張海威，侯 波，車 斌，張國龍，邢 楠

（1.西安衛(wèi)星測控中心 宇航動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710043；2.陸軍航空兵研究所，北京 101121）

0 引言

隨著我國軍民融合政策不斷推進，民商類在軌衛(wèi)星呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，雖然涌現(xiàn)出如天鏈、馭星等一大批民營航天測控企業(yè)，但是傳統(tǒng)的地面測控服務需要巨大的站網(wǎng)資源建設投入，并且現(xiàn)有地面測控資源無法滿足未來大規(guī)模星座的測控管理需求（如鴻雁星座、“五云一車”項目、“吉林一號”遙感星座等）。楊天社等探討了低軌衛(wèi)星天基測控的可行性，但是考慮到天基測控資源（如中繼衛(wèi)星、天通衛(wèi)星等）的有限性，采用北斗短報文進行在軌衛(wèi)星測控，具有終端小巧、成本低廉和覆蓋全面等特點。

2020 年7 月，我國全面建成北斗導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星具有獨立的雙向通信功能，保密性好，覆蓋范圍大，同時具有兼容導航功能和組網(wǎng)方便等優(yōu)點，具備衛(wèi)星無線電定位轉(zhuǎn)發(fā)和通信轉(zhuǎn)發(fā)能力，可以為雙向授時、報文通信及地面測運控系統(tǒng)之間的時間同步與數(shù)據(jù)傳輸提供轉(zhuǎn)發(fā)信道。

國內(nèi)較早開展了基于北斗短報文的研究和應用工作。何雨帆等開展了通過遙感九號搭載北斗短報文終端進行測控試驗。關新鋒等研究了基于北斗短報文的天基測控方法，進行了系統(tǒng)總體方案設計和測控數(shù)據(jù)流程設計。劉保國等分析了北斗三號全球?qū)Ш较到y(tǒng)短報文用于低軌衛(wèi)星測控的基本能力。朱向鵬等提出在中國周邊與亞太地區(qū)使用區(qū)域短報文進行實時測控，在其他區(qū)域使用全球短報文進行準實時測控。陶德桂等利用北斗短報文通信技術研制了地面北斗便攜站和機載BD 安控器，實現(xiàn)了北斗短報文指令被動安控功能。唐慶輝等基于北斗短報文通信功能，設計了一種炮兵裝備遠程保障技術方案。雷思磊等設計了自主可控的北斗短報文可靠傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸格式以及雙北斗終端乒乓使用機制。本文在上述工作的基礎上，結合北斗短報文的特點，綜合考慮了在軌衛(wèi)星（星座）運行特點，優(yōu)化設計了衛(wèi)星信息傳輸方法，提出了面向北斗短報文的在軌衛(wèi)星結構健康監(jiān)控體系，對提高在軌衛(wèi)星的精細化使用管理，具有重要的應用價值和現(xiàn)實意義。

1 北斗短報文應用現(xiàn)狀

北斗系統(tǒng)的定位、通信與授時使用同一信道，其報文數(shù)據(jù)包為可變長度數(shù)據(jù)幀，可有效滿足通信信息量較小但短時突發(fā)數(shù)據(jù)處理要求較高，且大量用戶同時使用的各類應用需求，具有良好的加密功能，可保證用戶數(shù)據(jù)通信安全。

綜合考慮北斗系統(tǒng)具有全天候、全方位、并發(fā)處理能力強和安全性好等特點，提出構建面向北斗短報文的在軌衛(wèi)星健康監(jiān)控應用場景，主要包括：

1）作為輔助測控手段，解決國內(nèi)測控資源緊張，導致衛(wèi)星健康狀態(tài)缺乏實時監(jiān)控和資源支持的問題；

2）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導致無法及時處置的問題；

3）提高衛(wèi)星執(zhí)行任務和故障處置的實時性和時效性。

在此基礎上，設計了“用戶→北斗衛(wèi)星→在軌衛(wèi)星”前反向數(shù)據(jù)流向，如圖1 所示。

圖1 基于北斗短報文的衛(wèi)星健康監(jiān)控數(shù)據(jù)流Fig.1 Health monitoring data flow of satellites based on Beidou short message

