基于北斗报文通信系统的低轨航天器天基测控设计

朱向鹏 党超 刘涛 张中英 徐连军

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

航天器测控主要完成航天器的跟踪测量，计算并确定航天器的轨道参数，同时接收处理航天器遥测参数，并发射指令对航天器实施控制[1]。从发展规划划分，主要包括地基测控与天基测控。长期以来，地基测控是我国航天器的主要测控手段，担负着载人航天工程与各种卫星工程的测控任务。受地面测控站空间分布的限制，地基测控很难做到全球实时测控。而天基测控可以大幅度提高测控覆盖范围与多星测控的能力，同时提高数据传输的实时性[2]。随着航天器数量的增加，研究基于天基测控方法的全球实时测控技术对低轨航天器具有重要的意义。

目前，利用地球同步卫星测控与近地卫星测控是已经使用的天基测控方法。地球同步轨道均匀分布3颗地球中继卫星，可以实现近地卫星与地面目标全覆盖[3]。中国“天链”中继卫星、美国中继卫星系统与欧洲中继卫星均可以提供天基测控服务。在国内可以使用的天基测控资源有限，“天链”中继卫星仅可以为少数航天器提供测控服务。

利用近地卫星作为天基测控资源完成低轨航天器测控验证的测控系统主要包括“铱星”测控、轨道通信卫星(Orbcomm)测控、全球星(Globalstar)卫星测控。Qarman(用于空气热动力学研究和消融测量小卫星)选择用于验证小卫星返回技术，用铱星系统作为测控资源，实现较好的接收效果[4-5]；OHB Technology公司的鲁宾-1(Rubin-1)到Rubin-5小卫星系列多次使用Orbcomm系统和互联网进行天基测控试验；技术卫星(TSAT)使用Globalstar星座测控取得较好的效果，通信成功率达82%以上。

北斗导航卫星同样具备天基测控服务的能力[6-7]。2010年3月，国内研发的遥感九号卫星首次搭载了北斗一号用户机作为测控终端，使用无线电测定业务(Radio Determination Satellite Service，RDSS)短报文对北斗天基测控技术进行首次验证，但该应用局限于在亚太地区进行测控[8]。随着北斗三号导航卫星全球组网成功，可以使用北斗报文通信系统作为天基测控资源，解决低轨航天器进行全球全时测控的问题。航天恒星科技有限公司关新峰等人提出基于北斗三号卫星RDSS短报文的天基测控方法[9]，并对北斗短报文的测控服务能力及北斗三号可用服务资源进行了分析。

北斗三号导航卫星搭载的报文通信系统全面提升了短报文通信的服务能力，服务区域从亚太地区扩展到了全球，可以提供区域短报文服务与全球短报文服务。本文从北斗三号可用的报文通信资源出发，提出使用区域短报文与全球短报文相结合的测控方式，完成天基测控方法的整体方案设计并对测控能力进行分析，力争推动基于北斗三号报文通信系统的新型天基测控技术在低轨航天器测控中的应用。

1 北斗三号天基测控可用资源

北斗三号GEO卫星搭载的区域短报文系统可以提供无线电测定RDSS业务，固定波束与可动波束主要覆盖区域位于中国及亚太地区，波束星下点覆盖E70°～E140°/N5°～N55°及E90°～E150°/N55°～S55°范围[9]。北斗RDSS具备定位、授时、短报文通信、位置报告等功能，具备一定的测量、遥控遥测传输能力，入站服务容量为1200万次/小时，出站容量为600万次/小时，可以为大规模报文通信终端提供通信服务[10-11]。

北斗三号MEO卫星搭载的全球短报文系统实现全球实时覆盖，在任何地点的用户均可以通过全球短报文与境内中心站建立通信链路。所有用户均可以通过竞争方式接入北斗网络，可以实现按需随遇接入报文通信系统。全球短报文通信系统可以提供报文通信基本功能服务，入站服务容量为30万次/小时，出站容量为20万次/小时，服务范围为全球地表及以上1000 km空间[10-11]。全球短报文单次发送报文长度小于区域短报文的服务能力。

