高 括，劉會杰，劉 磊，楊杰峰，陳曉慶，潘小彤

(上海微小衛(wèi)星工程中心 中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海 201203)

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展帶動下，低軌衛(wèi)星星座發(fā)展迎來一個嶄新的發(fā)展高潮。以 L、S、VHF 等低頻段為主的Iridrum星座、“全球星”(Globalstar)、“軌道通信”(Orbcomm)系統(tǒng)等傳統(tǒng)的三大低軌移動通信星座已經(jīng)完成升級換代；以 Ku、Ka頻段甚至更高頻段的新興互聯(lián)網(wǎng)星座計劃呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，美國一網(wǎng)公司OneWeb、美國太空探索技術(shù)公司SpaceX、低軌衛(wèi)星公司LEOSat，加拿大電信衛(wèi)星公司TeleSat等紛紛提出新興互聯(lián)網(wǎng)星座計劃，國外典型低軌通信衛(wèi)星星座計劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量總和超過8 000顆[1]。

隨著美國 Space X、One Web 等公司 “千星計劃”的崛起，我國也積極構(gòu)建自己的天基互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，典型系統(tǒng)有中國航天科工集團(tuán)的“虹云工程”衛(wèi)星通信系統(tǒng)和中國航天科技集團(tuán)的“鴻雁星座”衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其中“虹云工程”計劃發(fā)射 156 顆衛(wèi)星，在軌高度約為1 000 km，工作頻段為Ka頻段；“鴻雁星座”系統(tǒng)計劃發(fā)射 300 顆衛(wèi)星，一期將由 60 顆核心骨干衛(wèi)星組成，工作頻段為 L / Ka頻段，以星間鏈路技術(shù)實現(xiàn)衛(wèi)星空間組網(wǎng)，是一個能夠連接衛(wèi)星、飛機(jī)、船舶、車輛甚至個人的超級通信系統(tǒng)[2]。

世界各國典型低軌衛(wèi)星星座的載荷工作頻段、軌道高度以及衛(wèi)星數(shù)量信息如表 1所示。如此龐大數(shù)量的衛(wèi)星集中在500～1 400 km的軌道上，所有星座最終組網(wǎng)成功之后，眾多衛(wèi)星在此區(qū)域運(yùn)行，猶如在地球近地軌道織就衛(wèi)星網(wǎng)，星羅密布，相互交錯，形成異常復(fù)雜的衛(wèi)星星座運(yùn)行場景，如表 1最后一列中的衛(wèi)星在軌仿真場景所示。

1 衛(wèi)星星座在軌長期管理面臨的挑戰(zhàn)

由于在軌衛(wèi)星星座數(shù)量的逐年增多，衛(wèi)星星座在軌測控長期管理面臨諸多挑戰(zhàn)：多站同時協(xié)同跟蹤多目標(biāo)在軌測控管理技術(shù)、地面站雙站甚至多站跟蹤切換技術(shù)、地面測控站和中繼衛(wèi)星形成天地一體測控聯(lián)合管理等；未來隨著衛(wèi)星星座發(fā)展，在軌衛(wèi)星在不遠(yuǎn)的將來可能會遇到以下情況：雙站跟蹤或者地面站和中繼衛(wèi)星同時跟蹤相同測控擴(kuò)頻碼的不同衛(wèi)星；雙站跟蹤或者地面站和中繼衛(wèi)星同時跟蹤相同測控擴(kuò)頻碼相同測控頻點(diǎn)的不同衛(wèi)星等。在軌衛(wèi)星的出現(xiàn)上述情況，地面測控系統(tǒng)如何應(yīng)對？衛(wèi)星測控中心長管如何處理這些新的狀況？對測控系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。本文通過理論分析和地面概念星模擬驗證，對星座衛(wèi)星在軌長期管理可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行地面模擬，最后給出結(jié)論，為星座衛(wèi)星在軌長期管理提供參考。

