在軌航天器多目標測控現狀與發展趨勢*

劉培杰，焦義文，吳 濤，李 超，王 飛

(1.航天工程大學 電子與光學工程系，北京 101416；2.西安衛星測控中心，西安 710043)

0 引 言

隨著航天技術發展，在軌航天器數量迅速增加，國外大規模星座系統“星鏈”[1]“亞馬遜Kuiper”[2]等項目已進入建設階段，而國內“鴻雁”“虹云”[3]等衛星星座計劃也逐步進入實施階段，單個地面測控站面臨著在全空域范圍內對越來越多的在軌航天器同時進行測控的應用模式。傳統思路是通過增加多套反射面式天伺饋設備來支持多目標同時測控，隨著測控管理的目標數量增加，這種模式表現出與形勢發展不相適應之處：

(1)無論是測控設備的管理還是中心系統的運行，均存在復雜度越來越高，可靠性變差的情況；

(2)測控資源調度問題的求解難度持續增大，且受測控設備突發故障、臨時計劃調整等不確定約束條件的影響很大，最優解幾乎難以獲得；

(3)新建測控站點以及多套設備同時工作的模式使得管理組織成本高、效費比低。

因此，需要發展相應的多目標同時測控技術，實現地面站對其作用空域范圍內任意分布的多個目標同時進行高效的測控管理。

本文對國內外在軌航天器多目標測控發展現狀進行分析，重點對幾種主流發展思路進行介紹，對發展趨勢進行敘述，供相關人員參考。

1 多目標測控發展現狀

多目標測控即同時多目標測控，指的是單套測控設備在同一時刻完成對多個飛行器目標的測控過程。按照天線波束對目標覆蓋情況差異，分為同波束多目標和多波束多目標兩種基本形式。

1.1 同波束多目標測控

同波束多目標測控指的是多個目標在測控設備的同一天線波束內，目標之間通過頻分、碼分等形式進行區分的測控方式。

頻分多目標測控要求多目標工作在各不相同的頻點，有限的頻譜資源決定了這種方式對可支持多目標數量的限制。若僅考慮下行接收，這種方式要求測控設備具備多個接收通道，各通道采用不同本振頻率的混頻器來實現對多目標的頻分。若再考慮上行采用不同的發射頻率，系統復雜度和工程代價將更大。因此，頻分多目標測應用場景受限，比如在深空測控通信中對巡視器、著陸器的下行信號接收是其典型場景之一。

隨著擴頻統一測控體制在我國航天測控系統中的成熟應用，碼分多址技術在飛行器測控中的應用研究隨之開展，基于碼分多址的多目標測控方案[4-5]被提出并得到了工程實現，且在以下兩個典型場景得到一定程度的應用：一是在航天器發射的上升段，用于對星(器/船)、箭同時測控[6]；二是小規模編隊飛行衛星的在軌測控。兩者共同點是多目標之間距離近。

對于同波束多目標測控的研究集中在碼間多址接入干擾(Multiple Access Interference，MAI)分析、多目標同時捕獲[7]等方面。這種同波束多目標測控模式的缺點是由于波束寬度受限，可覆蓋空域極其有限，無法支持更大空域的多目標測控。

1.2 基于多波束技術的多目標測控

現行主流地面測控設備對多目標同時測控支持能力弱，主要原因在于其為了滿足天線高增益要求和測角精度要求，普遍采用窄波束拋物面式天線捕獲并跟蹤衛星。

根據天線增益的定義，波束寬度與增益無法同時兼顧。因此，實現大空域甚至全空域多目標測控的核心是要解決覆蓋和增益矛盾問題，而從理論上來講，現行可行度最高的解決思路是采用多波束天線。

1.2.1 多波束天線技術概述

多波束天線(Multiple Beam Antenna，MBA)是能產生多個窄波束的天線。這些窄波束(或稱為點波束)可以合成一個或多個成形波束，以覆蓋特定的空域。多波束天線有透鏡式、反射面式和相控陣式三種基本形式[8-9]。

