在轨航天器多目标测控现状与发展趋势*

刘培杰，焦义文，吴 涛，李 超，王 飞

(1.航天工程大学 电子与光学工程系，北京 101416；2.西安卫星测控中心，西安 710043)

0 引 言

随着航天技术发展，在轨航天器数量迅速增加，国外大规模星座系统“星链”[1]“亚马逊Kuiper”[2]等项目已进入建设阶段，而国内“鸿雁”“虹云”[3]等卫星星座计划也逐步进入实施阶段，单个地面测控站面临着在全空域范围内对越来越多的在轨航天器同时进行测控的应用模式。传统思路是通过增加多套反射面式天伺馈设备来支持多目标同时测控，随着测控管理的目标数量增加，这种模式表现出与形势发展不相适应之处：

(1)无论是测控设备的管理还是中心系统的运行，均存在复杂度越来越高，可靠性变差的情况；

(2)测控资源调度问题的求解难度持续增大，且受测控设备突发故障、临时计划调整等不确定约束条件的影响很大，最优解几乎难以获得；

(3)新建测控站点以及多套设备同时工作的模式使得管理组织成本高、效费比低。

因此，需要发展相应的多目标同时测控技术，实现地面站对其作用空域范围内任意分布的多个目标同时进行高效的测控管理。

本文对国内外在轨航天器多目标测控发展现状进行分析，重点对几种主流发展思路进行介绍，对发展趋势进行叙述，供相关人员参考。

1 多目标测控发展现状

多目标测控即同时多目标测控，指的是单套测控设备在同一时刻完成对多个飞行器目标的测控过程。按照天线波束对目标覆盖情况差异，分为同波束多目标和多波束多目标两种基本形式。

1.1 同波束多目标测控

同波束多目标测控指的是多个目标在测控设备的同一天线波束内，目标之间通过频分、码分等形式进行区分的测控方式。

频分多目标测控要求多目标工作在各不相同的频点，有限的频谱资源决定了这种方式对可支持多目标数量的限制。若仅考虑下行接收，这种方式要求测控设备具备多个接收通道，各通道采用不同本振频率的混频器来实现对多目标的频分。若再考虑上行采用不同的发射频率，系统复杂度和工程代价将更大。因此，频分多目标测应用场景受限，比如在深空测控通信中对巡视器、着陆器的下行信号接收是其典型场景之一。

随着扩频统一测控体制在我国航天测控系统中的成熟应用，码分多址技术在飞行器测控中的应用研究随之开展，基于码分多址的多目标测控方案[4-5]被提出并得到了工程实现，且在以下两个典型场景得到一定程度的应用：一是在航天器发射的上升段，用于对星(器/船)、箭同时测控[6]；二是小规模编队飞行卫星的在轨测控。两者共同点是多目标之间距离近。

对于同波束多目标测控的研究集中在码间多址接入干扰(Multiple Access Interference，MAI)分析、多目标同时捕获[7]等方面。这种同波束多目标测控模式的缺点是由于波束宽度受限，可覆盖空域极其有限，无法支持更大空域的多目标测控。

1.2 基于多波束技术的多目标测控

现行主流地面测控设备对多目标同时测控支持能力弱，主要原因在于其为了满足天线高增益要求和测角精度要求，普遍采用窄波束抛物面式天线捕获并跟踪卫星。

根据天线增益的定义，波束宽度与增益无法同时兼顾。因此，实现大空域甚至全空域多目标测控的核心是要解决覆盖和增益矛盾问题，而从理论上来讲，现行可行度最高的解决思路是采用多波束天线。

1.2.1 多波束天线技术概述

多波束天线(Multiple Beam Antenna，MBA)是能产生多个窄波束的天线。这些窄波束(或称为点波束)可以合成一个或多个成形波束，以覆盖特定的空域。多波束天线有透镜式、反射面式和相控阵式三种基本形式[8-9]。

(1)多波束透镜天线

其馈电网络采用了微波透镜，在透镜焦点位置附近布设有多个馈源，分别对应着不同焦弧(微波路径)，而当给各馈源输入端口输入信号时，在透镜上将同时产生不同相位差的一系列微波信号，这些信号近似等幅度，且相位差符合线性变化规律，经过天线辐射后即可形成不同指向的多个点波束。

多波束透镜天线主要技术特点有可支持多目标同时工作、较宽的角度覆盖范围、无源器件可靠性高、可达纳秒级别的快速反应速度等。其主要缺点在于结构笨重，且介质老化和界面反射会引入损耗。对其研究主要集中在小型化与一体化[10]、优化性能指标[11]等方面。