表1 典型低軌衛(wèi)星星座軌道及衛(wèi)星數(shù)量

2 地面模擬星座衛(wèi)星在軌運(yùn)行場景

星座衛(wèi)星目前常用的測控體制為擴(kuò)頻體制[7-8]，在進(jìn)行地面模擬驗證試驗過程中，采用兩顆擴(kuò)頻體制模擬衛(wèi)星進(jìn)行試驗；兩套地面測控綜合測試設(shè)備分別模擬兩個地面測控站或者一臺模擬地面測控站一臺模擬中繼衛(wèi)星；通過調(diào)節(jié)上行鏈路可調(diào)衰減器模擬調(diào)節(jié)地面測控站或者中繼衛(wèi)星EIRP，通過調(diào)節(jié)下行鏈路可調(diào)衰減器模擬控制不同地面站接收到的下行信號強(qiáng)度。

場景一：地面測控站和中繼衛(wèi)星同時跟蹤星座中的一顆衛(wèi)星。

地面測控站和中繼衛(wèi)星同時跟蹤星座中的一顆衛(wèi)星場景如圖 1所示，根據(jù)衛(wèi)星的測控頻點(diǎn)和擴(kuò)頻碼組選用情況，該場景可以細(xì)化以下四種情形：

1)星座衛(wèi)星中的對地測控和中繼測控采用相同頻點(diǎn)相同擴(kuò)頻碼組設(shè)計，即“同頻同碼”的天地一體化測控體制；

2)星座衛(wèi)星中的對地測控和中繼測控使用相同的測控擴(kuò)頻碼組、不同頻點(diǎn)；

3)星座衛(wèi)星中的對地測控和中繼測控使用相同頻點(diǎn)、不同的測控擴(kuò)頻碼組；

4)星座衛(wèi)星中的對地測控和中繼測控使用不同的頻點(diǎn)、不同的測控擴(kuò)頻碼組。

對于情形2)～4)三種情行，衛(wèi)星的對地測控鏈路和中繼測控鏈路可以通過碼分或者頻分進(jìn)行區(qū)分開，擁有兩個相對獨(dú)立的測控鏈路，類似于兩顆不同的在軌衛(wèi)星，這三種情形與場景三類似，將在后邊進(jìn)行統(tǒng)一闡述并試驗驗證在軌長期管理的方法。

對于情形1)，如果衛(wèi)星在地面測控站跟蹤弧段內(nèi)，沒有必要再調(diào)用中繼鏈路資源進(jìn)行跟蹤。這種情形主要是模擬驗證在軌衛(wèi)星中繼跟蹤弧段相對地面測控站較長，如果中繼測控跟蹤過程尚未結(jié)束，此時衛(wèi)星已經(jīng)進(jìn)入地面測控站弧段，并且地面測控站也發(fā)送上行信號同時發(fā)送上行遙控指令，此時該衛(wèi)星是如何響應(yīng)？并通過地面試驗驗證，給出星座衛(wèi)星在軌出現(xiàn)這種情形時的長管應(yīng)對策略。

圖1 地面測控站和中繼衛(wèi)星同時跟蹤星座中一顆衛(wèi)星場景

理論分析：衛(wèi)星測控體制為同頻同碼的天地一體化測控體制，不管是中繼衛(wèi)星發(fā)送的測控上行信號還是地面測控站發(fā)送的測控上行信號均是相同的擴(kuò)頻信號，兩種信號時延不同，信號強(qiáng)度不同。如果是衛(wèi)星先經(jīng)過中繼弧段(測控應(yīng)答機(jī)先鎖定中繼信號)，尚未停止發(fā)送中繼上行信號時地面測控站也發(fā)送上行信號，此時的地面站發(fā)送的上行信號對于該衛(wèi)星測控應(yīng)答機(jī)來說可以看成是一種干擾信號。假設(shè)該衛(wèi)星的抗干擾能力為Crd(dB)測控應(yīng)答機(jī)接收到的地面發(fā)送的上行信號強(qiáng)度為Eg(dBm)，測控應(yīng)答機(jī)接收到中繼衛(wèi)星發(fā)出的上行信號的強(qiáng)度為Ez(dBm)，那么：

