CAPS系统中iHCO卫星测控站布局研究*

徐小钧，马利华，林荣超，艾国祥

(1. 中国科学院国家天文台，北京　100012；2. 中国科学院大学，北京　100049)



CAPS系统中iHCO卫星测控站布局研究*

徐小钧1,2，马利华1，林荣超1，艾国祥1

(1. 中国科学院国家天文台，北京100012；2. 中国科学院大学，北京100049)

中国区域定位系统(Chinese Area Positioning System, CAPS)拟采用比地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit, GEO)高150 km至300 km的倾斜高圆轨道(inclined Highly Circular Orbit, iHCO)通信卫星组建全球导航通信星座。基于全球范围内的卫星测控网分布情况，分析了测控站对倾斜高圆轨道卫星的可见性，提出测控站布局的优化方案，并研究了站星链路的方位角、俯仰角和距离特性。

卫星测控；iHCO卫星；可见性

中国区域定位系统计划把寿命末期的地球静止轨道通信卫星推到比同步轨道高约150 km至300 km的倾斜高圆轨道，并利用倾斜高圆轨道卫星组成星座，实现全球范围内的通信导航一体化功能[1-2]。倾斜高圆轨道卫星进入运行轨道之后，需要在卫星寿命内对其进行长期的测控管理，因此必须建立合适的卫星测控站。由于倾斜高圆轨道卫星比地球同步轨道稍高，每天相对地球向西漂移大约2°至4°[3-4]，每个测控站对倾斜高圆轨道卫星的观测时间有限，所以需要从全球范围内考虑其测控系统的布局。本文对国内外布设测控站的方案进行讨论和仿真，实现对倾斜高圆轨道卫星的全程跟踪测控。

1　卫星测控网概况

随着航天技术的蓬勃发展，现今的航天测控通信网一般由航天控制中心、空中测控平台 (如中继卫星、测量飞机等) 以及分布在世界各地的若干航天测控站 (包括陆基固定站、海上测量船等) 组成。空中测控平台中的中继卫星是地球同步轨道卫星，其主要功能是利用其高空优势，完成对中低轨道航天器的测控。由于该类卫星天线向下俯视的指向限制，所以无法利用中继卫星对高于其轨道高度的倾斜高圆轨道卫星进行测控。测量飞机具有较高的机动性，可部署到最有利的位置完成测控任务，但不能保证全天时无间断地工作，而且使用成本高，不适用于常规测控。测量船受到地球自转、海水流动、船体摆动、天线晃动、目标移动等复杂动态环境的作用，确定船体位置的精度和实时跟踪航天器的定向精度都会受到严重影响[5]。综合考虑，首选利用陆基固定测控站实现倾斜高圆轨道卫星测控。

全球已有多个国家、地区和国际组织建立了工作频段为C、S、Ku的卫星测控网。C频段卫星测控网运行最为普遍，采用C频段工作的测控网有中国卫星测控网、国际通信卫星组织(INternational TELecommunications SATellite organization, INTELSAT)和国际海事卫星组织(INternational MARritime SATellite organization, INMARSAT)C频段卫星测控网等[6]。中国卫星测控网的陆基测控站如图1。

中国境内测控站主要分布在佳木斯、长春、青岛、渭南、和田、喀什、厦门、南宁和三亚，同时在北京、西安和酒泉分别建有测控中心。境外测控站分布在巴基斯坦的卡拉奇、澳大利亚的当加拉、肯尼亚的马林迪、纳米比亚的斯瓦科普蒙德和智利的圣地亚哥。国际海事卫星组织是全球移动卫星通信网络的领跑者，对外全面提供海事、航空、陆地移动卫星通信和信息服务。其卫星控制中心设在伦敦，全球共设立4个测控站，分布在加拿大的考伊琴湖、彭南特角、意大利的福希诺和中国的北京[7]，如图2。

图1中国卫星测控网

Fig.1Chinese Satellite Control Network

图2国际海事卫星测控网

Fig.2Inmarsat Satellite Control Network

中国区域定位系统采用C频段通信卫星，因此倾斜高圆轨道通信卫星的工作频段也为C频段。考虑到建设成本和测控需求，可以采取测控接力的方式，选择租赁分布在全球已有的C频段卫星测控网中的陆基固定测控站，并配备相应的测控设备，以实现对倾斜高圆轨道卫星的全天时测控。

