航天测控通信技术发展态势与展望*

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

航天测控通信技术发展态势与展望*

雷 厉**

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

航天测控通信系统是航天工程和空间基础设施的重要组成部分。为了探讨航天测控通信技术的发展，介绍了当今航天测控通信系统的总体性能和存在的问题，给出了国内外航天测控通信系统的发展态势，展望了未来一段时间航天测控通信技术的发展方向。

航天工程；测控通信；发展现状；发展态势

1 引 言

航天测控通信是指对航天器进行跟踪测轨(即外测)、遥测(即内测)、遥控和通信(传输数据、图像和话音等)。航天测控通信系统是航天器与地面联系的生命线和天地信息的传输线，也是航天工程和空间基础设施的重要组成部分。

最早出现的测控系统是1942年德国用于支持V-2火箭发射的分离测控系统。1957年苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星，为人类开启了航天新纪元，也拉开了航天测控通信系统大发展的序幕。70多年来，美、俄、中、欧等航天大国(或联盟)都陆续建成了近地轨道测控网、深空测控网和天基测控网(广义上包括跟踪与数据中继卫星系统、全球导航卫星系统)。

直至目前，测控通信的频段仍以射频为主，光测量与通信逐步得到应用；测控通信覆盖范围从陆(海)基站的过顶区域到天基网的近地空间基本覆盖，以及从月球到遥远的深空；测距误差从30 m降到分米级；测速误差从3 cm/s降到0.1 mm/s；测角误差从0.05°降到0.002°；数据传输速率从几kbit/s到800 Mbit/s；作用距离从地表到距地球10亿公里。

虽然航天测控通信的体系、覆盖能力、性能指标等已经比较完善和先进，但仍然存在着测控通信资源利用效率不高和新的需求尚未得到满足的问题，具有很大的改进和发展空间。一是“烟囱”林立，一体化、综合化、网络化进展缓慢，系统弹性不够，扩展和重构难，资源使用效率低下；二是同时多目标服务能力和数据传输速率尚有差距；三是需要建设在轨服务与维护的测控通信支持能力；四是系统和设备的自主化、智能化程度低，对操作人员和地面系统的依赖性强；五是系统的安全防护能力比较脆弱。

本文在归纳国内外技术发展态势的基础上，展望了未来一段时间航天测控通信技术的发展方向。

2 国外航天测控通信技术的主要发展态势

2.1 美国军用测控网

美国军用测控网将打破以专用测控系统为主的“烟囱式”结构，建立企业级地面服务体系，以实现通用化和互联互通互操作，提高资源利用效率。

美国军用地面测控系统包括空军卫星控制网(Air Force Satellite Control Network, AFSCN)、海军测控网、陆军测控网、海军研究实验室控制网、海洋与大气管理局测控网等，近20个跟踪站遍布全球。军用地面系统中专用系统的占比大约是85%，有独立的操作员、软件和硬件，全天候有人值班，但不具备与其他地面系统的互操作能力，资源使用效率低下[1]。

从2008年起，美国空军航天司令部开始考虑航天测控系统向地面系统企业转型。2009年美军在“快速响应航天”计划中提出了适用于快响卫星的地面系统企业[2],由空军航天司令部的“多任务卫星操作中心”(Multi-Mission Satellite Operations Center, MMSOC)、美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)哥达德任务业务发展中心(Goddard Mission Services Evolution Center, GMSEC)的消息总线中间件、海军研究实验室的“虚拟任务操作中心”和分布式通用地面系统等组成。它通过全球信息栅格(Global Information Grid, GIG)和空军卫星控制网组成网络，数据通过全球信息栅格分发。最终目标是将载荷数据直接传送给联合部队指挥官，或将处理后的信息直接传送给战场的作战人员。

2013年，美国航天与导弹系统中心提出了“企业地面体系”计划[3]，目标是提高航天地面测控系统的灵活性、自动化程度、安全性、弹性及降低成本。以MMSOC为基础构建的企业级地面系统由收/发网络、卫星/任务操作中心、联合作战中心、空间作战管理指挥控制系统、指挥控制中心/数据中心和MMSOC系统组成，如图1所示。美军计划在2017～2019财年实现从原有测控系统向通用的企业地面体系过渡。

图1 以MMSOC为基础构建的企业级地面系统(EGS)[3]Fig.1 MMSOC-based Enterprise Ground System (EGS)