(1)多波束透鏡天線

其饋電網絡采用了微波透鏡，在透鏡焦點位置附近布設有多個饋源，分別對應著不同焦弧(微波路徑)，而當給各饋源輸入端口輸入信號時，在透鏡上將同時產生不同相位差的一系列微波信號，這些信號近似等幅度，且相位差符合線性變化規律，經過天線輻射后即可形成不同指向的多個點波束。

多波束透鏡天線主要技術特點有可支持多目標同時工作、較寬的角度覆蓋范圍、無源器件可靠性高、可達納秒級別的快速反應速度等。其主要缺點在于結構笨重，且介質老化和界面反射會引入損耗。對其研究主要集中在小型化與一體化[10]、優化性能指標[11]等方面。

(2)多波束反射面天線

類似多波束透鏡，通過在反射面焦點附近布設多個饋源來形成多波束。反射面尺寸和多饋源位置的選擇是依據多焦點反射面方程，對多波束覆蓋區域形狀(即波束賦形范圍)決定的。其主要技術特點為點波束增益高、波束賦形靈活度高、可靠性高等。研究集中在饋源陣列布局優化設計[12]、旁瓣電平與波束寬度之間矛盾的解決[13]，以及波束賦形優化[14]等方面。

(3)多波束相控陣天線

由多個輻射單元組成天線陣列，使用數字波束成形技術(Digital Beam Forming，DBF)，通過對各陣列單元幅度和相位加權調整，以形成不同形狀不同指向的成形波束。其優點在于可對波束數目和形狀進行靈活控制，并可控制波束作快速掃描，缺點是造價高。

根據現有技術發展，隨著制造成本的降低，采用相控陣列天線實現多波束多目標測控是較為成熟可行的途徑。基于數字波束形成技術的相控陣多目標測控技術具有波束數量多、作用距離遠、使用靈活、自適應抗干擾能力強等優點，是多目標測控的主要發展方向[15]。

下面按照天基和地基的分類方式，對多波束技術在航天測控通信領域的應用現狀及發展趨勢進行論述。

1.2.2 天基多波束多目標測控

在天基測控方面，最早將多波束技術應用于天基測控系統中的是美國跟蹤與數據中繼衛星系統(Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS)[16]，在1983年和1988年發射的中繼衛星上裝有可形成多波束的相控陣天線，該相控陣天線由 30個螺旋天線陣元組成，可同時形成20個接收波束和1個發射波束。我國也在2019年發射入軌[17]的第二代中繼衛星上采用多波束天線，實現了S頻段多址接入(S-band Multiple Access，SMA)多目標測控。該系統部署于地球同步靜止軌道，單顆衛星可形成21個固定覆蓋范圍的點波束。系統容量分析結果表明，單星可實現對189個航天器目標的同時測控管理。

現研究多集中在抗多址干擾、提升系統容量、信道資源分配等方面，主要結論及成果如下：文獻[18]提出了全景多波束測控的概念，指的是利用中繼星多波束固定覆蓋的特性實現航天器進入覆蓋區域內即可測控的功能，對其系統容量進行了分析；文獻[19]利用人工魚群算法的迭代優化，實現多址干擾的最小化，從而提升系統容量；文獻[20]針對被測控用戶的多樣化和大數量級，設計了網絡分級管理架構及一種動態/靜態相結合的多碼-多頻-時分多址資源分配方法。

以上研究都是基于中繼星為天基測控平臺開展的，而在未來天地一體化信息網絡范疇內，導航系統也被視為天基節點。文獻[21]提到將“北斗”衛星作為接入節點，用多波束相控陣構建接入網，為星座外用戶提供星間鏈路網絡傳輸服務。

李飛龍等人[22]充分利用了導航系統的高覆蓋性優勢，將導航輔助信息引入到中繼星測控中，利用導航鏈路開展終端時延和頻率預校正，達到消除多用戶干擾的目的。

除此之外，李于衡等人[23]提出基于現有地球同步通信衛星系統及近地軌道通信衛星星座對近地衛星實施中繼測控，以實現高覆蓋和低成本兼顧的方法，可被納入廣義的天基測控范疇之中。

