一種基于北斗RDSS短報文的天基測控方法

關新鋒 范競往 王小島 張博 李玉鑫

(1 航天恒星科技有限公司，北京 100086) (2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(3 中國空間技術研究院，北京 100094)

我國商業衛星正處于不斷蓬勃發展的階段，可以預見未來會有大量衛星系統入軌并長期在軌運行。而當前地面通用測控系統和中繼衛星系統各自承擔專有任務，測控容量不足，建設與運行管理成本高，并且入網程序復雜時間長，無法滿足未來商業衛星系統大規模、低成本、快捷入網的需求。

基于天基系統的天地一體化測控網絡技術研究是當下衛星測控領域的研究熱點，GEO衛星如國際海事衛星(ImmarSat)、我國的天通衛星、北斗導航衛星等均可能成為低軌航天器測控的新型天基平臺。目前，已有美國國防先進研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)提出的“空間增強軍事作戰效能”(SeeMe)計劃實現了國際海事衛星ImmarSat-4高低軌中繼數傳通信，通信速率可達492 bit/s；另外，新加坡南陽理工大學研制的VELOX-2衛星通過搭載高性能星間鏈路終端，成功利用海事衛星完成了為期一年的2路IP鏈路傳輸試驗[1]。西安衛星測控中心楊天社等人開展了針對低軌航天器的天地基一體化模式(Space Ground Based Mode，SGBM)仿真研究，驗證了利用GEO通信衛星中繼測控的可行性[2]。同時西安衛星測控中心發表了通過遙感九號搭載北斗短報文終端開展測控試驗的報道[3]。

本文以民商用低軌航天高效能測控應用為背景，提出一種基于北斗衛星無線電測定業務(Radio Determination Satellite Service，RDSS)短報文通信的測控應用方法，并在協議體制層面設計了基于北斗RDSS短報文測控體制的總體方案，旨在探討以我國北斗導航星座作為天基測控平臺的可行性，推動新型天基測控技術實用化研究進程。

1 需求分析

當前我國民商用衛星在軌測控管理主要采用地面測控模式，西安衛星測控中心通過其覆蓋渭南、南寧、閩西、廈門、青島、長春等國內站和卡拉奇站、馬林迪站、基律納站等境外測控站，以及若干活動測控站，管理著160余顆在軌衛星，已顯地面資源能力不足，正在尋求以軍民融合方式利用民站完成測控/數傳管理任務。

而伴隨國家“一帶一路”戰略構想的深入落實，以及民用、商用衛星及星座的密集發射，未來三年內我國的民商用衛星發射總量預計突破300顆，甚至達到500顆以上(主要為低軌衛星)，諸如虹云工程、鴻雁星座、銀河航天星座、九天衛星物聯網星座等[4-5]。現有地面站網資源顯然無法滿足與未來大規模星座的測控管理需求，而傳統的地面測控服務模式勢必需要站網資源建設的極大投入，采用天基測控則可利用高軌衛星經濟、有效地實現民商用低軌衛星的廣域覆蓋，北斗RDSS短報文體制具有終端小巧、成本低廉、覆蓋全面等特點，是作為新型天基測控體制的良好選擇。

2 系統總體設計

基于北斗短報文的測控系統應用拓撲及總體組成架構如圖1所示。針對低軌航天器，通過對低軌航天器加裝或搭載北斗短報文終端載荷，以北斗導航星座作為天基平臺，依托北斗中高軌衛星對低軌目標全面覆蓋，應用北斗短報文數據服務體制，實現基于北斗RDSS短報文通信模式的在軌測控通信。

本文重點研究北斗短報文在天基測控應用的業務流、數據流、幀結構設計和應用效能分析，北斗短報文通信內部機制不在文中贅述。

基于北斗短報文的測控業務流程基本與RDSS短報文通信流程一致，將地面對星的遙控信息作為通信前向，衛星對地面的遙測信息作為通信返向，均經過“地面/低軌衛星終端—北斗衛星—定位總站—北斗衛星—低軌衛星/地面終端”的信息雙跳流程完成測控任務，具體業務流程如圖2、圖3所示。