2　测控站对卫星可见性分析

在采用陆基测控站对倾斜高圆轨道卫星进行测控的背景下，为了满足测轨精度和监控即时性的需求，地面测控网需要有足够长的累计观测弧段，从而获得足够高的测控覆盖。由于受地球曲率的影响，每个地面测控站只能观测到有限的卫星轨道弧段，而且地面障碍物遮挡会影响测控站的可见性，所以为了保证观测精度，测控站相对于卫星的仰角必须大于测控设备设计的最小仰角αmin(αmin≥0)。最小仰角主要取决于测控站周边的地理环境，如有无障碍物的遮挡，以及大气对信号的衰减效应等。

在地心固连坐标系中，已知测控站的直角坐标为(xT、yT、zT)，卫星的直角坐标为(xs、ys、zs)，因此，航天器与地面站之间的距离d为

(1)

当已知航天器在时刻t的轨道半长轴a、偏心率e、升交点赤经(RAAN)Ω、轨道倾角i、近地点角距ω和真近点角f时，该时刻的航天器地心距r=p/(1 +ecosf)，其中p=a(1 -e2)。测控站对卫星的观测俯仰角α为

(2)

其中，Re为地球长半径；r为航天器地心距。显然当α≥αmin时，地面站和航天器之间几何可见，从而能够可靠地接收卫星播发的信号。

以比同步轨道高300 km的某颗倾斜高圆轨道卫星为例，其绕地周期为94 d，计算在一个绕地周期内，倾斜高圆轨道卫星的轨道倾角i=10°，升交点赤经RAAN=0°时，全球范围内地面站对倾斜高圆轨道卫星可观测弧段。设观测站海拔高度为0，最小俯仰角为3°。图3为全球范围内倾斜高圆轨道卫星可观测弧段占总弧段的比值。

图3全球范围内地面站对某颗倾斜高圆轨道卫星可观测弧段的比率

Fig.3The rate of observable arc of the iHCO satellite to the total arc

可见，对于确定升交点赤经的倾斜高圆轨道卫星，纬度越低的地区，可观测弧段越长，在纬度为-60°至60°范围内的观测站对倾斜高圆轨道卫星均有良好的可见性，覆盖率超过35%，在赤道地区能到达最大观测弧段，约占总观测弧段的45%。根据简单的坐标旋转和时间平移可知，同一纬度、不同经度的地区，可观测弧长取决于该倾斜高圆轨道卫星的升交点赤经，其观测时间分布随着倾斜高圆轨道卫星升交点赤经的变化而平移变化。因此，对于固定升交点赤经的倾斜高圆轨道卫星，观测站址应该尽量选择在纬度较低的地区，其经度可以依据全球范围内的观测时间比率大小进一步优选。

3　倾斜高圆轨道卫星测控站布局分析

假设地球为理想球体，地面上的测站一次能跟踪的地面航程L为[8]

(3)

其中，h为倾斜高圆轨道卫星的高度。由此可知，地面上的一个测站一次能跟踪1.83 × 104km的地面航程，而比同步轨道高300 km的倾斜高圆轨道卫星绕地球一圈的地面航程约为4 × 104km，所以至少需要部署3个地面测控站。

以比同步卫星轨道高度高300 km的倾斜高圆轨道卫星为例，其倾角i=10°，升交点赤经RAAN=180°。计算中国卫星测控网和国际海事卫星组织C频段卫星测控网的陆基固定测控站，对倾斜高圆轨道卫星在其一个绕地周期(94 d)内的可见性，时间取样步长为Δt=60 s，设置观测站海拔高度为0，最小俯仰角为3°。可见性见图4。

