楊學(xué)猛，趙 悅，李 娟，姚發(fā)海

(中國衛(wèi)通集團股份有限公司，北京 100094)

0 引言

全球?qū)Ш?、通信以及遙感等一些衛(wèi)星應(yīng)用任務(wù)，需要多顆衛(wèi)星按照一定規(guī)則和形狀組網(wǎng)，使地球上任意地區(qū)在任意時刻都能被系統(tǒng)中至少一顆衛(wèi)星覆蓋。星座構(gòu)型是以衛(wèi)星軌道為基礎(chǔ)，反映星座中衛(wèi)星的布局，影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)時延以及系統(tǒng)成本等[1]。作為一個龐大的空間系統(tǒng)，對于不同任務(wù)需求在組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量、星座構(gòu)型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、衛(wèi)星平臺及載荷設(shè)計方面的需求均不相同，因此在低軌星座設(shè)計時，在滿足航天任務(wù)需求的前提下，還要對成本、風(fēng)險及性能等方面進(jìn)行優(yōu)化，從而最大限度降低航天任務(wù)的風(fēng)險及成本。

近年來，隨著商業(yè)航天興起和低軌星座第二次投資熱潮，大部分熱點集中在衛(wèi)星平臺研制、火箭發(fā)射和通/導(dǎo)/遙業(yè)務(wù)運營上，對低軌星座長期測運控管理關(guān)注度尚不夠高。本文通過對典型低軌遙感星座系統(tǒng)的測運控管理業(yè)務(wù)流程進(jìn)行梳理，對低軌星座測運控管理特點、自動化技術(shù)和地面測控系統(tǒng)方案進(jìn)行了探討，提出了一種可行的低軌星座測運控系統(tǒng)方案。

1 低軌遙感星座特點

遙感衛(wèi)星通過星載傳感器接收來自地球表層和大氣的各種電磁波信息，并對這些信息進(jìn)行加工處理，從而得到目標(biāo)的物理特性及變化規(guī)律。

低軌遙感衛(wèi)星主要分為光學(xué)衛(wèi)星、SAR衛(wèi)星(合成孔徑雷達(dá))、氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星。

針對遙感衛(wèi)星的應(yīng)用場景，低軌衛(wèi)星具有星地距離短、時延短、能夠周期性重復(fù)對同一地區(qū)進(jìn)行觀測、通過組網(wǎng)實現(xiàn)全球覆蓋等優(yōu)勢。由于高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星具有極高的商業(yè)價值，國際上各主要航天公司均采用“軍、民、商”結(jié)合的模式陸續(xù)研制并發(fā)射了多種類型的高分遙感衛(wèi)星，有力地推動了高分辨率遙感衛(wèi)星的發(fā)展。

1.1 衛(wèi)星基本參數(shù)

遙感衛(wèi)星平臺包括結(jié)構(gòu)與機構(gòu)分系統(tǒng)、綜合電子分系統(tǒng)、姿控分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)、相機分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)以及總體電路分系統(tǒng)共9個分系統(tǒng)組成。衛(wèi)星構(gòu)型采用星載一體化構(gòu)型，各星之間無星間鏈路。各分系統(tǒng)組成及主要功能如下[2]：

① 一體化整星結(jié)構(gòu)采用主承力結(jié)構(gòu)與夾層儀器設(shè)備安裝板組合的總體方案，圍繞星載一體化設(shè)計目標(biāo)，實現(xiàn)載荷及平臺的一體化設(shè)計。

② 綜合電子分系統(tǒng)負(fù)責(zé)整星在軌運行階段的任務(wù)管理、姿態(tài)控制、遙測遙控、熱控、電源以及載荷的控制與數(shù)據(jù)采集等工作。

③ 姿控分系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)高精度、高可靠的姿態(tài)測量與控制。日常在軌運行期間，采用對日定向模式；成像和數(shù)傳時采用對地定向模式，具有姿態(tài)機動控制能力，以適應(yīng)不同任務(wù)的多種工作模式，可通過側(cè)擺和快速機動擴大對地成像范圍和成像模式，滿足相機高分辨率成像要求。

④ 測控分系統(tǒng)采用測控數(shù)傳一體化設(shè)計，具有標(biāo)準(zhǔn)TTC、非相干擴頻、測控數(shù)傳一體化測控功能及數(shù)據(jù)接收能力，具備多頻段分時測控工作能力，輔以GPS定軌，能夠滿足遙測遙控以及高精度軌道測量要求。

⑤ 數(shù)傳分系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理器和數(shù)傳通道兩部分。數(shù)傳通道采用雙機雙通道工作模式，也可只用單通道工作，數(shù)傳分系統(tǒng)可實現(xiàn)準(zhǔn)實時數(shù)傳或延時數(shù)傳。

⑥ 相機分系統(tǒng)采用同軸偏視場光學(xué)系統(tǒng)，具備高速高信噪比圖像信號處理核心技術(shù)。

⑦ 熱控分系統(tǒng)采用以被動熱控為主、主動熱控為輔的設(shè)計方式，能夠滿足光學(xué)相機、鋰離子蓄電池的熱控制以及整星在復(fù)雜運行工況下的熱控需求。

⑧ 電源分系統(tǒng)采用三界砷化鎵太陽電池與星載蓄電池聯(lián)合供電方式，通過功率控制單元(PCU)在軌運行期間為整星提供能量，實現(xiàn)整星能量平衡。

⑨ 總體電路分系統(tǒng)采用集中式供配電方式，負(fù)責(zé)完成整星設(shè)備的供配電及星上火工品控制。其系統(tǒng)功能主要向整星提供總線一次電源，各設(shè)備所需的二次電源均通過各自的DC/DC模塊變換產(chǎn)生。

