劉培杰，焦義文，吳 濤，李 超，王 飛

(1.航天工程大學(xué) 電子與光學(xué)工程系，北京 101416；2.西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043)

0 引 言

隨著航天技術(shù)發(fā)展，在軌航天器數(shù)量迅速增加，國外大規(guī)模星座系統(tǒng)“星鏈”[1]“亞馬遜Kuiper”[2]等項目已進(jìn)入建設(shè)階段，而國內(nèi)“鴻雁”“虹云”[3]等衛(wèi)星星座計劃也逐步進(jìn)入實施階段，單個地面測控站面臨著在全空域范圍內(nèi)對越來越多的在軌航天器同時進(jìn)行測控的應(yīng)用模式。傳統(tǒng)思路是通過增加多套反射面式天伺饋設(shè)備來支持多目標(biāo)同時測控，隨著測控管理的目標(biāo)數(shù)量增加，這種模式表現(xiàn)出與形勢發(fā)展不相適應(yīng)之處：

(1)無論是測控設(shè)備的管理還是中心系統(tǒng)的運行，均存在復(fù)雜度越來越高，可靠性變差的情況；

(2)測控資源調(diào)度問題的求解難度持續(xù)增大，且受測控設(shè)備突發(fā)故障、臨時計劃調(diào)整等不確定約束條件的影響很大，最優(yōu)解幾乎難以獲得；

(3)新建測控站點以及多套設(shè)備同時工作的模式使得管理組織成本高、效費比低。

因此，需要發(fā)展相應(yīng)的多目標(biāo)同時測控技術(shù)，實現(xiàn)地面站對其作用空域范圍內(nèi)任意分布的多個目標(biāo)同時進(jìn)行高效的測控管理。

本文對國內(nèi)外在軌航天器多目標(biāo)測控發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，重點對幾種主流發(fā)展思路進(jìn)行介紹，對發(fā)展趨勢進(jìn)行敘述，供相關(guān)人員參考。

1 多目標(biāo)測控發(fā)展現(xiàn)狀

多目標(biāo)測控即同時多目標(biāo)測控，指的是單套測控設(shè)備在同一時刻完成對多個飛行器目標(biāo)的測控過程。按照天線波束對目標(biāo)覆蓋情況差異，分為同波束多目標(biāo)和多波束多目標(biāo)兩種基本形式。

1.1 同波束多目標(biāo)測控

同波束多目標(biāo)測控指的是多個目標(biāo)在測控設(shè)備的同一天線波束內(nèi)，目標(biāo)之間通過頻分、碼分等形式進(jìn)行區(qū)分的測控方式。

頻分多目標(biāo)測控要求多目標(biāo)工作在各不相同的頻點，有限的頻譜資源決定了這種方式對可支持多目標(biāo)數(shù)量的限制。若僅考慮下行接收，這種方式要求測控設(shè)備具備多個接收通道，各通道采用不同本振頻率的混頻器來實現(xiàn)對多目標(biāo)的頻分。若再考慮上行采用不同的發(fā)射頻率，系統(tǒng)復(fù)雜度和工程代價將更大。因此，頻分多目標(biāo)測應(yīng)用場景受限，比如在深空測控通信中對巡視器、著陸器的下行信號接收是其典型場景之一。

隨著擴(kuò)頻統(tǒng)一測控體制在我國航天測控系統(tǒng)中的成熟應(yīng)用，碼分多址技術(shù)在飛行器測控中的應(yīng)用研究隨之開展，基于碼分多址的多目標(biāo)測控方案[4-5]被提出并得到了工程實現(xiàn)，且在以下兩個典型場景得到一定程度的應(yīng)用：一是在航天器發(fā)射的上升段，用于對星(器/船)、箭同時測控[6]；二是小規(guī)模編隊飛行衛(wèi)星的在軌測控。兩者共同點是多目標(biāo)之間距離近。

對于同波束多目標(biāo)測控的研究集中在碼間多址接入干擾(Multiple Access Interference，MAI)分析、多目標(biāo)同時捕獲[7]等方面。這種同波束多目標(biāo)測控模式的缺點是由于波束寬度受限，可覆蓋空域極其有限，無法支持更大空域的多目標(biāo)測控。

