两颗中继卫星共用测站协同控制研究*

胡文静，李亚晶，聂琨坤，李志涛

(北京空间信息中继传输技术研究中心，北京 100094)



两颗中继卫星共用测站协同控制研究*

胡文静，李亚晶，聂琨坤，李志涛

(北京空间信息中继传输技术研究中心，北京 100094)

中继卫星地面应用系统建设周期长、建设造价昂贵。处于相近轨位的两颗中继卫星使用同一个测站进行测控和数据中继应用，能够有效降低系统建设成本。通过梳理卫星各平台测控事件之间的时间约束关系及其对地面应用系统的设备的使用约束，分析了测定轨精度、位置保持、星蚀期能源管理、地敏探头干扰保护对共用测站的影响，提出了两颗中继卫星分时测定轨、位置保持分别进行地敏探头干扰保护的方法，以及平台应急条件下共用测站控制支持模式。最后，就共用测站执行数据中继任务提出了建简易备份站降速使用的建议，为中继卫星地面应用系统建设提供有益的参考。

中继卫星；共用测站；协同控制；平台管理；数据中继

1　引　言

跟踪与数据中继卫星系统(TrackingandDataRelaySatelliteSystem,TDRSS)是利用地球静止或高轨道卫星对中低轨道航天器和非航天器平台等用户目标进行跟踪测控和数据中继的空间信息传输系统。中继卫星地面应用系统包含中继卫星系统相关地面设备设施，主要包括中心系统、地面站设备和相应支撑系统，负责中继卫星在轨管理、系统资源分配与计划协调、前/返向数据接收与分发等任务。地面应用系统通过与用户中心和用户中继终端协同配合，建立中继终端—中继卫星—地面应用系统—用户中心间的前/返向链路，完成数据中继传输[1-2]。

地球同步轨道的轨位和频率属于稀缺资源，而位于地球同步轨道的中继卫星作为空间重要的骨干节点，地位尤为重要。国外一般使用两颗相近轨位的中继卫星实现对重要空间骨干节点的备份。随着卫星制造技术的发展，很多地球同步轨道卫星都处于超期服役状态。这样，在很长一段时间内，两颗中继卫星将同时在轨运行。由于中继卫星地面应用系统建设周期长、建设造价昂贵,在不重复进行中继卫星地面应用系统建设的情况下，处于相近轨位的两颗中继卫星共用同一测站进行测控和数据中继应用，能够有效降低系统建设成本。

当前，美国具有世界上规模最大、体系最为完善、应用最为广泛的中继卫星系统，很大程度上代表了中继卫星系统的发展方向。美国TDRSS空间段采用节点备份、轨位备份，地面段采用备份站、备份中心，以提高系统的可靠性和可用度。TDRSS空间段有9颗在轨TDRS卫星，其中一代星4颗，二代星3颗，三代星2颗。TDRS卫星的典型轨道位置有10个，可分为西工作节点(大西洋区域)、盲区工作节点(印度洋区域)、东工作节点(太平洋区域)以及备份节点(3个轨位)。正常情况下，每个工作节点部署两颗工作星，余下的卫星则位于备份节点。

TDRSS地面段主要包括TDRSS运控中心、3个地面站(白沙站、第二白沙站、关岛站)、2个S频段应急测控站(位于澳大利亚)、4个双向测距转发站。其中，白沙站包括2个终端站、3个S频段测控站；第二白沙站包括3个地面终端站、1个S频段测控站；关岛站包括2个终端站。目前，地面段共有7个终端站，最多可同时支持7颗TDRS工作星，并最多可对6颗非工作星进行日常测控管理。地面终端站具备测控数据收发、数传数据收发的能力，S频段的测控站只能进行遥测数据的接收。也就是说，TDRS处于工作状态时，单星对应单地面终端站。因此，从目前掌握到的资料来看,当前国外尚无相关经验可以借鉴。

2　共用测站平台管理过程分析

中继卫星平台控制与管理是实现对用户航天器捕获跟踪、进行数据中继传输的基础。卫星在轨运行的寿命周期内，卫星平台的控制与管理一直存在，且和数据中继任务交叉进行。两颗中继卫星共用一套地面测站系统，具体连接关系如图1所示。进行两颗中继卫星共用测站及协同控制，要求地面终端站、遥测单收站及地面运控系统均具备交叉管理情况下的系统资源重组能力。

