李 瑭，劉保國，湯 達，張謙謙

（北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094）

0 引言

測控（Tracking，Telemetry，and Command，TT&C）通信系統(tǒng)是載人航天工程的重要組成部分之一，是地面與火箭、空間站及航天員聯(lián)系的唯一通道，被形象地稱為放飛“風箏”的“線繩”，是航天器和航天員的“生命線”，也是控制飛行的“指揮棒”。測控通信手段分為地基和天基2 類，其中，地基測控手段包括陸上的測控站和海上的測量船，其優(yōu)勢在于陸上分布范圍廣、海上靈活機動，能夠保證發(fā)射、返回等關鍵任務的可靠性，但測控站和測量船的測控覆蓋能力有限，采用擴充地基站網(wǎng)的辦法不能從根本上解決高軌道覆蓋的問題［1］；天基測控通信手段主要有中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（Tracking and Data Relay Satellite，TDRSS）和衛(wèi)星導航系統(tǒng)，由于基本不受地球曲率的影響，天基手段具有較高的軌道覆蓋率［2］，具備長時間建立天地通道的技術條件。在以往載人航天任務中，采用“地基為主、天地聯(lián)合”的保障模式。

隨著2021 年4 月29 日天和核心艙成功發(fā)射入軌，標志著中國載人航天進入了空間站時代，并在2 年時間內(nèi)建成空間站三艙“T”字構(gòu)型組合體?？臻g站作為我國大型太空實驗室，將在軌運營10 年以上，開展大量在軌試驗及實驗，不斷產(chǎn)出科學和技術成果。期間，定期發(fā)射載人飛船進行航天員輪換，發(fā)射貨運飛船進行貨物上行與推進劑補加。

進入空間站時代后，測控通信系統(tǒng)需解決以下難點問題。

1）保障時間更長：測控通信系統(tǒng)在航天器發(fā)射、在軌運行、離軌和返回期間全程在線，為全部航天器提供全壽命保障，在空間站時代，需常年不間斷地提供服務。

2）覆蓋要求更高［3］：空間站在軌運行期間，頻繁開展交會對接、航天員出艙活動、太空科普活動、推進劑補加、平臺巡檢等關鍵事件，期間需持續(xù)與航天員保持聯(lián)絡，這些對測控通信覆蓋率提出較高的要求。

3）數(shù)據(jù)傳輸能力更強：建立空間站的主要目的之一是空間應用，空間站的問天和夢天2 個實驗艙配置多個載荷，且在長期運營期間按需更換實驗載荷，每天都會產(chǎn)生海量的實（試）驗數(shù)據(jù)，需及時下傳到地面進行分析挖掘，對天地信道傳輸速率提出了更高的要求。

4）航天員在軌服務更優(yōu)質(zhì)：每個航天員乘組在空間站駐留半年左右，為航天員提供良好的生活娛樂條件和高品質(zhì)的天地聯(lián)絡方式，比如便捷的在軌上網(wǎng)服務、清晰的天地視頻通話等。

5）應急處置更及時：航天員長期在軌，其身體狀況和航天器平臺狀態(tài)出現(xiàn)異常的可能性增大，需及時發(fā)現(xiàn)并有效處置，確保航天員在軌安全駐留。

本文基于空間站時代對測控通信系統(tǒng)提出的需求與挑戰(zhàn)，梳理了天基測控通信手段的功能特點，并針對空間站任務典型關鍵事件和常態(tài)化保障場景，提出了天基測控通信工作模式。

1 天基測控通信手段

1.1 TDRSS

我國的“天鏈號”中繼衛(wèi)星部署在36 000 km 高的地球同步軌道，分別定點于太平洋上空、印度洋上空和非洲上空共3 個節(jié)點，聯(lián)合使用可實現(xiàn)對空間站軌道100%覆蓋。

TDRSS 通過不同頻段的多種鏈路，為用戶航天器提供的測控通信服務，包括S 頻段和Ka 頻段，從鏈路能力上分為單址鏈路和多址鏈路。

1）單址鏈路

數(shù)據(jù)傳輸能力較強，能為我國“天宮”空間站提供最大1.2 Gbit/s 的返向數(shù)據(jù)傳輸能力，利用該通道可傳輸遙測、遙控、圖像、話音、載荷等數(shù)據(jù)。

2）多址鏈路

S 頻段多址（S-Band Multiple Access，SMA）鏈路可提供連續(xù)業(yè)務和短報文業(yè)務。在連續(xù)業(yè)務模式下，鏈路為用戶專用，可為空間站傳輸前返向話音和關鍵遙測信息；短報文模式下，鏈路為多用戶分時使用，傳輸遙控和關鍵遙測信息。中繼衛(wèi)星具有SMA 全景波束［4］覆蓋能力，通過多個返向靜態(tài)波束拼接，實現(xiàn)中繼衛(wèi)星對地可視范圍內(nèi)的返向全域覆蓋，如圖1 所示。如每10 s 發(fā)送1 條短報文，每顆中繼衛(wèi)星可服務不少于1 000 個用戶［5］；利用中繼多址波束的切換敏捷性［6］，可快速、分時地為多目標提供前向數(shù)據(jù)傳輸服務。