1.2 基于多波束技術(shù)的多目標(biāo)測控

現(xiàn)行主流地面測控設(shè)備對多目標(biāo)同時測控支持能力弱，主要原因在于其為了滿足天線高增益要求和測角精度要求，普遍采用窄波束拋物面式天線捕獲并跟蹤衛(wèi)星。

根據(jù)天線增益的定義，波束寬度與增益無法同時兼顧。因此，實現(xiàn)大空域甚至全空域多目標(biāo)測控的核心是要解決覆蓋和增益矛盾問題，而從理論上來講，現(xiàn)行可行度最高的解決思路是采用多波束天線。

1.2.1 多波束天線技術(shù)概述

多波束天線(Multiple Beam Antenna，MBA)是能產(chǎn)生多個窄波束的天線。這些窄波束(或稱為點波束)可以合成一個或多個成形波束，以覆蓋特定的空域。多波束天線有透鏡式、反射面式和相控陣式三種基本形式[8-9]。

(1)多波束透鏡天線

其饋電網(wǎng)絡(luò)采用了微波透鏡，在透鏡焦點位置附近布設(shè)有多個饋源，分別對應(yīng)著不同焦弧(微波路徑)，而當(dāng)給各饋源輸入端口輸入信號時，在透鏡上將同時產(chǎn)生不同相位差的一系列微波信號，這些信號近似等幅度，且相位差符合線性變化規(guī)律，經(jīng)過天線輻射后即可形成不同指向的多個點波束。

多波束透鏡天線主要技術(shù)特點有可支持多目標(biāo)同時工作、較寬的角度覆蓋范圍、無源器件可靠性高、可達(dá)納秒級別的快速反應(yīng)速度等。其主要缺點在于結(jié)構(gòu)笨重，且介質(zhì)老化和界面反射會引入損耗。對其研究主要集中在小型化與一體化[10]、優(yōu)化性能指標(biāo)[11]等方面。

(2)多波束反射面天線

類似多波束透鏡，通過在反射面焦點附近布設(shè)多個饋源來形成多波束。反射面尺寸和多饋源位置的選擇是依據(jù)多焦點反射面方程，對多波束覆蓋區(qū)域形狀(即波束賦形范圍)決定的。其主要技術(shù)特點為點波束增益高、波束賦形靈活度高、可靠性高等。研究集中在饋源陣列布局優(yōu)化設(shè)計[12]、旁瓣電平與波束寬度之間矛盾的解決[13]，以及波束賦形優(yōu)化[14]等方面。

(3)多波束相控陣天線

由多個輻射單元組成天線陣列，使用數(shù)字波束成形技術(shù)(Digital Beam Forming，DBF)，通過對各陣列單元幅度和相位加權(quán)調(diào)整，以形成不同形狀不同指向的成形波束。其優(yōu)點在于可對波束數(shù)目和形狀進(jìn)行靈活控制，并可控制波束作快速掃描，缺點是造價高。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展，隨著制造成本的降低，采用相控陣列天線實現(xiàn)多波束多目標(biāo)測控是較為成熟可行的途徑。基于數(shù)字波束形成技術(shù)的相控陣多目標(biāo)測控技術(shù)具有波束數(shù)量多、作用距離遠(yuǎn)、使用靈活、自適應(yīng)抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，是多目標(biāo)測控的主要發(fā)展方向[15]。

下面按照天基和地基的分類方式，對多波束技術(shù)在航天測控通信領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)行論述。

1.2.2 天基多波束多目標(biāo)測控

在天基測控方面，最早將多波束技術(shù)應(yīng)用于天基測控系統(tǒng)中的是美國跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS)[16]，在1983年和1988年發(fā)射的中繼衛(wèi)星上裝有可形成多波束的相控陣天線，該相控陣天線由 30個螺旋天線陣元組成，可同時形成20個接收波束和1個發(fā)射波束。我國也在2019年發(fā)射入軌[17]的第二代中繼衛(wèi)星上采用多波束天線，實現(xiàn)了S頻段多址接入(S-band Multiple Access，SMA)多目標(biāo)測控。該系統(tǒng)部署于地球同步靜止軌道，單顆衛(wèi)星可形成21個固定覆蓋范圍的點波束。系統(tǒng)容量分析結(jié)果表明，單星可實現(xiàn)對189個航天器目標(biāo)的同時測控管理。

