章恩韬,司一童,张 威，马 宏，吴 涛
(航天工程大学 电子与光学工程系，北京 101407)
随着可回收运载器[1]以及卫星批量化生产[2]的逐渐成熟，人类对太空开发的步伐逐渐加快，各类航天器的数量呈现爆发式的增长态势。其中，最引人注目的是各航天大国提出的各类巨型星座建设计划。
目前，以Starlink[3]、OneWeb[4]、O3b[5]等卫星系统为代表的巨型星座计划已逐渐开始部署。这些卫星星座主要用于宽带服务，为用户提供上网与大量数据传输服务。其中，规模最为庞大的SpaceX公司于2015年提出“星链(Starlink)”计划，卫星总量预计约4.2万颗。同年，OneWeb宣布构建一个由1 600颗卫星组成的星座系统。而O3b星座系统是目前全球唯一成功实现商业运营的中地球轨道卫星通信系统。我国巨型星座发展起步较晚，但也取得了一些进展。中国航天科技集团的“鸿雁”卫星星座通信系统[6]与航天科工集团的“虹云”工程都在2018年实现首颗卫星入轨[7]。此外，中国于2020年向国际电信联盟(ITU)递交的频谱分配档案中包含两个名为GW-A59和GW-2的宽带星座计划，其计划发射的卫星总数量达到12 992颗。
可以看出，未来我国在轨运行卫星数量将呈爆炸式增长。传统的航天测控系统负责的卫星数量均在千颗以内，而面向卫星数量如此巨大的巨型星座，传统的测控方式与技术架构均将受到巨大冲击。目前，我国测控方式与未来巨型星座测控需求的冲突主要表现在：① 有限测控资源与海量卫星用户目标的冲突；
② 传统测控设备与全空域多目标测控需求的冲突；
③ 巨型星座自主在轨运行与传统测控模式的冲突；
④ 测控网计划管理与智能化接入管理的冲突。
为更好地满足我国未来巨型星座的测控需求，必须引入新型测控体制和测控网架构。本文首先对当前典型巨型星座的发展现状及未来趋势进行了分析，总结了巨型星座发展的主要特点。在此基础上进一步梳理了当前巨型星座的测控难点和主要需求，最后对巨型星座测控的主要发展方向进行了梳理与总结。
1.1 发展现状概述
近年来，许多国家都提出了自己的卫星星座计划，旨在为全球范围提供互联网服务。例如美国的Space X公司、亚马逊公司和英国的OneWeb公司都提出了星座计划，通过发射成千上万颗卫星组成自己的卫星网络系统。各国主要星座计划如表 1所示。
表1 国际主要星座计划一览
1.1.1 美国
美国是世界上较早开始航天活动的国家，其技术水平居世界前列。美国的摩托罗拉公司于1987年提出“铱星系统”，该系统提供的用户业务有移动电话、寻呼与数据传输。但受限于当时卫星通信的技术与成本，伴随地面蜂窝移动通信迅速普及与发展，“铱星系统”在市场竞争中落败。2000年3月，铱星公司宣布破产。2007年2月，重组后的铱星公司向外宣布了第二代“铱星计划”的构想，并于2019年组网完成。
成立于2002年的美国太空探索技术公司(SpaceX)于2015年提出星链计划。该项目是目前全球设计规模最大、实际在轨卫星最多的巨型星座项目。该项目设想在地球的近地轨道建设卫星互联系统，进而为全球提供高速的互联网服务。项目总投资预计100亿美元，目前已在北美开始互联网服务，在大多数地区，下载速度在100～200 Mb/s之间，延迟低至20 ms。星链最初计划分3个阶段进行，如表 2所示[8]。
表2 星链星座建设计划
目前，SpaceX又对最初的星链计划进行了调整，追加了3万颗卫星，总计达到了4.2万颗卫星的规模。
