高轨移动通信卫星系统支持低轨航天器测控应用研究.pdf

航天系统与技术49高轨移动通信卫星系统支持低轨航天器测控应用研究陈宏牛攀峰齐浩（中国电信集团卫星通信有限公司）7随着商业航天的不断发展，在轨航天器数量大幅增加，这对航天器测控提出了更高的要求，呈现出管理航天器数量多、实时性要求高、测控资源调度响应快等特点。如果采用地基测控方式，则需要建设遍布全球、数量众多的地面测控站，不仅建设投资高，同时支持目标数量有限，且测控资源调度使用不灵活，并不能解决海量低轨航天器在轨测控资源缺乏的难题。如果采用基于中继卫星系统的天基测控方式，其多址能力有限，以美国“跟踪与数据中继卫星系统”（TDRSS）为例，单星最多形成6个返向波束和2 个前向波束，很难满足大量低轨航天器随机接入和并行服务的需求。AerospaceChina2023.8SPACESYSTEMANDTECHNOLOGY航天系统与技术为了解决海量低轨航天器测控难题，国外积极探索更加实用、高效的方法。2 0 1 5 年起国际移动卫星公司（INMARSAT）与新加坡增值创新公司联合开展了Inmarsat卫星与低轨卫星实时通信、指挥与控制的技术验证，全球分布的Inmarsat-4系列卫星利用L频段为低轨卫星和地面用户之间提供端到端的无缝衔接，通信速率约2 0 0 kbit/s，安装在低轨卫星或运载火箭上的数据中继终端质量约1 kg。目前，Inmarsat卫星系统正在为美国“卡佩拉”（Capella）星座提供日常的数据中继业务。此外，为了接替TDRSS卫星，美国国家航空航天局（NASA）于2 0 2 1 年提出了通信服务项目（CSP），其核心是利用商业通信卫星为低轨卫星提供数据中继通信服务，并计划于2 0 3 0 年正式运营。如果CSP项目推进顺利，将不再建设专用的中继卫星系统，从而开启了基于商业通信卫星系统支持广覆盖、海量用户、高速率数据中继和测控的新时代。上述解决方案应用了类属于高轨移动通信卫星的Inmarsat系统。高轨移动通信卫星系统和中继卫星系统一样具有“站得高、看得远”的天然属性，且一般采用多波束空分、频分和时分复用相结合的技术，针对低轨航天器测控速率低的现实需求，单波束能够支持的低轨航天器数量多，单颗移动通信卫星即可实现长时段的连续测控覆盖，全球覆盖的多颗移动通信卫星就能满足海量低轨航天器同时随机接入，以及全弧段的实时测控需求，是一种实用的天基测控手段。本文基于高轨移动通信卫星系统的技术特点，研究提出高轨移动通信卫星系统支持低轨航天器测控应用的体系架构，设计科学合理的工作流程，并梳理其中需要解决的关键技术，给出典型系统仿真结果，从而为后续规模化推广应用奠定基础。一、系统总体设计高轨移动通信卫星系统支持低轨航天器测控，能够充分利用其已有的能力，具有覆盖区内随遇接入、服务安全可靠、综合效费比高等优势。(一)系统组成基于高轨移动通信卫星的低轨航天器测控系统由空间段的高轨移动通信卫星、低轨航天器中继终端，以及地面段的信关站、测控业务平台等共同组成，如图1所示。其中，测控业务平台、低轨航天器中继终端为移动通信卫星01星02星03星低轨航天器中继终端信关站主用备用测控业务平台二数据处理数据管理态势展示测控用户手持监控终端图1 高轨移动通信卫星支持低轨航天器测控系统组成50中國航天2 0 2 3 年第8 期便携监控终端固定监控终端航天系统与技术51新增设备，作为测控数据中继系统的两端，根据测控用户需求，利用现有的高轨移动通信卫星、信关站作为数据传输通道，配合完成低轨航天器测控任务。测控业务平台主要提供数据处理、数据管理及态势展示等功能。1.数据处理（1）接收信关站发送的遥测数据，将其由高轨移动通信业务数据格式转换为用户所需的遥测顿格式，并向用户实时发送；（2）接收用户发送的遥控数据，将其转换成高轨移动通信业务数据格式，并实时发送给信关站。