图1系统组成及连接关系示意图

Fig.1Schematicdiagramofsystemcompositionandconnectionrelation

假设定点位置相距较近的两颗星为A星和B星，A星定点于东经L1，B星定点于东经L2，两颗星测控事件在时间上间隔较近，A星和B星测控事件的时间间隔(单位：min)可以用下面的公式计算：

(1)

根据公式(1)，当A星和B星经度相差1°时，测控事件的时间间隔约为4min。因此,A星和B星经度相差越近，测控事件的时间间隔越近。

平台管理事件中，对测控资源约束性较强的事件主要有外测与定轨、位置保持、加热器管理、太阳帆板控制、地球敏感器日月干扰保护、能源管理等,这些测控事件对发送指令约束性在表1中给出。

表1测控事件对测控上行的需求

Tab.1TheTT&Cdemandofcontrolevents

名称测控上行需求时间约束性轨道测量与确定否/位置保持是与控制时刻选取有关陀螺加热器管理是不强太阳帆板控制是两年一次,时间约束较强地球敏感器干扰保护是强星蚀期能源管理是强全日照期能源管理是不强

2.1轨道测量与确定

为解决中继卫星定轨的问题，可以采用分时定轨的方法。为了验证这种方法是否满足平台管理控制对轨道精度的要求，选取某地球静止轨道(GeostationaryEarthOrbit，GEO)卫星的外测数据，按照时间每隔1h、2h、3h、4h、6h、12h数据有效的规则对其进行处理，采用处理后的分段有效的每日外测数据对中继卫星进行轨道确定。将得到的定轨弧段内星历、1天预报星历、7天预报星历分别与长弧段定轨得到的精密星历进行比较。

通过仿真，除个别点外，定轨弧段内星历平均位置误差优于100m，最大位置误差优于200m；1天预报结果平均位置误差优于300m，最大位置误差优于400m;7天预报结果平均位置误差优于1 000m，最大位置误差优于2 500m。与采用24h完整弧段的数据对中继卫星进行轨道确定所得到的预报星历位置误差进行比较，处于相同量级，相差很小。

因此，如果采用每天各使用12h左右的分时多站测距数据进行轨道确定，其定轨精度可以满足两颗星日常测控需求。

2.2位置保持模式

地球同步轨道定点位置保持的任务就是克服地球形状摄动、日月摄动、太阳光压摄动等3种主要摄动力的影响，使卫星始终保持在定点位置，东西和南北方向误差始终在一定范围以内。文献[3]给出了欧空局的ECS卫星进行位置保持的计划，在固定的4周时间内，共实施了两次经度机动(东西位置保持)和一次倾角机动(南北位置保持)。如果控制中心对同一系列的几颗卫星进行操作，位置保持周期可以交叉进行。

2.2.1东西位置保持

东西位置保持典型的轨道机动周期在20～40天。因此，在两颗中继卫星共用测站实施东西位置保持的时候，可把其安排在不同的日期，通过分时控制的方法分别实施。在实施位置保持的同时，使用遥测单收站进行另一颗星的遥测接收。

2.2.2南北位置保持

目前的一些GEO卫星在寿命初期或末期采用小倾角地球同步轨道(InclinedGeosynchronousSatelliteOrbit,IGSO)的方案，在卫星寿命初期和末期的几年内不进行南北位置保持，以解决卫星携带的推进剂不满足工作寿命要求的问题[4]，从而延长卫星在轨工作寿命。小倾角GSO的设计可适用于数据中继卫星、导航卫星、移动通信卫星等，在国外卫星上如跟踪与数据中继卫星(TDRS)、“瑟拉亚”(Thuraya)卫星、国际移动通信卫星-4(Inmarsat-4)等，均已得到了较广泛的应用。在中继卫星进行寿命早期入轨、末期控制策略制定时，为节省燃料消耗，建议采用小倾角地球同步轨道策略。

因此，当两颗中继卫星同时在轨运行时，若卫星处于寿命初期或末期小倾角轨道运行时，将不用实施南北位置保持控制。如果需要实施南北位置保持控制时，可以参照东西位置保持控制的方法分时进行。