鉴于大部分军事航天系统并非基于威胁而设计，美军制定了太空战新蓝图——“太空企业级构想”(Space Enterprise Vision, SEV)[4]。“太空企业级构想”是一种跨越所有太空任务领域的一体化方法，把太空任务效能(包括通信、定位/导航/授时、导弹预警和气象数据)与防范太空资产免受新兴威胁的能力结合起来。建设一支更富弹性的太空部队，相关工作的基础之一是发展可管理各种卫星的地面站，使用自动化技术对卫星进行测控。这将解放很多从事航天器跟踪、遥测和通信工作的人力[5]。

2.2 连续波全空域相控阵天线

连续波全空域相控阵天线逐步进入实用阶段，将大幅提高多目标同时测控能力。

为了提高测控系统效率，实现全空域多星同时测控，美军从20世纪90年代开始研究适用于美国空军卫星控制网的相控阵天线结构。因地面测控天线要求半球覆盖，在可选的多面平面阵列、曲面或共形阵列、透镜阵列三类结构中，球形相控阵具有更大的瞬时带宽和更低的极化与失配损耗。

1998年，美国空军研究实验室的鲍里斯·托马斯克博士(Boris Tomasic)提出了“网格球顶相控阵天线”(Geodesic Dome Phased Array Antenna, GDPAA)[6]的方案，保留了球形相控阵的优点，同时保持了成熟的平面阵技术易于制造的特性。

2003年，贝尔宇航公司向美国海军交付了一个72阵面的3波束S频段相控阵天线，因此被美国空军选中进行技术合作，根据GDPAA的设计方案，研制第三代试验系统(如图2所示)，进行技术验证[7]。

图2 GDPAA 的基本构建[7]Fig.2 Basic structure of the GDPAA

GDPAA能够形成多波瓣方向图，直径约10 m，至少取代无线电技术跟踪站的4个抛物面天线系统。美国航天与导弹系统中心的计划是在2017年完成第一个全尺寸GDPAA的工程化，其后进行部署。

2.3 跟踪与数据中继卫星系统

跟踪与数据中继卫星系统将向提供“增强业务”、建设星间和星地光链路，以及为众多微小用户服务和融入天地一体化网络方向发展。

2.3.1NASA跟踪与数据中继卫星系统

NASA在实施跟踪与数据中继卫星系统 (Tracking and Data Relay Satellite System, TDRSS)的“天基网地面段增强计划”(Space Network Ground Segment Sustainment, SGSS)[8]的同时，还开展了下列研究：

(1)“下一代广播业务”[9]

“下一代广播业务”(Next Generation Broadcast Service, NGBS)就是原先的“TDRS卫星增强业务”(TDRS Augmentation Service for Satellites, TASS)，为用户提供单向无线电测量(多普勒和伪距)和前向数据传输业务。它有两个功能：一是利用TDRSS卫星的S频段链路广播全球差分GPS(Global Difference GPS, GDGPS)修正信息，可实现中低轨卫星自主精确定位(精度优于1 m)；二是随机或按需的前向指令发送。NGBS将从第三代卫星开始提供这项服务。

未来NASA将采用三大策略来增加NGBS的业务量：第一个策略是在第四代TDRS卫星上设计一个专用NGBS载荷；第二个策略是在极高纬度的地区增加NGBS地面信标，拉格朗日点或月球轨道的用户可以利用地面天线系统连续或定期访问NGBS信标，这样无需对指定纬度实现100%覆盖就可扩大NGBS的业务量，同时扩大“空间移动网络”(Space Mobile Network, SMN)的范围；第三个策略是采用NASA目前正在研究的光学多址技术来取代天基网目前使用的多址返向业务，这项技术还可用于前向数据传输和实现光频率NGBS信标。

(2)下一代天基中继体系

2013年3月7日, NASA 向外界发布了下一代天基中继体系结构意见征询书。2013～2014 年，哥达德飞行中心“探索与空间通信部”进行了长达1年的“天基中继研究”( Space Based Relay Study, SBRS)[10]，探讨能支持2020年以后航天任务需求的天基中继通信与导航体系结构。研究内容包括：用户需求和业务性能；光通信、微波通信、毫米波星间链路、相控阵天线、容断组网、空间组网、认知和自适应协议、软件无线电等技术；采用专用卫星(类似现有的TDRS卫星)、寄宿载荷、小卫星群以及上述形式的组合等卫星物理结构，并考虑天地网络一体化设计。

