5B”和“Luch-5V”3顆同步軌道衛(wèi)星，分別定位于東經(jīng)、西經(jīng)和東經(jīng)上空，組成星座實現(xiàn)全球覆蓋。日本在發(fā)射數(shù)據(jù)中繼試驗衛(wèi)星DRTS的基礎(chǔ)上，提出下一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)方案，該方案大幅提高了Ka頻段返向鏈路數(shù)據(jù)率[10]，同時采用了光通信技術(shù)，使前/返向數(shù)據(jù)率達2.5/1.2 Gb/s[11]。

近年來，我國在天基測控領(lǐng)域也取得了顯著成果。2008年我國開始組建基于天鏈一號中繼衛(wèi)星的天基測控系統(tǒng)，通過三星組網(wǎng)的方式實現(xiàn)全球覆蓋。基于天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)中繼傳輸已在運載火箭、載人航天中有所應用：2012年7月，我國首次利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)對運載火箭實施天基中繼測控，試驗取得圓滿成功[12]。

北斗一代衛(wèi)星系統(tǒng)的應用及北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)，進一步加強了天基中繼傳輸能力。我國“遙感衛(wèi)星九號”搭載北斗一號用戶機，通過北斗一號短消息傳輸功能支撐天基遙測遙控，在軌驗證了天基測控的多項關(guān)鍵技術(shù)[13]。隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)全球組網(wǎng)的實現(xiàn)，基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的天基測控技術(shù)必將成為大力推廣應用的重點[14]。

3 基于北斗衛(wèi)星的空間飛行器天基測控系統(tǒng)

對于長航時空間飛行器， 天基測控是實現(xiàn)其全程測量、控制的最佳手段。空間飛行器天基測控包括飛行狀態(tài)監(jiān)測和飛行任務控制兩個方面。

飛行狀態(tài)監(jiān)測包括對飛行器飛行軌跡、時序狀態(tài)及設(shè)備工作狀態(tài)等進行監(jiān)測。為有效獲取空間飛行器飛行狀態(tài)，需基于空間飛行器控制系統(tǒng)方案，利用總線技術(shù)、一體化設(shè)計技術(shù)等，完成飛行狀態(tài)信息匯集，并通過空間飛行器上北斗衛(wèi)星通信終端及相控陣天線實現(xiàn)基于北斗衛(wèi)星的飛行狀態(tài)監(jiān)測。飛行任務控制是空間飛行器天基測控的核心。飛行任務控制包括安全控制、故障控制、軌跡調(diào)整等?；诒倍沸l(wèi)星的空間飛行器天基測控系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 基于北斗衛(wèi)星的空間飛行器天基測控系統(tǒng)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)是實施空間飛行器天基測控的樞紐。其通過北斗衛(wèi)星地面站接收空間飛行器返向監(jiān)測信息，進行顯示、分析、判斷，以掌握空間飛行器飛行狀態(tài)；根據(jù)飛行器狀態(tài)及監(jiān)控中心最新規(guī)劃結(jié)果通過北斗地面站向北斗衛(wèi)星發(fā)送飛行控制命令。

3.2 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星作為天基中繼平臺，對空間飛行器前返向信息進行轉(zhuǎn)發(fā)。當一顆北斗衛(wèi)星難以覆蓋空間飛行器飛行全程時，通過北斗衛(wèi)星星間鏈路實現(xiàn)多級中繼后，實現(xiàn)空間飛行器與地面監(jiān)控系統(tǒng)間的通信。

3.3 空間飛行器系統(tǒng)

空間飛行器上需配備北斗衛(wèi)星通信終端及相控陣天線，并可以根據(jù)飛行器位置、姿態(tài)和星歷信息，實時計算天線指向角；收集空間飛行器位置、速度、姿態(tài)、工作參數(shù)等狀態(tài)信息，按一定格式及頻率發(fā)送給北斗衛(wèi)星并傳遞到地面監(jiān)控系統(tǒng)；接收北斗衛(wèi)星發(fā)送的安全控制、故障控制、軌跡調(diào)整等控制指令后，實施相應操作。

4 基于北斗衛(wèi)星的空間飛行器天基測控關(guān)鍵技術(shù)

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)作為我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，具有非常重要的應用價值。針對一些飛行時間長、應用目的特殊的空間飛行器，為實現(xiàn)飛行過程全程可監(jiān)控，更是將與北斗衛(wèi)星系統(tǒng)通信作為飛行必須具備的一項重要功能。目前，由于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)正處于建設(shè)階段，如何將空間飛行器所需的擴展服務添加到北斗衛(wèi)星系統(tǒng)總體框架中、如何確?；诒倍沸l(wèi)星系統(tǒng)通信的實時性及安全性等都是值得深入研究和探討的問題。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)應用于空間飛行器天基測控涉及到如下關(guān)鍵技術(shù)：