圖1 中繼衛(wèi)星全景波束覆蓋Fig.1 Diagram of the panoramic beam coverage for the tracking and data relay satellites

1.2 衛(wèi)星導航系統(tǒng)

目前，提供服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)包括北斗、GPS 和GLONASS，其中我國的北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)功能最為全面，可提供定位服務、授時服務和短報文傳輸業(yè)務。如圖2 所示，北斗三號衛(wèi)星導航系統(tǒng)由部署在地球同步軌道、傾斜軌道和中軌道的共計45 顆衛(wèi)星組成，已形成全球衛(wèi)星導航能力，能夠100%覆蓋空間站運行軌道。

圖2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)Fig.2 Beidou navigation system

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)可提供的服務能力為：水平定位精度約1.52 m，垂直定位精度約2.64 m，測速精度優(yōu)于0.1 m/s，授時精度優(yōu)于20 ns。全球短報文業(yè)務可實現(xiàn)對軌道高度1 000 km 以下航天器的全球覆蓋［7］，解決低軌衛(wèi)星發(fā)生故障后，衛(wèi)星境外長時間無測控資源支持而導致無法及時處置的問題，提高衛(wèi)星執(zhí)行任務、故障處置的實時性和時效性［8］。全球短報文傳輸服務1 次可傳輸560 bit 數(shù)據(jù)［9］，最高傳輸頻度為3 s 發(fā)送1 條，利用這個通道，承載關鍵遙測信息、航天員短消息和定位數(shù)據(jù)，確定常態(tài)化軌道并監(jiān)視狀態(tài)，在應急情況下天地互發(fā)短消息。

2 天基為主的保障模式

2.1 多星多艙段接力保障航天員出艙

航天員出艙活動具有持續(xù)時間長、天地協(xié)同復雜、時間彈性大等特點，需接近全程的高覆蓋測控通信，保證航天員與地面支持團隊實時保持話音和圖像聯(lián)系，指揮和輔助艙外活動工作的順利開展。

載人航天工程早期，航天員出艙活動由測控站和測量船搭接形成基本連續(xù)的測控區(qū)，在軌道條件較為理想時，基本連續(xù)的測控區(qū)最長僅有43 min［10］，無法滿足空間站任務數(shù)小時的連續(xù)艙外活動需求，須依靠天基測控手段進行保障。

常規(guī)保障模式使用西、東2 個節(jié)點的中繼衛(wèi)星，先后與空間站天和艙建立鏈路，提供全功能測控通信服務，但因測控通信覆蓋率與中繼終端天線性能、中繼衛(wèi)星資源使用策略［11］等密切相關，常規(guī)保障模式暫無法達到100%覆蓋。主要制約因素為：1）限于天和艙的窄波束中繼終端天線工作視場范圍，不能全程對中繼衛(wèi)星可視，空白部分超過10 min；2）中繼鏈路在傳輸有效數(shù)據(jù)前，先建立射頻通道，這個過程最長為分鐘量級；3）天和艙中繼終端天線在西、東節(jié)點中繼衛(wèi)星間進行鏈路切換時，轉(zhuǎn)動天線的過程為分鐘量級。

為此，充分挖掘在軌多顆中繼衛(wèi)星的資源優(yōu)勢和空間站多艙段多天線的視場特點，提出解決方案。針對天和艙單艙窄波束中繼終端天線工作視場范圍有限的現(xiàn)狀，綜合利用問天艙、夢天艙窄波束中繼終端天線安裝角度與天和艙不同的特點，組合使用不同天線擴大視場范圍，實現(xiàn)全程對中繼衛(wèi)星可見；對于中繼鏈路建立過程和空間站艙段中繼天線切換過程，通過多艙段多鏈路弧段重疊設計，將鏈路建立過程、天線切換過程與鏈路跟蹤并行實施，不占用主流程時間。例如，設置相鄰2 個中繼衛(wèi)星任務弧段的重疊時長不少于3 min。當前弧段結(jié)束前，完成下一個弧段的空間站艙段中繼天線指向調(diào)整、前返向中繼鏈路建立、發(fā)送填充數(shù)據(jù)；當前弧段結(jié)束時，所需發(fā)送的有效數(shù)據(jù)由上一顆中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)為下一顆中繼衛(wèi)星。