(2)多波束反射面天线

类似多波束透镜，通过在反射面焦点附近布设多个馈源来形成多波束。反射面尺寸和多馈源位置的选择是依据多焦点反射面方程，对多波束覆盖区域形状(即波束赋形范围)决定的。其主要技术特点为点波束增益高、波束赋形灵活度高、可靠性高等。研究集中在馈源阵列布局优化设计[12]、旁瓣电平与波束宽度之间矛盾的解决[13]，以及波束赋形优化[14]等方面。

(3)多波束相控阵天线

由多个辐射单元组成天线阵列，使用数字波束成形技术(Digital Beam Forming，DBF)，通过对各阵列单元幅度和相位加权调整，以形成不同形状不同指向的成形波束。其优点在于可对波束数目和形状进行灵活控制，并可控制波束作快速扫描，缺点是造价高。

根据现有技术发展，随着制造成本的降低，采用相控阵列天线实现多波束多目标测控是较为成熟可行的途径。基于数字波束形成技术的相控阵多目标测控技术具有波束数量多、作用距离远、使用灵活、自适应抗干扰能力强等优点，是多目标测控的主要发展方向[15]。

下面按照天基和地基的分类方式，对多波束技术在航天测控通信领域的应用现状及发展趋势进行论述。

1.2.2 天基多波束多目标测控

在天基测控方面，最早将多波束技术应用于天基测控系统中的是美国跟踪与数据中继卫星系统(Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS)[16]，在1983年和1988年发射的中继卫星上装有可形成多波束的相控阵天线，该相控阵天线由 30个螺旋天线阵元组成，可同时形成20个接收波束和1个发射波束。我国也在2019年发射入轨[17]的第二代中继卫星上采用多波束天线，实现了S频段多址接入(S-band Multiple Access，SMA)多目标测控。该系统部署于地球同步静止轨道，单颗卫星可形成21个固定覆盖范围的点波束。系统容量分析结果表明，单星可实现对189个航天器目标的同时测控管理。

现研究多集中在抗多址干扰、提升系统容量、信道资源分配等方面，主要结论及成果如下：文献[18]提出了全景多波束测控的概念，指的是利用中继星多波束固定覆盖的特性实现航天器进入覆盖区域内即可测控的功能，对其系统容量进行了分析；文献[19]利用人工鱼群算法的迭代优化，实现多址干扰的最小化，从而提升系统容量；文献[20]针对被测控用户的多样化和大数量级，设计了网络分级管理架构及一种动态/静态相结合的多码-多频-时分多址资源分配方法。

以上研究都是基于中继星为天基测控平台开展的，而在未来天地一体化信息网络范畴内，导航系统也被视为天基节点。文献[21]提到将“北斗”卫星作为接入节点，用多波束相控阵构建接入网，为星座外用户提供星间链路网络传输服务。

李飞龙等人[22]充分利用了导航系统的高覆盖性优势，将导航辅助信息引入到中继星测控中，利用导航链路开展终端时延和频率预校正，达到消除多用户干扰的目的。

除此之外，李于衡等人[23]提出基于现有地球同步通信卫星系统及近地轨道通信卫星星座对近地卫星实施中继测控，以实现高覆盖和低成本兼顾的方法，可被纳入广义的天基测控范畴之中。

1.2.3 地基多波束多目标测控

在地基测控方面，使用相控阵天线实现多波束多目标测控的基本思路[24]和实现方案[25]都被较早提出，但由于早些年多目标测控需求并不迫切，加之相控阵天线成本较高，国内航天测控网仍然采用抛物面天线形式的单目标统一S频段测控(Unified S-Band，USB)系统作为主流，仅有个别为特殊任务需求设计的多波束多目标设备，比如某采用平面相控阵天线的活动式测控设备，通过多波束形成实现同时4目标的跟踪测控能力，这是多波束多目标测控设备的早期形式。

为了支持分布在全空域范围内的多目标同时测控，波束扫描需覆盖整个上半球空域，通常可采用多面阵、圆锥阵、球面阵、网格穹顶圆柱阵或共形阵等布阵方式[26]。

2006年，美国开展了网格穹顶相控阵天线(Geodesic Dome Phased Array Antenna，GDPAA) 方面的研究[27]。该天线由多个五边形和六边形子阵拼接构成，设计目标为全空域范围内的同时4目标测控通信。另外，欧空局也在开发一种名为球面阵天线(Geodesic Dome Array Antenna，GEODA)的相控阵测控系统[28-29]，用于接收多星下行信号。

