關(guān)新鋒 范競往 王小島 張博 李玉鑫

(1 航天恒星科技有限公司，北京 100086) (2 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)(3 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

我國商業(yè)衛(wèi)星正處于不斷蓬勃發(fā)展的階段，可以預見未來會有大量衛(wèi)星系統(tǒng)入軌并長期在軌運行。而當前地面通用測控系統(tǒng)和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)各自承擔專有任務(wù)，測控容量不足，建設(shè)與運行管理成本高，并且入網(wǎng)程序復雜時間長，無法滿足未來商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)大規(guī)模、低成本、快捷入網(wǎng)的需求。

基于天基系統(tǒng)的天地一體化測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究是當下衛(wèi)星測控領(lǐng)域的研究熱點，GEO衛(wèi)星如國際海事衛(wèi)星(ImmarSat)、我國的天通衛(wèi)星、北斗導航衛(wèi)星等均可能成為低軌航天器測控的新型天基平臺。目前，已有美國國防先進研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)提出的“空間增強軍事作戰(zhàn)效能”(SeeMe)計劃實現(xiàn)了國際海事衛(wèi)星ImmarSat-4高低軌中繼數(shù)傳通信，通信速率可達492 bit/s；另外，新加坡南陽理工大學研制的VELOX-2衛(wèi)星通過搭載高性能星間鏈路終端，成功利用海事衛(wèi)星完成了為期一年的2路IP鏈路傳輸試驗[1]。西安衛(wèi)星測控中心楊天社等人開展了針對低軌航天器的天地基一體化模式(Space Ground Based Mode，SGBM)仿真研究，驗證了利用GEO通信衛(wèi)星中繼測控的可行性[2]。同時西安衛(wèi)星測控中心發(fā)表了通過遙感九號搭載北斗短報文終端開展測控試驗的報道[3]。

本文以民商用低軌航天高效能測控應用為背景，提出一種基于北斗衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)(Radio Determination Satellite Service，RDSS)短報文通信的測控應用方法，并在協(xié)議體制層面設(shè)計了基于北斗RDSS短報文測控體制的總體方案，旨在探討以我國北斗導航星座作為天基測控平臺的可行性，推動新型天基測控技術(shù)實用化研究進程。

1 需求分析

當前我國民商用衛(wèi)星在軌測控管理主要采用地面測控模式，西安衛(wèi)星測控中心通過其覆蓋渭南、南寧、閩西、廈門、青島、長春等國內(nèi)站和卡拉奇站、馬林迪站、基律納站等境外測控站，以及若干活動測控站，管理著160余顆在軌衛(wèi)星，已顯地面資源能力不足，正在尋求以軍民融合方式利用民站完成測控/數(shù)傳管理任務(wù)。

而伴隨國家“一帶一路”戰(zhàn)略構(gòu)想的深入落實，以及民用、商用衛(wèi)星及星座的密集發(fā)射，未來三年內(nèi)我國的民商用衛(wèi)星發(fā)射總量預計突破300顆，甚至達到500顆以上(主要為低軌衛(wèi)星)，諸如虹云工程、鴻雁星座、銀河航天星座、九天衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)星座等[4-5]?，F(xiàn)有地面站網(wǎng)資源顯然無法滿足與未來大規(guī)模星座的測控管理需求，而傳統(tǒng)的地面測控服務(wù)模式勢必需要站網(wǎng)資源建設(shè)的極大投入，采用天基測控則可利用高軌衛(wèi)星經(jīng)濟、有效地實現(xiàn)民商用低軌衛(wèi)星的廣域覆蓋，北斗RDSS短報文體制具有終端小巧、成本低廉、覆蓋全面等特點，是作為新型天基測控體制的良好選擇。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于北斗短報文的測控系統(tǒng)應用拓撲及總體組成架構(gòu)如圖1所示。針對低軌航天器，通過對低軌航天器加裝或搭載北斗短報文終端載荷，以北斗導航星座作為天基平臺，依托北斗中高軌衛(wèi)星對低軌目標全面覆蓋，應用北斗短報文數(shù)據(jù)服務(wù)體制，實現(xiàn)基于北斗RDSS短報文通信模式的在軌測控通信。

本文重點研究北斗短報文在天基測控應用的業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流、幀結(jié)構(gòu)設(shè)計和應用效能分析，北斗短報文通信內(nèi)部機制不在文中贅述。

基于北斗短報文的測控業(yè)務(wù)流程基本與RDSS短報文通信流程一致，將地面對星的遙控信息作為通信前向，衛(wèi)星對地面的遙測信息作為通信返向，均經(jīng)過“地面/低軌衛(wèi)星終端—北斗衛(wèi)星—定位總站—北斗衛(wèi)星—低軌衛(wèi)星/地面終端”的信息雙跳流程完成測控任務(wù)，具體業(yè)務(wù)流程如圖2、圖3所示。

