謝 羿，歐陽佶，冉旭東，孫家豪，劉 陽

（國防科技大學(xué) 系統(tǒng)工程學(xué)院，湖南 長沙 410072）

天基測(cè)控系統(tǒng)是對(duì)運(yùn)載火箭、低中高軌航天器、戰(zhàn)略武器、深空航天器及各類航天飛行器飛行的各個(gè)階段完成測(cè)量和控制的系統(tǒng)，是航天工程的重要組成。在實(shí)際的天基測(cè)控任務(wù)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器全空域全時(shí)間段的跟蹤測(cè)控，往往需要借助于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是利用高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)中低軌飛行器數(shù)據(jù)傳輸和跟蹤測(cè)軌的空間信息傳輸系統(tǒng)，是世界航天大國必備的航天基礎(chǔ)設(shè)施[1]。目前，我國已初步建成多星組網(wǎng)的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，并將不斷提高完善，結(jié)合我國航天任務(wù)的發(fā)展及中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的特點(diǎn)，明確應(yīng)用需求，合理規(guī)劃應(yīng)用方向，以優(yōu)化我國天基測(cè)控網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，提升我國天基測(cè)控的能力。

我國目前正在建設(shè)的北斗全球系統(tǒng)由地球同步軌道衛(wèi)星（Geostationary Earth Orbit，GEO），傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，IGSO），中圓地球軌道衛(wèi)星（Medium Earth Orbit，MEO）3層星座組成，其中MEO星座的高度也在兩萬公里左右，具有中繼衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)具備的高覆蓋率特性，且北斗全球系統(tǒng)的MEO星座可以全空域覆蓋，若天基測(cè)控系統(tǒng)可以借助北斗全球系統(tǒng)的導(dǎo)航星座，可以使天基測(cè)控系統(tǒng)全空域測(cè)控上述各類測(cè)控目標(biāo)，包括運(yùn)載火箭、高中低軌航天器、戰(zhàn)略武器、載人航天器、高軌衛(wèi)星，甚至深空航天器。本文研究結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

1 測(cè)控任務(wù)需求分析

天基測(cè)控系統(tǒng)跟蹤測(cè)量與監(jiān)視控制航天器，是通過接收航天器專用數(shù)據(jù)信息或載人航天器內(nèi)航天員語音信息，檢測(cè)和控制航天器上各種裝置和系統(tǒng)的工作，實(shí)現(xiàn)航天器狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)的測(cè)定和控制。

天基測(cè)控系統(tǒng)的主要任務(wù)可以歸納為4個(gè)方面[3]。

（1）跟蹤測(cè)量運(yùn)載火箭、航天器的飛行軌跡，獲取各分系統(tǒng)的工作和環(huán)境狀態(tài)，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)加以分析，判斷航天器飛行軌道的正確性和航天器對(duì)空間環(huán)境的適應(yīng)性，為改變航天器軌道、飛行程序和工作狀態(tài)及改進(jìn)航天器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）完成實(shí)時(shí)控制或程序控制，使航天器達(dá)到預(yù)定的軌道，得到所需的姿態(tài)。

（3）接收航天器內(nèi)部各分系統(tǒng)的工況參數(shù)、反映航天員生理狀態(tài)的遙測(cè)信息以及話音、電視圖像等專用信息，航天控制中心對(duì)這些信息進(jìn)行記錄、顯示、處理，供實(shí)時(shí)和事后分析使用。

圖1 研究結(jié)構(gòu)流程

（4）對(duì)于要求高精度定位的應(yīng)用衛(wèi)星（如導(dǎo)航衛(wèi)星、測(cè)地衛(wèi)星、高分辨率偵察衛(wèi)星），由測(cè)控網(wǎng)向用戶提供準(zhǔn)確的衛(wèi)星位置（或軌道）數(shù)據(jù)和相應(yīng)的時(shí)間等數(shù)據(jù)，作為應(yīng)用數(shù)據(jù)處理的基準(zhǔn)信息。