現(xiàn)研究多集中在抗多址干擾、提升系統(tǒng)容量、信道資源分配等方面，主要結(jié)論及成果如下：文獻(xiàn)[18]提出了全景多波束測控的概念，指的是利用中繼星多波束固定覆蓋的特性實現(xiàn)航天器進(jìn)入覆蓋區(qū)域內(nèi)即可測控的功能，對其系統(tǒng)容量進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[19]利用人工魚群算法的迭代優(yōu)化，實現(xiàn)多址干擾的最小化，從而提升系統(tǒng)容量；文獻(xiàn)[20]針對被測控用戶的多樣化和大數(shù)量級，設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)分級管理架構(gòu)及一種動態(tài)/靜態(tài)相結(jié)合的多碼-多頻-時分多址資源分配方法。

以上研究都是基于中繼星為天基測控平臺開展的，而在未來天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)范疇內(nèi)，導(dǎo)航系統(tǒng)也被視為天基節(jié)點。文獻(xiàn)[21]提到將“北斗”衛(wèi)星作為接入節(jié)點，用多波束相控陣構(gòu)建接入網(wǎng)，為星座外用戶提供星間鏈路網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)。

李飛龍等人[22]充分利用了導(dǎo)航系統(tǒng)的高覆蓋性優(yōu)勢，將導(dǎo)航輔助信息引入到中繼星測控中，利用導(dǎo)航鏈路開展終端時延和頻率預(yù)校正，達(dá)到消除多用戶干擾的目的。

除此之外，李于衡等人[23]提出基于現(xiàn)有地球同步通信衛(wèi)星系統(tǒng)及近地軌道通信衛(wèi)星星座對近地衛(wèi)星實施中繼測控，以實現(xiàn)高覆蓋和低成本兼顧的方法，可被納入廣義的天基測控范疇之中。

1.2.3 地基多波束多目標(biāo)測控

在地基測控方面，使用相控陣天線實現(xiàn)多波束多目標(biāo)測控的基本思路[24]和實現(xiàn)方案[25]都被較早提出，但由于早些年多目標(biāo)測控需求并不迫切，加之相控陣天線成本較高，國內(nèi)航天測控網(wǎng)仍然采用拋物面天線形式的單目標(biāo)統(tǒng)一S頻段測控(Unified S-Band，USB)系統(tǒng)作為主流，僅有個別為特殊任務(wù)需求設(shè)計的多波束多目標(biāo)設(shè)備，比如某采用平面相控陣天線的活動式測控設(shè)備，通過多波束形成實現(xiàn)同時4目標(biāo)的跟蹤測控能力，這是多波束多目標(biāo)測控設(shè)備的早期形式。

為了支持分布在全空域范圍內(nèi)的多目標(biāo)同時測控，波束掃描需覆蓋整個上半球空域，通?？刹捎枚嗝骊?、圓錐陣、球面陣、網(wǎng)格穹頂圓柱陣或共形陣等布陣方式[26]。

2006年，美國開展了網(wǎng)格穹頂相控陣天線(Geodesic Dome Phased Array Antenna，GDPAA) 方面的研究[27]。該天線由多個五邊形和六邊形子陣拼接構(gòu)成，設(shè)計目標(biāo)為全空域范圍內(nèi)的同時4目標(biāo)測控通信。另外，歐空局也在開發(fā)一種名為球面陣天線(Geodesic Dome Array Antenna，GEODA)的相控陣測控系統(tǒng)[28-29]，用于接收多星下行信號。

在國內(nèi)，對全空域多波束設(shè)備的研究是近年測控設(shè)備研制的重要方向之一。2013年，中國電科54所王鵬毅等人[30]對全空域多波束多目標(biāo)測控的實現(xiàn)路徑進(jìn)行了初步探索，指出了需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。不同于GDPAA的多面體拼陣，這種全空域多波束設(shè)備采用球面陣天線形成波束，因此不存在子陣切換，陣元是逐個滑動的，波束輸出信號的相位是連續(xù)的，保證測量連續(xù)性和可靠性。2015年，中國電科10所俄廣西等人[31]對全空域多波束設(shè)備的波束形成進(jìn)行了研究，研制了原理樣機(jī)，并通過外場測試驗證了系統(tǒng)實際測控能力。近兩年來，對其研究多集中在波束形成優(yōu)化[26,32]、角跟蹤方法研究[33-34]等方面。目前，中國電科10所、54所均在開展全空域多波束測控設(shè)備的研制生產(chǎn)，已有部分型號進(jìn)入列裝階段。

