李靖

（天津七一二通信廣播股份有限公司北京研發(fā)中心 北京市 100084）

隨著商業(yè)航天和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量和頻次急劇增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有測(cè)運(yùn)控運(yùn)行體系難以適應(yīng)純商業(yè)衛(wèi)星的要求[1]，由國(guó)家測(cè)控系統(tǒng)統(tǒng)一完成衛(wèi)星在軌管理的模式逐漸向更靈活的商業(yè)測(cè)控模式分流。由于衛(wèi)星測(cè)控處理的專(zhuān)業(yè)性，中小型商業(yè)公司一般選擇將衛(wèi)星的在軌管理交由專(zhuān)業(yè)商業(yè)測(cè)控公司代為管理。然而，衛(wèi)星作為商業(yè)公司的重要資產(chǎn)，特別是對(duì)于復(fù)雜度較高的、涉及星上再生處理等功能的商業(yè)通信衛(wèi)星星座系統(tǒng)，衛(wèi)星已經(jīng)不再是單純的轉(zhuǎn)發(fā)通道，而是重要的通信系統(tǒng)網(wǎng)元，在傳統(tǒng)衛(wèi)星測(cè)運(yùn)控功能的基礎(chǔ)上，還需要針對(duì)通信業(yè)務(wù)狀態(tài)對(duì)衛(wèi)星通信載荷做頻繁的業(yè)務(wù)測(cè)控處理?；谏鲜鎏卣鳎鲇诒ＷC公司的衛(wèi)星核心資產(chǎn)安全、實(shí)現(xiàn)有效實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌管理的目的，很多商業(yè)公司選擇自行管理本系統(tǒng)的衛(wèi)星，并且與通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行管理和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)做有機(jī)的結(jié)合。因此，測(cè)運(yùn)控以平臺(tái)載荷為核心的管理服務(wù)模式，正在向以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為核心的服務(wù)管理模式轉(zhuǎn)變[2]。

本文針對(duì)商業(yè)衛(wèi)星獨(dú)特的運(yùn)營(yíng)模式，以“提高商業(yè)衛(wèi)星在軌運(yùn)行管理效率，減少衛(wèi)星在軌管理成本”[3]為目的，為通信衛(wèi)星星座構(gòu)建一種自動(dòng)程度較高的測(cè)運(yùn)控一體化系統(tǒng)架構(gòu)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

測(cè)運(yùn)控一體化架構(gòu)由：信號(hào)傳輸處理子系統(tǒng)、衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)測(cè)控管理子系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖1。

圖1：測(cè)運(yùn)控一體化架構(gòu)

1.1 信號(hào)傳輸處理子系統(tǒng)

信號(hào)傳輸處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成衛(wèi)星測(cè)控信號(hào)的處理。衛(wèi)星測(cè)控信息可通過(guò)專(zhuān)用測(cè)控鏈路經(jīng)測(cè)控站，或通過(guò)數(shù)據(jù)復(fù)接的方式將測(cè)控?cái)?shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)復(fù)接在饋電鏈路上通過(guò)信關(guān)站完成與地面的交互。

1.2 衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)

衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成星地?cái)?shù)據(jù)處理和衛(wèi)星在軌管理。包括遙測(cè)、遙控?cái)?shù)據(jù)的處理和分發(fā)，衛(wèi)星在軌重構(gòu)、工程數(shù)據(jù)處理、衛(wèi)星軌道測(cè)量和定軌預(yù)報(bào)、衛(wèi)星的軌道保持、姿態(tài)控制管理等功能。

1.3 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成通信網(wǎng)絡(luò)各設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，包括地面系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)的管理以及衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)規(guī)劃等功能。

1.4 業(yè)務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)

業(yè)務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成通信任務(wù)的規(guī)劃工，通過(guò)受理業(yè)務(wù)需求，形成業(yè)務(wù)配置參數(shù)指令，并發(fā)送到衛(wèi)星載荷和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通信任務(wù)的相關(guān)處理。

