临近空间飞行器采用引导式天基测控的探讨

方峰 张睿 马玉伟 顾亚楠 雪丹 张晓东

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

临近空间的概念首先是由美军提出的，它的作用范围是距离地面20～100 km的空域，位于现有航空飞行器最高飞行高度与轨道飞行器最低轨道之间，也称为“亚轨道”或“空天过渡区”，大致包括大气平流层区域(高度为12～50 km)、中间大气层区域(高度为50～80 km)和部分电离层区域(高度为50～100 km)[1-3]。临近空间飞行器是在临近空间长期、持续飞行的飞行器，包括浮空器、高超声速飞行器，以及位于20 km高度的无人机等。临近空间飞行器在未来电子信息战中占据极其重要的地位，与卫星和传统飞机相比，它在侦察监视、远程打击等军事应用方面提供了一种崭新的手段。此外，临近空间飞行器具有机动性好、效费比高、有效载荷技术难度小、覆盖范围广、持续飞行时间长等优势，因而在国际上引起了广泛的关注[4-7]。

从临近空间飞行器的飞行特点和应用来看，遥控遥测链路是其信息系统的保障核心。但是，临近空间飞行器飞行速度快、加速度大、距离跨度大、轨道机动性高，甚至跳跃式轨道等设计特点，加大了测控难度。当前，临近空间飞行器飞行试验一般采用陆基多站接力测控、陆海空一体化测控、中继卫星天基测控等模式[8]。陆基多站接力测控模式优点是陆上站众多，还能使用车载站沿航区布置，能在一定程度上满足临近空间飞行器的测控需求；缺点是仅适用于陆上飞行试验，不能满足海上飞行试验，尤其是远程飞行试验的测控要求。陆海空一体化测控模式采用海岛站、远洋靶场、远程测量飞机、测量船等手段，能在一定程度上满足临近空间飞行器飞行试验测控需求，但是存在使用成本较高、覆盖范围受限等不足。天基测控模式具有覆盖范围广、数据传输速率高等优点，还可以有效降低使用成本，但存在“黑障”区测控跟踪丢失[9]、机动段跟踪丢失[10]等风险。

临近空间飞行器具有短时间全球到达的优势，其回传数据多样化及大数据量的发展趋势，对测控技术在全程跟踪测控、高速数传、克服“黑障”现象影响和“抗干扰、抗截获、抗破译”(“三抗”)等方面提出了更高的要求[11]。因此，临近空间飞行器的测控系统必须具备提供更高覆盖范围、最好扩展到全球的保障能力；具备使用更高频率提供更高速率的测控数据回传能力，更高的频率(如Ka频段)也能让测控系统具备更好克服“黑障”现象影响的能力和更高的“三抗”能力。在这种情况下，采用覆盖全球的天基信息网络和更高频段的测控链路为临近空间飞行器提供测控已是大势所趋[12]。就设计思路而言，美国“跟踪与数据中继卫星系统”(TDRSS)提出的高覆盖率、高速数传和多目标服务解决方案，与临近空间飞行器的测控特点相匹配，采用的Ka频段与国际电联(ITU)规定的临近空间平台工作频段兼容并具有降低“黑障”现象影响的优点。目前，我国中继卫星系统应用与之相比，还要在应用实时性、Ka/S双频段转发、双向窄波束跟踪、链路状态信息交互等技术上开展进一步的研究工作[13]。本文针对我国中继卫星系统应用中，在使用宽波束、覆盖广的S频段时数据传输速率受限，在使用波束窄、覆盖范围小的Ka频段时需要提前进行任务规划、实时性受限的两方面问题，借鉴地面测控站宽波束引导窄波束的思路，开展引导式天基测控的探讨，通过建立引导式、全流程柔性控制策略，充分发挥宽、窄波束各自的优点，为临近空间飞行器提供实时性强、数传带宽高的天基测控服务。