此外，亚马逊还提出了“Project Kuiper”，想要利用3 236颗低轨卫星提供全球互联网卫星服务，与星链存在巨大的竞争关系。但由于其运行思路过于传统、发射成本过高，该项目仍与星链有着不小的差距。值得一提的是，美国亚马逊公司前CEO贝索斯创立的蓝色起源公司也参与到卫星星座建设的竞争中来。
1.1.2 英国
OneWeb是全球卫星电信网络的初创公司，利用自动化生产、流水线组装达成大规模、低成本的卫星生产制造模式，在全球范围内开创了先河,该公司提出的“OneWeb”卫星系统计划通过打造低轨卫星星座创建覆盖全球的高速电信网络。
2017年，OneWeb首次向FCC提交的文件中说明，“OneWeb”卫星星座由720颗1 200 km高度近地轨道(LEO)卫星和1 280颗8 500 km高度的中地球轨道(MEO)卫星构成，这些卫星使用Ka+Ku波段，用于实现全球覆盖。2020年5月，OneWeb又向FCC申请将1 200 km高度的LEO星座卫星数量增加到约47 844颗。2021年1月，又将该数量降低到6 372颗。
按照OneWeb的设计，目前的“OneWeb”星座布局设计应该包括6 372颗LEO卫星和1 280颗中地球轨道卫星，具体情况如表 3所示。
表3 “OneWeb”卫星星座布局设计情况
1.1.3 加拿大
加拿大的卫星通信公司Telesat在卫星服务方面已持续运行几十年。该公司提出的巨型星座建设项目名为“Telesat Lightspeed”。该项目第一颗LEO卫星于2018年1月发射，目前在轨运行298颗，在全球范围内已建成50座地面站，已经能够组成网络并开始运营，网络延迟为30～60 ms。
“Telesat Lightspeed”星座工作在Ka频段，包含不少于117颗卫星，卫星分布在两组轨道面上：第一组轨道面为极轨道，由6个轨道面组成，轨道倾角99.5°，高度1 000 km，每个平面至少12颗卫星；
第二组轨道面为倾斜轨道，由不少于5个轨道面组成，轨道倾角37.4°，高度1 200 km，每个平面至少有10颗卫星。第一组极轨道提供了全球覆盖，第二组倾斜轨道更关注全球大部分人口集中区域覆盖[8],Telesat的星座模式如图1所示。
图1 Telesat系统的星座模式
1.1.4 中国
中国也提出了自己的巨型星座发展计划。2018年初，中国航天科技集团有限公司提出了全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统(“鸿雁”星座)建设计划[6]。2018年12月29日，“鸿雁”星座首颗试验星成功进入预定轨道并运行正常。星座计划发射300多颗低轨卫星，星座由多个轨道面组成，轨道高度约为 1 000 km，同时配有全球数据业务服务中心系统，具备7×24 h不间断服务能力[9]。
航天科工提出的“五云一车”商业航天工程之一——虹云工程，计划部署150多颗轨道高度为1 000 km的小卫星，组建全球星载宽带互联网络；
“五云一车”工程中的另一项目行云工程计划发射80颗小卫星，建设覆盖全球的低轨窄带天基物联网系统[9]。
此外，中国还提出了GW星座部署计划，如表4所示。根据国际电信联盟(ITU)公开的资料信息，GW星座总共包含两个子星座，轨道高度也分为两组。GW-A59子星座的卫星分布在500 km以下的极地轨道，GW-2子星座的卫星分布在1 145 km的近地轨道。两组卫星的轨道倾角分布在30°～85°之间。LEO卫星虽然覆盖范围小，但延迟更低，日后将会成为核心优势,国际电信联盟(ITU)关于GW-A59档案如图 2所示。
表4 中国GW卫星星座计划
