一种基于互联网星座的载人飞船测控模式构想

2022-11-15何宇王丹魏传锋

航天器工程 2022年5期

何宇王丹魏传锋

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 重庆星网网络系统研究院有限公司，重庆 401123)

我国神舟载人飞船自从1999年首飞成功开始，至今已完成了13次飞行任务，随着载人航天“三步走”发展战略递进，神舟飞船功能不断升级。其中，测控通信模式也由最初的地基测控模式演进成天基测控为主、地基测控补充的模式[1-3]。如今，全球低轨高密度通信卫星技术蓬勃兴起，我国也开展了低轨互联网星座系统的建设[4-5]，为低轨航天器引入新的测控模式提供了契机。本文在总结神舟飞船测控模式演进的基础上，提出了基于互联网星座进行飞船测控的构想，并开展了相关设计和仿真分析，可为载人飞船未来测控模式的演进、其他低轨航天器的测控模式应用提供参考。

1 神舟飞船测控模式的演进

1.1 基于地基测控的模式

神舟一号到神舟六号载人飞船是完全基于地基的测控模式。在地面站、测量船支持下，完成神舟飞船的遥测遥控、图像话音通信和测距测轨功能。由于地面站和测量船数量的限制，神舟飞船每圈测控弧段约12 min，在轨测控覆盖率约为13%，测控覆盖示意如图1所示。图中给出了国内地面测站对飞船测控覆盖的情况，蓝色曲线为神舟飞船星下点轨迹，紫色圆圈为地面站的覆盖区域，绿色曲线则为神舟飞船在国内地基测控站内弧段，在地基测控模式下，测控站内完成飞船的发射、入轨和返回测控，在轨飞行期间的事件大部分在站外进行。

图1 地基测控覆盖图

1.2 基于某国际卫星的测控模式

神舟七号飞船针对航天员首次出舱任务的通信需求，在地基测控配置的基础上，新增卫星通信终端，实现地面站外天地通话和出舱活动期间关键数据下传，该终端通道数据带宽2.4 kbit/s，3颗卫星支持下，通信覆盖率达到72.9%[6]。图2为卫星星座的覆盖示意图，图中相对图1新增的3个紫色圈内为卫星星座覆盖范围。

图2 基于某国际卫星星座测控覆盖图

相对于地基测控，卫星终端大幅提升了测控覆盖范围，但是由于下行数据速率低，在神舟七号任务中，出舱活动仍安排在国内连续测控弧段进行，卫星终端通道主要用于地基测控间隙的补充。

1.3 基于天链中继卫星的测控模式

从神舟八号飞船开始，在地基测控配置基础上，增加中继终端，通过中国自主研制的天链中继卫星，完成天地测控和通信功能。目前我国天链一号和天链二号中继卫星共同提供服务，天链一号中继卫星系统支持返向单路最大百兆量级的数据传输，天链二号中继卫星系统支持返向单路最大几百兆量级数据传输的能力，远大于神舟飞船的数据量需求，基于3颗天链卫星轨位的覆盖分析，神舟飞船在轨运行时天基测控覆盖率达到88%[7]，测控覆盖如图3所示，图中紫色圈内为中继卫星测控覆盖范围。

图3 基于天链中继卫星测控覆盖图

在中继卫星支持下，完成了空间实验室任务阶段飞船的轨控、交会对接、分离等全部在轨关键事件的测控，飞船测控模式从地基测控为主进入天基测控为主的模式。

1.4 小结

神舟飞船测控模式经历了从地基到天基的演进，天基中继测控的应用，大幅提高了测控覆盖范围和传输带宽。我国空间站将全面建成后，在航天员连续驻留的常态任务模式下，测控覆盖范围更广、传输能力更强、测控成本更低依然是不断追求的目标[8]。

2 基于低轨互联网星座的测控模式构想

当前国内外正在开展低轨互联网星座论证建设，以美国SpaceX公司的星链计划为代表，目前已完成3000多颗卫星发射，并已在北美、欧洲等地提供互联网接入服务。互联网星座的蓬勃发展为神舟飞船测控模式的再次演进提供了契机，本节围绕以下5个演进目标提出基于互联网星座的测控模式方案构想。

(1)更广的测控覆盖；

(2)更短的站外时间；

(3)更少的资源占用；

(4)更便捷的测控实施；

(5)更高的系统冗余度。

2.1 国外典型低轨星座介绍

2.1.1 铱星计划

二代铱星属于传统意义的通信星座，利用66颗卫星组网为全球提供移动通信服务，平均分布在6个极地轨道面，每个轨道面11颗星，轨道高度780 km，轨道倾角86.4°[9]。每颗星配置48个点波束的移动通信载荷，卫星波束边缘等效辐射功率(EIRP)27.7 dBW，增益噪声温度比(G/T)优于-3.8 dB/K，可支持的业务能力如下。

(1)L频段核心话音和数据业务：数据速率为2.4 kbit/s～1.5 Mbit/s，每个卫星最多能提供1920条话音信道；

(2)Ka频段高速数据业务：数据速率可达10～30 Mbit/s。

2.1.2 星链计划

SpaceX公司的星链计划是新一代的互联网星座，第一座星链计划由4396颗分布在550～570 km的低地球轨道(LEO)卫星和7518颗分布在340 km左右的极低地球轨道(VLEO)卫星构成，组网卫星总数达到11 914颗，计划在2027年前分为两个阶段构建完成[10]。