2.3星蚀期能源管理模式

地影是卫星、地球和太阳运行到几乎同一平面，地球遮挡住了照射卫星的太阳光造成的。对于不具备星上自主能源管理能力的卫星，星蚀时段内与能源相关的上行操作是结束蓄电池组涓流充电。一般在大电流充电转涓流充电1h以后手动发送指令实施。由于涓流充电的速率在0.3A/h左右，因此卫星本身对结束涓流充电的实时性要求不高。

可以先结束一颗卫星涓流充电，而后进行测控切换，再发送指令结束另一颗卫星涓流充电。在时间上将两颗卫星能源管理测控事件分开是可行的。

2.4地敏探头干扰保护模式

2.4.1地敏太阳自主干扰保护

卫星在正常轨道上运行时，春分、秋分前后的卫星星蚀期间，太阳会在卫星当地时间午夜前后进入红外地球敏感器视场，为防止姿态异常，需要提前将相应受干扰的红外探头禁止。在星上太阳干扰保护使能期间，卫星根据地面注入的干扰探头类型和干扰时间，自动完成探头的禁止和打开工作。

如果A星和B星的定点位置比较接近，那么两颗星地敏探头同时受干扰的时段也比较接近。地敏太阳干扰保护是星上自主完成，为防止卫星地敏探头误切换，应在卫星软件设计上增加地敏探头自主纠错功能。这样就保证在实施地敏探头自主太阳干扰保护时，不需要利用遥控平台进行实时应急处置的准备。

2.4.2地敏月亮干扰保护

卫星在地球同步轨道正常运行时，月亮也可能会进入地球敏感器探头视场。当在卫星处看到月面60%以上被太阳照射时，相应的地球敏感器会受到月亮反射光的干扰，此时需提前将相应受干扰的红外探头禁止。月亮干扰相比于太阳干扰来说，没有很强的规律性，必须由地面根据月亮、太阳、卫星的空间位置关系计算出准确的地球敏感器受月亮干扰时间，然后使用地面遥控方式实施干扰保护[5-7]。

以某GEO卫星地敏探头1/3月亮干扰保护过程为例，参见图2。在实施地敏探头月亮干扰保护时，为操作方便，将保护探头1切换至保护探头3的指令发送时机选取在探头1干扰结束与探头3干扰开始的中间时刻。实际在图中所示的时间区间内均可实施指令发送操作。

图2某GEO卫星地敏探头月亮干扰保护流程

Fig.2ThemooninterferenceprotectionprocessofaGEOsatelliteearthsensor

当A星和B星定点经度相差1°时，地敏探头干扰和切换时刻理论上相差约4min。如果共用测站支持两颗中继卫星测控，以地敏探头1/3月亮干扰保护为例，假设A星、B星经度相差3°，同时考虑地敏探头干扰保护过程中，尽量减少测控资源的切换，实施地敏月亮干扰保护的过程如图3所示，简要的实施过程在表2中给出。

图3某两颗相邻GEO卫星共用测站地敏探头月亮干扰保护流程

Fig.3ThemooninterferenceprotectionprocessofearthsensorsintwoadjacentGEOstations

表2共用测站探头保护实施过程

Tab.2Theimplementationprocessofearthsensorsprotectionusingonegroundterminalstation

开始时间事件名称测控支持A星B星干扰A星探头1前发送指令禁止B星探头1遥测单收站地面终端站干扰A星探头1前切换测控资源支持A星;发送指令禁止A星探头1地面终端站遥测单收站A星探头1干扰结束后发送指令禁止A星探头3地面终端站遥测单收站干扰B星探头3前切换测控资源支持B星;发送指令禁止B星探头3遥测单收站地面终端站B星探头3干扰结束后发送指令恢复B星探头状态遥测单收站地面终端站B星探头状态恢复后切换测控资源支持A星;发送指令恢复A星探头状态地面终端站遥测单收站

2.5其他测控事件

对于其他测控事件如太阳帆板指向误差计算、剩余燃料计算不涉及上行发令，不用进行测控切换。全日照期蓄电池组涓流充电对时间约束性不强，可以通过错开上行指令时间的方式实施。

3　共用测站数据中继任务分析

两颗中继卫星共用测站条件下的资源分配，必须统筹平台使用计划，在此基础上进行空闲窗口的发布。以测控切换最频繁、包含地敏探头月亮干扰保护事件在内的某天空闲窗口发布为例，进行数据中继任务空闲窗口计算的说明。从表3可以看出，不考虑测控切换时间，在兼顾测定轨的情况下，可以保证共用测站进行空闲窗口的正常发布。在实际制定计划的过程中，还应扣除测控切换时间。数据中继任务的执行，可以按照分配的空闲窗口，提前进行任务状态设置与准备，即可保证任务正常实施。