天基測(cè)控系統(tǒng)由航天控制中心和若干配有跟蹤測(cè)量、遙控和遙測(cè)設(shè)備（簡稱TTC設(shè)備）的天基測(cè)控站（包括測(cè)量船）組成。不管是地基，還是天基，所有的測(cè)控資源都由中心來計(jì)劃、控制和使用，航天控制中心通過測(cè)控通信網(wǎng)與各測(cè)控站構(gòu)成一個(gè)綜合系統(tǒng)。我國天基測(cè)控系統(tǒng)由發(fā)射和測(cè)控中心、若干陸地固定和機(jī)動(dòng)測(cè)控站及航天測(cè)量船組成。已由UHF，S，C 3個(gè)頻段TTC設(shè)備組成的天基測(cè)控系統(tǒng)，具備完成第二代衛(wèi)星、載人航天工程的測(cè)控支持能力。

在對(duì)天基測(cè)控系統(tǒng)的主要任務(wù)進(jìn)行分析后，將天基測(cè)控需求歸納為以下3個(gè)方面[4]。

（1）天基測(cè)控系統(tǒng)執(zhí)行全空域?qū)崟r(shí)測(cè)控任務(wù)需要，此類測(cè)控任務(wù)為天基測(cè)控系統(tǒng)建設(shè)所需。

（2）在天基測(cè)控系統(tǒng)執(zhí)行全空域?qū)崟r(shí)測(cè)控任務(wù)期間，其所處空域超出境內(nèi)地面站可視空域時(shí)，天基測(cè)控系統(tǒng)急需與境內(nèi)站通信聯(lián)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)控需求。此刻便需要借道其他空間系統(tǒng)星地、星間信道資源，以實(shí)現(xiàn)天基測(cè)控目標(biāo)與境內(nèi)地面站的實(shí)時(shí)測(cè)控要求。

（3）天基測(cè)控系統(tǒng)執(zhí)行全空域?qū)崟r(shí)測(cè)控任務(wù)時(shí)，借道其他空間系統(tǒng)星地、星間信道資源的資源需求[5]。

2 北斗全球系統(tǒng)對(duì)天基測(cè)控任務(wù)分析

2.1 北斗全球系統(tǒng)全球覆蓋性分析

北斗全球系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由GEO，IGSO和MEO 3個(gè)星座組成，其中的MEO星座為24顆MEO衛(wèi)星，采用Walker 24/3/1星座構(gòu)型。北斗全球系統(tǒng)中MEO星座內(nèi)任一MEO衛(wèi)星的信息均可通過星間鏈路一跳或多跳到達(dá)指定地面站，因此，從建鏈拓?fù)鋪砜矗旎鶞y(cè)控系統(tǒng)全空域測(cè)控任務(wù)可以通過北斗全球系統(tǒng)MEO星座中繼后落地境內(nèi)地面站，即北斗全球系統(tǒng)MEO星座支持天基測(cè)控系統(tǒng)全空域測(cè)控任務(wù)的完成，但須經(jīng)過一跳或多跳MEO衛(wèi)星的中繼。

北斗全球系統(tǒng)MEO星座具有最佳的全空域覆蓋特性，可以滿足覆蓋包括運(yùn)載火箭、低中高軌航天器、戰(zhàn)略武器、深空航天器等天基測(cè)控對(duì)象，通過MEO導(dǎo)航星與天基測(cè)控對(duì)象建立的可視鏈路，可以實(shí)現(xiàn)天基測(cè)控系統(tǒng)對(duì)測(cè)控對(duì)象的全空域覆蓋，而IGSO星座和GEO星座則不能全空域覆蓋天基測(cè)控對(duì)象。

支撐MEO星座的基于相控陣通道的星間鏈路技術(shù)已經(jīng)在北斗全球系統(tǒng)試驗(yàn)星之間基本驗(yàn)證成功，可以支持天基測(cè)控系統(tǒng)全空域測(cè)控對(duì)象之間的中間接入。

通過對(duì)比分析，對(duì)天基測(cè)控系統(tǒng)全空域測(cè)控任務(wù)的支持以北斗全球系統(tǒng)MEO星座支持最佳，IGSO次之，最后才考慮GEO星座。