1.2 典型軌道

遙感衛(wèi)星常采用以下幾種典型軌道[3]。

1.2.1 太陽同步軌道

太陽同步軌道是指航天器軌道面轉(zhuǎn)動角速度與地球公轉(zhuǎn)角速度相同的軌道，即航天器軌道面轉(zhuǎn)動方向和周期與地球公轉(zhuǎn)的方向和周期相同，衛(wèi)星軌道平面的進(jìn)動角速度每天東進(jìn)0.985 6°，衛(wèi)星經(jīng)過赤道的地方時間不變。此類軌道特別適用于低軌對地遙感衛(wèi)星，主要優(yōu)點是衛(wèi)星太陽照射角、太陽能源接收量、同緯度星下點的地方平太陽時、同緯度星下點照度以及地影時間等重要技術(shù)參數(shù)的周年變化最小。

1.2.2 回歸軌道

回歸軌道是指衛(wèi)星星下點軌跡表現(xiàn)出周期性重復(fù)的軌道，重復(fù)出現(xiàn)的周期稱為回歸周期。衛(wèi)星定期出現(xiàn)在以前經(jīng)過的地區(qū)上空，可以對地球表面同一區(qū)域在每個回歸周期內(nèi)進(jìn)行反復(fù)觀測，比較地面目標(biāo)的變化。這樣就有可能了解地面，諸如工程建設(shè)進(jìn)展、特殊調(diào)動、農(nóng)作物生長以及自然災(zāi)害的形成過程等信息，對各個領(lǐng)域都有十分重要的意義。

1.3 星座構(gòu)型

以12顆低軌衛(wèi)星組網(wǎng)的遙感星座為例，星座構(gòu)型采用太陽同步準(zhǔn)回歸軌道，軌道傾角為97.98°，每41太陽日繞地球轉(zhuǎn)604圈[2]，各衛(wèi)星之間無星間鏈路連接，具體軌道參數(shù)如表1所示。

表1 軌道參數(shù)Tab.1 Orbit elements

對于一個擁有12顆遙感衛(wèi)星的星座，可將其分為4個軌道面，每個軌道面3顆衛(wèi)星。每顆星都采用太陽同步的近圓軌道(即偏心率e≈0)，考慮到需要全球覆蓋半長軸為7 029 km左右，從而可以計算出其軌道傾角為97.979 7°，軌道周期為97.56 min，每天運行圈數(shù)約為14.73圈，每個軌道面的升交點赤經(jīng)相差45°，每個軌道面的3顆衛(wèi)星真近點角相差120°，為防止各星在交匯點碰撞，每個真近點角相近的衛(wèi)星設(shè)置了20°的隔離。

1.4 遙感衛(wèi)星工作階段

遙感衛(wèi)星從發(fā)射到在軌結(jié)束任務(wù)共經(jīng)歷箭上及發(fā)射、初始入軌、整星在軌測試以及整星業(yè)務(wù)運營4個工作階段[4]。

箭上及發(fā)射階段衛(wèi)星接通電源，當(dāng)運載火箭達(dá)到預(yù)定軌道后，啟動星箭分離程序，衛(wèi)星轉(zhuǎn)入初始入軌階段。

初始入軌階段由中心計算機自主進(jìn)行帆板展開以及姿態(tài)控制，地面對衛(wèi)星遙測狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，中心計算機自主給GPS和星敏加電，進(jìn)行整星速率阻尼，將衛(wèi)星三軸角速度控制在0.3°/s以下后，衛(wèi)星開始進(jìn)行太陽捕獲。太陽捕獲完成后執(zhí)行相機熱控加熱等操作，衛(wèi)星轉(zhuǎn)入對日三軸穩(wěn)定模式，建立正常工作姿態(tài)，進(jìn)入整星在軌測試階段。

整星在軌測試階段主要對衛(wèi)星載荷性能進(jìn)行測試，獲取拍照圖像并監(jiān)測衛(wèi)星各分系統(tǒng)遙測，確認(rèn)各分系統(tǒng)工作及性能指標(biāo)正常。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入測控弧段時，根據(jù)需要對衛(wèi)星發(fā)送常規(guī)工作指令，對衛(wèi)星的長期在軌工作狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在軌測試完成后，衛(wèi)星各分系統(tǒng)狀態(tài)正常，初始設(shè)置完成后，整星進(jìn)入正常業(yè)務(wù)運營階段。

整星業(yè)務(wù)運營階段地面測控系統(tǒng)對衛(wèi)星重要狀態(tài)進(jìn)行檢測，并記錄遙測數(shù)據(jù)，通過遠(yuǎn)程終端提供衛(wèi)星遙測參數(shù)，按期提供遙測數(shù)據(jù)文件，通報衛(wèi)星運行狀態(tài)，運控系統(tǒng)按應(yīng)用系統(tǒng)提出的任務(wù)需求上注任務(wù)表，獲取并下傳高分辨圖像，期間通過整星姿態(tài)調(diào)整實現(xiàn)對日/對地姿態(tài)建立。在成像任務(wù)期間衛(wèi)星由任務(wù)表中提取拍照時間等參數(shù)，拍照任務(wù)由綜合電子分系統(tǒng)指令驅(qū)動，完成載荷相關(guān)設(shè)備的加斷電、啟動以及關(guān)機等操作。在數(shù)傳任務(wù)期間衛(wèi)星由任務(wù)表中提取數(shù)傳時間等參數(shù)，拍照任務(wù)由綜合電子分系統(tǒng)指令驅(qū)動，完成數(shù)傳固存壓縮機編碼設(shè)備的加斷電、固態(tài)放大器及調(diào)制設(shè)備的加斷電、控制固存回放等操作。