其中，信號(hào)傳輸處理子系統(tǒng)由分布在適當(dāng)?shù)木硟?nèi)或海外位置的信關(guān)站和測(cè)控站組成；衛(wèi)星運(yùn)行管理、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理和業(yè)務(wù)測(cè)控管理分系統(tǒng)位于系統(tǒng)運(yùn)控中心，由運(yùn)控服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和相應(yīng)的管理席位構(gòu)成，運(yùn)控中心通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與外部地面站點(diǎn)的信息交互。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 地面站點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的專(zhuān)用測(cè)控站和信關(guān)站等地面站點(diǎn)構(gòu)成信號(hào)傳輸處理子系統(tǒng)。根據(jù)國(guó)家測(cè)控系統(tǒng)的管控要求，商業(yè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的測(cè)控鏈路一般采用X、Ka 或更高的V 頻段鏈路。單個(gè)測(cè)控站/信關(guān)站由天伺饋單元、信道處理單元、基帶處理單元、時(shí)頻單元、站控單元、網(wǎng)絡(luò)處理單元組成。此外，對(duì)于信關(guān)站，還包括處理通信業(yè)務(wù)的管控單元等（接入網(wǎng)、核心網(wǎng)設(shè)備）。其中，站控單元通過(guò)網(wǎng)管協(xié)議，接收運(yùn)控中心下發(fā)的衛(wèi)星的星歷信息和測(cè)控計(jì)劃信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給天伺饋單元的ACU 模塊，指示天線(xiàn)按測(cè)控任務(wù)的計(jì)劃安排完成對(duì)星和跟蹤處理。

2.2 運(yùn)控中心設(shè)計(jì)

運(yùn)控中心負(fù)責(zé)衛(wèi)星通信運(yùn)行控制，衛(wèi)星通信運(yùn)行控制系統(tǒng)是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分，是保障系統(tǒng)可靠、高效運(yùn)行的主要手段[4]。

2.2.1 衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)

衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)主要完成傳統(tǒng)衛(wèi)星地面測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的對(duì)衛(wèi)星在軌運(yùn)行的測(cè)控處理和在軌管理功能。衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)主要由測(cè)控信息處理單元、數(shù)傳信息處理單元、測(cè)定軌處理單元和姿軌控處理單元組成。

（1）測(cè)控信息處理單元的主要功能包括遙測(cè)數(shù)據(jù)的解析和存儲(chǔ)、遙控和注數(shù)指令的編輯、組幀、碼表轉(zhuǎn)換和認(rèn)證處理，以及測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)分發(fā)。

（2）數(shù)傳信息處理單元的主要功能包括按測(cè)控計(jì)劃自動(dòng)執(zhí)行對(duì)衛(wèi)星數(shù)傳業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的下載、分析和保存，以及載荷上注重構(gòu)。通過(guò)在數(shù)據(jù)分析終端上的數(shù)傳分析軟件，能夠完成對(duì)數(shù)傳數(shù)據(jù)的解析，部分與設(shè)備狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)，生成網(wǎng)管的日志和報(bào)表。

（3）測(cè)定軌處理單元主要完成衛(wèi)星的定軌和預(yù)報(bào)功能，通過(guò)接收遙測(cè)信息中的衛(wèi)星GNSS 信息，計(jì)算得到衛(wèi)星的定軌信息，并通過(guò)比對(duì)外部傳來(lái)的衛(wèi)星TLE信息、信關(guān)站的軌道測(cè)量等信息，實(shí)現(xiàn)綜合精密定軌處理。并且通過(guò)SGP4/SDP4 等模型實(shí)現(xiàn)軌道預(yù)報(bào)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)調(diào)用測(cè)定軌處理單元的服務(wù)，能夠得到各地面信關(guān)站、測(cè)控站跟蹤衛(wèi)星測(cè)控圈數(shù)、進(jìn)出站時(shí)間、對(duì)星仰角等的參數(shù)，進(jìn)而完成相關(guān)設(shè)備的參數(shù)配置。

