近地衛(wèi)星天基測(cè)控現(xiàn)狀研究

李于衡，孫海忠,王旭康

(1.北京宇航智科科技有限公司，北京 100095；2.中國(guó)衛(wèi)星發(fā)射測(cè)控系統(tǒng)部，北京 100011；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十三研究所，天津 300000)

0 引言

隨著航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的近地衛(wèi)星計(jì)劃進(jìn)入太空，從幾百顆遙感衛(wèi)星星座到上萬(wàn)顆互聯(lián)衛(wèi)星星座，這些衛(wèi)星將帶來(lái)巨大的測(cè)控需求，如果仍然基于傳統(tǒng)的地基測(cè)控觀念，需要建設(shè)分布全球、數(shù)量眾多的地面測(cè)控站。考慮到天基測(cè)控具有高覆蓋特性和多目標(biāo)服務(wù)能力[1-2]，利用在軌的中繼衛(wèi)星或者具有中繼衛(wèi)星能力的其它衛(wèi)星去滿足這些需求，可以減少地面站的建設(shè)投資、提高效率和發(fā)揮現(xiàn)有衛(wèi)星的能力。

現(xiàn)有的地球同步中繼衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是為數(shù)量不多且速率要求高的近地衛(wèi)星和航天器提供測(cè)控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)[3]，主要依靠星上點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)的大口徑天線，即使有一定的多目標(biāo)服務(wù)能力，整體服務(wù)的用戶數(shù)量仍然有限[4]。而當(dāng)前和今后眾多衛(wèi)星的一些測(cè)控需求卻是數(shù)量大、時(shí)效性高，但速率要求不高。直接使用現(xiàn)有的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)去滿足這些需求，存在著在可用性、適配性和性價(jià)比等問(wèn)題。考慮到位于地球同步軌道通信衛(wèi)星的天線口徑、轉(zhuǎn)發(fā)器輸出功率的技術(shù)進(jìn)步和已經(jīng)建成的中低軌衛(wèi)星星座與距離需要服務(wù)的目標(biāo)較近，它們同樣可以為近地衛(wèi)星提供中繼測(cè)控服務(wù)。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)以外的其他衛(wèi)星系統(tǒng)為近地衛(wèi)星提供中繼測(cè)控服務(wù)的研究和試驗(yàn)，并取得了一定的進(jìn)展和突破[5]。

本文在現(xiàn)有中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究利用在軌運(yùn)行的地球同步通信衛(wèi)星系統(tǒng)和近地軌道通信衛(wèi)星星座開展對(duì)近地衛(wèi)星測(cè)控的可行性，分析天基測(cè)控應(yīng)用實(shí)例，完成典型的近地通信衛(wèi)星星座中繼測(cè)控覆蓋率的仿真計(jì)算，研究的成果可以為近地衛(wèi)星用戶提供滿足個(gè)性化需求的天基測(cè)控選擇。

1 利用地球同步衛(wèi)星中繼測(cè)控

1.1 中繼衛(wèi)星測(cè)控

由于地球遮擋，美國(guó)在執(zhí)行阿波羅登月任務(wù)時(shí)，分布全球20多個(gè)地面站在最有利條件下才能覆蓋約30%的軌道，而地球同步軌道均勻分布的3顆中繼衛(wèi)星可以徹底克服地球的遮擋，實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星100%覆蓋，如圖1(a)所示。因此20世紀(jì)80年代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS)建成后，美國(guó)撤消了在全球布設(shè)的14個(gè)地面測(cè)控站，中繼衛(wèi)星(Tracking and Data Relay Satellite，TDRS)的服務(wù)范圍從航天飛機(jī)擴(kuò)大到中低衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和機(jī)載平臺(tái)等[6]。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)組成如圖1 (b)所示，其中地面衛(wèi)星用戶-運(yùn)控中心-中繼衛(wèi)星-用戶星的通信鏈路稱為前向鏈路，相反方向稱為返向鏈路，其中前向鏈路用于向衛(wèi)星發(fā)送遙控指令和注入數(shù)據(jù)，返向鏈路用于接收衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)，中繼衛(wèi)星運(yùn)控中心負(fù)責(zé)控制中繼衛(wèi)星，完成中繼鏈路的建立和維持并負(fù)責(zé)將用戶衛(wèi)星下傳的遙測(cè)數(shù)據(jù)送往用戶中心，將來(lái)自用戶中心的指令和注入數(shù)據(jù)發(fā)往衛(wèi)星。