1.5 遙感衛(wèi)星工作模式

根據(jù)衛(wèi)星運行工作階段，遙感衛(wèi)星設(shè)計有10種工作模式，但同一時刻只能工作在以下一種工作模式中[4]：

(1) 箭上及發(fā)射模式

該模式下，衛(wèi)星不進(jìn)行任何控制，載荷及大功率單機部件關(guān)機，中心計算機監(jiān)控加電單機狀態(tài)，并檢測星箭分離狀態(tài)。

(2) 初始入軌模式

當(dāng)中心計算機檢測到星箭分離信號后，衛(wèi)星進(jìn)入初始入軌工作模式。在該模式下，中心計算機為必要單機部件加電，順序進(jìn)行速率阻尼、對日捕獲、對日定向以及對日三軸姿態(tài)穩(wěn)定工作模式控制。

(3) 在軌飛行模式

該模式下，衛(wèi)星維持對日三軸控制，等待地面注入任務(wù)，當(dāng)衛(wèi)星接收注入的任務(wù)指令或任務(wù)表中任務(wù)就緒時，結(jié)束在軌飛行模式，進(jìn)行相關(guān)任務(wù)模式。

(4) 照相任務(wù)模式

該模式下，衛(wèi)星進(jìn)入對地照相姿態(tài)定向、相機、數(shù)傳開機，相機按照任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行照相工作，數(shù)傳系統(tǒng)存儲圖像。照相任務(wù)結(jié)束后，相機與數(shù)傳關(guān)機，衛(wèi)星轉(zhuǎn)入對日三軸穩(wěn)定姿態(tài)，回到在軌飛行模式。照相任務(wù)模式又分為常規(guī)照相模式、立體照相模式和條帶拼接照相模式。

(5) 數(shù)傳任務(wù)模式

該模式下，衛(wèi)星進(jìn)入對地數(shù)傳姿態(tài)定向、數(shù)傳開機，按照任務(wù)規(guī)劃將存儲的圖像下傳到地面。任務(wù)結(jié)束后，數(shù)傳關(guān)機，衛(wèi)星轉(zhuǎn)入對日三軸穩(wěn)定姿態(tài)，回到在軌飛行模式。

(6) 準(zhǔn)實時數(shù)傳任務(wù)模式

當(dāng)衛(wèi)星在照相模式結(jié)束后立即執(zhí)行數(shù)傳任務(wù)模式，進(jìn)入準(zhǔn)實時數(shù)傳任務(wù)工作模式。在該模式下，衛(wèi)星正常執(zhí)行照相任務(wù)，任務(wù)結(jié)束后相機關(guān)機、數(shù)傳保持開機狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行數(shù)傳任務(wù)。任務(wù)結(jié)束后，數(shù)傳關(guān)機，衛(wèi)星轉(zhuǎn)入對日三軸穩(wěn)定姿態(tài)，回到在軌飛行模式。

(7) 多點拍照模式

當(dāng)衛(wèi)星在照相模式結(jié)束后需再次執(zhí)行拍照任務(wù)，進(jìn)入多點拍照工作模式。在該模式下，衛(wèi)星正常執(zhí)行照相任務(wù)，任務(wù)結(jié)束后保持相機、數(shù)傳開機狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行下次照相任務(wù)。所有照相任務(wù)結(jié)束后，相機與數(shù)傳關(guān)機，衛(wèi)星轉(zhuǎn)入對日三軸穩(wěn)定姿態(tài)，回到在軌飛行模式。

(8) 軌道調(diào)整模式

該模式下，衛(wèi)星通過軌道高度調(diào)整和傾角調(diào)整來實現(xiàn)星下點軌跡調(diào)整、降交點地方時保持、軌道傾角調(diào)整等。當(dāng)衛(wèi)星在軌飛行模式接收到軌道調(diào)整任務(wù)就緒后，衛(wèi)星進(jìn)入軌道調(diào)整模式，執(zhí)行注入指令，啟動星上軌控推力器完成對軌道衰減的補償或星座相位差的調(diào)整。軌道調(diào)整模式包括升軌模式、降軌模式及相位差調(diào)整模式。

(9) 存儲器擦除模式

該模式下，地面可根據(jù)星上固存狀態(tài)實施存儲器擦除操作，釋放存儲空間，便于后續(xù)存儲新獲取的高分辨率圖像數(shù)據(jù)。

(10) 安全模式

當(dāng)衛(wèi)星姿態(tài)嚴(yán)重超差或電源不足時衛(wèi)星將進(jìn)入安全模式，在該模式下，衛(wèi)星開始重新對日捕獲，建立對日定向三軸穩(wěn)定姿態(tài)。星上不再執(zhí)行其他任務(wù)，中心計算機關(guān)閉大功率負(fù)載，在安全模式下只能通過地面注入指令并解除故障后才能切換到正常工作模式。

2 衛(wèi)星在軌測運控管理

低軌衛(wèi)星的測控原理與高軌衛(wèi)星相同，但由于其軌道周期短，速度快，對于地面測控站不是實時可見，因此針對低軌衛(wèi)星的測運控管理方式與地球同步軌道衛(wèi)星有較大的區(qū)別。首先，由于其對于地面站不是一直可見，這就要求星上具有較高的自主能力，包括軌道測量、軌道確定、軌道調(diào)整、工作模式轉(zhuǎn)換、衛(wèi)星平臺及載荷操作以及故障檢測、隔離及恢復(fù)等；其次，由于低軌星座涉及多顆衛(wèi)星及多個地面站協(xié)同工作，因此低軌星座測運控管理需要一套功能強大的任務(wù)調(diào)度軟件，基于衛(wèi)星的可見弧段及任務(wù)需求，實現(xiàn)資源的最優(yōu)分配及調(diào)度。