2.2 北斗全球系統(tǒng)可連接性分析

考慮來自天基測(cè)控系統(tǒng)的全空域測(cè)控信息并不需要北斗全球系統(tǒng)內(nèi)部解析[6]，為了不增加北斗全球系統(tǒng)額外負(fù)擔(dān)，降低對(duì)北斗全球系統(tǒng)影響，北斗全球系統(tǒng)可不對(duì)來自天基測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)控信息作任何解析，而是直接轉(zhuǎn)發(fā)給天基測(cè)控系統(tǒng)或經(jīng)地面站。盡管如此，為了保障天基測(cè)控系統(tǒng)全空域測(cè)控信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，天基測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸體制還是應(yīng)該遵循北斗全球系統(tǒng)的協(xié)議體系[7]。

如何借道北斗全球系統(tǒng)中的導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)施天基測(cè)控目標(biāo)與境內(nèi)地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括通信模式、頻段、體制、通信容量、用戶終端形式、管控方式、協(xié)議規(guī)范等方面內(nèi)容。前三點(diǎn)天基測(cè)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與研制時(shí)可采用與北斗全球系統(tǒng)相同或類似的通信模式。

本文主要從通信容量、用戶終端形式、管控方式以及協(xié)議規(guī)范方面，對(duì)北斗全球系統(tǒng)資源的可利用性分析如下[8]。

（1）在通信容量上，根據(jù)北斗全球系統(tǒng)兩種通信模式不同，基于相控陣天線的單頻時(shí)分的時(shí)域輪詢通信模式下的通信容量為：Q支路速率：1 kbps，I支路速率：15 kbps，31 kbps，55 kbps，93 kbps?；诜瓷涿嫣炀€的雙頻頻分的全時(shí)域通信模式具有較大的通信容量，具體如下：I支路速率：10 kbps，100 kbps，Q支路速率：1 kbps。需要說明的是前期基于反射面天線的通信模式中也有相控陣天線，測(cè)距信息速率為2.5 kbps，但主要用于星間測(cè)距，難以支持天基測(cè)控系統(tǒng)的中繼接入，故此不做深入討論。

無論是基于相控陣天線的單頻時(shí)分通信模式還是基于反射面天線的雙頻頻分通信模式，用于數(shù)傳的Q支路最高數(shù)傳速率可達(dá)（或接近）100 kbps，可用于天基測(cè)控系統(tǒng)非音視頻的低速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)后期啟用星間激光鏈路后，數(shù)傳速率將進(jìn)一步提高。

（2）在用戶終端形式與管控方式上，當(dāng)天基測(cè)控系統(tǒng)需要接入北斗全球系統(tǒng)，借助其導(dǎo)航星中繼轉(zhuǎn)發(fā)天基測(cè)控系統(tǒng)任務(wù)時(shí)，也構(gòu)成了北斗全球系統(tǒng)的一個(gè)用戶終端，只不過該天基測(cè)控系統(tǒng)用戶終端不僅要接收導(dǎo)航星信號(hào)，還要發(fā)送天基測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)給導(dǎo)航星。形式上天基測(cè)控系統(tǒng)地面指控中心可作為北斗全球系統(tǒng)的一個(gè)用戶終端，實(shí)質(zhì)上天基測(cè)控目標(biāo)是北斗全球系統(tǒng)導(dǎo)航星座中的一顆節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星。

（3）在協(xié)議規(guī)范上，北斗全球系統(tǒng)在協(xié)議規(guī)范的設(shè)計(jì)上是從頂層體系出發(fā)的，既考慮了國際標(biāo)準(zhǔn)，又兼顧了前期系統(tǒng)，特別是考慮了未來信息系統(tǒng)尤其是空間信息系統(tǒng)之間的兼容互操作，北斗全球系統(tǒng)是支持其他空間信息系統(tǒng)的接入與管控的。

