竇驕 韓孟飛 寧金枝 王暢

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

衛(wèi)星測(cè)控通信技術(shù)包括衛(wèi)星測(cè)控技術(shù)(Tracking Telemetry and Command，TT&C)以及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)兩部分，其中衛(wèi)星測(cè)控技術(shù)即遙測(cè)、遙控、跟蹤及導(dǎo)航定位、定軌、定時(shí)功能由測(cè)控分系統(tǒng)完成，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)由數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)完成。衛(wèi)星升空后，由星上測(cè)控分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中繼分系統(tǒng)與地面測(cè)控系統(tǒng)、中繼衛(wèi)星系統(tǒng)一起，共同建立星地?zé)o線測(cè)控、測(cè)量以及對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸、中繼數(shù)據(jù)傳輸通信鏈路，完成對(duì)衛(wèi)星狀態(tài)采集、軌道測(cè)量、運(yùn)行控制、衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)下傳地面等功能。衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)是衛(wèi)星在軌與地面溝通和數(shù)據(jù)傳輸通信的重要生命線，為衛(wèi)星在軌正常工作提供各項(xiàng)信道保障條件。

近年來，隨著微電子、軟件無線電等技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了大量應(yīng)用于小衛(wèi)星測(cè)控通信領(lǐng)域的新技術(shù)[1-6]、新產(chǎn)品[7-9]、新思路[10-14]，呈現(xiàn)出一些新變化[15-16]、新趨勢(shì)[17-18]。本文在調(diào)研國(guó)內(nèi)外典型的在軌衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)情況基礎(chǔ)上，梳理和總結(jié)出測(cè)控通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合小衛(wèi)星測(cè)控通信技術(shù)的發(fā)展歷程，總結(jié)提煉了近年來小衛(wèi)星測(cè)控、導(dǎo)航、數(shù)傳、星間等方面的發(fā)展趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，歸納并給出未來小衛(wèi)星對(duì)測(cè)控通信技術(shù)的需求，以及測(cè)控通信技術(shù)未來發(fā)展的重點(diǎn)方向和關(guān)鍵技術(shù)。

1 測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外大部分衛(wèi)星制造來自于美國(guó)、歐洲和日本，因此這些國(guó)家和地區(qū)發(fā)射的衛(wèi)星所采用的測(cè)控通信技術(shù)具有一定的代表性，表1梳理出近20年來國(guó)外衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的配置和參數(shù)。

結(jié)合表1國(guó)外測(cè)控系統(tǒng)配置及狀態(tài)，可梳理出國(guó)外測(cè)控技術(shù)的如下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)頻率以S頻段為主，VHF/UHF為輔。

(2)體制普遍采用BPSK、FM、FSK、GMSK的調(diào)制方式。

(3)遙控速率1～100 kbit/s，遙測(cè)速率幾千比特每秒～幾兆比特每秒。

1.2 國(guó)內(nèi)測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)衛(wèi)星的測(cè)控技術(shù)狀態(tài)較為統(tǒng)一，由于普遍基于同一衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)，因此選用的測(cè)控技術(shù)基本一致，即USB或S頻段擴(kuò)頻測(cè)控技術(shù)。2016年前后，伴隨著國(guó)家的大力支持，商業(yè)航天出現(xiàn)了迅速發(fā)展的勢(shì)頭，商業(yè)衛(wèi)星脫離了傳統(tǒng)測(cè)控網(wǎng)的支撐，選擇采用X頻段，借助于商業(yè)測(cè)控網(wǎng)完成測(cè)控任務(wù)。

國(guó)內(nèi)衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)近些年的發(fā)展主要有以下特點(diǎn)。

(1)測(cè)控網(wǎng)的日益完善使得測(cè)控資源日趨豐富，顯著擴(kuò)大了衛(wèi)星測(cè)控弧段。對(duì)于低軌衛(wèi)星，由于衛(wèi)星與地面存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，無法保證某個(gè)衛(wèi)星地球站對(duì)衛(wèi)星能夠長(zhǎng)期可見，為擴(kuò)大衛(wèi)星的可測(cè)控區(qū)域，增加地面對(duì)衛(wèi)星可測(cè)控時(shí)間，除了國(guó)內(nèi)的地面測(cè)控網(wǎng)，還常采用中繼星、測(cè)量船、活動(dòng)站以及租借境外地面站等不同方式，完成衛(wèi)星的測(cè)控。與傳統(tǒng)只采用地基測(cè)控方式時(shí)每圈一或二個(gè)測(cè)控弧段約10或20 min左右相比，目前測(cè)控網(wǎng)的豐富資源可將低軌衛(wèi)星可見弧段，最多提高至整圈可見(90 min左右)。圖1為衛(wèi)星測(cè)控通信網(wǎng)示意圖，包含了多種測(cè)控通信方式。