2.1 軌道管理

遙感衛(wèi)星運行在軌道高度約650 km的太陽同步軌道上。這類軌道的特點是太陽入射角變化較小，光照條件穩(wěn)定，其與高軌衛(wèi)星最明顯的區(qū)別就是運行速度快，周期短，運行圈數(shù)多，軌道經(jīng)過兩極，衛(wèi)星大部分時間在境外，相對于有限地面站布局來說不是實時可見。

在衛(wèi)星運行中，衛(wèi)星半長軸受大氣阻力影響而衰減，同時造成衛(wèi)星星下點軌跡發(fā)生漂移，當(dāng)累積漂移超過一定范圍，其軌道的重訪特性將無法滿足任務(wù)需求。通常衛(wèi)星任務(wù)將給出軌道漂移的邊界范圍，當(dāng)軌道漂出該范圍之前執(zhí)行軌道調(diào)整機動，改變軌道的半長軸，使軌跡開始向反方向漂移，理想情況下，半長軸的偏置調(diào)整量計算公式[5]如下：

在理想情況下，衛(wèi)星在東邊界進(jìn)行升軌機動后，軌跡開始向西漂移，當(dāng)軌跡正好漂至西邊界時半長軸衰減至標(biāo)稱值，軌跡轉(zhuǎn)而開始向東漂移，在這種情況下，軌跡從東到西的時間計算公式[4]如下：

通過上述公式能夠計算出理想情況下對于太陽同步準(zhǔn)回歸軌道的機動量以及機動時間，但由于低軌衛(wèi)星受大氣密度影響較大，而大氣密度與太陽活動密切相關(guān)，在軌道計算中對于大氣密度的模型與實際情況相差較大，因此在實際軌道計算中，需要根據(jù)實際定軌情況及時增減機動或調(diào)整軌道機動時間。

針對低軌星座，要考慮星座構(gòu)型的保持，若星座構(gòu)型發(fā)生變化，其衛(wèi)星編隊飛行時序?qū)⒈桓淖?，若星間相位偏差超過一定范圍，將會影響星座間相互補償、載荷協(xié)同工作以及圖像拼接等任務(wù)的正常進(jìn)行。衛(wèi)星相位差發(fā)生變化時，其影響體現(xiàn)在星下點軌道間距上。對于衛(wèi)星星座相位的調(diào)整，可通過改變軌道半長軸，將衛(wèi)星相位逐漸拉開，待相位達(dá)到要求后，再將半長軸調(diào)整回與軌道面內(nèi)其他衛(wèi)星相等，實現(xiàn)星座相位的調(diào)整。

2.2 電源管理

運行在太陽同步軌道上的衛(wèi)星每天繞地球運行多圈，這就導(dǎo)致了衛(wèi)星每天多次進(jìn)出星蝕，地球同步軌道衛(wèi)星每年進(jìn)出星蝕次數(shù)約為90次，而太陽同步軌道衛(wèi)星每年進(jìn)出星蝕次數(shù)則多達(dá)5 500次。相同壽命條件下，衛(wèi)星蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)要比地球同步軌道衛(wèi)星多出約60倍，勢必導(dǎo)致衛(wèi)星蓄電池性能衰減速度和故障率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地球同步軌道衛(wèi)星。此外，由于低軌衛(wèi)星軌道高度低，受地球輻射帶和太陽耀斑影響，特別是地球輻射帶的影響遠(yuǎn)大于地球同步軌道衛(wèi)星，加劇了太陽帆板的性能下降趨勢。在這種情況下，一方面在衛(wèi)星能源系統(tǒng)的設(shè)計上要采用一定的技術(shù)手段和提高材料性能來加以克服及防護，根據(jù)衛(wèi)星的任務(wù)需求及負(fù)載需求，綜合考慮星上電池配置，合理控制蓄電池的在軌放電深度。另一方面，對衛(wèi)星的在軌管理也要做如下考慮：

首先，蓄電池性能及壽命與溫度壓力密切相關(guān)，在軌管理需密切關(guān)注電池的溫度及壓力，電池溫度和壓力均不能過高，若發(fā)現(xiàn)電池壓力偏高，通過調(diào)整充電電流來有效降低電池壓力，電池溫度則可以通過設(shè)置合理的加熱器開關(guān)閾值來對蓄電池溫度進(jìn)行控制，確保其工作在合適的溫度范圍內(nèi)。其次，放電深度對于電池的壽命影響也十分顯著，當(dāng)電池放電深度越大，其循環(huán)次數(shù)越少，因此當(dāng)蓄電池在軌性能衰減超過預(yù)期，在滿足任務(wù)需求的前提下，可采用降低星上負(fù)載功耗來降低電池放電深度[6]。

2.3 熱控管理

低軌衛(wèi)星每天運行圈數(shù)多，多次進(jìn)入星蝕，冷熱交替頻繁，對于星上設(shè)備性能及壽命均有較大影響，因此低軌衛(wèi)星在熱控管理方面顯得尤為重要。星上熱控管理主要依賴星上自主機制控制，在軌管理地面需重點監(jiān)視各重要部件的溫度，特別是高分相機成像對于溫度要求較高，當(dāng)溫度趨勢發(fā)生變化，要及時調(diào)整加熱器控制閾值，確保部件工作在其性能指標(biāo)范圍內(nèi)。