图2 国际电信联盟(ITU)关于 GW-A59档案
GW星座除了能提供覆盖全球的高速网络通信以外，在航海、航空，以及信息安全、金融安全、军事安全、导航定位、气象研究、灾害预警等诸多领域都会给我国带来全方位的升级。
1.2 发展趋势、特点分析
(1) 规模逐渐扩大，政府支持明显
巨型星座发展前期，受制于资金与技术，大多数项目规划所设计的卫星数量较少。但随着科技的发展，许多公司都扩大了自己的项目建设规模。星链初始规划卫星数量约1.2万颗，后增加至4.2万颗；
“OneWeb”星座初始计划发射650颗卫星，后计划发射7 600颗卫星；
加拿大的Teleset公司也于2020年提出将星座卫星数量扩建到1 600颗的计划。同时也可明显发现，各国公司的巨型星座项目受到各国政府的支持十分明显。美国铱星公司破产后，美国政府与军方收购铱星公司，将其作为重点项目推进，美国国防部成为“铱星系统”的最大客户[10]；
英国OneWeb公司在遇到资金问题后，英国政府投资资金使其继续发展。显然，众多国家都将巨型星座的建设作为未来科技的制高点之一，即使短期无法获得回报，政府也愿意大力支持企业发展建设计划。
(2) 产业链趋向整合，实现智能化流水线一体化生产
巨型星座的建设计划对卫星的数量与生产速度都提出了很高的要求，为解决这些问题，众多企业开始向智能化流水线生产迈进，整合上下游产业链，实现贯穿于产业链全程的批量生产模式，在生产速度、成本与产品管理方面都有很大提升。OneWeb公司借鉴汽车生产的经验，建设了世界首条卫星生产流水线，集设计、生产、总装、测试于一体，采用协作机器人、自导引运输车等自动化设备，可实现每月40颗卫星的批量化生产，大大降低了生产成本。SpaceX也建立了自己的流水线工厂，其产能甚至达到每天7颗卫星。中国航天科工集团在武汉建设了中国首条批产卫星智能生产线，完全建成后预计年产240颗卫星。
(3) 宽带接入，互联网入口竞争激烈
低轨巨型星座可实现百Mbit/s～Gbit/s的通信速率，存在时延低、速率高、可接入量大的特点，因此被认为是5G/6G发展中的重要环节。2019年4月，加拿大卫星通信公司Telesat与欧洲最大的移动运营商沃达丰(Vodafone)在英国完成了低轨卫星互联网5G 通信试验[11]。按照目前的发展计划，卫星通信公司都将占据卫星轨道与抢占互联网宽带新入口置于很高的优先级，领域竞争十分激烈。
(4) 短期收益困难，长期稳定运营的测控需求较高
巨型星座因其建设规模的巨大，存在项目建设周期长的特点，因此难以在短期内实现收益。但其建成后所能带来的巨大效益，使得各国家与卫星公司都在努力实现巨型星座长期稳定的测控运营。采用传统测控技术与运营模式将导致低轨通信系统测控任务过于繁重，运营成本过高。因此，必须进行测控技术创新与系统运营流程简化，降低星座稳定运营成本。
2.1 测控需求分析
通过上文对典型巨型星座发展现状的概述与发展趋势、特点的分析，可以总结出巨型星座有别于一般传统在轨目标的测控需求，列举如下：
① 海量卫星用户目标的测控需求。巨型星座最大的特点在于其拥有海量的卫星，要保证巨型星座正常运行就必须满足每一颗卫星的测控需求，因此，巨型星座的测控方式必须能够满足对海量卫星用户目标的测控。
② 全空域多目标的测控需求。巨型星座卫星数量庞大，单个地面测控站必然需要在全空域范围内对多个目标同时进行测控。传统方法是增加测控设备以实现多目标同时测控，但存在管理组织成本高、效费比低等问题[12]，因此，需要发展全空域多波束技术以满足全空域多目标的测控需求。