(a)地球同步軌道均勻分布的3顆中繼衛(wèi)星

(b)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)組成圖1 中繼衛(wèi)星覆蓋及中繼衛(wèi)星系統(tǒng)組成Fig.1 Coverage and composition of tracking and data relay satellite system

圖2(a)是美國(guó)中繼衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)，它可以提供高速數(shù)據(jù)中繼和低速測(cè)控服務(wù)，圖2(b)是它的多目標(biāo)測(cè)控服務(wù)天線，提供1路10 kbit/s的前向測(cè)控信道和5路速率300 kbit/s的返向測(cè)控信道。

(a)TDRS外形結(jié)構(gòu)

(b)TDRS多目標(biāo)天線

表1是TDRS為典型近地衛(wèi)星提供測(cè)控服務(wù)情況統(tǒng)計(jì)，根據(jù)每天運(yùn)行的圈數(shù)分析，這些衛(wèi)星主要依靠中繼衛(wèi)星系統(tǒng)完成日常在軌測(cè)控任務(wù)。公開資料顯示，在一年時(shí)間內(nèi)美國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為近地衛(wèi)星提供了147 810圈次、176 141 h的服務(wù)(平均每天405圈、每圈72 min)，系統(tǒng)的使用率超過(guò)90%以上。歐空局也重視發(fā)展中繼衛(wèi)星為飛船和對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，歐洲第二代中繼衛(wèi)星(European Data Relay Satellite，EDRS)為“哨兵”觀測(cè)衛(wèi)星提供50%以上的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還為“伽利略”衛(wèi)星等提供中繼測(cè)控服務(wù)。

表1 TDRS為典型近地衛(wèi)星提供測(cè)控服務(wù)統(tǒng)計(jì)
Tab.1 TDRS TT&C service statistics

近地衛(wèi)星業(yè)務(wù)類型速率/kbps使用情況HSTSMA430圈/d、40min/圈GROSMA12820圈/d、45min/圈COBESMA47圈/d、12 min/圈LAND-SATSMA1283圈/d、15min/圈ERBSSMA1284圈/d、25min/圈EUVESMA1287圈/d、25 min/圈TOPEXSMA12812圈/d、40 min/圈

我國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)在載人航天任務(wù)中發(fā)揮了巨大的作用[7]。以我國(guó)3顆中繼衛(wèi)星組網(wǎng)為近地衛(wèi)星提供中繼測(cè)控服務(wù)為例，假設(shè)中繼測(cè)控終端的天線安裝在近地衛(wèi)星星體表面的對(duì)天面，測(cè)控天線的波束寬度75°，計(jì)算3顆天鏈衛(wèi)星跟蹤1顆600 km軌道高度用戶衛(wèi)星在一個(gè)回歸周期的可視弧段，計(jì)算結(jié)果表明3顆中繼衛(wèi)星對(duì)該近地衛(wèi)星的測(cè)控覆蓋率達(dá)到79%，單顆中繼衛(wèi)星對(duì)近地衛(wèi)星的最長(zhǎng)連續(xù)測(cè)控時(shí)間為223.6 min，有8段時(shí)間2顆中繼星可以同時(shí)對(duì)近地衛(wèi)星測(cè)控，雙星最長(zhǎng)同時(shí)測(cè)控時(shí)間32 min[8]。

要利用中繼衛(wèi)星測(cè)控，近地衛(wèi)星必須加裝中繼測(cè)控終端和收發(fā)天線，接收中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的前向指令和注入數(shù)據(jù)、向中繼衛(wèi)星發(fā)送用戶目標(biāo)產(chǎn)生的返向數(shù)據(jù)或測(cè)距信息。實(shí)際應(yīng)用中通常采用全向?qū)挷ㄊ炀€的S頻段中繼終端，美國(guó)中繼終端已經(jīng)發(fā)展到第四代，其重量小于1 kg、功率小于5 W，使用全向螺旋天線、微帶天線或相控陣天線。