（4）姿軌控處理單元主要完成衛(wèi)星的軌道保持和姿態(tài)控制。通過(guò)分析當(dāng)前衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)信息，比對(duì)軌道維持和姿態(tài)調(diào)整的目標(biāo)要求，計(jì)算規(guī)劃衛(wèi)星的剩余燃料，得到衛(wèi)星軌道和姿態(tài)調(diào)整的參數(shù)；進(jìn)而通過(guò)對(duì)調(diào)整參數(shù)的仿真，能夠預(yù)示姿軌控的調(diào)整結(jié)果，最后由管理員完成姿軌控的遙控上注處理。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)由衛(wèi)星狀態(tài)信息處理單元、網(wǎng)絡(luò)管理單元和測(cè)控計(jì)劃管理單元組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備健康狀態(tài)的管理。

（1）衛(wèi)星狀態(tài)信息處理單元通過(guò)接收衛(wèi)星遙測(cè)信息并轉(zhuǎn)換成網(wǎng)管協(xié)議格式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星的統(tǒng)一監(jiān)控。衛(wèi)星的遙測(cè)參數(shù)還進(jìn)一步作用于測(cè)控站或信關(guān)站的上行鏈路的參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管對(duì)地面鏈路的自動(dòng)調(diào)制編碼控制等功能。

（2）網(wǎng)絡(luò)管理單元通過(guò)與各設(shè)備的網(wǎng)管代理模塊之間的網(wǎng)管協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的各種功能，包括設(shè)備上線(xiàn)、離線(xiàn)的監(jiān)視、參數(shù)配置、異常上報(bào)、軟件更新等處理。此外，通過(guò)與外部通信任務(wù)規(guī)劃等子系統(tǒng)交互的網(wǎng)管北向接口，能還能夠受理通信任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信道設(shè)備的管控處理。

（3）測(cè)控計(jì)劃管理單元能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)控任務(wù)的編排，并通過(guò)網(wǎng)管協(xié)議，完成對(duì)地面各站點(diǎn)的配置。通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)生成的軌道預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)結(jié)果，可以得到各信關(guān)站、測(cè)控站的跟蹤參數(shù)，形成測(cè)控計(jì)劃，并由網(wǎng)絡(luò)管理單元負(fù)責(zé)訪(fǎng)問(wèn)測(cè)控計(jì)劃信息，形成網(wǎng)管參數(shù)配置指令，完成對(duì)地面各站點(diǎn)的自動(dòng)配置。

2.2.3 業(yè)務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)

業(yè)務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)由業(yè)務(wù)規(guī)劃單元、資源調(diào)度單元組成。業(yè)務(wù)規(guī)劃單元負(fù)責(zé)為管理員呈現(xiàn)當(dāng)前的業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)和通信資源的狀態(tài)，例如各波束照射位置、通信頻段、波束可用時(shí)段、信道設(shè)備占用情況等信息，能夠根據(jù)特殊通信業(yè)務(wù)的需求，預(yù)留相應(yīng)的資源，形成針對(duì)特殊業(yè)務(wù)的管理計(jì)劃。資源調(diào)度單元負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)的衛(wèi)星載荷設(shè)備和地面信道設(shè)備的狀態(tài)，為業(yè)務(wù)規(guī)劃提供資源信息支持，同時(shí)也負(fù)責(zé)將資源的調(diào)度指令發(fā)往衛(wèi)星載荷和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理單元，執(zhí)行通信資源的調(diào)度。

3 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)工作流程涉及衛(wèi)星的測(cè)控信息的收發(fā)處理、衛(wèi)星的在軌運(yùn)行管理以及業(yè)務(wù)的規(guī)劃管理等多個(gè)方面。以下選取部分典型工作流程描述。