在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)監(jiān)控前向過程（終端用戶→北斗衛(wèi)星→在軌衛(wèi)星）流程如下：

1）終端用戶將測控需求（包括終端ID、指令等）通過短報文數(shù)據(jù)加密后發(fā)送到北斗衛(wèi)星。

2）北斗衛(wèi)星將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后傳送至北斗運控中心。

3）北斗運控中心處理接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)解密和再加密后，將其加入到持續(xù)廣播的出站電文中，發(fā)送給北斗衛(wèi)星。

4）北斗衛(wèi)星將加密后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后廣播給低軌衛(wèi)星上的終端；衛(wèi)星接收信號，解調(diào)解密電文，按照收到的指令完成相應動作，完成一次點對點通信；針對具備星間鏈路的衛(wèi)星星座，則可以通過星間分發(fā)功能，實現(xiàn)星間通信，完成一次點對面通信。

5）在軌衛(wèi)星進入地面可見弧段，由地面測運控中心或地面運管中心對衛(wèi)星狀態(tài)進行綜合評估確認。

6）地面測控中心通過可用的上行鏈路，對衛(wèi)星在軌狀態(tài)進行調(diào)整。

在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)監(jiān)控反向過程（在軌衛(wèi)星→北斗衛(wèi)星→終端用戶），即當衛(wèi)星需要向地面用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時，其流程如下：

1）地面測運控中心、運管中心（衛(wèi)星在地面可視弧段內(nèi)）或在軌衛(wèi)星（境外或境內(nèi)均可）任意一方通過故障診斷系統(tǒng)，對衛(wèi)星自身的健康狀態(tài)進行分析評估。上述三方將分析結果通過短報文系統(tǒng)，主動發(fā)給北斗星座中的某一衛(wèi)星（包括終端ID、健康狀態(tài)信息等）。

2）北斗衛(wèi)星通過短報文轉(zhuǎn)發(fā)給運控中心。

3）北斗運控中心將消息進行解密、解碼后，重新封裝發(fā)送給某一北斗衛(wèi)星。

4）北斗衛(wèi)星通過短報文轉(zhuǎn)發(fā)給終端用戶，由用戶對衛(wèi)星健康狀態(tài)進行進一步分析評估。

5）終端用戶根據(jù)衛(wèi)星狀態(tài)，待衛(wèi)星進入地面測控中心可視圈次時，進一步進行衛(wèi)星健康狀態(tài)綜合分析與評估。

通常情況下，在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)監(jiān)控過程配合使用，可以由前向或反向任意一方發(fā)起。

2 關鍵技術分析

2.1 在軌衛(wèi)星關鍵結構和部件健康狀態(tài)分析技術

隨著衛(wèi)星自主計算處理能力和星上智能化水平不斷提高，對于在軌衛(wèi)星的健康狀態(tài)，可以采用星上自適應診斷的方式進行。針對衛(wèi)星各分系統(tǒng)采集的遙測數(shù)據(jù)，采用星上計算機進行預處理，通過“自主診斷+主動故障隔離”的方式實現(xiàn)。對出現(xiàn)異常結果的數(shù)據(jù)（尤其是需要即刻處理的異常）采用適應短報文碼流限制的特定數(shù)據(jù)格式進行單獨組幀下傳。

基于北斗短報文的遙測信息采集，主要遵循以下原則：1）正常情況下，通過北斗短報文采集分發(fā)的遙測數(shù)據(jù)，應涵蓋衛(wèi)星各個分系統(tǒng)的關鍵參數(shù)（如測控、電源、姿軌控、載荷等），主要采集各主要部件的健康狀態(tài)信息，完成組幀后進行存儲，視情傳輸；2）當衛(wèi)星某部件出現(xiàn)異常時，則重點采集其故障信息，并盡快完成組幀下傳。

2.2 在軌衛(wèi)星上下行數(shù)據(jù)格式設計

在不影響北斗系統(tǒng)導航、定位和授時的主任務，充分考慮北斗短報文數(shù)據(jù)傳輸速率和內(nèi)容的資源約束限制，有效減輕數(shù)據(jù)傳輸壓力，提高衛(wèi)星處置異常情況的處置效率，通過北斗短報文回傳的衛(wèi)星健康狀態(tài)監(jiān)控內(nèi)容應該與常規(guī)遙測有較大區(qū)別。