在国内，对全空域多波束设备的研究是近年测控设备研制的重要方向之一。2013年，中国电科54所王鹏毅等人[30]对全空域多波束多目标测控的实现路径进行了初步探索，指出了需要突破的关键技术。不同于GDPAA的多面体拼阵，这种全空域多波束设备采用球面阵天线形成波束，因此不存在子阵切换，阵元是逐个滑动的，波束输出信号的相位是连续的，保证测量连续性和可靠性。2015年，中国电科10所俄广西等人[31]对全空域多波束设备的波束形成进行了研究，研制了原理样机，并通过外场测试验证了系统实际测控能力。近两年来，对其研究多集中在波束形成优化[26,32]、角跟踪方法研究[33-34]等方面。目前，中国电科10所、54所均在开展全空域多波束测控设备的研制生产，已有部分型号进入列装阶段。

全空域球面阵测控系统在技术体制上可分为收发共阵元和收发阵元分置两类：前者采用了较为昂贵的TR组件，优点在于灵活性好，波束资源调度相对简单，且能保证波束在球面阵滑动时候波束宽度和增益的连续性；后者虽然成本低，且不用考虑单阵元组件内收发隔离问题，但收发分置的方式使得波束性能一致性较难保证，增加了波束形成阵元资源调度的复杂度，且阵列规模较大，为天线结构设计增加了困难。

为简化全空域多波束设备的波束成形过程，在地基多波束多目标测控技术的研究中，有一种基于固定多波束实现大空域多目标测控的思路。丁国栋等人[35]利用固定多波束收发一体的阵列天线，通过在射频部分进行双通道设计将阵列分为跟踪波束阵列和切换波束阵列，多个波束覆盖不同空域。这种固定多波束采用空域组合思路，无需对目标进行波束跟踪，简化了波束形成部分，通过波束切换机制保证跨波束连续通信。

此外，还有利用多天线系统实现多目标测控的研究。NASA联合乔治亚理工学院一起将多天线组阵信号合成技术应用于地球观测卫星系统，通过将7副口径为0.75 m 抛物面天线进行组阵，接收极地轨道地球观测卫星的信号。该系统无需天线伺服，稳健性好，维护和建设成本低[36]。2018年，亚马逊公司宣布推出AWS卫星地面接收站项目，计划在全球建设12个接收站点，每个站点部署多台小型接收终端，使用名为Verge的准全向天线接收过境范围内多星数据信号，并在云端进行合成和数据解调[37]。相比全空域多波束设备，多天线系统用于航天器测控具有灵活性和性价比更高的优势，对于未来民商航天面临的目标数量多但速率要求并不高的多目标测控管理更加适用。

上述三种多目标测控方式的分析比对如表1所示。

表1 对三种多目标测控方式的分析比对

2 基于馈电链路的多目标测控

对于巨型星座的测控，若按照传统模式实施测控管理，需要建设大量测控站，建设和管理成本巨大。而测运控一体化的推进和卫星自主管理能力的提升，使得单独建设测控系统的必要性明显降低——前者提供了新型测控信息传输通道，后者缩减了测控需求。根据对文献[38-40]的分析，国外的Starlink、OneWeb、Kuiper等互联网卫星通信系统已不再设置专用测控站或仅建设少量测控站，而是将地面信关站同时作为测控站使用，通过馈电链路传输测控数据。

2.1 基本思路

基于馈电链路的多目标测控方式指的是，在低轨卫星星座通信系统中，将卫星遥测遥控数据视为通信业务数据，通过卫星与地面关口站之间的链路传输，实现地面管控中心对卫星的测控。其得以实现的背景基础在于：一方面，越来越多的在轨航天器定位定轨通过星载导航终端来实现；另一方面，随着在轨航天器自主管理能力的增强，在日常管理中需要地面支持开展遥控遥测的需求变少。同时，一般的遥测遥控信息速率较低，不会对具有大带宽的馈电链路带来容量负担，也增强了这种方案工程应用的可行性。

图1给出了具有星间链路情况下基于馈电链路多目标测控方式的示意图，图中对S1-2卫星的控制指令和接收S2-3卫星的状态信息均可通过星间链路和馈电链路进行传输。这种方式将星座中各星及地面关口站视作“天网地网”中的网络节点，地面管控中心可快速实现对星座中任意卫星状态信息的掌握和指令的下达，承担了测控中心的部分功能，达到了传统测控中遥测和遥控的目的。