2.4 姿軌控管理

遙感衛(wèi)星由于任務(wù)需求，需要頻繁變換姿態(tài)完成對地或?qū)θ盏淖藨B(tài)建立。主要的測量器件為陀螺和星敏，執(zhí)行器件為磁力矩器、反作用飛輪和推力器，由于地面對于衛(wèi)星不能實時可見，導(dǎo)致姿軌控分系統(tǒng)在進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整時無法實時監(jiān)視，因此在有遙測回傳的條件下，要對姿態(tài)分系統(tǒng)各重要部件的狀態(tài)進(jìn)行檢查、對姿態(tài)調(diào)整操作的執(zhí)行情況進(jìn)行確認(rèn)，評估姿態(tài)調(diào)整參數(shù)是否能夠滿足任務(wù)需求，對軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算得到衛(wèi)星當(dāng)前軌道，從而更好地管理衛(wèi)星姿態(tài)，提高衛(wèi)星執(zhí)行任務(wù)的準(zhǔn)確性。

2.5 測控管理

測控及運控管理是遙感衛(wèi)星與地球同步軌道區(qū)別最大的部分，地球同步軌道衛(wèi)星相對于地面觀測者為24小時可見，遙測實時可見，隨時可對衛(wèi)星進(jìn)行上行指令控制，測控具有實時性。而對于低軌衛(wèi)星，每天運行14～15圈，單個測控站可見圈次為3～6圈，每圈的可見時間最長只有十幾分鐘，因此對于測控管理而言，提前做好任務(wù)計劃，配合合理的任務(wù)調(diào)度策略，在衛(wèi)星過境時由任務(wù)調(diào)度軟件驅(qū)動及時上注衛(wèi)星指令鏈，并下傳遙測數(shù)據(jù)，通過高度自動化、智能化的遙測判讀軟件完成對衛(wèi)星狀態(tài)迅速判讀，確認(rèn)之前上注指令星上的執(zhí)行情況，以及衛(wèi)星各分系統(tǒng)重點設(shè)備狀態(tài)及工作情況。

遙感衛(wèi)星應(yīng)急管理主要依賴星上設(shè)計的FDIR機制進(jìn)行自主檢測、隔離及恢復(fù)。如果發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星出現(xiàn)故障或潛在的危險，軟件自動完成故障診斷并給出恢復(fù)方式，為避免時間不足情況下誤判率增加，從管理上要求對于星上故障在發(fā)現(xiàn)故障的圈次不進(jìn)行恢復(fù)操作，在下一圈次優(yōu)先跟蹤故障衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星再次可見時，再對故障進(jìn)行處理及后續(xù)恢復(fù)。

2.6 運控管理

低軌遙感衛(wèi)星的管理可與地球同步軌道的載荷操作相對應(yīng)，但地球同步軌道通信衛(wèi)星的載荷操作相對較少，基本只涉及調(diào)整增益檔、設(shè)置射頻靜噪開關(guān)狀態(tài)、設(shè)置行波管工作模式以及波束切換等，且載荷操作較為單純，一般不涉及其他分系統(tǒng)。而對于遙感星座，運控主要是根據(jù)用戶任務(wù)需求，拍攝指定時間與地點的高分辨率衛(wèi)星遙感圖像，并將圖像數(shù)據(jù)通過數(shù)傳通道傳回至地面站，地面站將圖像通過專門的設(shè)備進(jìn)行解碼處理后發(fā)送給用戶，或不進(jìn)行處理直接將原始數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶。衛(wèi)星管理軟件根據(jù)衛(wèi)星軌道計算拍攝任務(wù)的時間和位置，并將拍攝時間和位置轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星上注指令參數(shù)，然后發(fā)送至任務(wù)調(diào)度模塊，在衛(wèi)星進(jìn)入可見弧段完成建鏈工作后，任務(wù)調(diào)度軟件將運控指令參數(shù)通過遙測遙控通道上傳至星上中心計算機，由中心計算機根據(jù)指定時間或地點，提前通過反作用飛輪以及磁力矩器將衛(wèi)星工作模式設(shè)置為拍照模式或數(shù)傳模式，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定時間或地面時，中心計算機自動發(fā)出指令完成拍照或數(shù)傳操作。

3 地面測運控系統(tǒng)方案設(shè)計

低軌衛(wèi)星測控系統(tǒng)與傳統(tǒng)地球同步軌道通信衛(wèi)星地面測控系統(tǒng)在鏈路構(gòu)成方面基本相似，均由天伺饋分系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、中頻基帶分系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)以及地面測控和監(jiān)控軟件組成，但基于低軌衛(wèi)星軌道運行特點、平臺特點以及任務(wù)特點，與地球同步軌道衛(wèi)星地面測控系統(tǒng)相比，主要有如下特點：

① 由于衛(wèi)星運行速度快，可見時間短，要求地面天線具有較強的跟蹤能力及高速轉(zhuǎn)動能力，方位角具有0°～360°轉(zhuǎn)動能力，俯仰軸具備0°～180°指向能力，天線在衛(wèi)星過頂時無盲區(qū)，需具備當(dāng)仰角較低情況下的快速捕獲及跟蹤能力；

② 測控頻段以S頻段及X頻段為主，數(shù)傳頻段以X頻段為主，此外，由于S頻段使用受限，民商業(yè)測控主要采用X頻段；

③ 低軌星座由多顆衛(wèi)星組成，針對不同衛(wèi)星可見弧段的不同，特別是多顆衛(wèi)星同時進(jìn)入地面站可見弧段時地面資源的合理分配等，地面測控系統(tǒng)必須具有強大而靈活的任務(wù)規(guī)劃及資源調(diào)度功能；