參考目前常用的北斗用戶機數(shù)據(jù)接口要求（4.0協(xié)議），其民用短報文通信協(xié)議格式如圖2 所示。其中，“指令/遙測”表征終端或地面識別當前報文類別的標志；“報文長度”表征整個報文的字節(jié)長度，包含從指令到校驗和的短報文消息總長度，可用來判斷接收的報文數(shù)據(jù)是否缺失；“用戶地址”表征報文傳輸時使用當前終端ID 號；“報文內(nèi)容”表征傳送或接收的用戶數(shù)據(jù)信息；“校驗和”表征從前面4 部分進行校驗運算，以保證數(shù)據(jù)的正確性。

圖2 民用北斗短報文通信協(xié)議格式Fig.2 Communication protocol format of civilian Beidou short message

“報文內(nèi)容”主要包含5 部分：1）“信息類別”表征傳輸信息的緊急程度、傳輸方式為漢字或代碼等；2）“用戶地址”表征目標用戶的ID 號；3）“電文長度”表征電文內(nèi)容中的數(shù)據(jù)長度；4）“是否應答/加密”表征地面依據(jù)此標志是否進行應答和加解密；5）“電文內(nèi)容”表征實際上注的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

通過對數(shù)據(jù)交換層的協(xié)議進行約定，完善衛(wèi)星上下行數(shù)據(jù)組幀方式，實現(xiàn)基于北斗短報文信息傳遞的通用化和規(guī)范化。

2.2.1 遙測/遙控數(shù)據(jù)的使用

對于基于北斗短報文的遙測/遙控數(shù)據(jù)的使用，需遵循以下原則：1）主要適用于衛(wèi)星境外不可見圈次；2）不與正常測控工作相沖突；3）采用特定格式編排，以減少數(shù)據(jù)量，提高信息傳遞效率和安全性，采集遙測數(shù)據(jù)以各分系統(tǒng)的關鍵狀態(tài)信息為主，以模擬量數(shù)據(jù)為輔；4）對正常狀態(tài)的遙測數(shù)據(jù)、不影響衛(wèi)星正常使用的異常和非需要即刻處置的故障，采用按需進行存儲和下傳；對影響衛(wèi)星正常使用的異常、需要即刻處置的重大故障，需要衛(wèi)星立刻進行通過短報文下傳相關信息，如有必要，地面終端可通過短報文進行衛(wèi)星操控。

2.2.2 遙測數(shù)據(jù)編排

鑒于北斗短報文通信能力限制，下行遙測數(shù)據(jù)編排方法如下：

1）考慮到衛(wèi)星遙測編排的一致性，建議遙測格式采用CCSDS AOS 推薦的信道訪問數(shù)據(jù)單元（CADU）格式，包含虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU）附加同步序列兩部分，共同組成短報文的“電文內(nèi)容”。

2）衛(wèi)星遙測模式設計過程中，增加北斗短報文下傳模式，僅在需要通過北斗短報文傳輸數(shù)據(jù)時，占據(jù)測控物理信道，完成數(shù)據(jù)采集、存儲和分發(fā)。

3）遙測組幀采用星上主動采集各分系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，進行主動存儲，如無下傳需求，則可定時由新數(shù)據(jù)進行自主覆蓋。

4）原則上，通過短報文傳輸?shù)年P鍵遙測，幀長不超過每次短報文發(fā)送的最長限制。

5）正常下傳數(shù)據(jù)中應包含衛(wèi)星狀態(tài)、姿態(tài)等關鍵正常信息。

6）衛(wèi)星異常數(shù)據(jù)通過一幀數(shù)據(jù)即可以完全表征，通過一次下傳即可以明確表征異常部位的工作狀態(tài)；異常數(shù)據(jù)中應包含故障時間、故障部位和故障等級等關鍵信息。