(1)第一阶段发射4396颗卫星，原规划其中2825颗部署于1110～1325 km的轨道，其余部署于550 km轨道，后调整规划全部部署于540 km、550 km、560 km、570 km四个不同的轨道高度，轨道面个数分别为72、72、10、36，主要工作在常规的Ka和Ku频段；

(2)第二阶段发射7518颗卫星，部署于335.9 km、340.8 km、345.6 km三个不同的轨道高度。

截至2022年8月份，已完成3007颗卫星发射，已在北美、欧洲部分地区推出家庭版、移动版终端服务，在相应近海领域推出海事版终端服务，终端下载速度可达150～500 Mbit/s，上传速度可达20～40 Mbit/s。系统全部构建完成后，星座总容量将达到约200～276 Tbit/s，单个用户链路的传输速率最高达1 Gbit/s，每颗卫星可提供17～23 Gbit/s的下行容量，链路时延约为15～20 ms。

目前SpaceX公司已经提交第二座星链申请，包括30 000颗卫星，考虑到第一座星链计划没有部署完毕，第二座星链规划仍存在变数。

2.2 基于低轨互联网星座的测控模式

我国互联网星座尚论证建设中，不失一般性，采用已公布的星链星座和铱星星座参数，作为对飞船测控模式设计的基础，在此基础参数上，根据飞船测控覆盖的需求，对不同轨道高度、不同星座规模对飞船的测控支持情况进行了仿真，给出了满足飞船测控需求的适宜轨道高度和规模建议，并以此开展测控模式设计。

2.2.1 测控覆盖仿真分析

飞船的轨道高度在300～400 km之间，互联网星座轨道高度越高，对飞船的测控覆盖越有利，以铱星星座的780 km轨道高度为起点，100 km为步长对不同轨道高度对飞船的测控可见情况进行了仿真，见表1。以星座的单颗星对飞船的可见时长的最长时间为主要考虑因素，建议用于飞船测控的星座轨道高度1000 km以上。

表1 不同轨道高度对飞船轨道的覆盖情况

参考星链前期规划，选取1110 km轨道高度，对由不同轨道面数量组成的星座规模覆盖飞船轨道的情况进行了仿真分析，结果见表2。仿真结果表明：在6个轨道面66颗星的星座规模条件下，可实现56.8%的测控覆盖率，站外最长时间15 min，覆盖情况如图4所示，图中紫色圈内为星座在某一时刻对飞船轨道的覆盖范围(下同)；在18个轨道面，198颗星的星座规模条件下，可实现93.1%的测控覆盖率，站外最长时间7 min，覆盖情况如图5所示；在24个轨道面，264颗星的星座规模条件下，可实现99%的测控覆盖率，站外最长时间缩短至2 min以内，覆盖情况如图6所示。

表2 不同规模星座对飞船轨道的覆盖情况

图4 基于66颗星的测控覆盖

图5 基于198颗星的测控覆盖

图6 基于264颗星的测控覆盖

2.2.2 测控链路计算分析

由于星链系统链路参数未正式公布，本文参考铱星计划的L频段载荷指标，对使用星座对飞船测控进行了链路计算，计算结果表明：按照船上终端10 W发射功率，使用平装耐烧蚀天线，70°半波束角条件下，可实现上行50 kbit/s，下行500 kbit/s的通信能力，可上行遥控和话音，下行1路低速图像、话音和遥测数据。

2.2.3 方案应用可行性分析

本方案需重点考虑星座终端和飞船终端的多普勒频偏补偿，为估算飞船与可见星的最大频偏，可认为飞船与星座的可见星运动轨迹相反时为最大相对速度，约为15.8 km/s，计算得到L频段频偏不大于79 kHz，星上信息处理载荷的多普勒补偿能力大于300 kHz,能够补偿频偏且余量较大。

使用星座测控后，覆盖率远大于地基测站覆盖率，通信速率与地面测站能力相当，飞船可取消地基测控，使用星座链路和中继链路为飞船提供测控通信服务，星座链路用于平台低速遥测遥控话音业务，中继链路用于低速业务的备份信道和高速业务的传输信道。船上系统配置如图7所示，星座建设完成后，采取用星座通信终端和天线替换原有的应答数传终端和天线的方式，即具备在神舟飞船平台上升级该测控模式的可行性。

图7 基于互联网星座的系统框图

2.3 特点分析

神舟飞船采用互联网星座和中继星相结合的纯天基测控模式，相比目前的地基测控与中继测控相结合的测控模式，有以下特点。

(1)在轨运行期间的测控覆盖率大幅度提高，由日常单颗中继星跟踪的43%提高至99%，最短站外时间由目前的15(3颗中继星接力跟踪)～60 min(单颗星跟踪)下降为2～3 min，应急能力大大提高，随着星座规模进一步扩大，站外时间将进一步缩短。

(2)通过低轨互联网星座接入地面互联网，可充分利用互联网资源进行天地测控通信，一方面取代测量船、地面站可极大降低测控成本，减少中继星资源占用；另一方面使飞船具备了分布式测控通信的条件，在授权后，研制人员使用手持终端对飞船进行状态监视和必要的控制，航天员家属也可使用手持终端随时随地与航天员通信，可大幅提升用户体验。

(3)中继星跟踪模式下，单颗星故障将损失飞船每圈1/3的测控弧段，星座测控模式下，单颗星故障对飞船每圈测控弧段的影响最长只有几分钟，测控系统冗余度大幅提高。