考虑低轨航天器对测控速率与频度的常用需求，提出在中国及亚太地区上空，使用区域短报文完成全部遥测信息的下传；在其他区域，使用全球短报文完成重点遥测信息的下传，同时接收地面发送的遥控指令。该方法可以解决航天器在亚太地区以外执行任务时，我国境内卫星地面站对航天器全球实时测控的需求，同时解决低轨航天器发生突发情况的测控需求。北斗报文通信资源在短期内可以支持大量低轨航天器同时进行测控，可以缓解地面测控业务繁忙与资源紧张的局面。

2 航天器测控方案设计

基于上述北斗导航系统可用的天基资源，通过在低轨航天器搭载报文通信终端，使用北斗导航信号完成航天器位置计算，使用区域短报文与全球短报文资源完成测控信息传递。低轨航天器天基测控系统组成如图1所示，该系统包含北斗卫星资源，低轨航天器，北斗运控中心，低轨卫星地面测控中心。低轨卫星地面测控中心通过地面专用网络与北斗运控中心连接，完成低轨航天器测控数据交互工作。

图1 天基测控系统组成Fig.1 Space-based TT&C system composition

低轨卫星地面测控中心向低轨航天器发送遥控指令作为通信前向链路，低轨航天器下传遥测信息至低轨卫星地面测控中心作为通信返向链路。

利用区域短报文资源，低轨卫星地面测控中心产生遥控指令经专用网络传递至北斗运控中心，由北斗运控中心进行处理后注入北斗GEO卫星，然后透明转发至低轨航天器报文通信终端，报文通信终端通过S频段信号完成遥控指令的接收。通信反向链路则采用相反的信息流程把低轨航天器遥测信息传递至低轨卫星地面测控中心，前向链路与返向链路的业务流程图具体信息流程见文献[9]。

利用全球短报文资源，北斗运控中心接收低轨卫星地面测控中心发送的遥控指令信息，处理后上注到北斗卫星，经北斗星间链路传递至提供服务的北斗MEO与IGSO卫星，然后播发L频段信号至低轨航天器北斗报文通信终端。通信返向链路则采用相反的信息流程，低轨航天器产生的遥测信息由北斗报文通信终端发送经全球短报文接收与北斗星间链路传输，由北斗运控中心完成接收，经专用网络传输在低轨卫星地面测控中心进行处理、分析和展示。

由上述介绍可知，星载报文通信终端是低轨航天器使用报文通信资源测控的核心。根据全球短报文与区域短报文时分工作的需求，星载报文通信终端需要具备接收北斗三号发送的L、S频段信号的能力，同时具备发送L频段信号的能力。星载报文通信终端的设计可以采用如图2所示的主备设计，由天线、射频组件单元与信号处理单元组成，使用微波开关完成主备切换工作的能力。

图2 星载报文通信终端组成Fig.2 Composition of satellite onboard message communication terminal

为了确保低轨航天器测控链路的通信能力，星载报文通信终端发射等效各向同性辐射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP)与接收G/T值要满足链路预算。星载报文通信终端接收天线G/T值设计为-29 dB/K，前向链路预算如表1所示，以通信速率8 kbit/s接收区域短报文的链路系统余量为6.46 dB，以通信速率1 kbit/s接收全球短报文的链路系统余量为4.46 dB。

星载报文通信终端返向链路预算如表2所示，设计星载报文通信终端发射有效全向发射功率(EIRP)为9.5 dBW，发送区域短报文的链路系统余量为3.5 dB，发送全球短报文的链路系统余量为2.5 dB。