圖3 返向遙測業務流程圖Fig.3 Backward link TM flow chart

3 短報文測控體制論證

針對低軌目標，通過在低軌航天器上搭載北斗短報文終端載荷，以北斗導航星座為天基平臺，實現利用北斗RDSS短報文通信模式的在軌測控通信，該測控體制完全基于北斗RDSS短報文通信體制，僅需進行適應性修改移植當前測控信息格式即可滿足在軌測控需求。

3.1 測控波束

基于北斗短報文的測控體制，其測控波束即北斗RDSS波束，測控波束以北斗衛星軌道類型為標識區分，分為高軌GEO波束、高軌傾斜地球同步軌道(IGSO)波束和中軌MEO波束。

高軌GEO波束和高軌IGSO波束主要覆蓋星下點位于亞洲、亞太及澳洲范圍，波束星下點覆蓋E70°～E140°/N5°～N55°及E90°～E150°/N55°～S55°范圍[6]；中軌MEO波束可實現除兩極極點范圍內的全球覆蓋。

北斗衛星導航系統發展報告(3.0版)指出，截至2020年北斗系統將具備3顆GEO、3顆IGSO以及24顆MEO衛星具備區域及全球短報文服務能力，可提供全球化短報文信息服務[7]。

3.2 測控通信可行性

針對基于RDSS短報文進行測控通信的可行性研究，早在2010年遙感九號即搭載北斗用戶機，文獻[3]利用北斗衛星開展了北斗天基測控技術驗證，得到了測控通信丟幀率為3.88%、傳輸時延小于1 s且遙控星地大環比對時延4.3 s的實驗結果。文獻[8]對北斗短報文通信傳輸時延做了概率分布研究，統計結果表明99%的傳輸時延集中在3～4 s區間內。

另外文獻[9]根據天基通信場景特性，低軌衛星和北斗衛星的高低軌通信需要通過多普勒補償、頻率環路自適應等方法，對多普勒頻偏、頻率變化率指標進行嚴格控制，以實現北斗RDSS測控體制星載終端的天基鏈路互通。上述研究內容均充分驗證了利用北斗RDSS短報文測控通信的技術可行性，為后續研究奠定了一定技術基礎，同時降低丟包率、提高信道可靠性將是后續北斗短報文測控應用實現的研究重點。

3.3 數據流協議

根據北斗RDSS數據協議規定，北斗短報文通信固定入站數據速率8 kbit/s，出站數據速率16 kbit/s。北斗RDSS終端收發信息的頻度與軌道類型有關。根據短報文通訊間隔權限設定，北斗GEO衛星采用區域短報文業務類型，最大數據速率為1 Hz頻度(1次/s)；高軌IGSO和中軌MEO衛星均采用全球短報文業務類型為0.3 Hz頻度(1次/3 s)，高低軌通用兼容的短報文電文幀長度為70 Byte，即560 bit[7]。

目前典型的測控數據流現狀為：遙測速率2～16 kbit/s，遙測幀長度為64～256 Byte；遙控速率為1～2 kbit/s，遙控幀長度為4～32 Byte。據此規劃出短報文應用于測控的數據流協議，如表1所示。

北斗短報文高軌波束最大可支持8 kbit/s數據速率的測控通信，低軌波束最大可支持2 kbit/s數據速率的測控通信，對于幀長度在70 Byte限制內的數據采用直接插入短報文方式實現，對于幀長度超過70 Byte的則以64 Byte為基本單元進行整數包分解后再行插入短報文。針對一般商業小衛星、立方星等，RDSS短報文測控體制(數據速率受限于2～8 kbit/s)可滿足需求。

表1 短報文測控數據流設計表Table 1 Design table of data flow for short-message measurement and control

3.4 測控幀結構

為保證北斗短報文測控體制的適用性，采用兼容當前測控協議幀結構的方式實現，結合北斗RDSS短報文體制約束，對幀結構進行適應性移植，以符合國際空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)的建議規范要求，契合衛星測控標準化發展趨勢[10]。