2.2.3 簡化指令設計

鑒于衛(wèi)星遙控指令的一致性，對圖2 中的“報文內(nèi)容”進行編排，通過“方式字”進行北斗短報文指令識別。采取的方法如下：

1）采用“星上存儲+地面觸發(fā)”方式，大幅簡化通過短報文上注指令的長度和內(nèi)容。

2）通過短報文發(fā)送的遙控指令，幀長不超過每次短報文發(fā)送的最長限制。

3）通過設計優(yōu)化星上自主執(zhí)行動作指令序列，如構建故障條件下自主轉(zhuǎn)對日巡航狀態(tài)等指令鏈，通過北斗短報文發(fā)送觸發(fā)指令，實現(xiàn)星上調(diào)姿、業(yè)務操作、安全控制等動作，優(yōu)化衛(wèi)星自主工作過程。

2.3 可靠信息傳輸技術

北斗短報文通信從本質(zhì)上來說屬于不可靠通信，在連續(xù)發(fā)送多條短報文后，存在丟包現(xiàn)象，并且接收端不發(fā)送回執(zhí)信息，無法確定報文是否被成功接收或傳輸數(shù)據(jù)出錯等因素，發(fā)送端不能明確得知報文是否發(fā)送成功。相關研究表明，北斗短報文通信單數(shù)據(jù)包的傳輸成功率約為95%。

在應急情況下，信息交互的準確性顯得至關重要。為此，可以采用如下兩種方式進行數(shù)據(jù)校驗。

2.3.1 數(shù)據(jù)接收正確性校驗

為了讓通信雙方能夠知曉信息發(fā)送結果，充分利用北斗雙向通信的性質(zhì)，采用最原始的逐條反饋機制，對接收到的每一個數(shù)據(jù)包都發(fā)送一個反饋數(shù)據(jù)包。接收端接收到數(shù)據(jù)包后，首先對其進行差錯檢驗，然后根據(jù)檢驗結果，向發(fā)送端發(fā)送反饋信息，告知發(fā)送端數(shù)據(jù)包是否發(fā)送成功，數(shù)據(jù)傳輸是否完整，以便發(fā)送端采取相應的措施。反饋信息可以實時發(fā)送，也可以延時發(fā)送。

2.3.2 數(shù)據(jù)執(zhí)行正確性校驗

逐條反饋的信息驗證方式，會過多占用本就不寬裕的北斗通信信道，并且由于北斗頻段的公開性，頻繁的雙向通信增大了信息被截獲的概率。為此，可以采用星上正確執(zhí)行指令的效果反饋方式進行。優(yōu)點：1）前反向傳輸?shù)亩虉笪男畔?nèi)容不一致，降低了被解密的風險；2）通過多次遙控上行而僅反饋一次遙測下行的方式，減少北斗短報文雙向傳輸過程，降低通信頻次，減少數(shù)據(jù)傳輸過程產(chǎn)生的誤碼和校驗，減輕北斗通信壓力；3）為保證數(shù)據(jù)正確接收，可以設置接收的反饋時間節(jié)點，如果星上未正常接收，則地面可以及時重發(fā)。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸掩碼技術

從北斗短報文的傳輸過程可以看出，數(shù)據(jù)直接由終端發(fā)出，雖然有一定的防護手段，但是在北斗調(diào)制頻率、信息傳輸格式等信息均公開的條件下，用戶數(shù)據(jù)存在泄漏、被篡改和被竊取的風險，具有安全隱患。

傳統(tǒng)意義上的加解密技術，主要是針對單個衛(wèi)星進行“一星一密”的星地配套使用，對于大規(guī)模星座尤其是存在星間鏈路的衛(wèi)星來說不適用。綜合北斗短報文安全系統(tǒng)現(xiàn)狀，對大規(guī)模傳遞分發(fā)數(shù)據(jù)可以采用掩碼技術，如圖3 所示，通過區(qū)塊鏈“地面私鑰+星間公鑰”加密算法，增強衛(wèi)星隨遇接入和星間信息傳遞的通用性、安全性和可靠性。