1.2 通信衛(wèi)星測(cè)控

中繼衛(wèi)星利用大口徑天線和高功率轉(zhuǎn)發(fā)器克服了長(zhǎng)距離路徑衰減，實(shí)現(xiàn)了近地衛(wèi)星的高速數(shù)據(jù)中繼。目前，一些地球同步通信衛(wèi)星也裝備了大口徑天線和高功率轉(zhuǎn)發(fā)器，特別是高增益的點(diǎn)波束天線的廣泛應(yīng)用，為低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼提供了可能性[9]。

美國(guó)曾經(jīng)在上世紀(jì)90年代未開展了利用地球同步軌道的國(guó)防衛(wèi)星通信系統(tǒng)(DCDS)和先進(jìn)通信技術(shù)衛(wèi)星(ACTS)對(duì)低軌衛(wèi)星進(jìn)行低成本通信的研究[10]，它計(jì)算在近地衛(wèi)星功放功率為40 W、天線增益28.5 dB(對(duì)應(yīng)口徑0.5 m)、頻率7.5 GHz條件下，通信速率可以達(dá)到2 Mbps，且鏈路余量大于2 dB，證明了利用地球同步通信衛(wèi)星對(duì)近地衛(wèi)星測(cè)控的可行性。

2015年國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織(Inmarsat)與新加坡增值創(chuàng)新(AVI)公司聯(lián)合進(jìn)行了利用海事衛(wèi)星與近地衛(wèi)星實(shí)時(shí)通信、指揮與控制的技術(shù)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明基于海事衛(wèi)星系統(tǒng)，可以為衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)者提供國(guó)際衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。系統(tǒng)組成如圖3(a)所示，全球分布的I4系列海事衛(wèi)星提供中繼服務(wù)，這些衛(wèi)星的天線口徑高達(dá)十幾米，其獨(dú)有的BANG技術(shù)可以保證近地衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。近地衛(wèi)星上安裝中繼終端，每個(gè)終端重量約1 kg，工作在L波段，其外形如圖3(b)所示。中繼終端搭載在2015年入軌的6U立方星Velox-2，試驗(yàn)中AVI公司通過(guò)Inmarsat-4星座向Velox-2衛(wèi)星發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)200 kbps，可以實(shí)現(xiàn)全球大于70%以上的測(cè)控覆蓋率。基于海事衛(wèi)星中繼測(cè)控的客戶購(gòu)買通信服務(wù)的方式與個(gè)人購(gòu)買移動(dòng)裝置數(shù)據(jù)包的方式一樣，費(fèi)用與衛(wèi)星交換的數(shù)據(jù)量有關(guān)。

(a)海事衛(wèi)中繼測(cè)控系統(tǒng)

(b)海事衛(wèi)中繼終端外形 圖3 基于海事衛(wèi)星系統(tǒng)的中繼測(cè)控系統(tǒng)組成和終端外形Fig.3 Inmarsat IDRS system and its terminal

目前，基于地球同步衛(wèi)星的近地衛(wèi)星的測(cè)控主要還是依靠中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，圖4是中繼衛(wèi)星與商業(yè)通信衛(wèi)星INTELSAT-3傳輸性能比較。由圖4可以看出，發(fā)射同樣EIRP條件下，中繼衛(wèi)星能夠獲得更高的傳輸速率，支持近地衛(wèi)星的測(cè)控能力更強(qiáng)。但是當(dāng)近地衛(wèi)星的中繼測(cè)控更強(qiáng)調(diào)全球覆蓋率和實(shí)效性、且對(duì)速率要求不高時(shí)，通信衛(wèi)星的大容量、多目標(biāo)服務(wù)能力能夠更好地滿足要求。

圖4 中繼衛(wèi)星與商用衛(wèi)星能力比較Fig.4 Performance comparison between TDRS and commercial communication satellite