圖1 衛(wèi)星測(cè)控通信網(wǎng)示意圖

(2)星上增加設(shè)計(jì)多種形式的測(cè)控方式，進(jìn)一步增加衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的自主性。隨著小衛(wèi)星技術(shù)的蓬勃發(fā)展以及微納衛(wèi)星的出現(xiàn)，衛(wèi)星數(shù)量急劇增加，要求衛(wèi)星能夠更多地實(shí)現(xiàn)星上自主管理，減少地面參與。在傳統(tǒng)星地應(yīng)答機(jī)測(cè)控方式基礎(chǔ)上，通過增加中繼測(cè)控、星間測(cè)控等輔助測(cè)控方式，提供多種測(cè)控信道。保證地面對(duì)衛(wèi)星的可靠測(cè)控，不會(huì)因?yàn)槟骋环N測(cè)控手段失效而影響整個(gè)衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)。圖2為國(guó)內(nèi)衛(wèi)星星上設(shè)計(jì)采用了多種典型測(cè)控方式示意圖。

圖2 星上測(cè)控方式示意圖

(3)星上普遍采用同構(gòu)備份或者異構(gòu)備份方式，通過雙機(jī)冗余備份，增加星上測(cè)控系統(tǒng)可靠性。通常采用設(shè)備內(nèi)部主備雙備份、設(shè)備之間交叉連接備份的方式，使測(cè)控分系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)閱螜C(jī)故障或單根電纜連接故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)功能失效。圖3為國(guó)內(nèi)衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)基于冗余備份設(shè)計(jì)的典型組成框圖。

圖3 衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)框圖

2 小衛(wèi)星測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展歷程

多年來，小衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)瞄準(zhǔn)用戶需求，逐步解決了高可靠、高精度、小型化、抗干擾、商用化的問題，不斷優(yōu)化測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使衛(wèi)星更加的好用、易用。表2總結(jié)了小衛(wèi)星測(cè)控通信技術(shù)的發(fā)展歷程。

表2所列出的小衛(wèi)星測(cè)控通信技術(shù)的發(fā)展歷程，可以總結(jié)如下。

表2 小衛(wèi)星測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展歷程

(1)小衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展方向具有小型化、集成化、高可靠、高性能的特點(diǎn)?；趯Ｓ眉呻娐?ASIC)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高可靠應(yīng)答機(jī)，滿足在軌抗單粒子需求；軍用衛(wèi)星在擴(kuò)頻體制基礎(chǔ)上，發(fā)展出跳擴(kuò)頻體制，進(jìn)一步提升了信道的抗截獲性能；在測(cè)控方案選取策略方面，民用衛(wèi)星采用USB體制，商用衛(wèi)星選用X頻段，業(yè)余衛(wèi)星選用UHF/VHF頻段，微納衛(wèi)星采用工業(yè)PC104總線或綜合機(jī)箱架構(gòu)，輕小型化衛(wèi)星采用集成的測(cè)控一體機(jī)。

(2)導(dǎo)航接收機(jī)的發(fā)展大致滿足從單頻到多頻，提高精度；從單模到多模，增加可用性；從現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)架構(gòu)到片上系統(tǒng)(SOC)架構(gòu)增加可靠性的特點(diǎn)；在導(dǎo)航方案選取方面，國(guó)內(nèi)自用衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)通常選用GPS加北斗(GPS+BD)模式，出口衛(wèi)星則選用單GPS模式，高精度要求選用雙頻雙模全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)。

(3)在對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸通信方面，隨著衛(wèi)星載荷密度越來越大、性能越來越高，數(shù)據(jù)傳輸在數(shù)據(jù)率、存儲(chǔ)容量、傳輸頻段、設(shè)備集成度等方面均取得了較大的進(jìn)展。趨勢(shì)是速率由低向高發(fā)展、單通道向雙通道發(fā)展、分立單機(jī)向集成化發(fā)展、頻段由X向Ka發(fā)展；對(duì)地?cái)?shù)傳系統(tǒng)進(jìn)入到1.5 Gbit/s的4代高速數(shù)傳，固存進(jìn)入到Tbits量級(jí)的4代固存。

(4)星間測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳輸大致向著距離越來越遠(yuǎn)、速率越來越高、微波激光方式并存、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)到多點(diǎn)組網(wǎng)的方向發(fā)展；隨著微納衛(wèi)星的發(fā)展，出現(xiàn)了適用于微納平臺(tái)的PC104小型化星間終端設(shè)備。