1 引导式天基测控探讨

典型的可覆盖全球的天基信息网络由低地球轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)、地球静止轨道(GEO)卫星组网构成，可支持对临近空间飞行器的测控。它的拓扑结构具有很强的动态特性，同时采用如Ka等高频段链路，波束覆盖比传统S、C频段要窄很多。这种高动态、窄波束的特点，使得天基测控模式需要更合适的策略和算法，以满足以下接入要求。①快速接入。临近空间飞行器飞行速度快，天基链路波束覆盖范围窄，因此必须使临近空间飞行器在最短的时间内接入网络。②无缝切换。实现对临近空间飞行器的全球测控覆盖，需要确保临近空间飞行器从一个接入点测控范围切换到下一个接入点测控范围时的不间断测控，即无缝切换。③接入策略。当存在多个可接入卫星时，应选择最优接入点，减少切换次数。④数据带宽问题。临近空间飞行器在到达特定区域时，有大量的业务数据回传，而在其他飞行阶段业务数据量较少，为了满足临近空间飞行器大量突发数据的传输，需要为其提供自适应的卫星通信资源。

我国已建立了由3颗“天链”中继卫星构成的天基测控网络，具备S频段和Ka频段链路，可为各类低轨航天器、临近空间飞行器、低空飞行器提供天基测控服务。但是，传统利用中继卫星实现天基测控的方法是采用预规划、预分配模式[14]，实时性差，更难以满足高机动性飞行的要求；另外，大部分航天器或飞行器为减小跟踪丢失的风险，选用了“天链”中继卫星S频段链路的测控服务，速率低。因此，传统的天基测控模式无法满足临近空间飞行器飞行速度快、高带宽突发通信的需求。

随着天地一体化技术的快速发展，以“一网”(OneWeb)、“星链”(StarLink)为代表的低轨卫星星座不断涌现，我国也提出了“鸿雁”星座(Wild Goose Constellation)、“虹云”工程(Hongyun Project)、“行云”工程(Trans-Cloud Project)等多个不同的低轨卫星星座。因此，应用天基信息网络解决临近空间飞行器测控问题成为可能，但首先需要设计新的天基测控方法，解决临近空间飞行器的接入问题。本文以此为背景，提出一种引导式天基测控应用设想，探讨解决临近空间飞行器突发、高带宽应用需求的可行性。

1.1 总体思路

综合分析传统的预规划、预分配天基测控模式可以发现，它不适用于临近空间飞行器测控的根本原因是采用了非实时全流程刚性控制方法，不具备灵活可变的应对措施，无法适应临近空间飞行器高机动飞行，存在跟踪丢失风险。为解决上述问题，借鉴地面测控站采用宽波束引导窄波束天线的思路，本文提出引导式天基测控，由临近空间飞行器提出请求、卫星响应决策，实现全流程柔性控制，确保临近空间飞行器接入卫星窄波束链路。其总体设计思路为：①提高测控的时效性，应对突发通信需求；②提高测控的智能化水平，降低对临近空间飞行器运行轨迹的依赖性；③建立全流程柔性控制，增加测控过程中的干预和控制手段。

临近空间飞行器配备卫星导航接收机，可以实时掌握自身位置。在引导式天基测控中，临近空间飞行器与卫星间有2种通信链路，即宽波束的引导信息传输链路和窄波束业务数据高速传输链路，其总体架构如图1所示。

图1 引导式天基测控总体架构Fig.1 General framework of guided space-based TT&C

引导式天基测控分为6个步骤：①临近空间飞行器服务申请；②卫星申请决策；③卫星申请应答；④双方窄波束天线指向；⑤双方建链判定；⑥双方高速数传。其具体流程见图2，涉及到的主要技术问题包括临近空间飞行器服务申请技术和卫星决策响应技术，下面对这2项技术进行具体分析。

图2 引导式天基测控流程Fig.2 Workflow of guided space-based TT&C

1.2 临近空间飞行器服务申请技术

引导式天基测控的第1步是实时利用服务申请链路向天基信息网络提出应用请求。考虑到临近空间飞行器的飞行速度和覆盖范围，要求服务申请链路能够适应“黑障”现象，具备高动态适应性和尽可能宽的覆盖范围。另外，服务申请链路还应具有高安全性和灵活性，适应不同临近空间飞行器的接入要求。