1.2.3 地基多波束多目標測控

在地基測控方面，使用相控陣天線實現多波束多目標測控的基本思路[24]和實現方案[25]都被較早提出，但由于早些年多目標測控需求并不迫切，加之相控陣天線成本較高，國內航天測控網仍然采用拋物面天線形式的單目標統一S頻段測控(Unified S-Band，USB)系統作為主流，僅有個別為特殊任務需求設計的多波束多目標設備，比如某采用平面相控陣天線的活動式測控設備，通過多波束形成實現同時4目標的跟蹤測控能力，這是多波束多目標測控設備的早期形式。

為了支持分布在全空域范圍內的多目標同時測控，波束掃描需覆蓋整個上半球空域，通常可采用多面陣、圓錐陣、球面陣、網格穹頂圓柱陣或共形陣等布陣方式[26]。

2006年，美國開展了網格穹頂相控陣天線(Geodesic Dome Phased Array Antenna，GDPAA) 方面的研究[27]。該天線由多個五邊形和六邊形子陣拼接構成，設計目標為全空域范圍內的同時4目標測控通信。另外，歐空局也在開發一種名為球面陣天線(Geodesic Dome Array Antenna，GEODA)的相控陣測控系統[28-29]，用于接收多星下行信號。

在國內，對全空域多波束設備的研究是近年測控設備研制的重要方向之一。2013年，中國電科54所王鵬毅等人[30]對全空域多波束多目標測控的實現路徑進行了初步探索，指出了需要突破的關鍵技術。不同于GDPAA的多面體拼陣，這種全空域多波束設備采用球面陣天線形成波束，因此不存在子陣切換，陣元是逐個滑動的，波束輸出信號的相位是連續的，保證測量連續性和可靠性。2015年，中國電科10所俄廣西等人[31]對全空域多波束設備的波束形成進行了研究，研制了原理樣機，并通過外場測試驗證了系統實際測控能力。近兩年來，對其研究多集中在波束形成優化[26,32]、角跟蹤方法研究[33-34]等方面。目前，中國電科10所、54所均在開展全空域多波束測控設備的研制生產，已有部分型號進入列裝階段。

全空域球面陣測控系統在技術體制上可分為收發共陣元和收發陣元分置兩類：前者采用了較為昂貴的TR組件，優點在于靈活性好，波束資源調度相對簡單，且能保證波束在球面陣滑動時候波束寬度和增益的連續性；后者雖然成本低，且不用考慮單陣元組件內收發隔離問題，但收發分置的方式使得波束性能一致性較難保證，增加了波束形成陣元資源調度的復雜度，且陣列規模較大，為天線結構設計增加了困難。

為簡化全空域多波束設備的波束成形過程，在地基多波束多目標測控技術的研究中，有一種基于固定多波束實現大空域多目標測控的思路。丁國棟等人[35]利用固定多波束收發一體的陣列天線，通過在射頻部分進行雙通道設計將陣列分為跟蹤波束陣列和切換波束陣列，多個波束覆蓋不同空域。這種固定多波束采用空域組合思路，無需對目標進行波束跟蹤，簡化了波束形成部分，通過波束切換機制保證跨波束連續通信。

此外，還有利用多天線系統實現多目標測控的研究。NASA聯合喬治亞理工學院一起將多天線組陣信號合成技術應用于地球觀測衛星系統，通過將7副口徑為0.75 m 拋物面天線進行組陣，接收極地軌道地球觀測衛星的信號。該系統無需天線伺服，穩健性好，維護和建設成本低[36]。2018年，亞馬遜公司宣布推出AWS衛星地面接收站項目，計劃在全球建設12個接收站點，每個站點部署多臺小型接收終端，使用名為Verge的準全向天線接收過境范圍內多星數據信號，并在云端進行合成和數據解調[37]。相比全空域多波束設備，多天線系統用于航天器測控具有靈活性和性價比更高的優勢，對于未來民商航天面臨的目標數量多但速率要求并不高的多目標測控管理更加適用。