2.3.2美国的商业数据中继卫星系统方案

美国Audacy公司计划建造由3颗GEO卫星和2个地面站组成的数据中继通信网络，为私营航天飞行活动提供数据中继能力[11]。Audacy公司的系统类似NASA“跟踪与数据中继卫星”(TDRS)系统，3颗卫星将同时支持大约2 000颗立方体卫星，允许12个高容量用户和约1 000个小容量用户同时共享带宽。

这个商用数据中继卫星系统将用于帮助商业卫星遥感公司(如加拿大地球直播公司、美国行星实验室公司等)向用户发送数据，帮助卫星发射公司监测火箭状态，或者帮助互联网服务商跟踪大型卫星星座[12]。

2.3.3欧洲发展中继卫星星间光链路

2016年1月，欧洲第一颗第二代数据中继卫星EDRS-A发射，定点在欧洲上空东经9°的地球静止轨道。EDRS卫星系统被称为“空间数据高速通道”，其星间通信速率最高可达1.8 Gbit/s。

2.3.4日本宣布将发射“光数据中继卫星”

2014年日本宣布计划于2019年发射“光数据中继卫星”，采用光通信方式将“先进光学卫星”等低轨道对地观测卫星的数据中继传输到卫星地面站，其传输速率将达到1.8 Gbit/s。由于光通信不使用无线电波，避免了程序复杂的国际间无线电协调，同时还具有设备体积小、功耗低、回避外部无线电干扰等特点。

2.4 星间射频和光学链路

星间射频和光学链路的通信、测量和时间同步能力越来越强，星座管理将减少对地面测控站的依赖[13-14]。.

星间链路是指在卫星与卫星之间直接建立射频/光学通信、测量(为卫星轨道和钟差估计提供测量值)链路。星间链路将各颗卫星有机地联结为一个整体，实现了星座在太空组网，即可以不依赖地面设备而实现所有太空网络节点的连接，具有星间通信、星间相对测量、时间同步、测控信号转发、卫星的星地联合精密定轨等功能。

目前已经在轨应用的导航卫星是GPS IIR /IIF，其星间链路采用UHF频段、时分多址(TDMA)和扩频体制。正在研发GPS III Ka频段和激光星间链路。GPS III每颗卫星可建立3～4条Ka频段星间链路，除发射早期在轨操作以及故障处理外，其遥测跟踪和控制完全由美国本土的地面站通过星间链路完成，大幅降低了对海外地面站的依赖。美国计划将激光链路先用于监测站和卫星(预计2019年发射的GPS III)之间的测距，技术成熟后再将激光测距和激光通信用于GPS星间链路。

欧空局也开展了Galileo星间链路研究，欲通过星间链路提升卫星的定轨精度和时钟同步精度，以及降低导航星座对地面段的依赖。射频星间链路的主要方案是建立星间、星地链路，通过星间双频伪距测量、星地双向双频伪距测量以卫星观测辅助地面观测来共同提高卫星的定轨精度和时钟同步精度。

欧空局还开展了“量子通信在GNSS中的应用”研究，提出的光-量子星间链路具有量子密钥分发、量子时钟同步、光学测量、全双工双向高速通信等功能。

2.5“凤凰计划”等在轨维护与服务项目

“凤凰计划”等在轨维护与服务项目的实施将推动星间精密相对测量、星间组网、智能遥操作、地面光学观测等技术的发展[15-18]。.

2012年2月，美国国防部高级研究计划局(DARPA)向航天界宣布一项新的空间技术研究项目——“凤凰”( Phoenix )计划。其目的是发展卫星有效载荷回收重用技术，涉及对地球静止轨道非合作目标的监测、绕飞、捕获、维修和变轨等多项关键技术，可形成对卫星的在轨捕获和操控的能力。

“凤凰计划”将演示验证“细胞卫星” (Satlet)、有效载荷在轨交付系统(Payload Orbital Delivery System, PODS)、“服务航天器”(Servicer/Tender)等多个先进的、具有挑战性的航天概念。“凤凰计划”在轨任务将分PODS搭载发射、服务航天器发射入轨、释放PODS、捕获并储放PODS、与退役卫星交会接近、安装模块卫星、切割天线将新卫星移至新运行地点等8个步骤完成。正在着力解决的测控通信问题主要有：