圖3 北斗短報文信息掩碼過程Fig.3 Mask process of Beidou short message information

2.4.1 對全部信息進行掩碼

掩碼信息是收發(fā)雙方約定好、在符合北斗短報文信息要求的基礎上進行指定編碼，對短報文信息傳輸不造成影響。掩碼信息不對所有用戶公開，只有接收數(shù)據(jù)的用戶才可以正確地接收使用數(shù)據(jù)?？紤]到北斗短報文自身存在一定的加密手段，因此，通過“掩碼+北斗短報文加密”雙重加密的方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的準確傳遞和便捷通信。通過對北斗短報文全部信息進行掩碼，以星上存儲特定的提取碼在特定時間進行更新，確保星地雙方掩碼信息同步。

2.4.2 對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行二次/多次掩碼

為保證加密后的數(shù)據(jù)能夠在短報文系統(tǒng)中實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)安全傳輸，可以對報文內(nèi)容中的電文內(nèi)容進行二次/多次掩碼，并可以有選擇地對“電文長度”部分進行二次/多次掩碼。通過在發(fā)端和收端的協(xié)議進行規(guī)范化設計，實現(xiàn)短報文系統(tǒng)在不同用戶終端間信息的安全交互。

3 分析與驗證

以北斗三號系統(tǒng)（3GEO+3IGSO+24MEO）為例，進行半長軸為500 km 高度的太陽同步軌道衛(wèi)星的可見性及單向信息傳輸時延分析（不需要遙控與遙測信息比判），如圖4 和圖5 所示，仿真計算結果見表1。

圖4 前向遙控指令發(fā)送時間Fig.4 Transmission time of forward telecommand data

圖5 反向遙測接收時間Fig.5 Reception time of backward telemetry data

表1 前反向數(shù)據(jù)流傳輸時間統(tǒng)計Tab.1 Transmission time of forward-backward data flow

3.1 指令上行處理時間特性

上行時間指終端用戶通過北斗短報文系統(tǒng)將特定的指令發(fā)送給衛(wèi)星，主要包括以下過程：

式中：

T

為上行總時間；

t

為終端用戶至北斗衛(wèi)星的時間；

t

為北斗衛(wèi)星至北斗地面運控系統(tǒng)的時間；

t

為地面運控系統(tǒng)處理信息的時間；

t

為北斗地面運控系統(tǒng)至北斗衛(wèi)星的時間；

t

為北斗衛(wèi)星至目標衛(wèi)星的時間；

t

為北斗衛(wèi)星處理終端用戶數(shù)據(jù)的時間；

t

為北斗衛(wèi)星處理地面運控中心數(shù)據(jù)的時間。

3.2 遙測下行處理時間特性

下行時間指在軌衛(wèi)星通過北斗短報文系統(tǒng)將特定的遙測數(shù)據(jù)發(fā)送給終端用戶，主要包括以下過程：

式中：

T

為下行總時間；

t

為北斗衛(wèi)星至終端用戶的時間；

t

為北斗衛(wèi)星至北斗地面運控系統(tǒng)的時間；

t

為地面運控系統(tǒng)處理信息的時間；

t

為北斗地面運控系統(tǒng)至北斗衛(wèi)星的時間；

t

為北斗衛(wèi)星至目標衛(wèi)星的時間；

t

為北斗衛(wèi)星處理終端用戶數(shù)據(jù)的時間；

t

為北斗衛(wèi)星處理地面運控中心數(shù)據(jù)的時間。

通過上述過程可見，對星間交互的遙測遙控時延特性，可以滿足測控需求。采用北斗三號系統(tǒng)短報文通信可以對衛(wèi)星實現(xiàn)全天時不間斷的健康監(jiān)控。

4 結束語

借助星載北斗終端可以在地面和衛(wèi)星之間以短報文方式交互衛(wèi)星狀態(tài)、位置和時間等信息，實現(xiàn)了“用戶→北斗衛(wèi)星→在軌衛(wèi)星”的在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)監(jiān)控前反向數(shù)據(jù)交互流程；設計優(yōu)化了基于北斗短報文限制的在軌衛(wèi)星上下行數(shù)據(jù)格式，提出了用于保證信息傳遞安全的通用數(shù)據(jù)傳輸掩碼方法；仿真計算了基于北斗短報文的信息傳輸時間特性，為用戶、測運控中心通過短報文方式及時處置異常提供通道，可以方便及時地監(jiān)控在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)。