表1 通信前向链路预算表Table 1 Communication forward link budget table

表2 通信返向链路预算表Table 2 Communication backward link budget table

3 航天器测控流程设计

北斗报文系统为了低轨航天器提供离散的接入服务。为了满足地面测控中心对低轨航天器连续监视的需求，低轨航天器对卫星遥测参数进行分类记录。根据低轨航天器遥测参数的特征，卫星遥测参数可以划分为关键参数、普通参数、指令遥测数据与在轨实验数据。根据遥测参数的来源，低轨航天器设置每个关键参数的工作范围。如果关键参数的变化超过设置的正常范围，则记录时间与遥测参数值。比如某星载设备的电压工作范围为98～102 V，如果当前设备电压遥测值为105 V，则记录当前时间与遥测值。普通遥测参数通过抽样离散的方式进行下传。指令遥测数据仅在航天器收到地面发送的遥控指令后产生。上述3种遥测数据与在轨实验数据发送星载报文通信终端进行存储，然后按照遥测产生的先后顺序依次下传。

低轨航天器时分使用全球短报文与区域短报文，星载报文通信终端接收北斗导航信号进行实时定位。根据定位结果，选择使用区域短报文或者全球短报文资源发送遥测信息。如果航天器在中国及亚太地区上空飞行，使用区域短报文完成返向链路通信与前向链路通信。区域短报文具有较强的通信能力，低轨航天器可以将存储的所有遥测信息在该时段进行数据下传，最终经地面专用网络发送地面测控中心进行处理、分析和展示，完成飞行器飞行状态监测与探测信息分析。

如果航天器在中国及亚太以外区域飞行，使用全球短报文完成返向链路通信与前向链路通信。全球短报文支持的通信速率与通信帧长度均有严格的限制。为了充分利用全球短报文进行低轨航天器应急测控，优先传送关键参数与指令遥测数据，让地面测控中心充分掌握卫星运行的位置与运行的状态；同时，可以发送应急遥控指令完成航天器的控制。

星载报文通信终端测控具体流程见图3所示，根据航天器导航定位结果确定所在位置，开启区域短报文发送遥测信息模式或者全球短报文发送遥测信息模式。如果使用区域短报文发送遥测信息，开启S频段前向链路接收模式，接收区域短报文通信链路发送的遥控信息，否则开启L频段前向链路接收模式，接收全球短报文通信链路发送的遥控信息。报文通信终端按照一定时间间隔检测是否正在发送遥测信息或接收遥控信息，待发送或接收工作完成后，进行导航定位结果判断，确保飞行器选择合理的报文通信资源，与地面实时建立链路进行通信。

4 测控服务能力分析

4.1 通信能力分析

为了分析低轨航天器使用报文通信资源的测控能力，采用卫星工具包(Satellite Tool Kit，STK)进行报文信号可用性分析。设置低轨航天器的半长轴长度为7379 km，轨道倾角为30°，升交点赤经为10°，偏心率为0。北斗卫星与报文通信终端的发射EIRP与接收G/T值按照表2与表3进行设置；报文通信终端天线设计为覆球波束，天线的波束宽度为60°。低轨航天器与北斗GEO卫星的可视情况如图4所示，在图中每个采样点代表30 s，低轨航天器运行一个周期与北斗GEO卫星平均可视时间为1600 s。

在低轨航天器与北斗GEO卫星的可视范围内，使用区域短报文资源，通信返向链路按照8 kbit/s的传输速率，每个可视弧段平均可以下传12.8 MB的遥测数据。在其他区域，使用全球短报文资源传输遥测数据。低轨卫星测控中心持续检测卫星的运控状态，当卫星发生突发状况，地面测控中心完成卫星的应急处理。

图4 低轨航天器与北斗GEO卫星可视情况分析Fig.4 Visual analysis of LEO spacecraft and BDS GEO

4.2 测控时间分析

区域短报文通信链路采用星上透明转发地面处理的模式，经GEO卫星报文通信系统转发至北斗运控中心，建立报文通信终端与航天器测控中心之间的传输通道。报文通信终端工作在轨道高度约为1000 km，距离北斗三号GEO卫星的通信距离(T1)在35 000～43 000 km之间变化，北斗三号GEO卫星与北斗运控中心之间的通信距离(T2)为36 000 km。文献[12]对北斗短报文通信信道传输性能进行专项实验，测试地面报文通信终端之间单数据包行通信的平均传输时延为3.8 s，其中北斗运控中心处理分发时间与北斗终端处理时延为3.3 s。根据该实验数据，北斗运控中心分发报文通信信息至低轨卫星地面测控中心的时延(Ttrans)按照3.3 s进行估算，c为光速(3×108m/s)，计算单向链路传输时延Ttotal约为3.6 s。