表324h数据中继任务空闲窗口简表(不考虑测控切换时间)

Tab.3 24hdatarelaytaskidlewindowlist(withoutconsideringtheswitchingtimeofmeasurementandcontrol)

卫星代号测控事件干扰时段测控指向时段空闲窗口定轨时长A星地敏探头1/3月亮干扰保护10∶37～11∶2811∶57～12∶4810∶30～11∶2810∶30～11∶2813∶00～24∶0011∶58B星地敏探头1/3月亮干扰保护10∶49～11∶4012∶09～13∶0000∶00～10∶3011∶28～13∶0000∶00～10∶3011∶28～13∶0012∶02

4　使用建议

通过分析，对于两颗中继卫星共用测站进行平台管理和数据中继任务，有如下使用建议：

(1)如果不新建地面设备，仅利用现有地面终端站实现两颗中继卫星共同管理，必须首先保证两颗中继卫星各自时间约束性较强的平台管理事件的测控支持，在此基础上再进行数据中继任务的空闲窗口分配，利用预配好的空闲时段保障用户。这种方法的不足之处在于，两颗星只能当作一颗中继卫星为用户提供数据中继服务，而且平台管理将带来较频繁的测控切换操作。

(2)如果不新建地面设备，对遥测单收站进行改造，增加上行测控功能。这种情况增加了平台任务实施的灵活性与应急情况下的可靠性,但在测定轨和数据中继任务方面将受到约束。

(3)新建简易备份站，并适当缩小备份站的天线尺寸，该备份站具备上行测控以及低速返向数据接收的功能。这将增加平台任务实施的灵活性与应急情况下的可靠性。同时，使用地面终端站管理的中继卫星能提供正常情况下的前、返向数据中继服务，使用简易备份站管理的卫星能提供降速情况下的前、返向数据传输。在进行中继卫星可用资源分配时，需要增加约束选项，即用户返向传输速率是否在可提供的降速使用范围内,如:使用简易备份站能提供的返向数据传输服务应不超过10Mb/s,等。

在这种情况下，还需要考虑卫星共用测距转发站进行测定轨，需要改造测距转发站软硬件，使其适应不同中继卫星的测定轨。此外，还应提高卫星测定轨精度，在减少测控切换的情况下，保障平台管理和捕获跟踪任务精度。

5　结束语

共用测站管理模式虽然可以通过测控切换确保两颗中继卫星平台安全，但很大程度上制约了卫星使用效能的发挥。此外，如果出现平台应急情况，测控支持的灵活性将受到制约。建议在后续地面应用建设过程中，通过简易备份站提供卫星的平台测控支持，同时通过资源分配增加约束条件，更好地发挥中继卫星使用效能。

后续中继卫星的设计应提高中继卫星自主管理能力，例如:将测控资源占用率较高的能源管理、地敏探头月亮干扰保护等事件通过软件设计自主完成，增加星载计算机的轨道外推能力，将东西位置保持控制分散实施,等。

[1]GoddardSpaceFlightCenter/ExplorationandSpaceCommunicationsProjectDivision.Spacenetworkhandbook[M].Greenbelt,Maryland:GoddardSpaceFlightCenter,2007.

[2]GoddardSpaceFlightCenter.Interfacecontroldocument(ICD)betweentheSTARLinkprojectandthesecondTDRSSgroundterminal(STGT):530-ICD-STGT/STARLINK[S].Greenbelt,Maryland:GoddardSpaceFlightCenter,1995.

[3]SOOPEM.地球静止轨道手册[M]. 王正才,译.北京：国防工业出版社,1999:94-95.

SOOPEM.Geostationaryorbitmanual[M].TranslatedbyWANGZhengcai.Beijing:NationalDefenceIndustryPress,1999:94-95.(inChinese)

[4]李向阳，经姚翔，赵宏. 小倾角GSO卫星的转移轨道优化设计[J].航天器工程,2014,23(5):18-22.

LIXiangyang,JINGYaoxiang,ZHAOHong.Optimizedtransferorbitdesignoflow-inclinationGSOsatellite[J].SpacecraftEngineering,2014,23(5):18-22(inChinese)

[5]苏威,洪涛,徐川,等.红外地球敏感器修正的卫星姿态角动量反馈控制[J].西安交通大学学报,2014(4):116-118.