(5)星上測(cè)控通信系統(tǒng)為增加魯棒性，普遍采用了自主管理設(shè)計(jì)，當(dāng)診斷出信道或基帶因空間環(huán)境影響出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行自主復(fù)位或斷電操作，使系統(tǒng)能夠快速、自主恢復(fù)，減少了地面人為干預(yù)，提升了效率。

此外，在小衛(wèi)星測(cè)控通信領(lǐng)域，深空通信技術(shù)、高速測(cè)控通信、北斗短報(bào)文、二代測(cè)控中繼終端、可視遙測(cè)等技術(shù)均已在型號(hào)中得到應(yīng)用驗(yàn)證；在無地面干預(yù)自主測(cè)控技術(shù)，解決遠(yuǎn)距離高碼率星間傳輸?shù)募す馔ㄐ偶夹g(shù)，以及高速數(shù)傳一體機(jī)關(guān)鍵技術(shù)等方面，也已開展了卓有成效的前期研究和探索。

3 小衛(wèi)星對(duì)測(cè)控通信技術(shù)的需求

隨著小衛(wèi)星技術(shù)的迅猛發(fā)展，近幾年小衛(wèi)星對(duì)測(cè)控通信技術(shù)的需求，呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

(1)對(duì)測(cè)控通信鏈路應(yīng)急通信需求。衛(wèi)星測(cè)控、數(shù)傳、星間鏈路、導(dǎo)航定位要能滿足應(yīng)急通信要求，體現(xiàn)在保密性、抗干擾、抗截獲性，以及通信鏈路的可靠穩(wěn)定、導(dǎo)航定位的精度保證。

(2)大規(guī)模星座的測(cè)控管理技術(shù)需求。在軌大批量星座的應(yīng)用，要求星上測(cè)控通信產(chǎn)品與地面測(cè)控網(wǎng)提供相應(yīng)的支持，目前的測(cè)控模式下，有限的測(cè)控資源與巨型星座的測(cè)控管理之間存在矛盾，需要測(cè)控技術(shù)進(jìn)一步升級(jí)、革新以解決矛盾。

(4)商業(yè)衛(wèi)星對(duì)測(cè)控通信產(chǎn)品的高性價(jià)比需求。商業(yè)衛(wèi)星市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，隨著商業(yè)航天的發(fā)展，國(guó)內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星公司越來越多，目前已達(dá)數(shù)十家，以遙感、通信、科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星為主。商業(yè)衛(wèi)星市場(chǎng)愈加激烈的競(jìng)爭(zhēng)，必將導(dǎo)致測(cè)控通信技術(shù)向低成本、高性能、高集成度、小型化、低功耗方向發(fā)展。

(5)對(duì)測(cè)控通信產(chǎn)品的批產(chǎn)化需求。從國(guó)際衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀來看，成千上萬的衛(wèi)星星座已處于實(shí)施階段，比如美國(guó)星鏈項(xiàng)目(StarLink)每2周發(fā)射60顆星，國(guó)內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星公司批產(chǎn)化生產(chǎn)線也在逐步推進(jìn)，巨型星座的出現(xiàn)必將要求批產(chǎn)化。

4 小衛(wèi)星測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

為滿足小衛(wèi)星發(fā)展新階段對(duì)測(cè)控通信技術(shù)的需求，小衛(wèi)星測(cè)控通信技術(shù)有以下發(fā)展方向。

(1)抗干擾、抗截獲。將時(shí)、頻、空、碼域的抗干擾技術(shù)結(jié)合應(yīng)用模式，在測(cè)控通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)工程驗(yàn)證，滿足特殊場(chǎng)合應(yīng)用需求。

(2)批產(chǎn)化、通用化。通過測(cè)控通信產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，以滿足測(cè)控通信產(chǎn)品狀態(tài)統(tǒng)一和批產(chǎn)化的需求。在批生產(chǎn)方面，需要由分立單機(jī)裝配方式向采用先進(jìn)構(gòu)架，集成統(tǒng)一單板和無纜化裝配方式轉(zhuǎn)換，如基于VPX總線構(gòu)架，采用統(tǒng)一功能板，通過配備不同軟件來實(shí)現(xiàn)各種功能。

(3)測(cè)控管理自主化、高效化。通過無依托自主測(cè)控、星間數(shù)據(jù)交互等有效測(cè)控手段，滿足大規(guī)模星群的高效測(cè)控管理需求。

(4)數(shù)字化、小型化。采用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)來降低成本，用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，借用先進(jìn)的工業(yè)技術(shù)成果，使設(shè)備集成度更高、性價(jià)比更高、成本更低。

(5)通過推動(dòng)以激光、Ka頻段高速數(shù)據(jù)傳輸為代表的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，滿足提升衛(wèi)星通信性能的需求。