(1)星间高精度相对测量技术。细胞卫星为了共同完成任务或实现重组、“服务卫星”与“目标卫星”的交会对接等都需要星间高精度测量手段的支持。用于星间相对状态测量的主要手段有GPS载波相位差分测量、基于航天器间无线电的测量和基于光学的测量等。要求的测量精度从测量距离的5%到2 mm，姿态测量精度达到0.5°。

(2)细胞卫星的组网技术。细胞卫星需要通过网络拓展系统性能、共享运行状态和与整体性能相关的信息，还需要通过网络实现系统控制，解决网络通信时延丢包等对系统稳定性的影响。

(3)针对精细装配的空间遥操作。细胞星的装配重构和维护需要空间机器人操作完成，限于目前智能水平，不可能由空间机器人完全自主完成细胞星的在轨装配，充分利用遥操作完成精细空间装配任务是一个重要研究课题。

(4)可拆解卫星的地基观测技术。为了更精确地观测和跟踪在地球同步轨道上的可拆解卫星，需要开发下一代地基望远镜网络，以观测废弃卫星轨道参数和转动状况的足够信息，支持拆解卫星项目的决策。

德国宇航中心支持的IBOSS( Intelligent Building Blocks for On-orbit Satellite Servicing) 项目可将传统卫星平台分解为在轨服务智能建造块，通过在轨装配和维护延长航天器寿命，并可减少太空垃圾产生。

2.6“空间移动网络”

“空间移动网络”(Sapce Mobile Network,SMN)将成为一个可在任意时间任意地点接入的全新近地空间通信与导航网络[19-20]。

2015年，NASA在空间通信与导航(Space Communication and Navigation, SCaN)计划下进行了“地球空间网络发展研究”(Earth Regime Network Evolution Study, ERNESt)，为2025年后近地空间通信与导航网的发展提出了新一代体系框架，利用地面移动无线网技术，在现有近地网和天基网的基础上，通过一些关键技术的实现，形成一个全球通信与导航网络——“空间移动网络”，目标是为以地球为中心、半径200万公里以内数量更多的近地空间用户提供与地面移动无线网智能手机用户一样的用户体验，到2040年实现一个可在任意时间任意地点接入的全新近地空间通信与导航体系。

实现SMN涉及的关键技术主要分为5个领域：一是多址链路，包括光学多址(Optical Multiple Access, OMA)、先进增强的射频多址；二是单址链路(高数据率/低体积、重量、功率的光学与射频系统)；三是用户启动服务(User Initiated Services, UIS)，包括UIS协议和UIS代理；四是数据服务(DTN、IP)；五是定位、导航与授时(Position, Navigation, Timing, PNT)。

2.7 认知组网技术

NASA推进认知组网技术在空间通信基础设施中的应用。

未来，NASA将把互联组网技术扩展至整个太阳系乃至太阳系以外，并逐步纳入采用自主和认知技术的通信与导航服务；将开发认知网络技术，建设自适应、自主、安全、可伸缩的空间网络，使网络效益得到最大程度发挥。

对于具有不同端到端数据交付需求的各种指挥、遥测和科学数据应用而言，未来空间任务概念及设计提出了很多网络方面的挑战：一是满足多个同时发生的任务数据流的应用服务质量需求；二是如何对大量分散的、独立寻址的计算机系统进行编排和指挥，使这些系统协作实现总体网络目标；三是网络必须具备足够的智能，不仅能在正常条件下工作，还能适应意外情况，可以重组网络完成原本没有包含或明确确立的职责[21]。

2.8 “六分仪”项目

NASA逐步推进X射线在通信与导航中的应用研究。

2016年4月，NASA发布了“改变游戏规则发展”(Game Change Development, GCD)计划，其中SEXTANT(“六分仪”项目)是用于验证X射线定时和导航技术的探测器，已经由“猎鹰9”送上了国际空间站[22]。

“六分仪”项目目标是：

(1)利用发射X射线间歇为毫秒的中子星(毫秒脉冲星)作为信标，为太阳系内所有地方及更远地方提供类似GPS一样的自主导航，可实现星座中航天器的位置精度优于1 μm。

(2)探索基于脉冲星时间尺度的效能，它可以保持长距离时钟同步。

NASA还计划在国际空间站开展X射线通信演示验证，将利用X射线高速、远程传输数据，可提供太阳系内Gbit/s的数据传输速率；也能解决在大气中超声速飞行时无线电通信失效的问题。