1)“黑障”现象适应性问题

临近空间飞行器以5～25Ma的速度飞行时，周围空气会出现电离现象，从而在飞行器四周形成等离子体，称为“等离子鞘套”。等离子体会引起飞行器天线的阻抗失配、方向图畸变、辐射效率下降甚至被击穿，从而导致无线电信号中断。这种把无线电信号中断的现象称为“黑障”。适应“黑障”现象的技术途径有两个：一是从测控通信技术本身入手，如提高发射功率、提高工作频率、增强飞行器的自主性等；二是改变等离子体的电特性，如改善飞行器气动外形、外加降低电子密度的添加物等。针对这个问题，美国实施了一系列大规模飞行试验，其中无线电衰减测量(RAM)项目是NASA兰利研究中心负责的大规模再入研究项目[15]。我国和俄罗斯也进行过类似试验，共同的结论是：提高无线电波的频率对降低“黑障”现象出现的高度有明显效果，但不可能完全消除“黑障”现象。综合分析，要从提高测控频段和消减等离子体密度2种方式上共同着手降低“黑障”现象对通信链路的影响，例如采用频率更高的Ka频段测控技术替代传统的S频段测控技术。

2)多普勒效应适应性问题

临近空间飞行器的显著特点是飞行速度快、加速度大，从而使多普勒频移在较大动态范围内动态变化。无线电波从天线发出，飞行器在X点与Y点接收信号时的路径差ΔL如图3所示，其等效计算见式(1)。

图3 多普勒效应示意Fig.3 Doppler effect diagram

(1)

式中：Δt为临近空间飞行器从X点飞行到Y点需要的时间；X点、Y点和卫星连线与水平方向的夹角分别为θ1和θ2；v为临近空间飞行器的飞行速度。

采用天基信息网络提供测控服务时，GEO卫星与飞行器之间的距离L1和L2约为36 000 km，远大于X点和Y点的距离d，因此可以假设θ1和θ2相等，得到接收信号相位变化值为

(2)

式中：λ为波长。

频率变化值为

(3)

式中：fd为多普勒频移，v/λ为fd的最大值，称为最大多普勒频移。

以工作频率为30 GHz、飞行速度25Ma计算，多普勒频率变化范围可达-1～+1 MHz，多普勒变化率可达±40 kHz/s，这会导致传输信号产生严重的时间选择性衰落，一般采用成熟的多普勒补偿算法即可。

3)低延迟、高安全、可扩展的服务申请链路设计

引导式天基测控，在天基信息网络与临近空间飞行器之间采用服务申请链路和高速数据传输链路。服务申请链路是卫星与临近空间飞行器之间的控制信道，传输各类控制信令，其最关键的功能是向任务中心传输临近空间飞行器的实时位置信息，以控制卫星数据高速传输链路的窄波束天线指向。为实现这个目的，对引导链路的实时性提出了很高的要求。不同临近空间飞行器机动飞行等任务设计不尽相同，飞行过程中发生的异常现象无法预估，致使无法分析所有因为临近空间飞行器飞出卫星窄波束覆盖范围导致的窄波束链路断链情况。本文从对引导链路最低时延要求和断链后快速恢复建链时间要求进行分析。最低时延要求是指，在临近空间飞行器飞出窄波束覆盖范围前，任务中心能够接收临近空间飞行器的位置信息，及时调整卫星窄波束天线指向。断链后快速恢复建链时间是指，当临近空间飞行器由于机动飞行等因素出现飞出卫星窄波束覆盖范围的现象，导致临近空间飞行器窄波束链路断开时，需要快速通过宽波束引导链路重新建立连接。

卫星高速数据传输链路的窄波束对地覆盖，可等效为一个半径为r的圆形。因此，要求服务申请链路全流程时延Δt必须小于2r/v。以对地覆盖范围圆形半径为150 km、临近空间飞行器飞行速度为25Ma计算，最低时延要求服务申请链路全流程时延必须约小于35.26 s。

服务申请链路的高安全是指，确保临近空间飞行器通过服务申请链路向任务中心发送的自身位置信息具有很高的安全性，因此一般采用信道加密和信源加密2种方法共同实现传输信息的安全保护。信道加密算法一般采用宽波束链路已经具备的算法，信源加密算法可由临近空间飞行器根据任务不同自定义，使其具有很强的抗破译、抗截获能力。