(1)

全球短报文通信链路采用星上处理模式，经MEO卫星报文通信系统接收与北斗星间链路转发至北斗运控中心。根据全球短报文的服务能力，报文通信终端与北斗运控中心单向传输的最大时延≤20 s。按照最大的传输时延20 s计算，北斗运控中心经专用网络传输至航天器测控中心的时延约0.5 s，使用全球短报文系统完成飞行器测控单向传输时延最大延迟为20.5 s，可以满足航天器全球准实时测控的需求。

4.3 接入服务能力分析

星载报文通信终端发射报文信号的时间随机，发射频度与报文的长度根据卫星测控需求而变化。北斗报文通信系统单颗卫星每秒钟接收低轨卫星发送的报文的业务量为

(2)

式中：λ为每秒钟处理的平均报文通信信号业务量；li为第i类卫星发射报文信号的时间长度，单位为s；fi为第i类卫星发射报文信号的频度，单位为次/分钟;Ni为第i类卫星数目。按照表3设置低轨卫星测控业务的构成，低轨卫星发送报文信号的长度、发送频度与卫星数目如表3所示，用式(2)计算的每秒钟平均报文通信信号的业务量为10。

表3 报文通信系统测控能力统计Table 3 Statistics of TT&C capability of message communication system

不同星载报文通信终端发射报文信号相互独立，达到北斗报文通信系统的过程符合泊松分布[13]，在τ秒的时间间隔内正好有K个报文信号达到概率见式(3)。单颗北斗卫星报文通信系统可以并行处理12个用户，当多余12个报文信号达到时，星载报文通信接收机选择其中12个信号进行接收，未接入成功的用户可以再次发送。

(3)

对低轨星座进行仿真，单颗北斗卫星报文通信系统接入成功率如图5所示，当报文通信每秒钟平均业务量等于10时，低轨卫星遥测业务接入成功率在96.56%。按照目前报文通信系统在北斗卫星搭载数量，整个北斗三号卫星可以支持的报文通信业务量每秒钟可达140。

图5 接入能力仿真Fig.5 Access capability simulation

通过分析北斗报文通信系统服务能力，而全球短报文通过服务的用户终端数量与每秒钟报文通信业务量相关。按照表3低轨卫星的测控需求，单颗卫星可以为32颗低轨卫星提供测控服务。结合区域短报文与全球短报文的服务能力，北斗报文通信系统整个星座可以同时为400颗以上的低轨卫星提供测控服务。在星载报文通信终端与区域短报文可以建立链路时，使用区域短报文资源，通信返向链路按照8 kbit/s的传输速率工作，单向链路传输时延约为3.6 s。在其他区域时，使用全球短报文资源进行测控，测控时间最长为20.5 s。通过上述的设计分析可知，使用北斗报文通信资源可以为大规模的低轨航天器同时提供全球全时的测控服务。

5 结束语

通过对北斗报文通信系统的研究，设计的区域短报文与全球短报文相结合的测控方式，可以满足轨道高度小于1000 km的航天器全球全时测控。该测控方式的通信能力、测控时间与接入服务能力可以满足大规模低轨航天器测控的需求。根据低轨航天器对测控系统的发展需求，北斗报文通信终端除了具备测控能力，必须实现终端高集成度、小型化、低功耗的设计，尽可能地减小低轨航天器的资源压力。目前，团队正在进行报文通信终端的小型化与低功耗关键技术攻关工作，力争突破报文通信终端质量小于500 g，功耗小于8 W的设计。