④ 針對不同任務(wù)的低軌星座，地面需根據(jù)任務(wù)特點設(shè)計數(shù)傳地面設(shè)備用于遙感數(shù)據(jù)的接收、處理及分發(fā)。

3.1 站網(wǎng)布局

基于低軌星座軌道周期短、速度快、周期性回歸、軌道面經(jīng)過兩極以及全球覆蓋等運行設(shè)計要求，為使低軌星座測控系統(tǒng)對星可見弧段盡量長、可見節(jié)點盡量多，從而使低軌星座測運控管理更加靈活可控，低軌星座測控站網(wǎng)布局主要依據(jù)以下幾點：

① 以國內(nèi)為基礎(chǔ)，建立大三角構(gòu)型布局，在條件許可的情況下，三角形的跡線越長越好；

② 在兩極地區(qū)設(shè)立測控站作為能力增長點；

③ 全球布局，做到南北半球及東西半球盡量平衡，進(jìn)一步提高覆蓋率。

3.2 地面系統(tǒng)架構(gòu)

基于前述分析結(jié)論，在懷來、都江堰以及喀什分別建設(shè)一套地面系統(tǒng)，采用測運控一體化設(shè)計，上行采用6 MHz天線搭配100 W功放，下行采用6 MHz天線搭配50 dB場放，單站系統(tǒng)由天伺饋分系統(tǒng)、射頻分系統(tǒng)、基帶分系統(tǒng)、計算機與網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)及監(jiān)控分系統(tǒng)組成，單站系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 單站系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of single station

本系統(tǒng)中，計算機系統(tǒng)以虛擬化方式部署，系統(tǒng)使用4臺物理虛擬機服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、任務(wù)調(diào)度及設(shè)備監(jiān)控等功能。站內(nèi)雙網(wǎng)設(shè)計，租用地面通信線路實現(xiàn)站間數(shù)據(jù)通信。

3.3 測控中心軟件

測控中心系統(tǒng)按功能模塊可分為10個模塊：權(quán)限管理、遙測遙控處理、在軌操作、任務(wù)規(guī)劃、監(jiān)視報警、碰撞規(guī)避、載荷管理、衛(wèi)星軌道演示系統(tǒng)、運行狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。

(1) 權(quán)限管理

具備用戶和授權(quán)管理功能，通過權(quán)限控制和授權(quán)機制，對不同角色的用戶行為進(jìn)行控制，以保護系統(tǒng)和衛(wèi)星的安全。

(2) 遙測遙控處理

遙測遙控模塊是平臺軟件和硬件設(shè)備的界面層，負(fù)責(zé)獲取衛(wèi)星測控鏈路路由信息，建立衛(wèi)星上下行鏈路連接，進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)接收處理，以及遙控指令的編碼和發(fā)送?？蓪Υ罅啃l(wèi)星同時進(jìn)行遙測處理任務(wù)，并可適應(yīng)不同可見時間段衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù)接收與指令上注。

(3) 在軌操作

支持用戶通過在軌操作控制衛(wèi)星開展衛(wèi)星管理業(yè)務(wù)。平臺通過對衛(wèi)星控制操作進(jìn)行分解，在軌操作應(yīng)提供頂層用戶任務(wù)規(guī)劃、常規(guī)測控操作程序定制、載荷應(yīng)用操作程序定制、操作程序驗證、操作程序?qū)嵗?、操作程序人工?zhí)行、操作程序調(diào)度執(zhí)行和遙控指令轉(zhuǎn)碼等主要功能，一方面支撐研制單位制作與驗證衛(wèi)星在軌操作程序模板，另一方面支撐用戶的在軌管理、業(yè)務(wù)規(guī)劃與實施業(yè)務(wù)。

(4) 任務(wù)規(guī)劃

任務(wù)調(diào)度模塊由任務(wù)計劃模塊和任務(wù)執(zhí)行模塊兩部分組成。任務(wù)計劃模塊收集可見弧段預(yù)報、軌道事件預(yù)報、操作計劃及數(shù)據(jù)拍照等需求，并將測運控管理計劃和任務(wù)優(yōu)先級等發(fā)送至資源調(diào)度軟件；資源調(diào)度軟件將任務(wù)執(zhí)行計劃與標(biāo)志位等信息發(fā)送至任務(wù)執(zhí)行模塊，由任務(wù)執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)操作任務(wù)計劃和測距任務(wù)的分發(fā)與監(jiān)視。

(5) 監(jiān)視報警

對在軌衛(wèi)星和測控平臺自身的運行情況相關(guān)信息進(jìn)行狀態(tài)判讀和報警，并提供進(jìn)行在軌衛(wèi)星日常監(jiān)視所需的數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)檢索與分析、報警信息顯示與響應(yīng)等功能。

(6) 軌道計算

軌道計算模塊具備軌道確定、軌道預(yù)報、軌道控制與修正以及碰撞風(fēng)險預(yù)警與規(guī)避功能。測控平臺具備低軌衛(wèi)星星隊碰撞規(guī)避功能，能夠通過對衛(wèi)星運行軌道的測量與計算，對衛(wèi)星的軌道進(jìn)行預(yù)報，在完成軌道預(yù)報后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的軌道修正。

(7) 載荷管理

載荷管理功能根據(jù)用戶提出載荷操作的申請，申請內(nèi)容包括拍照時間、拍照位置、數(shù)傳、相機存儲擦除等相關(guān)載荷運控需求。向任務(wù)規(guī)劃模塊提交載荷測運控初步計劃，根據(jù)任務(wù)執(zhí)行模塊下發(fā)的任務(wù)執(zhí)行計劃執(zhí)行數(shù)傳數(shù)據(jù)的接收、處理及分析，將數(shù)據(jù)分發(fā)至最終用戶，在數(shù)傳數(shù)據(jù)接收完畢后，反饋給任務(wù)執(zhí)行模塊任務(wù)完成標(biāo)志位。