服务申请链路的可扩展是指，确保临近空间飞行器的服务申请链路可采用不同的物理链路实现方式，即上层协议具有良好的适应性和灵活性。

综合上述需求分析，采用空间包协议作为服务申请链路协议，具体帧格式如图4所示。协议帧长可根据不同的引导链路进行选择，最短为40 byte，典型应用为64 byte和128 byte。包副导头为可选字段，用于承载临近空间飞行器引导链路的加解密信息，使不同临近空间飞行器可采用不同的信息安全方案，提升协议灵活性。

注：APID为应用识别，CRC为循环冗余校验。图4 服务申请链路通信协议帧格式Fig.4 Frame format of service application link communications protocol

1.3 卫星决策响应技术

卫星决策响应主要分为服务申请决策和服务申请应答2个步骤。服务申请决策由主星的星上数据通信服务决策软件通过决策算法，针对下一个服务周期逐个决定是否为临近空间飞行器提供数据通信服务；另外，对所有需要提供服务的临近空间飞行器选取对应服务卫星。决策算法用于临近空间飞行器身份鉴别、优先级识别和卫星资源动态分配3个部分。临近空间飞行器身份鉴别是从服务申请链路提取临近空间飞行器ID信息，通过鉴权算法判定提出服务申请的临近空间飞行器是否合法。优先级识别是在确认用户为合法用户后，提取临近空间飞行器的优先级信息，用于卫星资源动态分配。卫星资源动态分配是根据当前卫星窄波束通信资源的使用情况及用户的优先级，判断是否为临近空间飞行器提供窄波束通信链路，最后通过任务规划算法选取为其提供服务的卫星。服务申请应答是指主星经由星间链路将服务申请决策通知到全部卫星，由卫星生成服务申请应答信息，通过宽波束链路发送给临近空间飞行器。

上述步骤中的难点是任务规划算法设计，为临近空间飞行器选择提供服务的卫星。传统使用GEO通信卫星时，卫星相对地面保持静止，因此可根据不同卫星覆盖区域不同的特点设计任务规划算法。但是，由于天基信息网络拓扑结构具有动态变化特性，不适用该方法。要解决该问题，首先，要建立天基信息网络拓扑结构模型和卫星节点模型；其次，将事件激励和模型代入规划与仿真引擎中，通过对仿真统计量的收集选择合适的卫星提供服务。仿真统计量可根据用户不同的关注角度进行针对性设计，例如时延最短、切换次数最少等。典型的任务规划与仿真系统模型如图5所示。

图5 任务规划与仿真系统模型示意Fig.5 Schematic diagram of task planning and simulation system model

2 实例验证

引导式临近空间飞行器天基测控，需要宽波束链路具有尽可能宽的对地覆盖范围，满足临近空间飞行器飞行的全程覆盖要求；需要天基卫星窄波束链路天线指向有动态调整能力，可通过指令等方式实时更改天线指向；需要增加一个任务中心，接收临近空间飞行器通过宽波束链路发送的任务请求，完成任务规划后实时控制卫星窄波束链路天线指向；需要临近空间飞行器具有任务申请和窄波束天线指向灵活调整能力。任务中心的卫星决策响应功能模块可放置在地面上，也可放置在卫星上。在地面时，除了需要具备宽波束链路外，还要与卫星测控系统建立连接，以实时控制窄波束链路天线指向。

2.1 典型场景

以某临近空间飞行器天基测控应用需求为例，采用北斗二号GEO卫星短报文通信链路作为宽波束链路，“天链”中继卫星Ka频段链路作为窄波束链路。这是以现有天基通信资源为基础的一个简化应用场景，与未来多层天基信息网络的应用方式不同，没有星间链路连接的网络，决策中心也不在主星，而是在地面。具体引导过程如下：临近空间飞行器向北斗二号GEO卫星发出短报文，地面指挥控制中心从北斗信关站收到飞行信息短报文后，查询任务规划计算结果，并上注到“天链”中继卫星，使其与临近空间飞行器直接建立Ka频段高速数传链路。涉及到的系统配置如表1所示。