③ 实现卫星自主在轨运行的需求。巨型星座的海量卫星导致测控工作量的极大增加，实现卫星自主在轨运行可以降低地面测控系统的运行成本，并且能够提高卫星独立自主的生存能力，当地面站因异常原因无法完成测控任务时，卫星依然能够正常在轨运行[13]。
2.2 测控难点问题分析
通过上文对巨型星座测控需求的分析，并结合我国目前测控发展现状，本文总结分析了巨型星座测控的难点问题，具体如下：
① 有限测控资源与海量卫星用户目标的冲突。伴随卫星数量激增，有限测控资源与海量卫星用户需求之间的矛盾逐渐突出，仅靠增加测控站中测控设备来解决多星、多任务的测控问题会带来成本高、资源浪费等问题[14]。我国现有地基为主、海基天基为辅的测控网络体系面临维护难度大、系统复杂度不断增加等问题[12]，建设天地一体化测运控网络可实现测控资源的统筹重组，开放、灵活、高效地解决测控问题。
② 传统测控设备与全空域多目标测控需求的冲突。我国目前仍大量采用机械扫描式的抛物面天线作为航天测控的主要设备，在单波束内采用码分多址可对星座内的多颗卫星实现同时测控,但这种方式仅能对少量卫星进行多目标测控。要实现对巨型星座海量卫星的测控任务就必须采用全空域多波束天线对全空域内的多颗卫星同时进行跟踪测控[15]。
③ 巨型星座自主在轨运行与传统测控模式的冲突。我国传统的测控方式主要通过地面站上注指令实现[16]，面对巨型星座海量卫星的测控需求时操作繁琐、效率较低。如果卫星能够利用轨道测量信息自主计算修正轨道所需的控制量、轨控发动机的点火时刻和点火时长,实现轨控发动机点火以进行轨道控制[17]，则能极大减少地面测控工作量。
3.1 全空域多目标测控
全空域多目标测控可实现同时测控多个卫星目标，能够有效缓解有限测控资源与巨型星座海量卫星测控需求的矛盾。目前，全空域多目标测控技术的应用前景主要是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[12]，为巨型星座的长期稳定运行与智能化测控网的建设提供设备与技术支撑。
全空域多目标测控的核心与基础是地面站雷达上的全空域多波束天线。这种天线相较于传统天线有很大优势：① 多波束测控天线可同时向多颗卫星发送信号，并且不存在卫星过顶跟踪困难的情况，大大提高了测控效率；
② 多波束天线可减少测控站内设备数量，便于设备管理，减轻人力负担，并有利于实现自动化测控；
③ 多波束天线多波束使用同一时钟源，有利于多星时间信息的统一处理；
④ 多波束天线可几乎瞬时完成波束方向改变，相比于机械转动式雷达，大大提高了测控时效性与精度。
目前国际上发展最好的是美国GDPAA多波束测控天线，该天线扫描速率在千分之一秒。欧空局的GEODA多波束测控天线也非常先进，其工作在1.7 GHz的L 频段[18]，可同时跟踪8颗卫星。我国的全空域多波束天线也处于世界先进水平，文献[16]中球面阵形状的全空域多波束天线所有试验测试项目均达到设计要求,原理样机的测距、测速和测角精度等技术指标满足传统测控站的要求,能够对分布于 5° ～ 90°仰角、0° ～ 360°全空域内的16个目标同时进行测控,16个目标的工作频率可以在100 MHz带宽内任意设定,工作体制不限[15,19]。
3.2 随遇接入
随遇接入是区别于当前基于集中预分配的测运控资源管理模式的测运控服务概念，在随遇接入的测运控服务架构下，借鉴蜂窝移动网络的随机接入机制，在轨卫星直接按需发起测运控需求，站网对卫星实现灵活接入、即时响应。
