天基测控现状分析及在商业航天应用研究
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来源：未来宇航
摘要
使用天基卫星星座对近地卫星测控，可以直接建立卫星管理者与卫星之间的联系，省去了地面站建设，测控覆盖率极大扩展，而且测控频率申请难的问题也迎刃而解。我们对使用天基系统测控近地卫星进行了可行性分析，总结了国内外研究成果和成功的应用经验，完成的仿真计算结果表明，基于现有的地球同步卫星和近地卫星星座，可以满足不同要求的近地卫星在轨运行需求，为我国民商用卫星测控提供一个与现有测控体系完全不同的简单、高效、和低成本的测控手段。
传统的卫星测控需要申请测控频率、建设地面测控站和维持其日常运行，为了提高测控覆盖率，还需要建设多个地面站。商业卫星、特别是微小卫星的测控需求强调可用、高效和低成本，继续沿用传统的测控套路，从频率申请、接口对接到日常运行，过程复杂且耗资不菲。大口径、多波束和高增益的通信卫星已经使地面用户可以在全球任意地点利用手机进行通信，如果在近地卫星上安装高性能的收发机，把近地卫星当成一个移动终端使用，卫星测控中心就能随时与卫星建立联系，接收卫星发送的遥测数据和发送遥控指令，就可以利用现有的卫星通信系统建立起覆盖全球的近地卫星测控网。
1 利用地球同步卫星测控近地卫星
1.1 中继卫星为近地卫星测控服务
地球同步轨道均匀分布3颗中继卫星可以彻底克服地球的遮挡，实现低轨卫星和地面目标的100％覆盖，如图 1所示。相关数据表明美国中继卫星系统平均每天可以为近地卫星提供405圈、每圈72min的测控服务，表 1是其为典型近地卫星提供测控服务情况统计，根据这些卫星的轨道高度分析，可以看出它们完全依靠中继卫星系统完成日常在轨管理任务。欧空局也重视发展中继卫星为飞船和对地观测卫星提供数据中继服务，欧洲第二代中继卫星为“哨兵”观测卫星提供50%以上的业务数据传输，同时还为“伽利略”卫星等提供测控服务。
图 1 中继卫星覆盖及中继卫星系统组成
表 1 TDRS为典型近地卫星提供测控服务统计
用户卫星 | 业务类型 | 返向速率（kbps） | 使用情况 |
HST | SMA | 4 | 30圈/d、40min/圈 |
GRO | SMA | 128 | 20圈/d、45min/圈 |
COBE | SMA | 4 | 7圈/d、12 min/圈 |
LAND-SAT | SMA | 128 | 3圈/d、15min/圈 |
ERBS | SMA | 128 | 4圈/d、25min/圈 |
EUVE | SMA | 128 | 7圈/d、25 min/圈 |
TOPEX | SMA | 128 | 12圈/d、40 min/圈 |
近地卫星要利用中继卫星测控，就必须安装中继终端，接收中继卫星转发的前向指令和注入数据、向中继卫星发送用户目标产生的返向数据或测距信息．通常采用全向宽波束天线的S频段中继终端，目前，美国中继终端已经发展到第四代，其重量小于1kg、功率小于5W，使用全向螺旋天线、微带天线或相控阵天线。
1.2 同步通信卫星为近地卫星测控服务
美国曾经在上世纪90年代未开展利用地球同步轨道的国防卫星通信系统（DCDS）和先进通信技术卫星（ACTS）对低轨卫星低成本通信的研究，图 2是利用DCDS对近地卫星通信的系统组成，错误！未找到引用源。是在近地卫星功放功率40W、天线增益28.5dB（对应口径0.5m）、频率7.5GHz、通信速率2Mbps，双方使用定向天线的条件下的链路计算结果，链路余量2 dB，表明了利用地球同步通信卫星对近地卫星测控的可行性。
图 2 利用DCDS对近地卫星通信的系统组成
2015年国际移动卫星组织（Inmarsat）与新加坡增值创新（AVI）公司联合进行了利用海事卫星与近地轨道小卫星实时通信、指挥与控制的技术。初步具备了为卫星运营者提供国际卫星数据中继服务（IDRS）。此项数据中继服务将使运营者能掌握卫星实时情况并基于信息交换作出快速响应。AVI公司的研发人员在2012年提出，运营者可以通过将数据中继到地球同步轨道L波段通信星座“国际移动卫星组织”-4和“宽带全球区域网”（BGAN）进行数据中继，进而解决与近地轨道卫星通信不连续的问题。工程师对BGAN的移动卫星终端进行了重新设计，降低尺寸并延长使用寿命。首个IDRS的L波段终端包括一个主接收器和一个备接收器，于2015年12月搭载6U立方星Velox-2发射。AVI公司通过Inmarsat-4星座向Velox-2卫星发送指令和接收数据，试验非常成功。IDRS接收器的硬件可重构，进而使卫星用于不同任务。IDRS客户购买通信服务的方式与个人购买移动装置数据包的方式一样。费用与数据运营者每月与卫星交换的数据量有关。
2 利用近地卫星测控
2.1 铱星测控
铱星系统由780km的 66颗星组成，采用星间链路，提供全球话音服务。Qarman卫星由Von Karman Insittute (VKI)生产，体积30cm×10cm×10cm，重量小于4kg，用于验证小卫星返回技术，其任务过程如图 3所示。由于卫星过黑障时无法通信，因此设计在卫星出黑障后，将黑障过程的数据存贮，出黑障后利用铱星系统将存贮的20 分钟数据在5分钟内回
图 3 Qarman卫星任务过程
放完毕。考虑到要传输尽量多的数据，链路余量很重要，Qarman卫星选择了铱星系统而不是同步卫星进行通信。图 4是Qarman使用铱星传输阶段划分和接收效果，右上角数据接收量与预期比较的结果，它表明卫星离地面越近，接收效果越好。