3.4.1 遙控幀結構設計

遙控幀結構采用典型的直接離散指令格式，因遙控幀長度不超過北斗短報文70 Byte幀容量限制，通過直接插入短報文即可，具體如圖4所示。其中，引導碼、執行序列、結束序列均根據過往工程經驗，完整移植現行體制，而指令碼則須契合北斗RDSS短報文體制約束，指令長度要求控制在1～55 Byte，完全可滿足傳統指令碼最大256 bit的長度需求。

圖4 遙控指令幀格式Fig.4 Telecontrol instruction frame format

1)引導碼

長度建議為24 bit，由同步字、地址字、方式字組成。

(1)同步字，長度8 bit，固定同步字碼；

(2)地址字，長度8 bit，確定目標地址；

(3)方式字，長度8 bit，定義指令形式。

2)指令碼

遙控信息序列組成，根據不同指令類型定義指令碼字，長度16～440 bit。

3)執行序列

執行序列統一為1個執行圖樣，每個執行圖樣定義為16 bit。

(1)執行碼字，長度8 bit，固定的執行碼字；

(2)執行碼字校驗信息，長度8 bit，執行碼字與引導碼的相關校驗值。

4)結束序列

長度為80 bit，內容為10個填充圖樣。

3.4.2 遙測幀結構設計

北斗短報文測控體制的遙測幀結構完全移植CCSDS遙測體制幀結構，由4種數據單元：信道接入數據單元(CADU)、虛擬信道數據單元(VCDU)、復用業務數據單元(MPDU)和源包數據單元(EPDU)組成，通過套嵌封裝完成組幀，具體如圖5所示。

圖5 遙測數據幀格式Fig.5 Telemetry data frame format

因受北斗短報文70 Byte幀容量限制，對于遙測幀數據域提出設計約束，最大化短報文幀利用率，每幀的CADU數據域長度限定為64 Byte。其中VCDU通道頭、校驗碼均完整移植現行體制，但要求MPDU盡量減少設計分包以提高數據利用率，以北斗短報文幀容量約束EPDU源包組包長度，控制在58 Byte之內。具體說明如下。

1)同步頭

長度16～32 bit，同步字碼。

2)數據域

包含EPDU、MPDU、VCDU套嵌封裝，總長限制為64 Byte，即256 bit，其具體類型為：

(1)VCDU通道頭，長度8～16 bit，每個虛擬信道單元的標識號；

(2)CRC校驗，長度16 bit，數據域相關校驗字；

(3)MPDU導頭，長度16 bit，多路復用包封裝標識號；

(4)EPDU源包，包長度16～464 bit，可根據業務類型自定義。

4 測控服務能力分析

根據上述系統設計及體制論證結論，對基于北斗短報文的測控服務能力進行綜合分析，如表2所示。

表2 北斗短報文測控能力表Table 2 BeiDou short-message measurement and control capability table

上述分析表明，通過北斗衛星系統可以實現480 km以下低軌衛星的全球范圍星下點實時測控覆蓋，800 km以下的部分區域實時測控覆蓋，800 km以上則可實現離散通信間斷的準實時覆蓋，基于北斗RDSS短報文的天基測控手段較地基測控效能大大提升。

針對北斗RDSS短報文數據速率2～8 kbit/s的體制硬性限制，可由衛星總體單位通過精簡測控工程量參數項、優化測控超幀編排等方式進行改進。另外，可有效利用RDSS短報文波束對低軌目標的超長接入時效優勢，采用多用戶合并方法配置多張用戶卡進行時分復用[9]，以量取勝而解決低速率硬傷，同時通過通信協議優化采用粘包分包數據通信機制進一步提高傳輸可靠性[11]，滿足衛星日均在軌測控通信數據量需求。

5 結束語

本研究提出了一種基于北斗RDSS短報文的天基在軌測控方案，通過對北斗RDSS短報文測控體制的研究和測控服務能力理論分析，提出了完整的數據幀結構設計和格式約束，充分表明了以北斗導航星座為天基平臺開展低軌衛星測控的技術可行性和適用性，證明該方法可實現對800 km以下高度低軌衛星的全球準實時測控覆蓋，可以滿足當前典型低軌衛星的在軌測控通信需求，為民商用小衛星測控提出了一條新的技術途徑。僅以拋磚引玉，為后續進一步研究奠定一定技術基礎，促進衛星在軌測控管理技術不斷創新發展。