2.数据管理（1）完成不同用户测控数据的暂存处理；（2）能够根据用户需求事后重新发送某时间段内的测控数据。3.态势展示（1）面向高轨移动通信卫星系统管理员提供测控服务实时态势、预期态势等；（2）面向用户提供测控资源可用态势。测控中继终端安装在低轨航天器上，由主控、调制解调、射频前端、电源及天线等多个单元共同组成，其主要功能为：（1）接收航天器平台发送的星历数据，完成高轨移动通信卫星波束覆盖信息表的更新；（2）基于高轨移动通信卫星波束覆盖信息表，完成波束切换管理和终端休眠管理；（3）完成与航天器平台的测控数据交互，以及与高轨移动通信业务数据格式的相互转换；（4）接收航天器平台的状态控制，并向航天器平台发送状态数据。(二）能力特点高轨移动通信卫星系统支持低轨航天器测控具有如下能力特点。1.覆盖区内随遇接入采用时分复用方式提供服务，测控资源充足，无需进行地基测控系统和中继卫星系统的测控资源预申请，只要低轨航天器位于覆盖区域内即可提供测控服务，测控过程和拨打电话一样方便、快捷。2.服务安全可靠高轨移动通信卫星系统寿命长、全时段工作、可靠性要求高，从终端到信关站全产业链比较成熟，且为海量用户提供电信级服务，因此支持低轨航天器全寿命期内测控不存在潜在商业风险，服务可控、可信、可靠。3.综合效费比高高轨移动通信卫星系统支持低轨航天器测控是基于成熟卫星通信系统的新增业务，且使用互联网为用户提供服务，全寿命期内用户综合投入少、效费比高。（三）系统工作流程高轨移动通信卫星系统支持低轨航天器测控，需要在现有协议基础上进行轻量化设计，尽量减少中继终端与网络侧的信令交互，仅保留最基本的业务资源申请流程，以满足快速稳定建立测控链路的原则。此外，针对低轨航天器高速运动的特点，增加支持波束切换的交互内容。主要工作流程如图2 所示。1.终端休眠与唤醒在运行过程中，测控中继终端根据当前位置，遥控、程控或自主计算并判断其是否进人波束覆盖区。如果进人波束覆盖区，则从存储信息中获取该波束的广播信息，唤醒协议，尝试建链过程；如果未进人波束覆盖区，则保持低功耗，即休眠状态。测控中继终端休眠与唤醒主要流程如图3 所示。信息表更新终端唤醒建链入网鉴权认证业务传输拆链退网终端休眠波束切换图2 高轨移动通信卫星系统支持低轨航天器测控主要流程AerospaceChina2023.8SPACESYSTEMANDTECHNOLOGY航天系统与技术3.业务传输终端休眠（低功耗）遥控星上程控否是否进入波束覆盖区是获取波束广播信息，唤醒协议终端唤醒图3 测控中继终端休眠与唤醒主要流程2.建链人网与鉴权认证建链人网与鉴权认证主要完成链路同步、终端身份认证、资源申请与响应、鉴权认证等过程。其中，终端身份认证对终端的合法性进行检验，确保是经过地面测试验证并批准接入网络的终端；鉴权认证则采用终端用户身份识别（SIM）卡与网络双向鉴权的方式，实现核心网对测控中继终端用户的统一管控。建链入网与鉴权认证主要流程如图4 所示。业务传输主要实现终端与用户之间的测控数据传输，传输过程中采用确认模式，保证数据可靠传输，当发现数据包丢失时，会重传丢失包。业务传输主要流程如图5 所示。星上自主计算中继终端测控数据数据确认图5 业务传输主要流程4.拆链退网拆链退网由终端侧或网络侧发起，完成终端与信关站之间的链路释放。拆链退网后测控中继终端停止数据收发，进入空闲状态。拆链退网主要流程如图6所示。中继终端数据传输完成链路释放链路释放完成信关站测控业务平台测控数据信关站中继终端链路同步终端身份认证信关站运控系统(a)终端触发中继终端信关站链路释放资源申请与响应鉴权认证图4 建链入网与鉴权认证主要流程52中國航天2 0 2 3 年第8 期链路释放完成(b)网络侧触发图6 拆链退网主要流程航天系统与技术535.