1)如果Eg>Ez+Crd，此時相當(dāng)于干擾信號過強(qiáng)，超過了衛(wèi)星的抗干擾能力，則衛(wèi)星測控應(yīng)答機(jī)重新鎖定地面發(fā)送的上行信號，如果此時中繼鏈路和地面測控站同時發(fā)送上行遙控指令，衛(wèi)星執(zhí)行地面測控站發(fā)送的遙控指令，中繼鏈路通道的遙控指令不會被執(zhí)行。此種情形在衛(wèi)星干擾領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛；

2)如果Eg≤Ez+Crd，此時由于干擾信號強(qiáng)度沒有超過衛(wèi)星的抗干擾能力，測控應(yīng)答機(jī)始終鎖定原來的中繼鏈路發(fā)送的上行信號，如果此時中繼鏈路和地面測控站同時發(fā)送上行遙控指令，衛(wèi)星執(zhí)行中繼鏈路通道的遙控指令，地面測控站發(fā)送的遙控指令不會被執(zhí)行。

試驗驗證：驗證試驗在微波暗室中進(jìn)行，試驗連接框圖如圖 2所示。概念星A配置擴(kuò)頻測控體制，支持對地測控和中繼測控兩種模式；中繼衛(wèi)星測控轉(zhuǎn)發(fā)終端用測控綜合地檢設(shè)備A模擬，測控收發(fā)共用天線A模擬中繼衛(wèi)星測控天線；地面測控站用測控綜合地檢設(shè)備B模擬，測控收發(fā)共用天線B模擬地面測控站測控天線。測控前端A和B分別用于發(fā)送中繼遙控指令、接收中繼遙測數(shù)據(jù)和發(fā)送地面測控站遙控指令、接收對地遙測數(shù)據(jù)。

圖2 雙站跟蹤星座中一顆衛(wèi)星試驗框圖

模擬在軌星座場景：星座衛(wèi)星軌道高度為800 km，衛(wèi)星擴(kuò)頻抗干擾能力為18 dB，中繼衛(wèi)星選天鏈1代衛(wèi)星，分別模擬地面測控站常用的天線為3 m和10 m兩種應(yīng)用情形。通過鏈路計算，當(dāng)?shù)孛鏈y控站選擇3 m天線時，衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)接收來自地面測控站發(fā)出的上行信號時接收機(jī)入口電平約-132.5 dBW，衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)接收來自中繼衛(wèi)星發(fā)出的上行信號時接收機(jī)入口電平約-149 dBW，兩個鏈路接收到的信號強(qiáng)度相差16.5 dB，此時兩條鏈路接收到的信號差在衛(wèi)星抗干擾能力內(nèi)；當(dāng)?shù)孛鏈y控站選擇10 m天線時，衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)接收來自地面測控站發(fā)出的上行信號時接收機(jī)入口電平約-122.1 dBW，衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)接收來自中繼衛(wèi)星發(fā)出的上行信號時接收機(jī)入口電平約-149 dBW，兩個鏈路接收到的信號強(qiáng)度相差27 dB，此時兩條鏈路接收到的信號差超過了衛(wèi)星抗干擾能力。衛(wèi)星和中繼衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)如表2所示[4-6]。

應(yīng)用情形一。

表2 模擬在軌衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)

信號標(biāo)定：通過調(diào)節(jié)圖 2測控綜合地檢設(shè)備A通道的上行可調(diào)衰減器，將概念星測控接收機(jī)入口處用頻譜儀標(biāo)定上行信號強(qiáng)度為-149 dBW，用于模擬在軌中繼發(fā)送的上行信號；通過調(diào)節(jié)圖 2測控綜合地檢設(shè)備B通道的上行可調(diào)衰減器，將概念星測控接收機(jī)入口處用頻譜儀標(biāo)定上行信號強(qiáng)度為-132.5 dBW，用于模擬地面站3 m測控天線發(fā)送的上行信號。信號標(biāo)定結(jié)束后，停止發(fā)送兩路上行信號，衛(wèi)星恢復(fù)試驗狀態(tài)。