2 利用近地衛(wèi)星星座中繼測(cè)控

與使用地球同步衛(wèi)星相比，1 000 km左右高度的近地衛(wèi)星星座對(duì)幾百千米高度的近地衛(wèi)星測(cè)控突顯距離優(yōu)勢(shì)，信號(hào)傳輸?shù)穆窂剿p相差超過(guò)20 dB，因此利用現(xiàn)有的近地衛(wèi)星星座進(jìn)行天基測(cè)控，在實(shí)現(xiàn)一定全球測(cè)控覆蓋率的前提下，可以顯著地減少中繼測(cè)控終端和天線的體積、重量和功耗，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)擴(kuò)展天基測(cè)控的應(yīng)用是非常重要的。下面給出利用3個(gè)典型近地衛(wèi)星星座實(shí)現(xiàn)天基測(cè)控的實(shí)例，并計(jì)算可以獲得的測(cè)控覆蓋率。

2.1 銥星測(cè)控

銥星系統(tǒng)由780 km的 66顆星組成，采用星間鏈路，提供全球話音服務(wù)。Qarman衛(wèi)星由Von Karman Insittute (VKI)生產(chǎn)，體積30 cm×10 cm×10 cm，重量小于4 kg，用于驗(yàn)證小衛(wèi)星返回技術(shù)，其任務(wù)過(guò)程如圖5所示。

圖5 Qarman衛(wèi)星任務(wù)過(guò)程Fig.5 Qarman satellite task process

由于衛(wèi)星過(guò)黑障時(shí)無(wú)法通信，因此設(shè)計(jì)在衛(wèi)星出黑障后，將黑障過(guò)程的數(shù)據(jù)存貯，出黑障后，將存貯的20 min數(shù)據(jù)在5 min內(nèi)回放完畢。

圖6是Qarman使用銥星傳輸數(shù)據(jù)系統(tǒng)組成和接收效果，右上角是數(shù)據(jù)接收量與預(yù)期比較的結(jié)果，它表明衛(wèi)星離地面越近，接收效果越好[11]。

圖6 Qarman使用銥星數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)組成和接收效果Fig.6 Space-based TT&C service system by Iridium for Qarman satellite

2.2 Orbcomm測(cè)控

Orbcomm衛(wèi)星星座由分布在4個(gè)軌道面的32顆衛(wèi)星組成，軌道高度825 km，傾角45°。OHB Technology公司利用其生產(chǎn)的Rubin-1到Rubin-5小衛(wèi)星系列進(jìn)行了多次基于Orbcomm系統(tǒng)的中繼測(cè)控和互聯(lián)網(wǎng)通信試驗(yàn)[12]。中繼測(cè)控系統(tǒng)組成如圖7(a)所示，它可以為軌道高度小于700 km的近地衛(wèi)星服務(wù)，Rubin-3 衛(wèi)星與Orbcomm通信的天線安裝在太陽(yáng)帆板頂端，確保能在最佳的可視范圍內(nèi)與Orbcomm衛(wèi)星通信，如圖7(b)所示。

(a)Orbcomm系統(tǒng)中繼測(cè)控示意

(b)與Orbcomm通信天線安裝位置圖7 Orbcomm衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)組成和測(cè)控天線安裝位置Fig.7 Orbcomm space-based TT&C service and user terminal antenna’s location on Rubin-3

2.2.1 Rubin-1

2000年7月，Rubin-1發(fā)射入軌后，Rubin-1通過(guò)Orbcomm衛(wèi)星和位于意大利、美國(guó)、巴西及馬來(lái)西亞的信關(guān)站進(jìn)行了通信，最長(zhǎng)通信距離7 500 km，一次通信過(guò)程如圖8所示。在5天的試驗(yàn)時(shí)間里，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)收到了1 600條E-mail信息，驗(yàn)證了基于Orbcomm進(jìn)行小衛(wèi)星測(cè)控的可行性[13]。

圖8 基于Orbcomm的Rubin-1天基測(cè)控示意Fig.8 Orbcomm space-based TT&C service for Rubin-1

2.2.2 Rubin-2

2002年發(fā)射的Rubin-2是第一個(gè)完全使用互聯(lián)網(wǎng)和Orbcomm系統(tǒng)進(jìn)行衛(wèi)星測(cè)控的小衛(wèi)星，它的軌道高度650 km、傾角 64.56°，性能指標(biāo)如圖9(a)所示，衛(wèi)星重30 kg，功率20 W，中繼數(shù)據(jù)傳輸有報(bào)告和全球報(bào)文2種模式。系統(tǒng)組成如圖9(b)所示，歐空局、科學(xué)家和OHB Technology公司通過(guò)信關(guān)站建立與Rubin-2的聯(lián)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：30%的信息可以在1 min內(nèi)收到、 90%的信息可以在10 min內(nèi)收到，每條信息長(zhǎng)度為229 Byte，一天信息傳輸總量為30 kB。