航天测运控站网由接入网和测运控资源服务网构成。接入网实现用户卫星的随遇接入，资源服务网实现用户卫星的“按需服务”。其中接入网支持3种接入链路：地基S波段全空域多波束测控设备接入、中继卫星S频段多址方式接入、北斗短报文通信链路接入。以下将分别从地基和天基两方面介绍随遇接入。
3.2.1 地基随遇接入
随着巨型星座的发展，在轨运行卫星数量激增，当前测控站基于集中预分配的资源管控模式难以适应未来巨型星座的测运控需求，以随遇接入测控技术为核心的新型测控模式将成为更好的选择。借鉴蜂窝移动网络的随机接入机制，将卫星、测控站分别看作移动终端和基站，在测控网中引入随遇接入技术，在全空域波束覆盖范围条件下，航天器进入波束范围就能接入测控网络进行测控，最终实现“随遇接入，按需服务”。卫星随遇接入流程图如图 3所示[12]。
图3 随遇接入测控流程图
(1) 接入测控实施流程
在基于随遇接入技术的测控过程中，为了实现接入控制和数据传输同时进行，分别设计控制信道和业务信道。测控流程具体如下[12,20]：卫星进入测控范围，准备随遇接入。首先卫星发送下行询问信号，预先按照最优选择策略搜索和选择地面测控站，并向选择的测控站发送随遇接入请求，询问信号中包含卫星标识编码。测控站接收请求后，向地基测控网管控中心发送查询申请，验证卫星身份并确定优先等级，基于本站的测控资源和卫星优先等级进行测控资源的分配。若接入成功，业务信道开始正常工作，控制信道继续寻找下一测控站，以便进行下一步的切换。当前测控业务完成，或卫星超出当前测控站覆盖范围时，卫星断开连接，开始接入下一测控站。
(2) 随遇接入测控优势
① 可实现对多星同时测控。航天器只要进入测控站覆盖范围就能实现随遇接入，有效解决了未来因卫星数量激增导致测控资源不足的问题。
② 降低资源调度的复杂度。随遇接入是卫星自主接入，相较于传统测控方式的提前统一调度，随遇接入对于测控资源调度的复杂度大大降低。
③ 可靠性高。卫星可同时与多个测控站建立连接，必要时可快速切换，可靠性大大提高。
④ 灵活性提高，能更好适应未来多种任务需求。
⑤ 能有效降低卫星测控管理成本。若采用传统测控模式，需新建大量测控站，而随遇接入可实现一站对多星的资源管理分配，有效降低成本。
(3) 随遇接入测控关键技术
① 卫星接入测控站时的最优选择策略。测控站的覆盖范围多有重叠，这时就需要卫星综合测控站覆盖范围大小、测控能力强弱等因素，制定出最优选择策略。
② 测控资源调度计划研究。测控方式发生变化：由地面主导变为需求主导，由提前统一调度变为实时动态调整。要建立卫星和测控站的资源清单，便于依据卫星需求进行实时资源调度。
③ 多信道实现方法研究。为实现可随时切换测控站，业务信道和控制信道需要进行分离。而这两类信道采用频分还是码分仍需研究。
3.2.2 天基随遇接入
为有效满足用户卫星“随遇接入，按需服务”的测控需求，我国正规划建设和发展天基测控网，构建深空探测测控网，构建天地空一体化测控通信系统。随着我国天基S频段具备多址工作方式的中继星投入使用[21]，天基测运控站网也将为用户随接随用站网资源提供条件。
(1) 天基随遇接入流程
根据接入链路不同，有以下两种运行模式：
① S频段多址接入。当在轨卫星进入到某中继卫星的SMA覆盖区后，全景波束将覆盖该在轨卫星，在轨卫星以短报文形式向中继卫星发送测控请求，中继卫星实时转发至地面站。地面站进行用户卫星身份识别，根据用户请求、用户卫星轨迹信息和优先等级进行测控资源的分配，通过中继卫星将测控指令转发给对应用户卫星。当前测控任务业务完成。