在軌長管模擬：發(fā)送測控綜合地檢設(shè)備A通道的上行信號，衛(wèi)星正常接收到A通道遙控指令，測控前端A接收到衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)；狀態(tài)穩(wěn)定之后，加載測控綜合地檢設(shè)備B通道的上行信號，配置參數(shù)和A通道完全相同；此時星上狀態(tài)顯示正常鎖定，測控前端A和測控前端B兩個通道的下行遙測均能夠正常接收；通過測控前端A和測控綜合地檢設(shè)備A發(fā)送遙控指令，衛(wèi)星正常接收到遙控指令并成功執(zhí)行；通過測控前端B和測控綜合地檢設(shè)備B發(fā)送遙控指令，衛(wèi)星未接收到遙控指令。

調(diào)整中繼衛(wèi)星和地面站跟蹤順序，首先加載測控綜合地檢B上行信號(模擬地面測控站)，衛(wèi)星狀態(tài)穩(wěn)定后發(fā)送測控綜合地檢A的上行信號(模擬中繼衛(wèi)星發(fā)出的上行信號)。此時衛(wèi)星未收到通道A遙控指令，正常接收并正確執(zhí)行通道B遙控指令。

應(yīng)用情形二。

信號標(biāo)定：測控綜合地檢設(shè)備A用于模擬中繼衛(wèi)星上行通道，在應(yīng)用情形一中已經(jīng)標(biāo)定完成；通過調(diào)節(jié)圖 2測控綜合地檢設(shè)備B通道的上行可調(diào)衰減器，將概念星測控接收機(jī)入口處用頻譜儀標(biāo)定上行信號強(qiáng)度為-122 dBW，用于模擬地面站10 m測控天線發(fā)送的上行信號。信號標(biāo)定結(jié)束后，停止發(fā)送兩路上行信號，衛(wèi)星恢復(fù)試驗狀態(tài)。

在軌長管模擬：發(fā)送測控綜合地檢設(shè)備A通道的上行信號，衛(wèi)星正常接收到A通道遙控指令，測控前端A接收到衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)；狀態(tài)穩(wěn)定之后，加載測控綜合地檢設(shè)備B通道的上行信號，配置參數(shù)和A通道完全相同；此時星上狀態(tài)顯示失鎖然后恢復(fù)鎖定，測控前端A和測控前端B兩個通道的下行遙測均能夠正常接收；通過測控前端A和測控綜合地檢設(shè)備A發(fā)送遙控指令，衛(wèi)星未接收到遙控指令；通過測控前端B和測控綜合地檢設(shè)備B發(fā)送遙控指令，衛(wèi)星正常接收到遙控指令并成功執(zhí)行。

調(diào)整中繼衛(wèi)星和地面站跟蹤順序，首先加載測控綜合地檢B上行信號(模擬地面測控站)，衛(wèi)星狀態(tài)穩(wěn)定后發(fā)送測控綜合地檢A的上行信號(模擬中繼衛(wèi)星發(fā)出的上行信號)。此時衛(wèi)星未收到通道A遙控指令，正常接收并正確執(zhí)行通道B遙控指令。

場景二：地面測控站雙站跟蹤星座中的一顆衛(wèi)星。

地面測控站雙站接力跟蹤星座中的一顆衛(wèi)星的應(yīng)用場景如圖 3所示，地面測控站喀什站廈門站接力跟蹤星座衛(wèi)星中的一顆衛(wèi)星A。該場景與場景一類似，涉及在軌衛(wèi)星雙站跟蹤問題，區(qū)別是該場景測控雙站均是地面測控站，兩個站發(fā)送的上行信號到衛(wèi)星測控應(yīng)答機(jī)接收機(jī)的入口電平相差沒有場景一大。地面模擬和場景一相同，如圖 2所示。理論分析和星座模擬場景除了中繼鏈路用地面測控站替換其他條件設(shè)置和場景一相同。

圖3 地面測控站雙站接力跟蹤星座衛(wèi)星中的一顆衛(wèi)星場景

地面模擬試驗：如圖 2所示，通道A發(fā)送上行信號，衛(wèi)星狀態(tài)穩(wěn)定后，發(fā)送通道B遙控上行信號，1 dB每檔逐步減小通道A上行信號強(qiáng)度，同時1 dB每檔增加通道B上行信號強(qiáng)度，模擬在軌衛(wèi)星雙站跟蹤情況，每調(diào)節(jié)一檔發(fā)送上行遙控指令并觀察衛(wèi)星遙測狀態(tài)，直至通道A和通道B發(fā)送的上行信號強(qiáng)度相差超過衛(wèi)星的抗干擾能力(18 dB)。