图 4 Qarman使用铱星传输阶段划分和接收效果
2.2 Orbcomm测控
Orbcomm卫星星座由分布在4个轨道面的32颗卫星组成，轨道高度825km，倾角45°，为地面提供短消息服务。OHB Technology公司利用其Rubin-1到Rubin-5小卫星系列进行了多次使用Orbcomm系统和互联网的天基测控试验，如图 5所示，Orbcomm的天线安装在太阳帆板顶端。图 6是Rubin系统卫星使用Orbcomm通信的两种模式。
图 5 利用Orbcom卫星测控系统组成和测控天线安装位置
图 6 Rubin使用Orbcomm的两种模式
（1） Rubin-1试验
2000年7月Rubin-1发射，在5天的试验时间里，通过互联网收到了1600条E-mail信息，验证了基于Orbcomm进行小卫星测控的可行性。Rubin-1与Orbcomm卫星之间最长通信距离7500km。
图 7 基于Orbcomm的Rubin-1测控原理
（2） Rubin-2试验
2002年发射的Rubin-2是第一个完全使用互联网和Orbcomm系统卫星测控的小卫星， 轨道高度650 km,倾角 64.56°，其Orbcomm终端性能指标如图，卫星重30kg，功率20W。试验结果表明：30%的信息可以在1分钟内收到、 90%的信息可以在10分钟内收到，每条信息长度为229byt，一天信息传输总量为30KB。
图 8 Rubin-2卫星Orbcomm通信终端指标和测控系统组成
2.3 Globalstar测控
Globalstar系统由分布在8个轨道面上32颗卫星组成，轨道倾角为52°、高度1400km。表 2是我们计算利用Globalstar系统对轨道高度500km和700km，倾角为60°和97°的近地卫星测控覆盖情况，它表明利用Globalstar系统跟踪一颗500km、97°太阳同步轨道卫星卫星，一天跟踪128次，每次平均跟踪时间149 s，一天的总跟踪时长29034秒，测控覆盖率为33%。
由于Globalstar重点是保障低纬度地区通信，因此近地卫星在过极区时，有较长时间无法通信，图 9是我们对Globalstar对600km 卫星测控的覆盖情况分析，可以看出在两个极区的通信间隙较大在，图 10表明在赤道附近覆盖情况明显改善。
图 9 Globalstar对600km 卫星测控时，在两个极区有较长时间无法通信
图 10 Globalstar对600km 卫星测控时，在赤道区附近通信链路密集
表 2 Globalstar一天内对近地卫星的测控可见计算结果
近地卫星 | 可见次数/day | 平均可见时间/sec | 最短可见时间/sec | 最长可见时间/sec | 可见总时间/sec | 最长不可见时间/sec |
500km、97° | 128.5 | 149.0 | 10.1 | 309.2 | 29034.9 | 1271.1 |
500km、60° | 94.0 | 279.3 | 25.8 | 1281.8 | 45510.9 | 1296.1 |
700km、97° | 105.0 | 111.6 | 6.1 | 261.4 | 20844.5 | 1355.8 |
700km、60° | 72.5 | 259.8 | 12.5 | 1383.4 | 34618.5 | 1439.5 |
TSAT是一个成功使用Globalstar星座测控的例子。图 11是TSAT卫星在不同姿态条件下的链路建立成功率及使用Globalstar星座测控费用，可以看出在天线对天情况下，链路建立最好，成功率达到82%，即使在卫星姿态以2转/分钟旋转的情况下，链路建立的成功率也能达到57.7%。GEARRS2卫星也利用Globalstar通信，它的经验表明，甚至在卫星姿态翻转时也能达到85%的通信率，这一能力证明了利用Globalstar对近地卫星测控的可靠性。TSAT卫星在2014年试验时，由于功率限制，40天的任务接收1MByte数据，花费4000美元。
图 11 TSAT卫星在不同姿态条件下的链路建立成功率及使用Globalstar星座测控费用
3 结论
利用高轨卫星和低轨卫星进行测控，在同样的频率条件下，路径损耗相差30dB左右，因此对于微小卫星测控，尽管在覆盖面积方面无法像同步卫星一样实现连续覆盖，但可以使用低增益的全向天线和低功率放大器，因此更适用于微小卫星的测控，而在现有的Iridium、Orbcomm和Globalstar三个低轨卫星星座中，由于前两者的轨道高度只有800km左右，与需要测控的微小卫星轨道高度太接近，导致覆盖率无法满足要求，而Globalstar的轨道高度为1400km，对一颗600km的近地卫星测控，一圈平均能跟踪7次、每次平均跟踪时间300 s、一圈的测控时间30分钟左右，传输速率可达9.6kbps，，完全可以满足卫星测控的需求，因此利用Globalstar对轨道高度800km的近地卫星测控是实现可行的，而且有近年国外成功的先例。
本文作者简介：
关晖，北京宇航智科科技有限公司CEO，高级工程师，航天测控专业。北京未来宇航空间技术研究院专家智库成员。长期从事卫星长期管理工作，参加实战任务数十次，擅长卫星测控任务组织、协调和演练。获得多项军队科技成果一二三等奖，拥有多项专利。
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