② 基于北斗短报文接入。用户卫星遥测数据生成短报文信号向特定导航卫星发送，北斗卫星接收信号后，将遥测短报文信号发送至地面短报文测控终端，地面短报文测控终端再将其发送至卫星测控中心。卫星测控中心进行用户卫星身份识别，根据用户请求、用户卫星轨迹信息和优先等级进行测控资源的分配，然后将遥控数据通过地面短报文测控终端和北斗卫星发送给指定用户卫星[22-23]。
(2) 天基随遇接入优势
目前天基测控网主要包括导航卫星系统和数据中继卫星系统。导航卫星系统具有以下优势：① 能为中低轨航天器提供精度较高的自主导航，实时定位与姿态测定；
② 提供高精度时间同步；
③ 算法简约系统可靠性较高[24]。数据中继卫星系统具有以下优势：① 轨道覆盖率高，可利用体积较小、质量较轻的相控阵天线实现多址工作方式，同时为多个卫星服务；
② 测控实时性强，有利于巨型星座的长期稳定健康管理；
③ 系统传输能力强，效费比较高。
(3) 天基随遇接入的局限性
① 中继卫星位于地球同步静止轨道，其轨道高度较高。而巨型星座以小卫星为主，其天线增益及发射功率一般较小，且绝大多数运行在低轨轨道与中继星距离较远，存在卫星测控无法彻底管控的问题。
② 目前中继卫星的测控能力有限，不足以满足未来巨型星座的海量卫星测控需求，目前我国有120余颗信息获取卫星在轨运行，每天需接收数据1 000圈次， 一、二代中继仅能满足200余圈次，仅能满足任务需求的四分之一[12]。
③ 天基测控网防护薄弱，抗毁能力差，组网卫星出现故障难以快速实现修复，对巨型星座长期稳定健康测控存在风险。
3.3 卫星自主在轨导航
卫星自主导航即指卫星不依靠地面支持，利用星上自备的测量设备确定自己的位置和速度[25]。卫星自主导航技术的研究已有近60年的历史，较为传统的自主导航技术主要有惯性导航、天文导航、无线电导航和组合导航等，自然偏振导航作为一种新型手段也逐渐开始研究[26]。传统自主导航技术经过长期发展技术已相对成熟，在民用与军事领域内都有广泛应用，但都存在着不可避免的弊端。惯性导航技术存在星座整体旋转误差随时间累积问题[27]，无线电导航易被干扰。自然偏振导航作为一种新技术具有如下优势：① 作为无源被动导航手段，不需要向外界发射信息；
② 易于小型化，系统成本低、功耗小；
③ 在太空中不受对流层影响，精度较高。虽然这项技术仍处于探索阶段，暂时无法单独实现载体的定位，需要通过联合使用其他敏感器才能实现导航定位的能力，但其展现出的优势与发展前景依然可观。
实现卫星自主在轨导航对巨型星座测控具有重要意义，具体作用如下：① 减少地面站至卫星的信息注入次数，极大降低地面测控系统管理要求和运行成本[28]；
② 增强星座系统的自主能力，在卫星失去与飞行控制段的联系后，能够实现一段时间的自主运行，增强系统的生存能力；
③ 为巨型星座智能化测控网络提供支撑[29]；
④ 对于受国际政治影响无法在全球范围建立地面观测站的卫星系统，如我国的北斗导航系统，卫星可视弧度受限，系统无法在全球范围维持高精度运行。基于联合使用星间链路和本土观测站星地链路的卫星自主导航技术可有效解决这一难题[30]。
当前正处于巨型星座建设与发展时期，测控技术也面临着新的发展机遇。本文从巨型星座发展现状中总结出其发展趋势，进而分析出我国现有测控系统与未来巨型星座测控需求之间存在的矛盾，最后介绍了针对这些矛盾的全空域多目标测控、随遇接入、卫星自主导航等技术。在我国未来测控系统建设中，这些技术具有重要意义和研究价值，对于我国建设适应巨型星座测控需求的测控网具有重要的借鉴意义。
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