图4测控站对倾斜高圆轨道卫星的可见性

Fig.4Visibility of iHCO satellite at satellite control station

考虑到政治外交因素和建设成本，倾斜高圆轨道卫星测控站的站址可以选择租用中国卫星测控网和国际海事卫星组织C频段卫星测控网的已有陆基固定测控站，其中一个国内站，两个国外站。依据以上的仿真结果可知，当站址选在纳米比亚站和加拿大的考伊琴湖站时，国内站选择北京、西安、长春、厦门、青岛、渭南、南宁、佳木斯和三亚，均可实现全球范围内全天时连续跟踪和观测倾斜高圆轨道卫星。其中，当国内站址选在三亚时，3个观测站可以跟踪观测倾斜高圆轨道卫星的总时间最长，与倾斜高圆轨道卫星的运行时间的百分比为125.492%。因此，倾斜高圆轨道卫星的测控站可选址在中国的三亚、纳米比亚站和加拿大的考伊琴湖。仿真分析上述3个测控站跟踪倾斜高圆轨道卫星时的方位(Azimuth)、俯仰(Elevation)和距离(Range)，如表1和图5。

表1　测控站跟踪倾斜高圆轨道卫星的方位角、俯仰角和距离

图5测控站跟踪倾斜高圆轨道卫星的方位角、俯仰角和距离特性

Fig.5Azimuth, elevation and range features of iHCO satllite

由此可知，选定的3个测控站跟踪倾斜高圆轨道卫星时，链路距离的变化范围是36 163.923 km至41 652.957 km，由于设置的测控站的最小俯仰角为3°，俯仰角的上下起伏为3°至80.286°，方位角变化约为0°至360°。由于方位角、俯仰角和距离的变化较快，对倾斜高圆轨道卫星的稳定性和天线指向、捕获和跟踪能力的要求较高。

4　结　论

(1)本文简要介绍了世界主要卫星测控网的发展概况，提出倾斜高圆轨道卫星测控可以采取测控接力的方法，选择租用分布在全球已有的陆基固定测控站，并配备相应的测控设备，以满足倾斜高圆轨道卫星的控制建设成本和全天时测控需求。

(2)分析了全球范围内的测控站对倾斜高圆轨道卫星的可见性，结果显示可观测弧长取决于倾斜高圆轨道卫星的升交点赤经，在纬度为-60°至60°范围内的观测站对倾斜高圆轨道卫星均有良好的可见性，赤道地区最佳。

(3)倾斜高圆轨道卫星实现全天时测控，需要租用至少3个测控站，当测控站址选在中国的三亚、纳米比亚站和加拿大的考伊琴湖时，可测控时长最长。这种情况下，由于测控站对倾斜高圆轨道卫星的方位角、俯仰角和距离的变化较快，对地面站的天线指向、捕获和跟踪能力的要求较高。

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Xu Xiaojun, Ai Guoxiang, Ma Lihua, et al. A study of optimization of a CAPS constellation of iHCO communication satellites of different orbit heights[J]. Astronomical Research & Technology

——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2014, 11(4): 350-355.

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[8]陈芳允, 贾乃华. 卫星测控手册[J]. 北京: 科学出版社, 1992.

An Analysis of TT & C Station Selection of iHCO Satellite in CAPS

Xu Xiaojun1,2, Ma Lihua1, Lin Rongchao1, Ai Guoxiang1

(1. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China, Email: mlh@nao.cas.cn;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The inclined Highly Circular Orbit (iHCO) communication satellites, which are on orbits 150-300km above the Geostationary Earth Orbit (GEO), can be used to build global navigation and communication constellation of Chinese Area Positioning System (CAPS). Based on the development of the world telemetry, tracking, and command (TT & C) network, this paper analyzes the visibility of iHCO satellites, puts forward the optimization layout of TT & C network, and explores the azimuth, elevation and distance (AER) characteristics of the satellite-ground links.

TT & C; Inclined Highly Circular Orbit satellite; Visibility

国家自然科学基金 (11573041)；中国科学院重点部署项目 (KJCX2-EW-J01) 资助.

2016-01-31；

2016-03-01

徐小钧，女，博士. 研究方向：导航星座优化. Email: xuxiaojun12@mails.ucas.ac.cn

马利华，男，研究员. 研究方向：卫星导航通信与应用天文学. Email: mlh@nao.cas.cn

V474.2

A

1672-7673(2016)04-0422-06

CN 53-1189/PISSN 1672-7673