图1 基于馈电链路测控场景示意图

2.2 技术特点

这种对低轨移动通信星座的测控管理模式的优势在于，星上不用安装测控专用天线和应答机，节省了有效载荷空间，且地面无需建设大量测控专用站，降低了测控网建设和管理成本。另外，将传统的计划式测控变成了按需测控，管理效益和灵活性得到了很大提升。

需要说明的是，这种测控方式得以实现需要具备一定条件：要求星上安装导航终端，以提供定位定轨支持；卫星需要进行测控数传一体化设计，在信号形式上进行频分复用设计，或者将两者数据进行统一编帧考虑。

这种方式的不足有：相比传统地面测控网络，地面关口站对目标的覆盖性相对较弱，在星座没有星间链路的情况下无法达到全时段可见，导致应急测控响应能力弱；两种数据在地面端进行汇总和分发，需要统一接口设计，增加了系统复杂度。

3 随遇接入测控模式

随遇接入测控属于下一代航天测控系统发展方向之一，国内较早对其展开系统研究的是航天工程研究所。在已发表的研究成果中，方峰等人[41]2018年在文献[41]中最早提及“随遇接入”测控概念。他们在天基测控领域提出双通道设计，利用宽波束链路传输飞行状态短信息引导建立窄波束高速数传链路，从而实现引导式天基测控。2020年，刘建平等人[42]提出了面向全球覆、随遇接入的测运控服务概念及总体架构，并就需要突破的关键技术进行了分析。

3.1 定义及特点

随遇接入测控指的是在天基或地基测控节点具备全空域(全景)波束覆盖范围的条件下，航天器进入波束范围内即可接入测控网络，开展测控业务。

相比传统测控模式，随遇接入测控主要优势有四个方面[43]。

(1)资源调度复杂度低

进入空域范围的多目标仅进行阵列信道资源调度，而不用针对多套测控设备开展资源调度，避免了计划接入测控模式中随着业务量增加导致系统复杂度增加、稳定性降低的不利情况。

(2)接入效率提高

随遇接入模式下航天器一旦进入测控节点的作用范围即进行双向握手建立控制信道连接，并始终保持直至超出节点空域作用范围。在测控需求产生时可快速进入业务状态，无需经历传统计划接入模式下的捕获环节，响应速度快。

(3)出入网灵活性好

航天器或测控设备出入网均可动态自动调整，能更好适应未来包含军事应用在内的多种任务需求，同时也利于商业卫星弹性化定制测控管理服务。

(4)长期管理效费比高

相比新建多站以实现多目标测控的模式来说，随遇接入测控实现了一站式多目标同时测控，节省了建设、管理、维护成本，能显著提高效费比，降低测控管理成本。

3.2 实现路径

容易看出，实现随遇接入测控的首要问题是在保证增益前提下满足覆盖性需求。而根据前文所述，解决单天线波束宽度和增益矛盾的基本思路是采用多波束天线技术。

对于地基测控系统，近年来对全空域多波束多目标测控设备的建设研究为随遇接入测控的实现提供了设备基础[31]。该设备采用球面相控阵天线，虽然能同时跟踪多目标，却无法实现目标进可视范围即检测。这就要求在全空域多目标设备原有的测控跟踪波束基础上增加固定空域覆盖波束，可将两者集成设计在穹顶半球柱体阵列之中，小部分子阵形成固定多点波束，以空域拼合形式实现大空域覆盖完成目标检测功能，大部分子阵形成测控跟踪波束完成测控通信功能，也就是要实现控制和业务信道的分离。文献[43]对此进行了详细描述。

图2所示为基于随遇接入测控流程图，说明如下：

(1)卫星下行信标信号常发，一旦进入地基测控设备作用范围后，地面即可发现目标；

(2)双向捕获；

(3)控制信道连接建立，同时卫星注册，加入测站可见目标列表，以备必要时快速接入；

(4)卫星向测站发送随遇接入请求，若目标同时在多站覆盖范围内，需要依据一定策略进行测控站选优；

(5)测站收到请求后，依据常规测控计划以及测控需求等级，决定是否通过接入请求；

(6)若接入成功，则正常开展测控业务；

(7)若接入失败，则控制信道连接状态保持，在出现星上自主请求、地面应急操控等突发测控需求时，可快速接入。

图2 随遇接入测控流程图

对地基测控系统随遇接入的研究集中在航天器接入最优化选择策略、测控需求与计划、多信道技术等方面。

对于中继星天基测控系统，可以参考同样在地球同步轨道的通信卫星，通过多波束对地全景覆盖，实现S频段多址接入。文献[18]对该方法基本思路及系统容量进行了分析，分析结果认为该系统可同时支持500个航天器。该方法基于固定波束覆盖实现，不足是无法实现跟踪测角，定位定轨只能依靠航天器载导航系统接收终端实现。