在上述發(fā)展方向牽引下，梳理出后續(xù)重點(diǎn)研究的幾項(xiàng)測(cè)控通信領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)。

（2）樣品B的制備（工藝B）：丹參、大黃、1/3山藥粉碎成細(xì)粉；豆蔻、白術(shù)加6倍量水，浸泡1 h，蒸餾法提取揮發(fā)油5 h，提取揮發(fā)油后的藥液另存；藥渣與黃芪等其余味藥材煎煮2次，每次加10倍量水，煎煮2 h，濾過，加入提取揮發(fā)油后的藥液，濾液減壓濃縮成稠膏，與上述藥材細(xì)粉混勻，真空干燥，粉碎，加入上述揮發(fā)油，制成1 g細(xì)粉相當(dāng)于1.815 g生藥。

(1)應(yīng)答機(jī)抗干擾抗截獲技術(shù)。充分利用在研型號(hào)，推進(jìn)擴(kuò)跳頻應(yīng)答機(jī)在軌驗(yàn)證，建立型譜。開展寬帶擴(kuò)跳頻技術(shù)研究，提升抗干擾性能。

(2)導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾技術(shù)。開展高精度抗干擾、干擾檢測(cè)等技術(shù)攻關(guān)。

(3)多模通用化測(cè)控終端設(shè)計(jì)技術(shù)。開展“技術(shù)狀態(tài)系列化，硬件平臺(tái)通用化，特殊模塊組合化”先進(jìn)硬件技術(shù)研究工作，應(yīng)用軟件無線電技術(shù)，形成多功能、多體制、通用化的多模測(cè)控終端工程化產(chǎn)品。

(4)一體化通信架構(gòu)技術(shù)。開展先進(jìn)通信系統(tǒng)架構(gòu)研究，基于標(biāo)準(zhǔn)化、通用化通信接口及平臺(tái)處理模塊，實(shí)現(xiàn)具有可重構(gòu)、智能化能力的批產(chǎn)化一體通信產(chǎn)品。

(5)巨型星座測(cè)控技術(shù)。開展隨遇接入、自主測(cè)控、星間組網(wǎng)、無依托測(cè)控等先進(jìn)測(cè)控技術(shù)研究，形成切實(shí)可行的巨型星座測(cè)控方案。

(6)小型化激光通信設(shè)備終端設(shè)計(jì)技術(shù)。開展適用于小衛(wèi)星的輕小型化激光通信終端，打通遠(yuǎn)距離、高速率、大動(dòng)態(tài)的星間、星地激光通信鏈路。

(7)新體制高速數(shù)傳技術(shù)。針對(duì)Q/Ka頻段開展16APSK32APSK高階調(diào)制技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)編碼調(diào)制(AMC)技術(shù)，完成在軌衛(wèi)星與地面數(shù)據(jù)傳輸平均速率最大化。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外典型在軌衛(wèi)星測(cè)控通信系統(tǒng)現(xiàn)狀的分析，以及對(duì)國(guó)內(nèi)小衛(wèi)星測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展歷程的梳理，結(jié)合近幾年小衛(wèi)星對(duì)測(cè)控通信技術(shù)需求的變化，總結(jié)出小衛(wèi)星測(cè)控通信領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)如下。

(1)測(cè)控通信鏈路的應(yīng)急通信需求，要求應(yīng)答機(jī)、導(dǎo)航接收機(jī)等典型測(cè)控通信產(chǎn)品，必須向具備抗截獲、抗干擾、高保密的方向進(jìn)一步優(yōu)化、發(fā)展和改進(jìn)。

(2)對(duì)測(cè)控通信產(chǎn)品通用化設(shè)計(jì)的需求，要求測(cè)控通信產(chǎn)品，借助通用化測(cè)控終端設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)品向支持模塊化、批產(chǎn)化的方向發(fā)展。

(3)商業(yè)衛(wèi)星、巨型星座對(duì)測(cè)控通信產(chǎn)品的高性價(jià)比需求，要求測(cè)控通信產(chǎn)品，借助一體化通信架構(gòu)設(shè)計(jì)、小型化激光通信設(shè)備、新體制高速數(shù)傳技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，向低成本、小型化、數(shù)字化、高性能的方向發(fā)展和改進(jìn)。

(4)大型星座對(duì)測(cè)控通信產(chǎn)品的自主測(cè)控管理需求，要求測(cè)控通信產(chǎn)品，借助隨遇接入、自主測(cè)控、星間組網(wǎng)、無依托測(cè)控關(guān)鍵技術(shù)，向測(cè)控管理自主化、高效化的方向發(fā)展和改進(jìn)。