基于問天艙、夢天艙及天和艙的中繼天線視場范圍，在空間站3 艙組合體“T”字構(gòu)型下，問天艙最早“可見”中繼衛(wèi)星，夢天艙最晚“可見”中繼衛(wèi)星。根據(jù)該特點，提出以下2 種中繼跟蹤方案，實現(xiàn)測控通信覆蓋最大化。

方案1 是3 顆中繼衛(wèi)星與3 個空間站艙段的配對方案，形成3 個組合：組合1 是“西節(jié)點中繼衛(wèi)星與問天艙”，組合2 是“中節(jié)點中繼衛(wèi)星與天和艙”，組合3 是“東節(jié)點中繼衛(wèi)星與夢天艙”。每個組合對應1 個任務弧段，相鄰2 個任務弧段有一定程度的重疊，3 個組合按照“組合1—組合2—組合3”的流程接力，聯(lián)合覆蓋整個軌道周期，可將全功能測控通信覆蓋率提升至100%，如圖3 和圖4 所示。圖中，藍色和紅色的“圓圈”是常規(guī)保障模式的中繼覆蓋區(qū)，在美洲上空存在10 min 以上的空白區(qū)域；藍色、綠色和紅色軌道區(qū)域采用多星多艙段跟蹤方法時，西節(jié)點、中節(jié)點和東節(jié)點中繼衛(wèi)星的測控覆蓋區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道全覆蓋。

圖3 3 顆中繼星接力跟蹤空間站3 個艙段的模式Fig.3 Diagram of the three-satellite and three-module relay mode

圖4 3 星3 艙段接力模式測控通信覆蓋Fig.4 Diagram of the TT&C and communication coverage of the three-satellite and three-module relay mode

方案2 是4 顆中繼衛(wèi)星與2 個空間站艙段的配對方案，形成4 個組合：組合1 是“西節(jié)點中繼衛(wèi)星與問天艙”，組合2 是“中節(jié)點中繼衛(wèi)星與夢天艙”，組合3 是“東節(jié)點中繼衛(wèi)星1 與問天艙”，組合4 是“東節(jié)點中繼衛(wèi)星2 與夢天艙”。每個組合對應1 個任務弧段，相鄰兩個任務弧段一定程度重疊，4 個組合按照“組合1—組合2—組合3—組合4”的流程接力，也能聯(lián)合實現(xiàn)對整個軌道周期的覆蓋。

2 種方案對應的中繼衛(wèi)星接力跟蹤流程如圖5所示。

圖5 多星多艙段接力跟蹤流程Fig.5 Flow chart of multi-module tracking with multiple satellites

對2 種方案的特點進行比較，結(jié)果表明，方案1的優(yōu)勢為占用的中繼衛(wèi)星資源相對較少（3 顆星），且空間站艙段故障時損失的測控覆蓋率相對較小（約33%），但需循環(huán)使用空間站問天、天和和夢天3 個艙段；方案2 的優(yōu)勢為僅循環(huán)使用空間站問天和夢天2 個艙段，但占用中繼衛(wèi)星資源相對較多（4 顆星），且空間站艙段故障時損失的測控覆蓋率相對較大（約50%）。

2.2 多手段共同保障常態(tài)化安全運行

1）北斗短報文業(yè)務

北斗短報文業(yè)務覆蓋全球，作為中繼衛(wèi)星測控區(qū)外的基本監(jiān)視手段，可將監(jiān)視范圍擴展至壽命全程。夢天實驗艙配置了北斗短報文終端，可利用北斗短報文業(yè)務通道傳輸空間站定位數(shù)據(jù)、關鍵遙測和航天員短消息，按照緊急重要程度不同，設定3 類數(shù)據(jù)的傳輸優(yōu)先級。完整的北斗短報文傳輸系統(tǒng)由航天器配置的北斗短報文終端、北斗衛(wèi)星全球系統(tǒng)、地面飛行控制中心配置的北斗短報文地面接入系統(tǒng)等組成，3 類信息的傳輸路徑呈“M”形，傳輸流程如圖6 所示。

圖6 北斗短報文業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.6 Diagram of the data transmission process for the Beidou short message service

2）中繼SMA 鏈路連續(xù)業(yè)務

中繼衛(wèi)星SMA 鏈路天線為相控陣形式，天線返向波束數(shù)量多且指向調(diào)整快，能夠同時為眾多用戶提供返向連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。因此，基于中繼SMA 返向鏈路連續(xù)業(yè)務的特點，建立常態(tài)化值班模式，提供關鍵狀態(tài)監(jiān)視和應急話音通信手段；同時，使用SMA 前向鏈路作為應急話音通信備用手段。該方案能夠保證每圈次都有60%以上的天地聯(lián)系時段，為發(fā)現(xiàn)和處置航天器及航天員異常情況提供有效的手段。實施流程如圖7 所示。