3.1 測(cè)控信息收發(fā)和處理

（1）衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)的測(cè)定軌單元根據(jù)從測(cè)控信息處理單元獲取的衛(wèi)星GNSS 信息和外部衛(wèi)星星歷信息實(shí)現(xiàn)定軌和預(yù)報(bào)功能。

（2）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)的測(cè)控計(jì)劃管理單元建立測(cè)控任務(wù)，選取某測(cè)控站并通過(guò)測(cè)定軌單元的軌道預(yù)報(bào)服務(wù)得到某測(cè)控站的跟蹤時(shí)段信息。

（3）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)的網(wǎng)管單元通過(guò)接收測(cè)控計(jì)劃管理單元的測(cè)控計(jì)劃信息，生成向測(cè)控站下發(fā)的配置參數(shù)，包括星歷信息、跟蹤起止時(shí)刻等，并通過(guò)網(wǎng)管協(xié)議接口下發(fā)給測(cè)控站。

（4）測(cè)控站的站控單元接收到測(cè)控配置參數(shù)，將參數(shù)加注到天線(xiàn)ACU 模塊，在規(guī)定的時(shí)刻，天線(xiàn)執(zhí)行對(duì)星操作，根據(jù)跟蹤的模式，開(kāi)始程序跟蹤，或進(jìn)入信號(hào)的搜索狀態(tài)。

（5）當(dāng)天線(xiàn)捕獲到衛(wèi)星信號(hào)，將建立與衛(wèi)星的雙向信號(hào)連接，測(cè)控站的基帶單元將完成測(cè)控信息的調(diào)制解調(diào)等處理工作，并通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)，與運(yùn)控中心的衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)交互衛(wèi)星遙控和遙測(cè)信息。

（6）對(duì)于遙測(cè)信息，經(jīng)衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)的測(cè)控信息處理單元完成遙測(cè)信息的解包和物理量解析處理，將數(shù)據(jù)保存到時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將物理量以組播方式在局域網(wǎng)內(nèi)推送，供其他系統(tǒng)選擇使用。

（7）對(duì)于遙控信息，管理員可通過(guò)操作界面選取或配置遙控指令信息，并選擇是否經(jīng)過(guò)碼表和認(rèn)證設(shè)備的處理后，再完成遙控幀的組幀，傳遞到測(cè)控站最終上注給衛(wèi)星。

（8）當(dāng)測(cè)控任務(wù)結(jié)束時(shí)，衛(wèi)星飛出測(cè)控可視范圍，測(cè)控站天線(xiàn)自動(dòng)回位，測(cè)控計(jì)劃管理單元通過(guò)接收網(wǎng)管單元上報(bào)的信息，完成相關(guān)的日志記錄工作。

3.2 測(cè)控鏈路狀態(tài)管理

（1）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理單元分別從衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)的測(cè)控信息處理單元接收衛(wèi)星下發(fā)的上行信號(hào)質(zhì)量的遙測(cè)信息，從測(cè)控站站控單元接收本站的基帶單元上報(bào)的基帶配置狀態(tài)和下行信號(hào)質(zhì)量信息。

（2）當(dāng)上下行信號(hào)質(zhì)量信息發(fā)送變化，達(dá)到調(diào)制編碼檔位調(diào)整的閾值時(shí)，將觸發(fā)相應(yīng)的調(diào)整流程。

當(dāng)下行信號(hào)達(dá)到閾值，將觸發(fā)對(duì)衛(wèi)星測(cè)控基帶或發(fā)射的功率調(diào)整，網(wǎng)管單元將通過(guò)衛(wèi)星的網(wǎng)管代理生成對(duì)衛(wèi)星的發(fā)射調(diào)整指令，并通過(guò)接收測(cè)控站站控單元的網(wǎng)管代理反饋的下行信號(hào)狀態(tài)完成狀態(tài)確認(rèn)。