(a)Rubin-2衛(wèi)星指標(biāo)

(b)Rubin-2衛(wèi)星天基系統(tǒng)組成

圖10是我們計(jì)算的Orbcomm系統(tǒng)對(duì)一顆500 km軌道高度、97°傾角的近地衛(wèi)星提供中繼測(cè)控服務(wù)的24 h覆蓋時(shí)間統(tǒng)計(jì)。

圖10 Orbcomm系統(tǒng)24 h可見一顆近地星的時(shí)段分布Fig.10 Orbcomm space-based TT&C service distribution in 24 hours

可以看出36顆Orbcomm衛(wèi)星在1天內(nèi)有50次可見該近地衛(wèi)星，一次連續(xù)可見時(shí)間最長(zhǎng)194 s，最短9 s，平均70 s，覆蓋率為4.1%。一顆Orbcomm衛(wèi)星覆蓋近地衛(wèi)星時(shí)，2顆星的最小距離372 km、最大767 km，平均610 km。

2.3 Globalstar測(cè)控

Globalstar系統(tǒng)由分布在8個(gè)軌道面上32顆衛(wèi)星組成，軌道傾角為52°、高度1 400 km。美國(guó)Taylor大學(xué)2014年生產(chǎn)TSAT衛(wèi)星，使用Globalstar星座成功進(jìn)行了天基測(cè)控，其結(jié)果表明這些衛(wèi)星的測(cè)控?zé)o需地面站測(cè)控支持。圖11(a)是TSAT衛(wèi)星在不同姿態(tài)條件下的鏈路建立成功率，可以看出在天線對(duì)天情況下，鏈路建立最好，成功率達(dá)到82%，即使在衛(wèi)星姿態(tài)以2轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)的情況下，鏈路建立的成功率也能達(dá)到57.7%。2015年發(fā)射的GEARRS2也利用Globalstar完成測(cè)控通信，它的經(jīng)驗(yàn)表明，甚至在衛(wèi)星姿態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)也能達(dá)到85%的通信率，這一能力進(jìn)一步證明了利用Globalstar對(duì)近地衛(wèi)星測(cè)控的可靠性。圖11(b)是用于與Globalstar通信的終端組件，整個(gè)終端的重量不超過(guò)200 g，功耗小于1 W，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率最高9.6 kbps[14]。

(a)TSAT衛(wèi)星在不同姿態(tài)條件下的鏈路建立成功率

(b)體積微小的通信終端組件

從2014年開始，美國(guó)NSL公司開始利用Globalstar星座為低軌衛(wèi)星提供測(cè)控服務(wù)，傳輸速率5.6～9.6 kbps，測(cè)控費(fèi)用按時(shí)間計(jì)算。目前NSL已經(jīng)為20個(gè)以上的近地衛(wèi)星提供了天基測(cè)控服務(wù)，技術(shù)成熟，傳輸可靠。實(shí)際應(yīng)用效果表明，采用天基測(cè)控后，這些小衛(wèi)星完全可以不需要地面站的測(cè)控支持。NSL公司天基測(cè)控的發(fā)展歷程如圖12所示，可以看出從2016年以來(lái)，其應(yīng)用速度明顯加快[15]。

圖12 NSL利用Globalstar星座提供測(cè)控的發(fā)展歷程Fig.12 Evolution of NSL’s Globalstar space-based TT&C service

我們對(duì)Globalstar系統(tǒng)跟蹤一顆軌道高度為600 km的近地衛(wèi)星進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，近地衛(wèi)星繞地球一圈，平均能跟蹤7顆Globalstar衛(wèi)星，平均每次跟蹤時(shí)長(zhǎng)約300 s。由于Globalstar重點(diǎn)服務(wù)區(qū)靠近赤道，如圖13(a)所示。它對(duì)兩極覆蓋的效果差，如圖13(b)所示，因此中繼測(cè)控服務(wù)區(qū)也集中在赤道附近。