上述三種多目標測控方式的分析比對如表1所示。

表1 對三種多目標測控方式的分析比對

2 基于饋電鏈路的多目標測控

對于巨型星座的測控，若按照傳統模式實施測控管理，需要建設大量測控站，建設和管理成本巨大。而測運控一體化的推進和衛星自主管理能力的提升，使得單獨建設測控系統的必要性明顯降低——前者提供了新型測控信息傳輸通道，后者縮減了測控需求。根據對文獻[38-40]的分析，國外的Starlink、OneWeb、Kuiper等互聯網衛星通信系統已不再設置專用測控站或僅建設少量測控站，而是將地面信關站同時作為測控站使用，通過饋電鏈路傳輸測控數據。

2.1 基本思路

基于饋電鏈路的多目標測控方式指的是，在低軌衛星星座通信系統中，將衛星遙測遙控數據視為通信業務數據，通過衛星與地面關口站之間的鏈路傳輸，實現地面管控中心對衛星的測控。其得以實現的背景基礎在于：一方面，越來越多的在軌航天器定位定軌通過星載導航終端來實現；另一方面，隨著在軌航天器自主管理能力的增強，在日常管理中需要地面支持開展遙控遙測的需求變少。同時，一般的遙測遙控信息速率較低，不會對具有大帶寬的饋電鏈路帶來容量負擔，也增強了這種方案工程應用的可行性。

圖1給出了具有星間鏈路情況下基于饋電鏈路多目標測控方式的示意圖，圖中對S1-2衛星的控制指令和接收S2-3衛星的狀態信息均可通過星間鏈路和饋電鏈路進行傳輸。這種方式將星座中各星及地面關口站視作“天網地網”中的網絡節點，地面管控中心可快速實現對星座中任意衛星狀態信息的掌握和指令的下達，承擔了測控中心的部分功能，達到了傳統測控中遙測和遙控的目的。

圖1 基于饋電鏈路測控場景示意圖

2.2 技術特點

這種對低軌移動通信星座的測控管理模式的優勢在于，星上不用安裝測控專用天線和應答機，節省了有效載荷空間，且地面無需建設大量測控專用站，降低了測控網建設和管理成本。另外，將傳統的計劃式測控變成了按需測控，管理效益和靈活性得到了很大提升。

需要說明的是，這種測控方式得以實現需要具備一定條件：要求星上安裝導航終端，以提供定位定軌支持；衛星需要進行測控數傳一體化設計，在信號形式上進行頻分復用設計，或者將兩者數據進行統一編幀考慮。

這種方式的不足有：相比傳統地面測控網絡，地面關口站對目標的覆蓋性相對較弱，在星座沒有星間鏈路的情況下無法達到全時段可見，導致應急測控響應能力弱；兩種數據在地面端進行匯總和分發，需要統一接口設計，增加了系統復雜度。

3 隨遇接入測控模式

隨遇接入測控屬于下一代航天測控系統發展方向之一，國內較早對其展開系統研究的是航天工程研究所。在已發表的研究成果中，方峰等人[41]2018年在文獻[41]中最早提及“隨遇接入”測控概念。他們在天基測控領域提出雙通道設計，利用寬波束鏈路傳輸飛行狀態短信息引導建立窄波束高速數傳鏈路，從而實現引導式天基測控。2020年，劉建平等人[42]提出了面向全球覆、隨遇接入的測運控服務概念及總體架構，并就需要突破的關鍵技術進行了分析。