圖3 返向遙測業(yè)務(wù)流程圖Fig.3 Backward link TM flow chart

3 短報文測控體制論證

針對低軌目標，通過在低軌航天器上搭載北斗短報文終端載荷，以北斗導航星座為天基平臺，實現(xiàn)利用北斗RDSS短報文通信模式的在軌測控通信，該測控體制完全基于北斗RDSS短報文通信體制，僅需進行適應性修改移植當前測控信息格式即可滿足在軌測控需求。

3.1 測控波束

基于北斗短報文的測控體制，其測控波束即北斗RDSS波束，測控波束以北斗衛(wèi)星軌道類型為標識區(qū)分，分為高軌GEO波束、高軌傾斜地球同步軌道(IGSO)波束和中軌MEO波束。

高軌GEO波束和高軌IGSO波束主要覆蓋星下點位于亞洲、亞太及澳洲范圍，波束星下點覆蓋E70°～E140°/N5°～N55°及E90°～E150°/N55°～S55°范圍[6]；中軌MEO波束可實現(xiàn)除兩極極點范圍內(nèi)的全球覆蓋。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展報告(3.0版)指出，截至2020年北斗系統(tǒng)將具備3顆GEO、3顆IGSO以及24顆MEO衛(wèi)星具備區(qū)域及全球短報文服務(wù)能力，可提供全球化短報文信息服務(wù)[7]。

3.2 測控通信可行性

針對基于RDSS短報文進行測控通信的可行性研究，早在2010年遙感九號即搭載北斗用戶機，文獻[3]利用北斗衛(wèi)星開展了北斗天基測控技術(shù)驗證，得到了測控通信丟幀率為3.88%、傳輸時延小于1 s且遙控星地大環(huán)比對時延4.3 s的實驗結(jié)果。文獻[8]對北斗短報文通信傳輸時延做了概率分布研究，統(tǒng)計結(jié)果表明99%的傳輸時延集中在3～4 s區(qū)間內(nèi)。

另外文獻[9]根據(jù)天基通信場景特性，低軌衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星的高低軌通信需要通過多普勒補償、頻率環(huán)路自適應等方法，對多普勒頻偏、頻率變化率指標進行嚴格控制，以實現(xiàn)北斗RDSS測控體制星載終端的天基鏈路互通。上述研究內(nèi)容均充分驗證了利用北斗RDSS短報文測控通信的技術(shù)可行性，為后續(xù)研究奠定了一定技術(shù)基礎(chǔ)，同時降低丟包率、提高信道可靠性將是后續(xù)北斗短報文測控應用實現(xiàn)的研究重點。

3.3 數(shù)據(jù)流協(xié)議

根據(jù)北斗RDSS數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)定，北斗短報文通信固定入站數(shù)據(jù)速率8 kbit/s，出站數(shù)據(jù)速率16 kbit/s。北斗RDSS終端收發(fā)信息的頻度與軌道類型有關(guān)。根據(jù)短報文通訊間隔權(quán)限設(shè)定，北斗GEO衛(wèi)星采用區(qū)域短報文業(yè)務(wù)類型，最大數(shù)據(jù)速率為1 Hz頻度(1次/s)；高軌IGSO和中軌MEO衛(wèi)星均采用全球短報文業(yè)務(wù)類型為0.3 Hz頻度(1次/3 s)，高低軌通用兼容的短報文電文幀長度為70 Byte，即560 bit[7]。

目前典型的測控數(shù)據(jù)流現(xiàn)狀為：遙測速率2～16 kbit/s，遙測幀長度為64～256 Byte；遙控速率為1～2 kbit/s，遙控幀長度為4～32 Byte。據(jù)此規(guī)劃出短報文應用于測控的數(shù)據(jù)流協(xié)議，如表1所示。

北斗短報文高軌波束最大可支持8 kbit/s數(shù)據(jù)速率的測控通信，低軌波束最大可支持2 kbit/s數(shù)據(jù)速率的測控通信，對于幀長度在70 Byte限制內(nèi)的數(shù)據(jù)采用直接插入短報文方式實現(xiàn)，對于幀長度超過70 Byte的則以64 Byte為基本單元進行整數(shù)包分解后再行插入短報文。針對一般商業(yè)小衛(wèi)星、立方星等，RDSS短報文測控體制(數(shù)據(jù)速率受限于2～8 kbit/s)可滿足需求。

表1 短報文測控數(shù)據(jù)流設(shè)計表Table 1 Design table of data flow for short-message measurement and control

3.4 測控幀結(jié)構(gòu)

為保證北斗短報文測控體制的適用性，采用兼容當前測控協(xié)議幀結(jié)構(gòu)的方式實現(xiàn)，結(jié)合北斗RDSS短報文體制約束，對幀結(jié)構(gòu)進行適應性移植，以符合國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)的建議規(guī)范要求，契合衛(wèi)星測控標準化發(fā)展趨勢[10]。