4.1 擴展服務接入方案

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)擴展服務接入可采用節(jié)點模式和中斷模式。節(jié)點模式適用于中高軌飛行器，此類服務將用戶航天器視為北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的一個新增工作節(jié)點，納入衛(wèi)星系統(tǒng)進行統(tǒng)一規(guī)劃。中斷模式適用于需要持續(xù)服務的用戶，根據(jù)用戶位置選取位置最佳的若干衛(wèi)星指向用戶以提供持續(xù)服務。針對空間飛行器，需結(jié)合具體應用目的進行具體分析，確定以一種最為合理的模式實現(xiàn)擴展服務有效接入。同時，在選擇接入模式時，要考慮應用靈活性及效率，減少中間環(huán)節(jié)，確定合適的用戶權(quán)限。

4.2 高速數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)

為更好實施空間飛行器天基測控，需要利用盡可能多的實時飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)以支撐飛行任務控制?，F(xiàn)階段北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率制約著實際運用中快速判斷及決策，有必要針對更高碼率的北斗通信技術(shù)開展進一步研究。針對該技術(shù)，國外已提出利用光通信使前/返向數(shù)據(jù)率達2.5/1.2 Gb/s，我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)也有必要針對激光鏈路等高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)開展攻關(guān)和研究。

4.3 信息安全傳輸技術(shù)

利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)空間飛行器前返向信息傳輸，有效擴展了空間飛行器的通信手段及能力。但是遠程無線信息傳輸存在重要控制信息被干擾的可能性，其結(jié)果將導致空間飛行器無法按照預想進行調(diào)整及開展其它工作。針對該情況，需要從鏈路、體制、編碼等多方面考慮，全面提升無線通信鏈路抗干擾能力。并在北斗衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)過程中，逐步落實到星上及地面設(shè)備中，從系統(tǒng)頂層解決無線信息安全傳輸問題。

5 空間飛行器天基測控試驗

開展空間飛行器天基測控系統(tǒng)設(shè)計需重點解決無線鏈路通信問題。天基測控無線通信鏈路設(shè)計涉及到測控頻段選擇、用戶終端技術(shù)參數(shù)確定、信道和基帶設(shè)計等多個方面。為驗證天基測控無線通信鏈路設(shè)計的可行性，除根據(jù)用戶終端技術(shù)參數(shù)及天基資源技術(shù)參數(shù)進行仿真分析外，還必須進行用戶終端和衛(wèi)星之間的通信驗證試驗，以最終確定空間飛行器天基測控系統(tǒng)及無線通信鏈路設(shè)計的有效性和正確性。

為充分驗證天基測控無線通信鏈路設(shè)計的可行性及空間飛行器上天基測控終端、相控陣天線的性能，需開展用戶終端和衛(wèi)星之間的通信驗證試驗。按照對接標地的不同，基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的空間飛行器天基測控通信鏈路驗證試驗可劃分為試驗室對接和天基衛(wèi)星對接試驗兩個階段。

空間飛行器天基測控通信鏈路驗證具體開展的試驗包括：試驗室有線對接試驗、試驗室無線對接試驗、轉(zhuǎn)臺狀態(tài)北斗衛(wèi)星無線對接試驗、掛飛狀態(tài)北斗衛(wèi)星無線對接試驗。

5.1 試驗室有線對接試驗

試驗室有線對接試驗的主要目的是驗證空間飛行器上天基測控終端射頻輻射/接收特性，驗證前返向信道狀態(tài)及數(shù)據(jù)格式。

5.2 試驗室無線對接試驗

試驗室無線對接試驗的主要目的是驗證空間飛行器上相控陣天線指向算法及工作狀態(tài)，測試前返向傳輸誤碼率。

5.3 轉(zhuǎn)臺狀態(tài)北斗衛(wèi)星無線對接試驗

轉(zhuǎn)臺狀態(tài)北斗衛(wèi)星無線對接試驗的主要目的是驗證空間飛行器上天基測控設(shè)備在動態(tài)情況下的跟蹤能力和信號處理能力，驗證前返向天地通信接口及數(shù)據(jù)格式，驗證天地大閉環(huán)狀態(tài)下空間飛行器測控信息經(jīng)天基無線通信鏈路傳輸?shù)挠行?，獲取傳輸時延、誤碼率等性能參數(shù)。

5.4 掛飛狀態(tài)北斗衛(wèi)星無線對接試驗

掛飛狀態(tài)天基衛(wèi)星無線對接試驗的主要目的是進一步驗證空間飛行器上天基測控設(shè)備在較高動態(tài)情況下對天基衛(wèi)星的捕獲跟蹤能力，進一步考核空間飛行器上天基測控設(shè)備前、返向傳輸性能，驗證不同北斗衛(wèi)星切換情況下的跟蹤處理能力，獲取切換時間等性能參數(shù)。

6 結(jié)束語

伴隨北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，我國部分新型航天器已將與北斗衛(wèi)星系統(tǒng)通信作為飛行必須具備的一項重要功能?？臻g飛行器作為北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的擴展服務用戶，如何構(gòu)建其基于北斗衛(wèi)星的天基測控系統(tǒng)，如何實現(xiàn)與北斗衛(wèi)星系統(tǒng)有效接入，如何實現(xiàn)大量監(jiān)測信息有效傳輸、如何確保重要傳輸信息安全，如何驗證空間飛行器天基測控相關(guān)理論、關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)方案的正確性及有效性，都是需要深入解決和研究的問題。

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