3 軟件仿真

根據(jù)研究分析的結(jié)果，在組網(wǎng)構(gòu)成上，北斗全球系統(tǒng)的全空域、全時(shí)間段覆蓋性滿足天基測(cè)控需求；在系統(tǒng)對(duì)接上，北斗全球系統(tǒng)具備足夠的兼容性可供天基測(cè)控系統(tǒng)借道。故得出北斗全球系統(tǒng)完全可以用來輔助天基測(cè)控系統(tǒng)執(zhí)行一系列測(cè)控任務(wù)的結(jié)論。本文將北斗全球系統(tǒng)作為天基測(cè)控系統(tǒng)的輔助平臺(tái)，在進(jìn)行模型的搭建與仿真過程中，使用衛(wèi)星工具包（Satellite Tool Kit，STK）仿真軟件建立北斗全球系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型。北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)空間段部分由MEO星座、IGSO星座和GEO星座組成，MEO星座包括相差120°、傾角55°的3個(gè)MEO軌道面，每一軌道面上布局8顆MEO工作衛(wèi)星和1顆MEO備份衛(wèi)星；IGSO星座也包括相差120°、傾角55°的3個(gè)IGSO軌道面，每一軌道面上布局1顆IGSO衛(wèi)星，3顆IGSO衛(wèi)星在地面的投影重合；GEO星座包括5顆GEO衛(wèi)星。

北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)地面控制段部分由1個(gè)主控站MCS、1個(gè)備份主控站BMCS、3個(gè)注入站ULS、7個(gè)一類境內(nèi)監(jiān)測(cè)站MOSA（或稱定軌與時(shí)間同步監(jiān)測(cè)站）、5個(gè)一類境外監(jiān)測(cè)站MOSB、30個(gè)二類監(jiān)測(cè)站MOSC（廣域差分與完好性監(jiān)測(cè)站）等組成。考慮北京站、喀什站、三亞站。地面網(wǎng)由連接北京、喀什和三亞站的TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)組成，仿真對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)建模進(jìn)行了簡化，重點(diǎn)在空間階段。

建立北斗全球系統(tǒng)的STK模型后，將相關(guān)軌道信息導(dǎo)入OPNET以便進(jìn)行具體通信過程的仿真。仿真任務(wù)以低軌衛(wèi)星LEO為測(cè)控目標(biāo)，MEO和GEO分別作為輔助執(zhí)行測(cè)控任務(wù)的中繼衛(wèi)星。仿真目的是獲取LEO在MEO和GEO作為中繼衛(wèi)星時(shí)的傳輸時(shí)延等測(cè)控性能指標(biāo)信息。

通過OPNET建立測(cè)控模型進(jìn)行通信過程分析，MEO和GEO的傳輸時(shí)延結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

圖2 MEO與GEO測(cè)控傳輸時(shí)延對(duì)比

4 結(jié)語

通過仿真發(fā)現(xiàn)，盡管北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)中的MEO具備良好的覆蓋性，通過其可以較好地滿足天基測(cè)控系統(tǒng)全空域測(cè)控的需求，但同時(shí)由于其相對(duì)高速的運(yùn)動(dòng)性和較多的衛(wèi)星數(shù)目。使得在測(cè)控過程中會(huì)出現(xiàn)星間跳數(shù)較多的情況以致在測(cè)控信息傳輸?shù)难舆t方面相對(duì)GEO并沒有過于明顯的優(yōu)勢(shì)（從圖2可見，除了最開始的12個(gè)小時(shí)內(nèi)具有較為明顯的低延遲優(yōu)勢(shì)，剩余時(shí)間優(yōu)勢(shì)均較小甚至第一天的后12個(gè)小時(shí)處于劣勢(shì)）。故在下一步的工作中，提高星間鏈路的通信速率以及優(yōu)化MEO星間鏈路路由傳輸策略就成為了解決靈活性與低延遲同步優(yōu)化的核心環(huán)節(jié)。因此，若天基測(cè)控系統(tǒng)借道北斗全球系統(tǒng)導(dǎo)航星中繼轉(zhuǎn)發(fā)這些測(cè)控?cái)?shù)據(jù)，不僅要求北斗全球系統(tǒng)具有基于星間鏈路支持的全空域組網(wǎng)能力，還要求北斗全球系統(tǒng)的星間鏈路具有較高傳輸能力。

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