3.4.1 遙控幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

遙控幀結(jié)構(gòu)采用典型的直接離散指令格式，因遙控幀長度不超過北斗短報文70 Byte幀容量限制，通過直接插入短報文即可，具體如圖4所示。其中，引導碼、執(zhí)行序列、結(jié)束序列均根據(jù)過往工程經(jīng)驗，完整移植現(xiàn)行體制，而指令碼則須契合北斗RDSS短報文體制約束，指令長度要求控制在1～55 Byte，完全可滿足傳統(tǒng)指令碼最大256 bit的長度需求。

圖4 遙控指令幀格式Fig.4 Telecontrol instruction frame format

1)引導碼

長度建議為24 bit，由同步字、地址字、方式字組成。

(1)同步字，長度8 bit，固定同步字碼；

(2)地址字，長度8 bit，確定目標地址；

(3)方式字，長度8 bit，定義指令形式。

2)指令碼

遙控信息序列組成，根據(jù)不同指令類型定義指令碼字，長度16～440 bit。

3)執(zhí)行序列

執(zhí)行序列統(tǒng)一為1個執(zhí)行圖樣，每個執(zhí)行圖樣定義為16 bit。

(1)執(zhí)行碼字，長度8 bit，固定的執(zhí)行碼字；

(2)執(zhí)行碼字校驗信息，長度8 bit，執(zhí)行碼字與引導碼的相關(guān)校驗值。

4)結(jié)束序列

長度為80 bit，內(nèi)容為10個填充圖樣。

3.4.2 遙測幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

北斗短報文測控體制的遙測幀結(jié)構(gòu)完全移植CCSDS遙測體制幀結(jié)構(gòu)，由4種數(shù)據(jù)單元：信道接入數(shù)據(jù)單元(CADU)、虛擬信道數(shù)據(jù)單元(VCDU)、復用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(MPDU)和源包數(shù)據(jù)單元(EPDU)組成，通過套嵌封裝完成組幀，具體如圖5所示。

圖5 遙測數(shù)據(jù)幀格式Fig.5 Telemetry data frame format

因受北斗短報文70 Byte幀容量限制，對于遙測幀數(shù)據(jù)域提出設(shè)計約束，最大化短報文幀利用率，每幀的CADU數(shù)據(jù)域長度限定為64 Byte。其中VCDU通道頭、校驗碼均完整移植現(xiàn)行體制，但要求MPDU盡量減少設(shè)計分包以提高數(shù)據(jù)利用率，以北斗短報文幀容量約束EPDU源包組包長度，控制在58 Byte之內(nèi)。具體說明如下。

1)同步頭

長度16～32 bit，同步字碼。

2)數(shù)據(jù)域

包含EPDU、MPDU、VCDU套嵌封裝，總長限制為64 Byte，即256 bit，其具體類型為：

(1)VCDU通道頭，長度8～16 bit，每個虛擬信道單元的標識號；

(2)CRC校驗，長度16 bit，數(shù)據(jù)域相關(guān)校驗字；

(3)MPDU導頭，長度16 bit，多路復用包封裝標識號；

(4)EPDU源包，包長度16～464 bit，可根據(jù)業(yè)務(wù)類型自定義。

4 測控服務(wù)能力分析

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計及體制論證結(jié)論，對基于北斗短報文的測控服務(wù)能力進行綜合分析，如表2所示。

表2 北斗短報文測控能力表Table 2 BeiDou short-message measurement and control capability table

上述分析表明，通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)可以實現(xiàn)480 km以下低軌衛(wèi)星的全球范圍星下點實時測控覆蓋，800 km以下的部分區(qū)域?qū)崟r測控覆蓋，800 km以上則可實現(xiàn)離散通信間斷的準實時覆蓋，基于北斗RDSS短報文的天基測控手段較地基測控效能大大提升。

針對北斗RDSS短報文數(shù)據(jù)速率2～8 kbit/s的體制硬性限制，可由衛(wèi)星總體單位通過精簡測控工程量參數(shù)項、優(yōu)化測控超幀編排等方式進行改進。另外，可有效利用RDSS短報文波束對低軌目標的超長接入時效優(yōu)勢，采用多用戶合并方法配置多張用戶卡進行時分復用[9]，以量取勝而解決低速率硬傷，同時通過通信協(xié)議優(yōu)化采用粘包分包數(shù)據(jù)通信機制進一步提高傳輸可靠性[11]，滿足衛(wèi)星日均在軌測控通信數(shù)據(jù)量需求。

5 結(jié)束語

本研究提出了一種基于北斗RDSS短報文的天基在軌測控方案，通過對北斗RDSS短報文測控體制的研究和測控服務(wù)能力理論分析，提出了完整的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計和格式約束，充分表明了以北斗導航星座為天基平臺開展低軌衛(wèi)星測控的技術(shù)可行性和適用性，證明該方法可實現(xiàn)對800 km以下高度低軌衛(wèi)星的全球準實時測控覆蓋，可以滿足當前典型低軌衛(wèi)星的在軌測控通信需求，為民商用小衛(wèi)星測控提出了一條新的技術(shù)途徑。僅以拋磚引玉，為后續(xù)進一步研究奠定一定技術(shù)基礎(chǔ)，促進衛(wèi)星在軌測控管理技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。