(a)地球赤道上空測(cè)控覆蓋情況地

(b)球極區(qū)上空測(cè)控覆蓋情況

表2是利用Globalstar星座對(duì)軌道高度500 km、700 km和傾角60°、97°四種情況下近地衛(wèi)星測(cè)控覆蓋率計(jì)算的結(jié)果。可以看出，近地衛(wèi)星的軌道高度越低，測(cè)控覆蓋效果越好；相同軌道高度，傾角越低測(cè)控覆蓋效果越好。每次測(cè)控可見的平均時(shí)長(zhǎng)基本在2 min以上，可以實(shí)現(xiàn)33%的測(cè)控覆蓋率。要知道我們國(guó)家在完成載人航天任務(wù)時(shí)，為了提高測(cè)控覆蓋率，使用了國(guó)內(nèi)、國(guó)外測(cè)控站和幾條測(cè)量船，才實(shí)現(xiàn)了不到20%的測(cè)控覆蓋率[16]，因此利用天基測(cè)控實(shí)現(xiàn)對(duì)近地衛(wèi)星的測(cè)控效果顯著。天基測(cè)控除了可以用于遙測(cè)、遙控?cái)?shù)據(jù)傳輸，也可以用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸[17]。

表2 Globalstar星座一天內(nèi)對(duì)近地衛(wèi)星的測(cè)控可見計(jì)算結(jié)果
Tab.2 Globalstar space-based TT&C coverage in 24 hours

近地衛(wèi)星可見次數(shù)/day平均可見時(shí)間/s最短可見時(shí)間/s最長(zhǎng)可見時(shí)間/s可見總時(shí)間/s最長(zhǎng)不可見時(shí)間/s測(cè)控覆蓋率/%500 km、97°128.5149.010.1309.229 034.91271.133.6500 km、60°94.0279.325.81 281.845 510.91 296.152.7700 km、97°105.0111.66.1261.420 844.51 355.824.1700 km、60°72.5259.812.51 383.434 618.51 439.540.1

上述基于銥星、Orbcomm和Globalstar衛(wèi)星星座對(duì)近地衛(wèi)星測(cè)控進(jìn)行分析的結(jié)果表明，每個(gè)星座除了部署的衛(wèi)星數(shù)量的不同，主要是軌道高度不同，帶來(lái)了對(duì)近地衛(wèi)星測(cè)控覆蓋率和平均可見時(shí)長(zhǎng)的變化。其中Orbcomm和Globalstar由于軌道高度較低，測(cè)控覆蓋率不高和連續(xù)測(cè)控時(shí)長(zhǎng)較短，而Globalstar衛(wèi)星軌道高度合適，對(duì)近地衛(wèi)星測(cè)控效果最好，它對(duì)于700 km以下軌道高度的近地衛(wèi)星的測(cè)控覆蓋率大于24%，最長(zhǎng)不可見時(shí)間小于25 min，可以滿足大多數(shù)衛(wèi)星的測(cè)控需求，這也是Globalstar天基測(cè)控在實(shí)際中應(yīng)用最多的主要原因。

3 總結(jié)

從上面的分析可以看出，無(wú)論是利用高軌衛(wèi)星還是低軌星座對(duì)近地衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)控，只要有一定的空間距離，兩者都能完成天基測(cè)控任務(wù)，但由于這些衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷和服務(wù)對(duì)象不同，在具體的天基測(cè)控實(shí)現(xiàn)效果上各有優(yōu)缺點(diǎn)，但同時(shí)也提供了中繼測(cè)控服務(wù)的多樣性的選擇，具體如下：

現(xiàn)有的地球同步軌道中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可以為近地衛(wèi)星用戶提供最佳的測(cè)控中繼服務(wù)，中繼鏈路的速率、性能、穩(wěn)定性和可靠性能夠得到充分保證，是天基測(cè)控的基本形式，但要求近地衛(wèi)星安裝高性能的指向天線、功放輸出功率要求高，能源消耗較大，實(shí)現(xiàn)成本較高。同時(shí)，雖然中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有多目標(biāo)服務(wù)能力，但本質(zhì)上還是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)，很難實(shí)現(xiàn)用戶的海量服務(wù)和隨機(jī)接入，因此這類中繼衛(wèi)星系統(tǒng)適合于為專業(yè)近地衛(wèi)星用戶服務(wù)。