表1 系统配置

2.2 可行性分析

在上述典型场景应用方案中，宽波束链路采用的北斗二号GEO卫星短报文通信系统覆盖范围是我国及周边区域，可在一定程度上满足临近空间飞行器在国土内试验飞行的需求，飞行航程可达2000 km以上。窄波束采用的“天链”中继卫星Ka频段链路天线，已经具备动态调整指向能力，可通过测控指令实时更改天线指向。新增的控制中心，可放置在临近空间飞行器试验任务中心，通过地面专用网络与中继卫星测控系统建立连接，实现对“天链”中继卫星Ka频段链路天线指向的实时控制功能。当临近空间飞行器配备短报文通信终端、“天链”中继卫星终端、可动态调整天线指向的Ka频段天线终端及相应的任务申请软件时，即可采用引导式天基测控方法。上述3类终端已在多种临近空间飞行器上完成试飞试验，属于成熟产品，在具体实现时仅需在临近空间飞行器控制器中增加任务申请软件即可，因此该方案具有很强的实用性。

未来天基信息网络建设中，在卫星节点增加智能化处理功能，实时接收临近空间飞行器发出的任务申请，完成任务规划后动态调整天线指向，即可为临近空间飞行器提供窄波束高速数传服务。这种应用模式可进一步提高天基测控应用的实时性，但同时也对卫星也提出了自动化、智能化和网络化要求。

2.3 实时性分析

引导式天基测控方法主要目的是解决传统中继卫星预规划应用模式不适应突发通信需求的问题。因此，该方法中最关键的性能指标为申请响应与任务规划时间。

申请响应与任务规划时间主要由申请响应时间(Ts)和任务规划时间(Tg)组成。具体计算公式如下。

Ts=Tc+Tx

(4)

Tg=Tr+Tz

(5)

式中：Tc为申请信息传输所需时间；Tx为响应处理所需时间；Tr为任务规划查询所需时间；Tz为卫星参数上注所需时间。

采用北斗二号短报文通信链路作为宽波束引导链路，假定用户使用消息传输频度(Tf)为5秒/次的短报文通信终端，终端与北斗二号GEO卫星之间的通信距离L1为40 000 km，北斗二号GEO卫星与信关站之间的通信距离L2为36 000 km，c为光速(3×105km/s)，则

(6)

Tx主要为临近空间飞行器身份鉴别软件的处理时间和卫星当前资源使用情况查询时间。身份鉴别采用临近空间飞行器ID号比对方法，卫星当前资源使用情况存储条目根据卫星通信资源计算，小于10条信息。根据这种处理复杂度和计算机CPU运算速度，这两项时间基本可忽略不计，此处统一按1 s计算，因此Tx小于2 s。任务规划查询时间主要是查询任务规划计算的结果，查询的条目小于10条，因此Tr小于1 s。统计分析卫星指令上注耗费时间，一般情况下，Tz小于10 s。

综合计算分析，引导式天基测控方法中申请响应与任务规划时间Ts+Tg<18.253 s。以对地覆盖范围圆形半径为150 km、临近空间飞行器飞行速度为25Ma计算，飞行所需时间(即最低时延要求)Δt约为35.26 s。比较可得，申请响应与任务规划时间小于临近空间飞行器飞行所需时间，因此能充分满足最低时延要求，而且由于机动飞行等原因引起的窄波束断链问题，也可在20 s内快速实现重新建链。

3 结束语

本文针对临近空间飞行器飞行速度快、突发应用实时性要求高、业务传输速率要求高等特点，设计了引导式天基测控方法，可以满足临近空间飞行器“随遇接入、按需传输”的使用需求，并通过实例分析了方法的可行性和实时性。天地一体化技术的快速发展，使得未来对临近空间飞行器的测控通信已经从单一地面保障模式逐步发展为天地一体的保障模式，从单一的GEO卫星提供通信资源的应用模式发展为利用多轨道卫星星座提供通信服务的保障模式。这就需要更加合理有效地利用各种测控与通信资源，建立完善、健壮的空天地一体化测控通信网络，实现对各层空间飞行器的全空域、全时段覆盖的测控通信。