(8) 衛(wèi)星軌道演示系統(tǒng)

測控平臺具備多星軌道演示功能，能夠?qū)⑿l(wèi)星運行狀態(tài)、軌道位置以圖形化界面展示，并具備人工操作、多級顯示等功能，可將n個軌道面所有衛(wèi)星集中顯示。

(9) 運行狀態(tài)監(jiān)控

狀態(tài)監(jiān)控功能對測控軟件自身組成軟件以及測控軟件運行所在硬件環(huán)境的運行信息進(jìn)行采集和監(jiān)控，并能夠根據(jù)需要擴展采集器，從而完成對相關(guān)外部系統(tǒng)的運行信息采集。

(10) 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理功能對測控業(yè)務(wù)所使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以供人工或其他系統(tǒng)查看管理。數(shù)據(jù)管理功能在全系統(tǒng)提供統(tǒng)一且唯一的數(shù)據(jù)管理服務(wù)，用戶或系統(tǒng)其他應(yīng)用能夠通過該接口獲得數(shù)據(jù)。

3.4 設(shè)備監(jiān)控軟件

為實現(xiàn)多站設(shè)備集中監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)由統(tǒng)一監(jiān)控系統(tǒng)和站監(jiān)控系統(tǒng)組成。

站監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控站內(nèi)所有設(shè)備，主要包括：天線、射頻、基帶、時頻及矩陣等設(shè)備。在設(shè)備監(jiān)控的基礎(chǔ)上，構(gòu)建并管理模板化的通道資源池和基帶資源池。其中通道資源池為中頻矩陣以上部分，包括天線和上下行鏈路所有設(shè)備；基帶資源池為基帶內(nèi)具有獨立遙測或遙控功能的板卡。站監(jiān)控分系統(tǒng)實現(xiàn)通道資源池和基帶資源池的管理，包括資源的添加、配置、日常運行狀態(tài)監(jiān)視與控制等。站監(jiān)控分系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)接口，實時向統(tǒng)一監(jiān)控系統(tǒng)上報當(dāng)前站內(nèi)資源使用情況和運行狀態(tài)。同時，站監(jiān)控系統(tǒng)能夠接收統(tǒng)一監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)來的設(shè)備控制指令和資源調(diào)度指令。

統(tǒng)一監(jiān)控管理系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)化接口，實時接收各地面站監(jiān)控分系統(tǒng)上報的站內(nèi)資源使用狀態(tài)和工作狀態(tài)，能夠?qū)崟r監(jiān)控各地面站資源使用情況和設(shè)備主要參數(shù)。

3.5 資源調(diào)度軟件

地面資源調(diào)度軟件是低軌星座測運控管理的核心。低軌星座測控不同于同步軌道衛(wèi)星維護和操作方式，處于每條軌道的每顆衛(wèi)星進(jìn)入某個測控中心上空均有特定的可見弧段，需要在測控可見窗口時間內(nèi)，完成該衛(wèi)星的測控任務(wù)和數(shù)傳數(shù)據(jù)解析處理。因此，地面資源調(diào)度軟件需解決基于多個約束條件的資源優(yōu)化問題，星座規(guī)模以及地面測控系統(tǒng)規(guī)模越大，其規(guī)則及算法越復(fù)雜。

3.5.1 運行場景

資源調(diào)度軟件與測控中心軟件以及設(shè)備監(jiān)控軟件配合，共同完成系統(tǒng)所涉及的懷來、都江堰以及喀什等至少3個測站對于遙感低軌星座的在軌測運控管理任務(wù)。通過調(diào)取由測控中心軟件提交的測運控計劃，以及由地面監(jiān)控軟件提交的地面站可用資源信息，對衛(wèi)星測運控任務(wù)及地面站資源進(jìn)行規(guī)劃，制定出基于衛(wèi)星測控任務(wù)的地面測站跟蹤計劃以及基于衛(wèi)星任務(wù)的任務(wù)執(zhí)行計劃，并將地面站跟蹤計劃發(fā)送給設(shè)備監(jiān)控軟件，用于按時驅(qū)動地面測控系統(tǒng)完成對待測衛(wèi)星的捕獲及跟蹤。將任務(wù)執(zhí)行計劃發(fā)送給測控中心軟件以驅(qū)動衛(wèi)星遙測遙控以及數(shù)傳任務(wù)的執(zhí)行。

資源調(diào)度軟件還應(yīng)該充分考慮緊急情況和特殊時段，如衛(wèi)星發(fā)生異常導(dǎo)致正常調(diào)度任務(wù)無法執(zhí)行、星蝕期管理及整星失效等情況下，可通過設(shè)置優(yōu)先級將故障衛(wèi)星的優(yōu)先級設(shè)置為最高、增加跟蹤圈數(shù)以及提高地面發(fā)射功率等，因此調(diào)度軟件的設(shè)計不僅要具有規(guī)則性，還需要具有靈活性，以自動調(diào)度為主，同時具備人工干預(yù)能力。地面資源調(diào)度軟件功能樹如圖2所示。