利用現(xiàn)有的地球同步軌道通信衛(wèi)星系統(tǒng)，如海事衛(wèi)星系統(tǒng)為近地衛(wèi)星提供中繼測(cè)控服務(wù)，測(cè)控覆蓋達(dá)70%以上，還可以充分利用通信衛(wèi)星多址通信的特點(diǎn)，滿足海量用戶同時(shí)工作和隨機(jī)接入，可以按通信流量收費(fèi)，但由于通信衛(wèi)星的天線覆蓋范圍通常限定在南、北緯85°以內(nèi)，近地衛(wèi)星運(yùn)行到在南、北極附近無(wú)法測(cè)控，終端的重量、體積和功耗與中繼衛(wèi)星的要求類似。因此，利用通信衛(wèi)星系統(tǒng)提供的中繼測(cè)控服務(wù)適用于對(duì)全球測(cè)控覆蓋和實(shí)效性有要求，但無(wú)權(quán)使用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的近地衛(wèi)星用戶。

利用低軌衛(wèi)星星座對(duì)近地衛(wèi)星測(cè)控，盡管在覆蓋面積方面無(wú)法做到100%全覆蓋，但可以顯著降低不可見時(shí)間間隔，還可以使用低增益的全向天線和低功率放大器，終端可以做到重量幾百克、功耗幾百毫瓦，信息按流量收費(fèi)，因此更適用于微小衛(wèi)星測(cè)控。在現(xiàn)有的Iridium、Orbcomm和Globalstar三個(gè)低軌衛(wèi)星星座中，由于前二者的軌道高度只有800 km左右，與需要測(cè)控的微小衛(wèi)星軌道高度太接近，導(dǎo)致覆蓋率較低，而Globalstar的軌道高度為1 400 km，對(duì)一顆600 km的近地衛(wèi)星測(cè)控，近地衛(wèi)星一圈平均能跟蹤7個(gè)Globalstar衛(wèi)星，傳輸速率可以達(dá)到9.6 kbps，每次平均跟蹤時(shí)間約300 s，一圈的測(cè)控時(shí)間30 min左右，完全可以滿足衛(wèi)星測(cè)控的需求，因此利用現(xiàn)有的Globalstar星座對(duì)近地衛(wèi)星測(cè)控是實(shí)現(xiàn)可行的，而且近年來(lái)國(guó)外有越來(lái)越多的成功應(yīng)用例子。

4 結(jié)束語(yǔ)

近地衛(wèi)星天基測(cè)控直接建立了衛(wèi)星測(cè)控管理者與衛(wèi)星之間的聯(lián)系，省去了建設(shè)地面測(cè)控站和申請(qǐng)測(cè)控頻率，大大提高了平臺(tái)測(cè)控的覆蓋率和有效載荷應(yīng)用的時(shí)效性。研究結(jié)果表明，除了已有的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)可以為近地衛(wèi)星提供天基測(cè)控服務(wù)外，現(xiàn)有的通信衛(wèi)星系統(tǒng)和近地衛(wèi)星星座也可以滿足近地衛(wèi)星不同的測(cè)控需求。考慮到中繼衛(wèi)星系統(tǒng)主要為特定的用戶服務(wù)，通信衛(wèi)星系統(tǒng)和近地衛(wèi)星星座在可用性和費(fèi)效比等方面提供了更好的靈活性和替代性。衛(wèi)星測(cè)控管理者可以根據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)能夠提供的能源、重量、熱耗和體積等條件，結(jié)合衛(wèi)星平臺(tái)管理和載荷業(yè)務(wù)應(yīng)用的時(shí)效性需求，確定合理的測(cè)控覆蓋率、連續(xù)測(cè)控時(shí)間和傳輸速率，甚至預(yù)期的通信費(fèi)用，選擇相應(yīng)的天基測(cè)控服務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)合適的中繼終端，從功能、性能和費(fèi)效比上實(shí)現(xiàn)天基測(cè)控效益最大化。