全空域球面陣測控系統(tǒng)在技術(shù)體制上可分為收發(fā)共陣元和收發(fā)陣元分置兩類：前者采用了較為昂貴的TR組件，優(yōu)點在于靈活性好，波束資源調(diào)度相對簡單，且能保證波束在球面陣滑動時候波束寬度和增益的連續(xù)性；后者雖然成本低，且不用考慮單陣元組件內(nèi)收發(fā)隔離問題，但收發(fā)分置的方式使得波束性能一致性較難保證，增加了波束形成陣元資源調(diào)度的復(fù)雜度，且陣列規(guī)模較大，為天線結(jié)構(gòu)設(shè)計增加了困難。

為簡化全空域多波束設(shè)備的波束成形過程，在地基多波束多目標(biāo)測控技術(shù)的研究中，有一種基于固定多波束實現(xiàn)大空域多目標(biāo)測控的思路。丁國棟等人[35]利用固定多波束收發(fā)一體的陣列天線，通過在射頻部分進(jìn)行雙通道設(shè)計將陣列分為跟蹤波束陣列和切換波束陣列，多個波束覆蓋不同空域。這種固定多波束采用空域組合思路，無需對目標(biāo)進(jìn)行波束跟蹤，簡化了波束形成部分，通過波束切換機(jī)制保證跨波束連續(xù)通信。

此外，還有利用多天線系統(tǒng)實現(xiàn)多目標(biāo)測控的研究。NASA聯(lián)合喬治亞理工學(xué)院一起將多天線組陣信號合成技術(shù)應(yīng)用于地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)，通過將7副口徑為0.75 m 拋物面天線進(jìn)行組陣，接收極地軌道地球觀測衛(wèi)星的信號。該系統(tǒng)無需天線伺服，穩(wěn)健性好，維護(hù)和建設(shè)成本低[36]。2018年，亞馬遜公司宣布推出AWS衛(wèi)星地面接收站項目，計劃在全球建設(shè)12個接收站點，每個站點部署多臺小型接收終端，使用名為Verge的準(zhǔn)全向天線接收過境范圍內(nèi)多星數(shù)據(jù)信號，并在云端進(jìn)行合成和數(shù)據(jù)解調(diào)[37]。相比全空域多波束設(shè)備，多天線系統(tǒng)用于航天器測控具有靈活性和性價比更高的優(yōu)勢，對于未來民商航天面臨的目標(biāo)數(shù)量多但速率要求并不高的多目標(biāo)測控管理更加適用。

上述三種多目標(biāo)測控方式的分析比對如表1所示。

表1 對三種多目標(biāo)測控方式的分析比對

2 基于饋電鏈路的多目標(biāo)測控

對于巨型星座的測控，若按照傳統(tǒng)模式實施測控管理，需要建設(shè)大量測控站，建設(shè)和管理成本巨大。而測運控一體化的推進(jìn)和衛(wèi)星自主管理能力的提升，使得單獨建設(shè)測控系統(tǒng)的必要性明顯降低——前者提供了新型測控信息傳輸通道，后者縮減了測控需求。根據(jù)對文獻(xiàn)[38-40]的分析，國外的Starlink、OneWeb、Kuiper等互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)已不再設(shè)置專用測控站或僅建設(shè)少量測控站，而是將地面信關(guān)站同時作為測控站使用，通過饋電鏈路傳輸測控數(shù)據(jù)。

2.1 基本思路

基于饋電鏈路的多目標(biāo)測控方式指的是，在低軌衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)中，將衛(wèi)星遙測遙控數(shù)據(jù)視為通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星與地面關(guān)口站之間的鏈路傳輸，實現(xiàn)地面管控中心對衛(wèi)星的測控。其得以實現(xiàn)的背景基礎(chǔ)在于：一方面，越來越多的在軌航天器定位定軌通過星載導(dǎo)航終端來實現(xiàn)；另一方面，隨著在軌航天器自主管理能力的增強(qiáng)，在日常管理中需要地面支持開展遙控遙測的需求變少。同時，一般的遙測遙控信息速率較低，不會對具有大帶寬的饋電鏈路帶來容量負(fù)擔(dān)，也增強(qiáng)了這種方案工程應(yīng)用的可行性。