信息表更新根据接收的星历数据，测控中继终端实时更新波束覆盖信息表，包括进出时间、波束号及对应广播信息等，信息表更新时机包括：航天器平台每天定时向中继终端发送星历数据；航天器轨道变化后，航天器平台立即向中继终端发送最新的星历数据；地面遥控注入星历数据后，航天器平台立即向中继终端发送。6.波束切换高轨移动通信卫星采用多波束天线，因此波束切换是其支持低轨航天器单个跟踪圈次期间的经常性操作，应确保测控数据连续稳定传输，其主要流程如下：（1）进人波束交叠区时，由终端内置算法决定下一目标波束；（2）终端在当前业务信道A上继续数据收发；（3）终端在目标波束建立业务信道B；（4）终端与网络侧保持使用A信道进行数据收发；（5）当终端判断将移动出当前波束时，释放业务信道A，仅在业务信道B进行数据收发。波束切换主要流程如图7 所示。二、关键技术考虑到低轨航天器的高速运动特性和测控应用的高可靠要求，需要解决系统协议轻量化设计、终端快速稳定人网、多模块波束软切换等关键技术，以尽可能减少信令交互时长，延长测控数据传输可用时间，从而提升高轨移动通信卫星系统支持低轨航天器测控应用效能。测控终端波束1（一）系统协议轻量化设计协议轻量化设计需要结合低轨航天器测控的应用场景，在现有标准协议基础上删除非必要的位置更新人网等非接入层流程，仅保留业务信道建立交互流程。一是优化混合自动重传请求（MAC）层。采用优化混合自动重传机制，充分利用高轨卫星长时延特点，未等到HARQ反馈时，基于信道质量评估结果也可发送数据，从而拉长重传序列，提高资源、时间利用率。二是简化无线链路控制（RLC）层。仅采用非确认模式（U M），数据确认和重传由应用层通过分类驱动方式实现，在保证数据有效传输基础上充分利用系统信道资源。三是简化非接人层（NAS）。标准NAS层涉及信令多，与核心网交互流程复杂，占用时间长，考虑到航天器测控这种专用场景，仅需保留移动管理层，在保证鉴权流程基础上尽可能缩短测控中继终端入网时长。（二）终端快速稳定人网高轨移动通信卫星单波束覆盖范围为几百千米，低轨航天器穿越单波束时长不到1 min，与常规终端人网时长接近。为了充分延长单波束内测控数据传输可用时间，需要调整常规终端使用的基于接收信号强度的人网判断准则，针对低轨航天器运动轨迹可精确预知的特点，采用基于预置信息的快速入网方法，即关联低轨航天器运行轨迹与高轨移动通信卫星波束覆盖区域，形成波束覆盖信息表，作为测控中继终端判断进中继终端测控业务平台高轨移动通信卫星业务信道A测控数据传输信关站进入重叠覆盖区，确认目标波束B建立业务信道B检测到将移出当前波束AB波束2信关站释放业务信道A业务信道B测控数据传输图7 波束切换主要流程AerospaceChina2023.8SPACESYSTEMANDTECHNOLOGY航天系统与技术出波束的依据。在这种情况下，测控中继终端能够提前启动、尽早入网，且避免了由接收信号电平波动造成的人网不稳定，从而提升测控应用的系统效能。（三）多模块波束软切换高轨移动通信卫星多波束为频分复用，常规波束切换往往采用硬切换方式，即从上一个波束退网后，更换工作频率切换至下一个波束，期间业务通信中断。低轨航天器测控如果采用这种方式，将会造成覆盖区域内的大部分时间无法有效传输测控数据。因此，需要设计一种多模块交互式的波束软切换技术，即测控中继终端具备多频多路信号收发能力，每个模块独立工作，采用交替申请资源的方式完成波束切换，其中一个模块执行切换操作时，另一个模块仍处于数据传输状态。在这种情况下，对于低轨航天器平台和地面用户，测控中继终端在切换过程中一直处于数据传输状态，且通过合理的数据处理设计，还能确保切换期间测控数据的连续性和完整性。三、典型系统应用设计本文以我国某型高轨移动通信卫星系统为例，在研究其支持低轨航天器测控应用可行性基础上，提出了系统技术指标，设计了低成本免维护测控中继终端，并使用地面模拟环境对系统功能、性能进行了充分验证。