圖2 地面資源調(diào)度軟件功能樹Fig.2 Function tree of ground resource scheduling software

3.5.2 任務(wù)規(guī)劃策略

資源調(diào)度軟件是基于任務(wù)規(guī)劃策略完成對于測控系統(tǒng)的調(diào)度，以支撐多星測運控任務(wù)。任務(wù)規(guī)劃策略是資源調(diào)度軟件的核心，也是低軌星座測運控管理的核心。在多星調(diào)度中，主要需解決測控資源沖突問題，也就是衛(wèi)星時間窗口沖突問題。衛(wèi)星的時間窗口可分為可視時間窗口和服務(wù)時間窗口，前者是指考慮設(shè)備天線最低工作仰角限制后設(shè)備對于衛(wèi)星的可見時間段；后者是設(shè)備為衛(wèi)星提供服務(wù)的時間段。后者在前者的基礎(chǔ)上預(yù)留了一個任務(wù)切換時間，包括任務(wù)接收時間、設(shè)備配置及設(shè)備狀態(tài)上報時間。在制定任務(wù)規(guī)劃策略中，對于地面站某一設(shè)備，如果一顆衛(wèi)星的過境服務(wù)時間窗口與另一顆衛(wèi)星過境的服務(wù)時間窗口出現(xiàn)了重疊，定義為該地面站設(shè)備出現(xiàn)了時間窗口沖突。對于調(diào)度中可能出現(xiàn)的時間窗口沖突問題，由于低軌衛(wèi)星可視弧度的限制，當(dāng)發(fā)生時間窗口沖突時，只能根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級策略，采用取其一而舍棄所有與該時間窗口沖突的其他時間窗口原則來排除沖突。同時為了獲得較優(yōu)化的任務(wù)規(guī)劃結(jié)果，可在排除沖突求解過程中采用多次搜索取最優(yōu)解，從而得到近似全局最優(yōu)解的策略。

由于各個任務(wù)之間完成的先后順序以及任務(wù)優(yōu)先級是在一定范圍內(nèi)動態(tài)變化的，因此在保證完成任務(wù)優(yōu)先級之和最大及占用資源最少的目標(biāo)下，最終能得到的最優(yōu)資源調(diào)動策略有時并不唯一，因此資源調(diào)度軟件提供了人工介入的接口。在實際任務(wù)中采用哪一種調(diào)度結(jié)果，將根據(jù)具體的需要來決定。

4 低軌星座測運控管理流程

低軌星座在軌測運控管理完成衛(wèi)星從發(fā)射入軌、在軌運行、離軌處理全生命周期的監(jiān)視、控制及應(yīng)急處置，包括監(jiān)視衛(wèi)星平臺和載荷運行工況，管理衛(wèi)星健康狀態(tài)；調(diào)用測控資源，進(jìn)行衛(wèi)星平臺及載荷控制；完成衛(wèi)星軌道精確計算和預(yù)報、評估衛(wèi)星碰撞風(fēng)險、預(yù)報衛(wèi)星可見弧段、計算衛(wèi)星軌道偏差及星座構(gòu)型偏差；完成衛(wèi)星軌道控制計算，實現(xiàn)衛(wèi)星軌位和星座保持。

遙感衛(wèi)星在軌管理從內(nèi)容上可以分為軌道確定、任務(wù)計劃、軌道保持、遙測遙控和故障檢測五部分。軌道確定功能通過從數(shù)據(jù)庫調(diào)取外測數(shù)據(jù)、天文常數(shù)及測站信息等，完成軌道確定和推演功能，并將計算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫供其他功能調(diào)用；軌道保持功能通過從數(shù)據(jù)庫調(diào)用定軌數(shù)據(jù)、衛(wèi)星參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道保持計劃的制定，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫；任務(wù)規(guī)劃功能由管理人員制定衛(wèi)星任務(wù)計劃，同時可自動調(diào)用軌道保持計劃及軌道確定、軌道預(yù)報、可見弧段等結(jié)果進(jìn)行衛(wèi)星任務(wù)計劃的自動生成，并基于任務(wù)計劃驅(qū)動遙測遙控進(jìn)行操作程序的自動執(zhí)行；遙測/遙控功能執(zhí)行遙控指令的編碼和發(fā)送，遙測數(shù)據(jù)和數(shù)傳數(shù)據(jù)的接收存儲，從數(shù)據(jù)庫獲取門限文件實現(xiàn)對衛(wèi)星狀態(tài)的監(jiān)視，并將報警和日志信息保存入庫供管理人員進(jìn)行查詢及檢索。故障診斷功能通過在軌衛(wèi)星故障庫以及FDIR策略，實現(xiàn)對報警信息的判別，可自動調(diào)用故障恢復(fù)程序，實現(xiàn)對于故障迅速的檢測、隔離與恢復(fù)。各模塊數(shù)據(jù)相互調(diào)用、支撐，與地面設(shè)備監(jiān)視管理系統(tǒng)共同完成對各遙感衛(wèi)星的管控監(jiān)視。

基于如上對于遙感星座測運控管理的分析，遙感星座的測運控管理流程設(shè)計如圖3所示。

圖3 測控管理流程圖Fig.3 Flow chart of TT&C

5 結(jié)束語

因為面臨衛(wèi)星以及地面系統(tǒng)具體技術(shù)參數(shù)不明確等困難，因此，文中部分研究內(nèi)容主要立足于概念，基于理論分析進(jìn)行定性研究。本文明確了地面站網(wǎng)全球布局原則，提出了基于任務(wù)規(guī)劃驅(qū)動的地基低軌測運控管理方案，實現(xiàn)對整個星座的監(jiān)視、控制以及故障恢復(fù)，指明了地面資源調(diào)度軟件是低軌星座測運控管理的核心。

文中給出的低軌星座測運控管理方案僅基于本文設(shè)定之技術(shù)參數(shù)、指標(biāo)以及管理場景，未來實際設(shè)計低軌星座測運控管理方案時，可將本文研究成果作為參考，以具體項目作為依托，制定更為詳盡、具體以及有針對性的低軌星座測運控管理方案。