圖1給出了具有星間鏈路情況下基于饋電鏈路多目標(biāo)測控方式的示意圖，圖中對S1-2衛(wèi)星的控制指令和接收S2-3衛(wèi)星的狀態(tài)信息均可通過星間鏈路和饋電鏈路進(jìn)行傳輸。這種方式將星座中各星及地面關(guān)口站視作“天網(wǎng)地網(wǎng)”中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，地面管控中心可快速實現(xiàn)對星座中任意衛(wèi)星狀態(tài)信息的掌握和指令的下達(dá)，承擔(dān)了測控中心的部分功能，達(dá)到了傳統(tǒng)測控中遙測和遙控的目的。

圖1 基于饋電鏈路測控場景示意圖

2.2 技術(shù)特點

這種對低軌移動通信星座的測控管理模式的優(yōu)勢在于，星上不用安裝測控專用天線和應(yīng)答機(jī)，節(jié)省了有效載荷空間，且地面無需建設(shè)大量測控專用站，降低了測控網(wǎng)建設(shè)和管理成本。另外，將傳統(tǒng)的計劃式測控變成了按需測控，管理效益和靈活性得到了很大提升。

需要說明的是，這種測控方式得以實現(xiàn)需要具備一定條件：要求星上安裝導(dǎo)航終端，以提供定位定軌支持；衛(wèi)星需要進(jìn)行測控數(shù)傳一體化設(shè)計，在信號形式上進(jìn)行頻分復(fù)用設(shè)計，或者將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一編幀考慮。

這種方式的不足有：相比傳統(tǒng)地面測控網(wǎng)絡(luò)，地面關(guān)口站對目標(biāo)的覆蓋性相對較弱，在星座沒有星間鏈路的情況下無法達(dá)到全時段可見，導(dǎo)致應(yīng)急測控響應(yīng)能力弱；兩種數(shù)據(jù)在地面端進(jìn)行匯總和分發(fā)，需要統(tǒng)一接口設(shè)計，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

3 隨遇接入測控模式

隨遇接入測控屬于下一代航天測控系統(tǒng)發(fā)展方向之一，國內(nèi)較早對其展開系統(tǒng)研究的是航天工程研究所。在已發(fā)表的研究成果中，方峰等人[41]2018年在文獻(xiàn)[41]中最早提及“隨遇接入”測控概念。他們在天基測控領(lǐng)域提出雙通道設(shè)計，利用寬波束鏈路傳輸飛行狀態(tài)短信息引導(dǎo)建立窄波束高速數(shù)傳鏈路，從而實現(xiàn)引導(dǎo)式天基測控。2020年，劉建平等人[42]提出了面向全球覆、隨遇接入的測運控服務(wù)概念及總體架構(gòu)，并就需要突破的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

3.1 定義及特點

隨遇接入測控指的是在天基或地基測控節(jié)點具備全空域(全景)波束覆蓋范圍的條件下，航天器進(jìn)入波束范圍內(nèi)即可接入測控網(wǎng)絡(luò)，開展測控業(yè)務(wù)。

相比傳統(tǒng)測控模式，隨遇接入測控主要優(yōu)勢有四個方面[43]。

(1)資源調(diào)度復(fù)雜度低

進(jìn)入空域范圍的多目標(biāo)僅進(jìn)行陣列信道資源調(diào)度，而不用針對多套測控設(shè)備開展資源調(diào)度，避免了計劃接入測控模式中隨著業(yè)務(wù)量增加導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度增加、穩(wěn)定性降低的不利情況。

(2)接入效率提高

隨遇接入模式下航天器一旦進(jìn)入測控節(jié)點的作用范圍即進(jìn)行雙向握手建立控制信道連接，并始終保持直至超出節(jié)點空域作用范圍。在測控需求產(chǎn)生時可快速進(jìn)入業(yè)務(wù)狀態(tài)，無需經(jīng)歷傳統(tǒng)計劃接入模式下的捕獲環(huán)節(jié)，響應(yīng)速度快。

(3)出入網(wǎng)靈活性好

航天器或測控設(shè)備出入網(wǎng)均可動態(tài)自動調(diào)整，能更好適應(yīng)未來包含軍事應(yīng)用在內(nèi)的多種任務(wù)需求，同時也利于商業(yè)衛(wèi)星彈性化定制測控管理服務(wù)。