3.1 定義及特點

隨遇接入測控指的是在天基或地基測控節點具備全空域(全景)波束覆蓋范圍的條件下，航天器進入波束范圍內即可接入測控網絡，開展測控業務。

相比傳統測控模式，隨遇接入測控主要優勢有四個方面[43]。

(1)資源調度復雜度低

進入空域范圍的多目標僅進行陣列信道資源調度，而不用針對多套測控設備開展資源調度，避免了計劃接入測控模式中隨著業務量增加導致系統復雜度增加、穩定性降低的不利情況。

(2)接入效率提高

隨遇接入模式下航天器一旦進入測控節點的作用范圍即進行雙向握手建立控制信道連接，并始終保持直至超出節點空域作用范圍。在測控需求產生時可快速進入業務狀態，無需經歷傳統計劃接入模式下的捕獲環節，響應速度快。

(3)出入網靈活性好

航天器或測控設備出入網均可動態自動調整，能更好適應未來包含軍事應用在內的多種任務需求，同時也利于商業衛星彈性化定制測控管理服務。

(4)長期管理效費比高

相比新建多站以實現多目標測控的模式來說，隨遇接入測控實現了一站式多目標同時測控，節省了建設、管理、維護成本，能顯著提高效費比，降低測控管理成本。

3.2 實現路徑

容易看出，實現隨遇接入測控的首要問題是在保證增益前提下滿足覆蓋性需求。而根據前文所述，解決單天線波束寬度和增益矛盾的基本思路是采用多波束天線技術。

對于地基測控系統，近年來對全空域多波束多目標測控設備的建設研究為隨遇接入測控的實現提供了設備基礎[31]。該設備采用球面相控陣天線，雖然能同時跟蹤多目標，卻無法實現目標進可視范圍即檢測。這就要求在全空域多目標設備原有的測控跟蹤波束基礎上增加固定空域覆蓋波束，可將兩者集成設計在穹頂半球柱體陣列之中，小部分子陣形成固定多點波束，以空域拼合形式實現大空域覆蓋完成目標檢測功能，大部分子陣形成測控跟蹤波束完成測控通信功能，也就是要實現控制和業務信道的分離。文獻[43]對此進行了詳細描述。

圖2所示為基于隨遇接入測控流程圖，說明如下：

(1)衛星下行信標信號常發，一旦進入地基測控設備作用范圍后，地面即可發現目標；

(2)雙向捕獲；

(3)控制信道連接建立，同時衛星注冊，加入測站可見目標列表，以備必要時快速接入；

(4)衛星向測站發送隨遇接入請求，若目標同時在多站覆蓋范圍內，需要依據一定策略進行測控站選優；

(5)測站收到請求后，依據常規測控計劃以及測控需求等級，決定是否通過接入請求；

(6)若接入成功，則正常開展測控業務；

(7)若接入失敗，則控制信道連接狀態保持，在出現星上自主請求、地面應急操控等突發測控需求時，可快速接入。

圖2 隨遇接入測控流程圖

對地基測控系統隨遇接入的研究集中在航天器接入最優化選擇策略、測控需求與計劃、多信道技術等方面。

對于中繼星天基測控系統，可以參考同樣在地球同步軌道的通信衛星，通過多波束對地全景覆蓋，實現S頻段多址接入。文獻[18]對該方法基本思路及系統容量進行了分析，分析結果認為該系統可同時支持500個航天器。該方法基于固定波束覆蓋實現，不足是無法實現跟蹤測角，定位定軌只能依靠航天器載導航系統接收終端實現。

天基測控系統實現隨遇接入測控，具備高覆蓋性的優勢，主要關注的研究問題為信道資源分配、目標跨波束連續通信以及系統容量提升。

4 天地一體化信息網中的多星測控

天地一體化信息網絡最早稱為航天互聯網，與之類似的還有星際互聯網、空間互聯網等空間信息網絡系統。美國于1998年就啟動了星際互聯網項目，主要研究地球以外使用互聯網實現端到端通信的方案[44]。