天基测控系统实现随遇接入测控，具备高覆盖性的优势，主要关注的研究问题为信道资源分配、目标跨波束连续通信以及系统容量提升。

4 天地一体化信息网中的多星测控

天地一体化信息网络最早称为航天互联网，与之类似的还有星际互联网、空间互联网等空间信息网络系统。美国于1998年就启动了星际互联网项目，主要研究地球以外使用互联网实现端到端通信的方案[44]。

2004年，李德仁院士[45]提出并阐述了天地一体化地球空间信息学，这是国内“天地一体化”的概念首次被提及。2006年，沈荣骏院士[46]提出了我国天地一体化航天互联网建设的总体目标。2015年，张乃通院士[47]对天地一体化信息网络的定位、边界作了清晰的说明，并提出了网络基本架构的设想和对建设工作的建议。2016年，吴曼青院士[48]提出了天地一体化信息网络的总体架构设想，梳理了网络技术体系，并就其架构、协议、接入方式等方面展开了重点论述。至此，天地一体化信息网络的框架基本确定。

天地一体化信息网络由天基骨干网、天基接入网、地基节点网组成，并与地面互联网和移动通信网互联互通。

4.1 典型卫星互联网星座拓扑

作为天地一体化信息网络的重要组成部分，卫星互联网的建设部署成为天地一体化信息网络建设的重要环节。表2列出了国内外典型卫星互联网系统的星座拓扑情况，可以看出，卫星互联网均为低轨星座系统，各系统差异主要在于轨道高度和有无星间链路。

表2 国内外典型卫星互联网系统星座拓扑

从覆盖性要求可知，星座规模取决于轨道高度，进而决定了系统建设成本。同时，轨道高度也决定了时延大小以及有效载荷的功率要求。

是否有星间链路不仅决定了星上载荷部署成本，而且会影响路由选择和数据落地方式。在没有星间链路的情况下，需要建设更多的信关站，相比具有星间链路的卫星互联网系统，其实时性较差。目前星间链路通信技术已日趋成熟，Starlink已完成了激光星间链路测试工作，我国通过“北斗”三号Ka频段星间链路测试证明了技术的可行性，在“鸿雁”和“虹云”工程中均设计有星间链路，两者是未来国网星座计划的重要组成。

4.2 对测控与运控的影响

天地一体化信息网建成后，在轨航天器日常管理成为其基础功能之一，各在轨航天器将全时段在网，覆盖性问题不复存在。

在传统范畴中，对于在轨航天器测控与运控的区别在于，“测控”主要是针对卫星平台开展(偶尔承担部分载荷数据收发任务)，而“运控”针对的是卫星载荷本身。因此，对于“卫星管控(或称卫星管理)”存在两种理解，在不涉及轨道控制的时候，一般多倾向于指代“运控”。

随着星间相对位置测量定位、星载导航定位等卫星自主定轨技术的成熟，传统测控中“测量”部分尤其是测角的实现，将越来越少地依赖地面测控站，此时无论是测控还是运控均表现为数据传输的形式，两者不再区分，甚至可以通过平台载荷一体化设计实现统一接口。在天地一体化信息网络构想中，两者可统称为卫星管控(管理)。

4.3 发展趋势

通过天地一体化信息网实现多星测控，其发展趋势主要可归纳为以下方面：

(1)随着测运控一体化继续深度整合，在轨航天器作为空间信息采集和中继的网络节点，对其日常管理关注的重点已不是测控业务的开展，而是更倾向于大宽带低延时数据服务能力的实现；

(2)在轨航天器测控管理模式实现个体化向批量化的转变，加之星上自主管理能力的增强，促使现行“全寿命承包制”卫星管理向“按需定制化”方向发展，用户可根据需求按一定周期甚至按圈次定制测控服务，灵活性提高；

(3)作为运维管控体系的功能主体，地面站节点进行功能整合，在轨航天器的管理进一步呈现出集成化、网络化特点，使得测控管理成本有效降低。

5 结束语

在轨航天器多目标测控的主流发展方向是基于多波束天线技术，以全空域球面相控阵测控系统为设备基础，采用空分码分结合的目标复用形式，实现随遇接入测控模式。为了降低成本，通过馈电链路传输测控数据的方法也得到了应用。在未来，随着天地一体化信息网络的建设，对于多星的测控管理将成为其基础业务之一，表现出数据优先、高灵活度、低成本的特征。