試驗結(jié)果：當(dāng)通道A和通道B給出的上行信號強(qiáng)度相差在18 dB以內(nèi)時，衛(wèi)星正常執(zhí)行通道A遙控指令，通道B的遙控指令不會被執(zhí)行；當(dāng)通道A和通道B給出的上行信號強(qiáng)度相差超過18 dB時，衛(wèi)星測控應(yīng)答機(jī)上行鎖定狀態(tài)顯示失鎖后重新鎖定，重新鎖定后衛(wèi)星正常執(zhí)行通道B遙控指令，通道A的遙控指令不會再被執(zhí)行。試驗結(jié)果與前面理論分析一致。

場景三：地面測控站雙站跟蹤星座中的兩顆衛(wèi)星。

地面兩個測控站均能夠同時覆蓋衛(wèi)星星座中的兩顆不同衛(wèi)星，在軌運(yùn)行場景如圖 4所示。該場景可以分為兩種情況：衛(wèi)星星座中擴(kuò)頻碼復(fù)用的兩顆衛(wèi)星(這兩顆衛(wèi)星測控擴(kuò)頻碼和頻點(diǎn)完全相同，通過衛(wèi)星標(biāo)識字區(qū)分)和擴(kuò)頻碼或者頻點(diǎn)不同的兩顆衛(wèi)星兩種。對于第二種情況，屬于比較常見的測控站覆蓋兩顆完全不同的衛(wèi)星，是當(dāng)前衛(wèi)星在軌長管經(jīng)常遇到的情況，應(yīng)對方法和策略比較成熟，這里就不再分析。重點(diǎn)分析并試驗驗證第一種情況的在軌長管應(yīng)對策略。

圖4 地面測控站雙站跟蹤星座中的兩顆衛(wèi)星場景

場景分析：假設(shè)地面測控站喀什站和廈門站同時覆蓋天地一體化擴(kuò)頻體制衛(wèi)星星座中的衛(wèi)星A和衛(wèi)星C，并且衛(wèi)星A以喀什站為測控主站進(jìn)行測控跟蹤，衛(wèi)星C以廈門站為測控主站進(jìn)行測控跟蹤；由于衛(wèi)星首先進(jìn)入喀什站測控弧段，喀什站發(fā)送上行信號，此時衛(wèi)星A和衛(wèi)星C均鎖定喀什站的上行信號，當(dāng)兩顆衛(wèi)星均進(jìn)入廈門站弧段且還在喀什站測控弧段內(nèi)，喀什站上行信號發(fā)送的同時廈門站也發(fā)送和喀什站同頻同碼的上行信號，此時衛(wèi)星長管人員如何應(yīng)對？根據(jù)測站跟蹤計劃，衛(wèi)星C應(yīng)該是廈門站主站，但是此時衛(wèi)星C的擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)還是鎖定在喀什站的上行信號，此時喀什站和廈門站分別發(fā)送衛(wèi)星A和衛(wèi)星C的遙控指令，兩顆衛(wèi)星如何響應(yīng)？這些將在此場景下進(jìn)行分析并試驗驗證。

試驗驗證：驗證試驗在微波暗室中進(jìn)行，試驗連接框圖如圖 5所示。概念星A配置擴(kuò)頻測控體制，概念星B配置和概念星A同頻同碼的測控體制，兩顆衛(wèi)星的區(qū)別只是航天器標(biāo)識字不同，兩顆概念星模擬在軌星座中同頻同碼的兩顆衛(wèi)星；喀什站用測控綜合地檢設(shè)備A模擬；廈門站用測控綜合地檢設(shè)備B模擬。測控前端A和B分別用于發(fā)送中繼遙控指令、接收中繼遙測數(shù)據(jù)和發(fā)送地面測控站遙控指令、接收對地遙測數(shù)據(jù)。