2004年，李德仁院士[45]提出并闡述了天地一體化地球空間信息學，這是國內“天地一體化”的概念首次被提及。2006年，沈榮駿院士[46]提出了我國天地一體化航天互聯網建設的總體目標。2015年，張乃通院士[47]對天地一體化信息網絡的定位、邊界作了清晰的說明，并提出了網絡基本架構的設想和對建設工作的建議。2016年，吳曼青院士[48]提出了天地一體化信息網絡的總體架構設想，梳理了網絡技術體系，并就其架構、協議、接入方式等方面展開了重點論述。至此，天地一體化信息網絡的框架基本確定。

天地一體化信息網絡由天基骨干網、天基接入網、地基節點網組成，并與地面互聯網和移動通信網互聯互通。

4.1 典型衛星互聯網星座拓撲

作為天地一體化信息網絡的重要組成部分，衛星互聯網的建設部署成為天地一體化信息網絡建設的重要環節。表2列出了國內外典型衛星互聯網系統的星座拓撲情況，可以看出，衛星互聯網均為低軌星座系統，各系統差異主要在于軌道高度和有無星間鏈路。

表2 國內外典型衛星互聯網系統星座拓撲

從覆蓋性要求可知，星座規模取決于軌道高度，進而決定了系統建設成本。同時，軌道高度也決定了時延大小以及有效載荷的功率要求。

是否有星間鏈路不僅決定了星上載荷部署成本，而且會影響路由選擇和數據落地方式。在沒有星間鏈路的情況下，需要建設更多的信關站，相比具有星間鏈路的衛星互聯網系統，其實時性較差。目前星間鏈路通信技術已日趨成熟，Starlink已完成了激光星間鏈路測試工作，我國通過“北斗”三號Ka頻段星間鏈路測試證明了技術的可行性，在“鴻雁”和“虹云”工程中均設計有星間鏈路，兩者是未來國網星座計劃的重要組成。

4.2 對測控與運控的影響

天地一體化信息網建成后，在軌航天器日常管理成為其基礎功能之一，各在軌航天器將全時段在網，覆蓋性問題不復存在。

在傳統范疇中，對于在軌航天器測控與運控的區別在于，“測控”主要是針對衛星平臺開展(偶爾承擔部分載荷數據收發任務)，而“運控”針對的是衛星載荷本身。因此，對于“衛星管控(或稱衛星管理)”存在兩種理解，在不涉及軌道控制的時候，一般多傾向于指代“運控”。

隨著星間相對位置測量定位、星載導航定位等衛星自主定軌技術的成熟，傳統測控中“測量”部分尤其是測角的實現，將越來越少地依賴地面測控站，此時無論是測控還是運控均表現為數據傳輸的形式，兩者不再區分，甚至可以通過平臺載荷一體化設計實現統一接口。在天地一體化信息網絡構想中，兩者可統稱為衛星管控(管理)。

4.3 發展趨勢

通過天地一體化信息網實現多星測控，其發展趨勢主要可歸納為以下方面：

(1)隨著測運控一體化繼續深度整合，在軌航天器作為空間信息采集和中繼的網絡節點，對其日常管理關注的重點已不是測控業務的開展，而是更傾向于大寬帶低延時數據服務能力的實現；

(2)在軌航天器測控管理模式實現個體化向批量化的轉變，加之星上自主管理能力的增強，促使現行“全壽命承包制”衛星管理向“按需定制化”方向發展，用戶可根據需求按一定周期甚至按圈次定制測控服務，靈活性提高；

(3)作為運維管控體系的功能主體，地面站節點進行功能整合，在軌航天器的管理進一步呈現出集成化、網絡化特點，使得測控管理成本有效降低。

5 結束語

在軌航天器多目標測控的主流發展方向是基于多波束天線技術，以全空域球面相控陣測控系統為設備基礎，采用空分碼分結合的目標復用形式，實現隨遇接入測控模式。為了降低成本，通過饋電鏈路傳輸測控數據的方法也得到了應用。在未來，隨著天地一體化信息網絡的建設，對于多星的測控管理將成為其基礎業務之一，表現出數據優先、高靈活度、低成本的特征。