(4)長期管理效費比高

相比新建多站以實現(xiàn)多目標(biāo)測控的模式來說，隨遇接入測控實現(xiàn)了一站式多目標(biāo)同時測控，節(jié)省了建設(shè)、管理、維護(hù)成本，能顯著提高效費比，降低測控管理成本。

3.2 實現(xiàn)路徑

容易看出，實現(xiàn)隨遇接入測控的首要問題是在保證增益前提下滿足覆蓋性需求。而根據(jù)前文所述，解決單天線波束寬度和增益矛盾的基本思路是采用多波束天線技術(shù)。

對于地基測控系統(tǒng)，近年來對全空域多波束多目標(biāo)測控設(shè)備的建設(shè)研究為隨遇接入測控的實現(xiàn)提供了設(shè)備基礎(chǔ)[31]。該設(shè)備采用球面相控陣天線，雖然能同時跟蹤多目標(biāo)，卻無法實現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)可視范圍即檢測。這就要求在全空域多目標(biāo)設(shè)備原有的測控跟蹤波束基礎(chǔ)上增加固定空域覆蓋波束，可將兩者集成設(shè)計在穹頂半球柱體陣列之中，小部分子陣形成固定多點波束，以空域拼合形式實現(xiàn)大空域覆蓋完成目標(biāo)檢測功能，大部分子陣形成測控跟蹤波束完成測控通信功能，也就是要實現(xiàn)控制和業(yè)務(wù)信道的分離。文獻(xiàn)[43]對此進(jìn)行了詳細(xì)描述。

圖2所示為基于隨遇接入測控流程圖，說明如下：

(1)衛(wèi)星下行信標(biāo)信號常發(fā)，一旦進(jìn)入地基測控設(shè)備作用范圍后，地面即可發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；

(2)雙向捕獲；

(3)控制信道連接建立，同時衛(wèi)星注冊，加入測站可見目標(biāo)列表，以備必要時快速接入；

(4)衛(wèi)星向測站發(fā)送隨遇接入請求，若目標(biāo)同時在多站覆蓋范圍內(nèi)，需要依據(jù)一定策略進(jìn)行測控站選優(yōu)；

(5)測站收到請求后，依據(jù)常規(guī)測控計劃以及測控需求等級，決定是否通過接入請求；

(6)若接入成功，則正常開展測控業(yè)務(wù)；

(7)若接入失敗，則控制信道連接狀態(tài)保持，在出現(xiàn)星上自主請求、地面應(yīng)急操控等突發(fā)測控需求時，可快速接入。

圖2 隨遇接入測控流程圖

對地基測控系統(tǒng)隨遇接入的研究集中在航天器接入最優(yōu)化選擇策略、測控需求與計劃、多信道技術(shù)等方面。

對于中繼星天基測控系統(tǒng)，可以參考同樣在地球同步軌道的通信衛(wèi)星，通過多波束對地全景覆蓋，實現(xiàn)S頻段多址接入。文獻(xiàn)[18]對該方法基本思路及系統(tǒng)容量進(jìn)行了分析，分析結(jié)果認(rèn)為該系統(tǒng)可同時支持500個航天器。該方法基于固定波束覆蓋實現(xiàn)，不足是無法實現(xiàn)跟蹤測角，定位定軌只能依靠航天器載導(dǎo)航系統(tǒng)接收終端實現(xiàn)。

天基測控系統(tǒng)實現(xiàn)隨遇接入測控，具備高覆蓋性的優(yōu)勢，主要關(guān)注的研究問題為信道資源分配、目標(biāo)跨波束連續(xù)通信以及系統(tǒng)容量提升。

4 天地一體化信息網(wǎng)中的多星測控

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)最早稱為航天互聯(lián)網(wǎng)，與之類似的還有星際互聯(lián)網(wǎng)、空間互聯(lián)網(wǎng)等空間信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。美國于1998年就啟動了星際互聯(lián)網(wǎng)項目，主要研究地球以外使用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)端到端通信的方案[44]。

2004年，李德仁院士[45]提出并闡述了天地一體化地球空間信息學(xué)，這是國內(nèi)“天地一體化”的概念首次被提及。2006年，沈榮駿院士[46]提出了我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的總體目標(biāo)。2015年，張乃通院士[47]對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的定位、邊界作了清晰的說明，并提出了網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)的設(shè)想和對建設(shè)工作的建議。2016年，吳曼青院士[48]提出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)設(shè)想，梳理了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，并就其架構(gòu)、協(xié)議、接入方式等方面展開了重點論述。至此，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的框架基本確定。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點網(wǎng)組成，并與地面互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)互聯(lián)互通。