當(dāng)上行信號(hào)達(dá)到閾值，將觸發(fā)對(duì)測(cè)控站基帶和信道處理設(shè)備（如功放設(shè)備）的調(diào)整，網(wǎng)管單元將通過(guò)測(cè)控站的站控單元的網(wǎng)管代理生成對(duì)測(cè)控站的發(fā)射調(diào)整指令，并通過(guò)接收衛(wèi)星的遙測(cè)信息完成狀態(tài)確認(rèn)。

3.3 業(yè)務(wù)規(guī)劃和執(zhí)行

（1）業(yè)務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)的資源調(diào)度單元負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理單元獲取衛(wèi)星的資源信息和信關(guān)站的信道狀態(tài)，并綜合呈現(xiàn)給業(yè)務(wù)管理員。

（2）管理員在業(yè)務(wù)規(guī)劃單元根據(jù)特種通信任務(wù)規(guī)劃，選擇使用的波束資源、子信道轉(zhuǎn)發(fā)資源、地面信道的資源，并根據(jù)任務(wù)規(guī)劃生成業(yè)務(wù)配置腳本。

（3）資源調(diào)度單元按照業(yè)務(wù)配置腳本的要求，觸發(fā)對(duì)衛(wèi)星和地面信關(guān)站的配置。其中，對(duì)衛(wèi)星的配置，由資源調(diào)度單元生成載荷的注數(shù)指令，配置衛(wèi)星的波束指向、頻段交換關(guān)系等信息；對(duì)地面信關(guān)站的配置，由資源調(diào)度單元生成對(duì)網(wǎng)管單元的配置需求指令，進(jìn)而由網(wǎng)管單元通過(guò)網(wǎng)管協(xié)議完成對(duì)信關(guān)站信道單元的配置，或生成對(duì)衛(wèi)通終端的配置參數(shù)，當(dāng)終端入網(wǎng)時(shí)，將相關(guān)參數(shù)經(jīng)衛(wèi)星信道下發(fā)給衛(wèi)通終端，完成通信規(guī)劃的執(zhí)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)概念的實(shí)現(xiàn)和普及，催生了大量的商業(yè)衛(wèi)星公司，特別是針對(duì)商業(yè)通信衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)，已進(jìn)入到蓬勃發(fā)展的時(shí)期，各商業(yè)公司為了有效的管理復(fù)雜的衛(wèi)星載荷和整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的管理和業(yè)務(wù)系統(tǒng)，需要將傳統(tǒng)的衛(wèi)星測(cè)運(yùn)控系統(tǒng)與地面網(wǎng)絡(luò)管理和業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)一步做綜合化處理。本文提出了一種針對(duì)商業(yè)通信衛(wèi)星的測(cè)運(yùn)控一體化架構(gòu)，將系統(tǒng)劃分為“信號(hào)傳輸處理子系統(tǒng)”、“衛(wèi)星運(yùn)行管理子系統(tǒng)”、“網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理子系統(tǒng)”和“業(yè)務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)”等四個(gè)部分，并針對(duì)其系統(tǒng)組成、功能描述、接口關(guān)系以及由上述各部分配合實(shí)現(xiàn)的若干典型的工作流程做了詳細(xì)的描述。

該架構(gòu)通過(guò)將衛(wèi)星的測(cè)控、運(yùn)控、網(wǎng)管、業(yè)管等各部分功能實(shí)體形成標(biāo)準(zhǔn)的模塊定義，并利用模塊、單元、分系統(tǒng)等各級(jí)接口協(xié)議，將各部分功能有機(jī)的結(jié)合在一起，形成高度自動(dòng)化的測(cè)運(yùn)控一體化架構(gòu)。該架構(gòu)對(duì)于提升網(wǎng)絡(luò)管理效率，特別是衛(wèi)星的在軌管理，降低整個(gè)運(yùn)營(yíng)人員和設(shè)備的成本都有巨大的幫助，能夠大大降低商業(yè)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)公司管理衛(wèi)星資產(chǎn)的難度。