3 国内测控通信技术的主要发展态势

近年来，我国在近地测控网建设方面，增加了Ka频段、扩频测控体制(含直扩、扩跳结合)，实现了天线与机房拉远、多天线共用基带池、多频段测控系统与测量雷达共用天线、卫星数据接收与测控一体化等；在深空测控网建设方面，66 m S/X双频段深空测控通信系统、35 m S/X/Ka三频段深空测控通信系统和深空干涉测量系统已投入使用，3个深空站对深空目标(火星远地点以内)的覆盖率达到90%以上；在天基测控网建设方面，“天链一号”中继卫星系统实现了三星组网运行。整个测控网具备了“有人值班、无人操作”“远程监控、自动运行”能力。

在先期技术研发方面，突破了全空域相控阵多目标同时测控、扩跳频测控通信、测控天线与设备可重构、上/下行天线组阵、高速数传(3 Gbit/s)、新型跟踪与数据中继体制、同步轨道卫星高精度测距、虚拟基带、激光测控、测控设备远程故障诊断与维护等关键技术，为型号工程研制奠定了技术基础。

4 测控通信技术发展展望

纵观国内外测控通信系统建设和先期技术研发情况可以看出，今后一段时间测控通信技术的主要发展方向如下：

(1)打破测控与运控系统的“烟囱”式格局，利用通用的多功能地面站、通用用户接口、多任务操作中心、航天数据中心和通信网络，实现航天地面站网融合和测运控业务操作自动化，以提高航天地面资源的利用率和安全性，降低运行维护成本。

(2)在中低轨航天器测控通信和卫星数据接收方面，全空域多目标光控相控阵天线将取代抛物面天线；在深空测控通信方面，中、小天线组阵将代替超大口径天线。

(3)跟踪与数据中继卫星将向提高S频段多址能力、开发Ka频段多址技术、建立星间和星地激光链路、提供“增强业务”、打造众多微小用户服务能力，以及融入天地一体化网络等方向发展。

(4)星间射频和光学链路将成为星座、星群测控通信的重要手段，可大幅减轻对地面测控站的依赖，也可以看作是天基测控通信手段(跟踪与数据中继卫星、卫星导航应用)的拓展。

(5)在轨维护与服务技术将带动星间高精度相对测量技术、细胞卫星协同组网、精密遥操作、可拆解卫星的地基观测技术的发展。

(6)空间移动网络将作为全新的近地空间通信与导航体系的载体，可为航天器提供按需、随时随地接入服务，并具有与地面移动无线网智能手机用户一样的用户体验。

(7)数字化、软件化、综合化、光子化将不断深入，网络化和智能化将加速发展。

(8)太赫兹、涡旋电磁波、X射线等新技术的实用化将不断推进。

5 结束语

当前正处于军事航天、民用航天和商业航天的大发展时期，测控通信技术面临前所未有的发展机遇。在客户需求和技术进步双轮驱动下，测控通信技术的发展方向可以归纳为：一是在数字化、光子化、软件化、综合化方面将继续深入发展；二是由点对点测控通信迈向网络化测控通信；三是智能化水平将逐步提高，由计划驱动、自动运行走向用户发起服务、智能资源管理、智能数据处理的智能测控通信模式。广大航天领域科技工作者应把握机遇，攻坚克难，为我国航天事业的发展作出新的贡献。

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DevelopmentStatusandTrendsofSpaceTT&CandCommunicationTechnology

LEI Li

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

Space TT&C and communication system is an important component of space engineering and space infrastructure. For discussing the development of space TT&C and communication techniques, the general performance and problems of current space TT&C and communication systems at home and abroad are presented, the development trend is analyzed, and the vision of the development directions in the future is provided.

space engineering;TT&C and communication;development status;development trends

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.12.020

雷厉.航天测控通信技术发展态势与展望[J].电讯技术，2017,57(12):1464-1470.[LEI Li.Development status and trends of space TT&C and communication technology[J].Telecommunication Engineering,2017,57(12):1464-1470.]

2017-10-25；

2017-12-05

date:2017-10-25；Revised date：2017-12-05

leil263@163.comCorrespondingauthorleil263@163.com

V556

A

1001-893X(2017)12-1464-07

雷厉(1958—)，男，陕西武功人，硕士，研究员，主要从事航天测控通信技术的发展研究。

Email:leil263@163.com