試驗步驟：

1)概念星A和B同時加電，測控綜合地檢設(shè)備A發(fā)送上行遙控信號，兩顆衛(wèi)星均鎖定A通道上行遙控信號，通過星務(wù)前端監(jiān)視概念星A和B的地測數(shù)據(jù)，發(fā)送概念星A的遙控指令，概念星A收到遙控指令并成功執(zhí)行，概念星B顯示收到錯誤幀計數(shù)增加1；

2)測控綜合地檢設(shè)備B發(fā)送和A通道相同的上行信號，測控前端A和測控前端B分別發(fā)送衛(wèi)星A和衛(wèi)星B的遙控指令，地測顯示概念星A收到遙控指令并成功執(zhí)行，概念星B顯示收到錯誤幀計數(shù)增加1；

3)取消加載測控綜合地檢A的上行信號，通過測控前端B發(fā)送概念星B的遙控指令，地測結(jié)果顯示地測顯示概念星B收到遙控指令并成功執(zhí)行，概念星A顯示收到錯誤幀計數(shù)增加1；

4)在步驟3)基礎(chǔ)上重新加載通道A上行信號，通過測控前端A和測控前端B分別發(fā)送衛(wèi)星A和衛(wèi)星B的遙控指令，地測顯示概念星B收到遙控指令并成功執(zhí)行，概念星A顯示收到錯誤幀計數(shù)增加1；

5)增加通道A上行信號強(qiáng)度，直至超過通道B信號強(qiáng)度18dB以上，兩顆衛(wèi)星都會失鎖后又重新鎖定，此時再次發(fā)送兩顆衛(wèi)星遙控指令，衛(wèi)星A正確執(zhí)行，衛(wèi)星B錯誤幀計數(shù)增加1。

圖5 地面測控站雙站跟蹤星座中的兩顆衛(wèi)星地面試驗驗證框圖

3 結(jié)束語

從第2章的三種在軌模擬場景試驗結(jié)果得出結(jié)論：對于擴(kuò)頻體制衛(wèi)星，衛(wèi)星測控應(yīng)答機(jī)鎖定上行信號后，其他信號對于該衛(wèi)星均是干擾信號，干擾信號在衛(wèi)星抗干擾能力范圍內(nèi)時，均不能夠改變應(yīng)答機(jī)鎖定狀態(tài)，除非人工干預(yù)或者干擾信號強(qiáng)度超過衛(wèi)星抗干擾能力。

星座衛(wèi)星在軌長期管理過程中的雙站跟蹤：目前西安衛(wèi)星測控中心在進(jìn)行雙站跟蹤時的策略是前站跟蹤結(jié)束后停止發(fā)送上行信號，再發(fā)送后站上行信號，此方法在默認(rèn)測控主站發(fā)送上行遙控指令情況下是最優(yōu)最穩(wěn)妥的方法，代價就是換站過程會消耗部分時間，當(dāng)然這對衛(wèi)星的可靠遙控是值得的。

同頻同碼的兩顆不同衛(wèi)星同時入境的情況：如果衛(wèi)星星座出現(xiàn)同頻同碼的不同衛(wèi)星同時入境的情況，測控站可以通過串行遙控方式控制兩顆衛(wèi)星，如果是兩套不同測控設(shè)備跟蹤這兩顆衛(wèi)星，應(yīng)首先發(fā)送一顆衛(wèi)星上行信號并發(fā)送遙控指令，結(jié)束一顆任務(wù)后去掉該星上行信號并發(fā)送另外一顆上行遙控信號；如果是單套測控設(shè)備跟蹤這兩顆衛(wèi)星，需要加工兩顆衛(wèi)星遙控指令，分別發(fā)送即可達(dá)到遙控兩顆衛(wèi)星的目的。

隨著衛(wèi)星星座的不斷增多，分析衛(wèi)星數(shù)量的增多可能為衛(wèi)星在軌長期管理帶來的問題與挑戰(zhàn)，本文通過理論分析并結(jié)合地面模擬試驗驗證衛(wèi)星在軌運(yùn)行場景，給出星座衛(wèi)星在軌長期管理的應(yīng)對策略，為衛(wèi)星測控中心和從事航天事業(yè)的同行提供參考。