圖7 基于中繼SMA 鏈路連續(xù)業(yè)務的應急處置流程Fig.7 Emergency response process for the continuous service based on the SMA links of tracking and data relay satellites

3）中繼SMA 鏈路短報文業(yè)務

應用中繼衛(wèi)星SMA 全景靜態(tài)波束模式，在波束覆蓋范圍內(nèi)以10 s 左右間隔周期性發(fā)送短報文，下傳部分關鍵遙測數(shù)據(jù)；有異常狀態(tài)報告時，可隨時發(fā)送返向報文。需對空間站進行上行控制時，無需申請資源，即可使用中繼SMA 前向-短報文鏈路向空間站發(fā)送控制指令，指令接收執(zhí)行情況可通過返向短報文實時反饋。

3 種手段均未占用中繼衛(wèi)星的單址天線資源，而是作為全功能天基測控通信鏈路的補充，綜合實現(xiàn)軌道測量、遙測、遙控、話音和短消息傳輸，以高效費比、自主可控的方式為空間站和航天員提供基本的在軌安全保障。

2.3 天地一體網(wǎng)絡化技術提供優(yōu)質(zhì)服務

空間站時代，測控通信系統(tǒng)對天地一體網(wǎng)絡化信息傳輸技術（IP over CCSDS 技術）進行改進，將地面互聯(lián)網(wǎng)技術“搬移”到天地之間，使空間站與地面形成一張網(wǎng)。

天地信道與地面網(wǎng)絡通信條件不同，具有非對稱（前返向容量比為1∶60）、空間時延大（250 ms 以上）等顯著特征［12］，所以地面標準傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）協(xié)議直接應用于天地網(wǎng)絡環(huán)境時，傳輸性能會下降（僅幾十至幾百kbit/s）［13-15］。解決該問題的主要途徑如下。

1）緊貼空間站任務需求，基于天地信道高級在軌系統(tǒng)（Advanced Orbit System，AOS）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立全新網(wǎng)絡層，形成統(tǒng)一設計、統(tǒng)一標準的天地一體網(wǎng)絡化測控通信體制。

2）基于IP 技術的空間信息網(wǎng)絡化傳輸協(xié)議體系，研究確定鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層網(wǎng)絡化協(xié)議全套配置，適用于航天員在軌上網(wǎng)、圖像話音數(shù)據(jù)通信、載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀黝惾蝿請鼍啊?/p>

3）采用基于機器學習的天地網(wǎng)絡TCP 傳輸性能優(yōu)化方法［16］，將在軌上網(wǎng)速率提升至6 Mbit/s（下載）/12 Mbit/s（上傳）左右，大幅改善航天員網(wǎng)絡服務體驗。

應用天地一體網(wǎng)絡化技術，航天員雖在遙遠的太空，仍可與家人進行網(wǎng)絡通話和視頻聊天，可在軌訪問地面局域網(wǎng)絡，發(fā)送電子郵件、瀏覽網(wǎng)頁、文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）下載等。

2.4 多星多目標保障交會對接

空間站時代，航天器交會對接以快速交會對接為主，追蹤飛行器在幾圈時間內(nèi)完成多次變軌并不斷靠近目標飛行器，直至與目標飛行器對接形成組合體。交會對接過程關鍵動作密集，需要TDRSS提供高覆蓋率支持［17］，進行軌道測量、狀態(tài)監(jiān)視和必要的控制。在此期間，TDRSS 需同時為追蹤飛行器和目標飛行器提供測控通信支持。在交會對接初期和中期，合理分配3 個節(jié)點的中繼衛(wèi)星資源，按照不同需求分別跟蹤2 個飛行器，一般使用2 顆中繼衛(wèi)星跟蹤追蹤航天器，使用1 顆中繼衛(wèi)星跟蹤目標航天器；在交會對接后期，2 個目標距離較近，同時處于中繼衛(wèi)星天線的可視范圍內(nèi)，使用1 顆中繼衛(wèi)星可滿足2 個目標同時測控通信的需求，測控通信工作流程如圖8 所示。該模式靈活適應天舟五號2.0 h 快速交會對接、神舟十五號6.5 h 快速交會對接等任務場景。

圖8 交會對接任務測控通信工作流程Fig.8 Flow chart of TT&C and communication for rendezvous and docking missions

3 結(jié)束語

在空間站轉(zhuǎn)入長期在軌運營階段后，TDRSS、北斗導航系統(tǒng)等天基測控通信手段將發(fā)揮更重要的作用。通過確立天基為主的測控通信模式，優(yōu)化完善測控通信系統(tǒng)配置和應用方案，對提高測控通信可靠性、魯棒性，實現(xiàn)全天時、全天候可靠服務，以及有效支撐航天員在軌工作生活和空間應用效益發(fā)揮具有重要意義。