（一）测控应用可行性分析某型高轨移动通信卫星系统有3 颗卫星在轨，每颗卫星的覆盖范围无缝拼接，考虑对低轨航天器的跟轨道类型轨道高度/km50045倾斜轨道10001500500太阳同步轨道1000150054中國航天2 0 2 3 年第8 期踪时长大于1 8 0 s为有效跟踪，利用仿真软件对低轨航天器覆盖分析的结果见表1。从表1 可以看出，对于单颗低轨航天器，该高轨移动通信卫星系统每天至少提供7 个圈次的有效跟踪，优于地基测控手段提供的能力。此外，单颗该高轨移动通信卫星系统能够同时支持不少于5 0 0 0 路2.4 kbit/s话音信道，按照0.0 1 5 爱尔兰、呼叫成功概率9 9%计算，用户容量不少于3 0 万个，因此，能够满足海量低轨航天器测控用户使用要求。（二）系统主要技术指标该高轨移动通信卫星系统支持低轨航天器测控应用的主要技术指标如下。（1）业务频段：S频段；（2）测控业务速率：2 kbit/s、4 k b i t/s、8 k b i t/s；（3）支持测控应用数据缓存、回溯；（4）人网时间要求：7 s左右；（5）测控终端质量：4 5 0 g（不含天线）；（6）测控终端运动特征适应性要求：满足多普勒频移处理要求，波束切换数据不中断；（7）测控终端应用能力：具备良好的空间环境适应性，良好的电磁兼容性和优良的信号收发性能。（三）测控中继终端设计测控中继终端整体架构如图8 所示，从功能上可分为电源管理、主控处理单元、业务单元、补偿单元、射频前端及天线等，采用高集成度射频芯片、软件无线电基带、高效率功率放大和低噪声放大器件，实现“开放基带+高集成度射频”的软件无线电架构设计。表1 支持不同类型低轨航天器跟踪结果30天内跟踪情况有效次数最长时间/s406115938111383041081260103123410202001022单日跟踪情况（平均）有效次数310min1471391089585751015min4323211520min310111航天系统与技术55电源接口电源管理业务单元1天线1Can总线主控处理业务接口RS422接口业务单元2天线2调试接口补偿单元天线3图8 测控中继终端整体架构其中，主控处理单元主要实现设备自检、软件重构、数据传输、波束切换、平台交互等功能，对测控中继终端的工作流程和状态进行监控；业务单元主要完成卫星移动通信协议处理、基带信号调制解调、信号数主要参数等效全向辐射功（EIRP）G/T值天线增益误码率整机功耗瞬态电流3 A以上。高轨移动通信卫星系统采用时分复用方式为海量用户提供服务，支持低轨航天器测控时，无需地基测控系统、中继卫星系统的测控资源预申请，能够提供充足的测控资源，实现覆盖区内随遇接人，是解决未来海量低轨航天器在轨测控资源缺乏问题的有效手模变化、射频收发等功能；补偿单元主要完成多普勒计算与抵消；天线则可以采用四臂螺旋天线，具有较好的带宽特性、圆极化特性，并且结构简单、天线剖面和可靠性高。测控中继终端的主要技术参数见表2。表2 测控中继终端主要技术参数指标主要参数35dBm载荷电源工作温度-24dB/K存储温度2dBi相对湿度10-5(E,/N=5dB)平均工作功耗：1 2 W峰值工作功耗：3 0 W四、结束语指标DC12V0.2V，纹波小于3 5 0 mV（峰峰值）-25+55-40+7095%载荷主体：1 1 0 mm110mm30mm整机尺寸载荷包络：1 3 0 mm130mm30mm段。本文设计了高轨移动通信卫星系统支持低轨航天器测控应用的技术方案，并论证了我国某型高轨移动通信卫星系统支持测控应用的可行性，提出了系统主要技术指标和测控中继终端解决方案，可在此基础上开展搭载试验和在轨应用，具有较强的工程实施价值。（责任编辑徐菁）中國航天AerospaceChina2023.8