4.1 典型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座拓?fù)?/h3>

作為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)部署成為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。表2列出了國內(nèi)外典型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的星座拓?fù)淝闆r，可以看出，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)均為低軌星座系統(tǒng)，各系統(tǒng)差異主要在于軌道高度和有無星間鏈路。

表2 國內(nèi)外典型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)星座拓?fù)?/p>

從覆蓋性要求可知，星座規(guī)模取決于軌道高度，進(jìn)而決定了系統(tǒng)建設(shè)成本。同時，軌道高度也決定了時延大小以及有效載荷的功率要求。

是否有星間鏈路不僅決定了星上載荷部署成本，而且會影響路由選擇和數(shù)據(jù)落地方式。在沒有星間鏈路的情況下，需要建設(shè)更多的信關(guān)站，相比具有星間鏈路的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其實時性較差。目前星間鏈路通信技術(shù)已日趨成熟，Starlink已完成了激光星間鏈路測試工作，我國通過“北斗”三號Ka頻段星間鏈路測試證明了技術(shù)的可行性，在“鴻雁”和“虹云”工程中均設(shè)計有星間鏈路，兩者是未來國網(wǎng)星座計劃的重要組成。

4.2 對測控與運控的影響

天地一體化信息網(wǎng)建成后，在軌航天器日常管理成為其基礎(chǔ)功能之一，各在軌航天器將全時段在網(wǎng)，覆蓋性問題不復(fù)存在。

在傳統(tǒng)范疇中，對于在軌航天器測控與運控的區(qū)別在于，“測控”主要是針對衛(wèi)星平臺開展(偶爾承擔(dān)部分載荷數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù))，而“運控”針對的是衛(wèi)星載荷本身。因此，對于“衛(wèi)星管控(或稱衛(wèi)星管理)”存在兩種理解，在不涉及軌道控制的時候，一般多傾向于指代“運控”。

隨著星間相對位置測量定位、星載導(dǎo)航定位等衛(wèi)星自主定軌技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)測控中“測量”部分尤其是測角的實現(xiàn)，將越來越少地依賴地面測控站，此時無論是測控還是運控均表現(xiàn)為數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问?，兩者不再區(qū)分，甚至可以通過平臺載荷一體化設(shè)計實現(xiàn)統(tǒng)一接口。在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想中，兩者可統(tǒng)稱為衛(wèi)星管控(管理)。

4.3 發(fā)展趨勢

通過天地一體化信息網(wǎng)實現(xiàn)多星測控，其發(fā)展趨勢主要可歸納為以下方面：

(1)隨著測運控一體化繼續(xù)深度整合，在軌航天器作為空間信息采集和中繼的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，對其日常管理關(guān)注的重點已不是測控業(yè)務(wù)的開展，而是更傾向于大寬帶低延時數(shù)據(jù)服務(wù)能力的實現(xiàn)；

(2)在軌航天器測控管理模式實現(xiàn)個體化向批量化的轉(zhuǎn)變，加之星上自主管理能力的增強(qiáng)，促使現(xiàn)行“全壽命承包制”衛(wèi)星管理向“按需定制化”方向發(fā)展，用戶可根據(jù)需求按一定周期甚至按圈次定制測控服務(wù)，靈活性提高；

(3)作為運維管控體系的功能主體，地面站節(jié)點進(jìn)行功能整合，在軌航天器的管理進(jìn)一步呈現(xiàn)出集成化、網(wǎng)絡(luò)化特點，使得測控管理成本有效降低。

5 結(jié)束語

在軌航天器多目標(biāo)測控的主流發(fā)展方向是基于多波束天線技術(shù)，以全空域球面相控陣測控系統(tǒng)為設(shè)備基礎(chǔ)，采用空分碼分結(jié)合的目標(biāo)復(fù)用形式，實現(xiàn)隨遇接入測控模式。為了降低成本，通過饋電鏈路傳輸測控數(shù)據(jù)的方法也得到了應(yīng)用。在未來，隨著天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，對于多星的測控管理將成為其基礎(chǔ)業(yè)務(wù)之一，表現(xiàn)出數(shù)據(jù)優(yōu)先、高靈活度、低成本的特征。