SUWei，HONGTao，XUChuan，etal.Angularmomentumfeedbackcontrolofsatelliteattitudewithinfraredearthsensorcorrection[J].JournalofXi′anJiaotongUniversity,2014(4):116-118.(inChinese)

[6]李于衡,张瑛,易克初.天体对地球同步静止轨道卫星的影响研究[J].飞行力学,2005，23(4):78-81.

LIYuheng,ZHANGYing,YIKechu.Thestudyofinterferencesfromcelestialbodiesandsolutionsfortheinfraredearthsensor[J].FlightDynamics,2005,23(4):78-81.(inChinese)

[7]祝转民,李于衡. 在轨地球同步卫星地球敏感器干扰及指向计算[J].上海航天,2007(4):38-42.

ZHUZhuanmin,LIYuheng.Computingearth-sensorinterferenceandantennapointingfororbitsatellite[J].AerospaceShanghai,2007(4):38-42.(inChinese)

胡文静(1982—),女，河南信阳人，2007年获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为卫星在轨管理、卫星应用、故障诊断；

HUWenjingwasborninXinyang,HenanProvince,in1982.ShereceivedtheM.S.degreein2007.Sheisnowanengineer.Herresearchconcernssatelliteon-orbitmanagement,satelliteapplicationandfaultdiagnosis.

Email:hwjswo@163.com

李亚晶(1973—)，男，吉林公主岭人，2007年获硕士学位，现为研究员，主要研究方向为精密轨道确定、卫星应用、故障诊断；

LIYajingwasborninGongzhuling,JilinProvince,in1973.HereceivedtheM.S.degreein2007.Heisnowaseniorengineerofprofessor.Hisresearchconcernspreciseorbitdetermination,satelliteapplicationandfaultdiagnosis.

聂琨坤(1979—)，男，四川西昌人，2005年获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为卫星应用、空间网络技术、高速数据处理；

NIEKunkunwasborninXichang,SichuanProvince,in1979.HereceivedtheM.S.degreein2005.Heisnowanengineer.Hisresearchconcernssatelliteapplication,spatialnetworktechnologyandhigh-speeddataprocessing.

李志涛(1986—)，男，四川南充人，2010年获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为卫星在轨管理、卫星应用、故障诊断。

LIZhitaowasborninNanchong,SichuanProvince,in1986.HereceivedtheM.S.degreein2010.Heisnowanengineer.Hisresearchconcernssatelliteon-orbitmanagement,satelliteapplicationandfaultdiagnosis.

StudyonJointControlofTwoTDRSsSharingOneGroundTerminalStation

HUWenjing，LIYajing，NIEKunkun，LIZhitao

(BeijingSpaceInformationRelayTransmissionTechnologyResearchCenter,Beijing100094，China)

ItisexpensivetoconstructTrackingandDataRelaySatellite(TDRS)groundterminalstationsinbothtimeandmoney.TwoTDRSsinnearorbitlocationsharingonegroundterminalstationcanreducetheconstructioncostefficiently.Throughcombingthetimerelationshipandtheusingconstrainsofgroundtelecommandequipmentamongeveryoperationevent,theprecisionoforbitdetermination,station-keeping,energymanagementineclipsephase,shadowmanagement,earthsensorprotectionarearrangedindividuallyintime,andflatemergencysupportisdiscussed.Finally,suggestionofbuildingsimpledegradedstationisgiveninundergoingdatarelaymissions,whichcanbeareferenceintheconstructionofTDRSgroundterminalstations.

TDRS；sharinggroundterminalstation；jointcontrol；platformoperation；datarelay

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.009

2016-02-29；

2016-06-01Receiveddate:2016-02-29；Reviseddate：2016-06-01

TN927；V556.8

A

1001-893X(2016)09-1000-05

引用格式：胡文静，李亚晶，聂琨坤，等.两颗中继卫星共用测站协同控制研究[J].电讯技术，2016,56(9):1000-1004.[HUWenjing，LIYajing，NIEKunkun，etal.StudyonjointcontroloftwoTDRSssharingonegroundterminalstation[J].TelecommunicationEngineering,2016,56(9):1000-1004.]

**通信作者：hwjswo@163.comCorrespondingauthor：hwjswo@163.com