小衛星測控通信技術發展與趨勢

竇驕 韓孟飛 寧金枝 王暢

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

衛星測控通信技術包括衛星測控技術(Tracking Telemetry and Command，TT&C)以及數據傳輸技術兩部分，其中衛星測控技術即遙測、遙控、跟蹤及導航定位、定軌、定時功能由測控分系統完成，數據傳輸技術由數據傳輸分系統完成。衛星升空后，由星上測控分系統、數據傳輸分系統、數據中繼分系統與地面測控系統、中繼衛星系統一起，共同建立星地無線測控、測量以及對地數據傳輸、中繼數據傳輸通信鏈路，完成對衛星狀態采集、軌道測量、運行控制、衛星載荷數據下傳地面等功能。衛星測控通信系統是衛星在軌與地面溝通和數據傳輸通信的重要生命線，為衛星在軌正常工作提供各項信道保障條件。

近年來，隨著微電子、軟件無線電等技術的發展，涌現了大量應用于小衛星測控通信領域的新技術[1-6]、新產品[7-9]、新思路[10-14]，呈現出一些新變化[15-16]、新趨勢[17-18]。本文在調研國內外典型的在軌衛星測控通信系統情況基礎上，梳理和總結出測控通信技術的發展現狀，并結合小衛星測控通信技術的發展歷程，總結提煉了近年來小衛星測控、導航、數傳、星間等方面的發展趨勢。在此基礎上，歸納并給出未來小衛星對測控通信技術的需求，以及測控通信技術未來發展的重點方向和關鍵技術。

1 測控通信技術發展現狀

1.1 國外測控通信技術發展現狀

國外大部分衛星制造來自于美國、歐洲和日本，因此這些國家和地區發射的衛星所采用的測控通信技術具有一定的代表性，表1梳理出近20年來國外衛星測控系統的配置和參數。

結合表1國外測控系統配置及狀態，可梳理出國外測控技術的如下幾個特點。

(1)頻率以S頻段為主，VHF/UHF為輔。

(2)體制普遍采用BPSK、FM、FSK、GMSK的調制方式。

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

1.2 國內測控通信技術發展現狀

國內衛星的測控技術狀態較為統一，由于普遍基于同一衛星測控網，因此選用的測控技術基本一致，即USB或S頻段擴頻測控技術。2016年前后，伴隨著國家的大力支持，商業航天出現了迅速發展的勢頭，商業衛星脫離了傳統測控網的支撐，選擇采用X頻段，借助于商業測控網完成測控任務。

國內衛星測控系統近些年的發展主要有以下特點。

(1)測控網的日益完善使得測控資源日趨豐富，顯著擴大了衛星測控弧段。對于低軌衛星，由于衛星與地面存在相對運動，無法保證某個衛星地球站對衛星能夠長期可見，為擴大衛星的可測控區域，增加地面對衛星可測控時間，除了國內的地面測控網，還常采用中繼星、測量船、活動站以及租借境外地面站等不同方式，完成衛星的測控。與傳統只采用地基測控方式時每圈一或二個測控弧段約10或20 min左右相比，目前測控網的豐富資源可將低軌衛星可見弧段，最多提高至整圈可見(90 min左右)。圖1為衛星測控通信網示意圖，包含了多種測控通信方式。

圖1 衛星測控通信網示意圖

(2)星上增加設計多種形式的測控方式，進一步增加衛星測控系統的自主性。隨著小衛星技術的蓬勃發展以及微納衛星的出現，衛星數量急劇增加，要求衛星能夠更多地實現星上自主管理，減少地面參與。在傳統星地應答機測控方式基礎上，通過增加中繼測控、星間測控等輔助測控方式，提供多種測控信道。保證地面對衛星的可靠測控，不會因為某一種測控手段失效而影響整個衛星測控任務。圖2為國內衛星星上設計采用了多種典型測控方式示意圖。

圖2 星上測控方式示意圖

(3)星上普遍采用同構備份或者異構備份方式，通過雙機冗余備份，增加星上測控系統可靠性。通常采用設備內部主備雙備份、設備之間交叉連接備份的方式，使測控分系統不會因為單機故障或單根電纜連接故障而導致整個系統功能失效。圖3為國內衛星測控分系統基于冗余備份設計的典型組成框圖。

圖3 衛星測控系統冗余設計框圖

2 小衛星測控通信技術發展歷程

多年來，小衛星測控通信系統瞄準用戶需求，逐步解決了高可靠、高精度、小型化、抗干擾、商用化的問題，不斷優化測控系統設計，使衛星更加的好用、易用。表2總結了小衛星測控通信技術的發展歷程。

表2所列出的小衛星測控通信技術的發展歷程，可以總結如下。

表2 小衛星測控通信技術發展歷程

(1)小衛星測控系統的發展方向具有小型化、集成化、高可靠、高性能的特點。基于專用集成電路(ASIC)技術實現高可靠應答機，滿足在軌抗單粒子需求；軍用衛星在擴頻體制基礎上，發展出跳擴頻體制，進一步提升了信道的抗截獲性能；在測控方案選取策略方面，民用衛星采用USB體制，商用衛星選用X頻段，業余衛星選用UHF/VHF頻段，微納衛星采用工業PC104總線或綜合機箱架構，輕小型化衛星采用集成的測控一體機。

(2)導航接收機的發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；從現場可編程門陣列(FPGA)架構到片上系統(SOC)架構增加可靠性的特點；在導航方案選取方面，國內自用衛星導航接收機通常選用GPS加北斗(GPS+BD)模式，出口衛星則選用單GPS模式，高精度要求選用雙頻雙模全球導航衛星系統(GNSS)接收機。

(3)在對地數據傳輸通信方面，隨著衛星載荷密度越來越大、性能越來越高，數據傳輸在數據率、存儲容量、傳輸頻段、設備集成度等方面均取得了較大的進展。趨勢是速率由低向高發展、單通道向雙通道發展、分立單機向集成化發展、頻段由X向Ka發展；對地數傳系統進入到1.5 Gbit/s的4代高速數傳，固存進入到Tbits量級的4代固存。

(4)星間測控數據傳輸大致向著距離越來越遠、速率越來越高、微波激光方式并存、點對點到多點組網的方向發展；隨著微納衛星的發展，出現了適用于微納平臺的PC104小型化星間終端設備。

(5)星上測控通信系統為增加魯棒性，普遍采用了自主管理設計，當診斷出信道或基帶因空間環境影響出現故障時，進行自主復位或斷電操作，使系統能夠快速、自主恢復，減少了地面人為干預，提升了效率。

此外，在小衛星測控通信領域，深空通信技術、高速測控通信、北斗短報文、二代測控中繼終端、可視遙測等技術均已在型號中得到應用驗證；在無地面干預自主測控技術，解決遠距離高碼率星間傳輸的激光通信技術，以及高速數傳一體機關鍵技術等方面，也已開展了卓有成效的前期研究和探索。

3 小衛星對測控通信技術的需求

隨著小衛星技術的迅猛發展，近幾年小衛星對測控通信技術的需求，呈現出以下特點。

(1)對測控通信鏈路應急通信需求。衛星測控、數傳、星間鏈路、導航定位要能滿足應急通信要求，體現在保密性、抗干擾、抗截獲性，以及通信鏈路的可靠穩定、導航定位的精度保證。

(2)大規模星座的測控管理技術需求。在軌大批量星座的應用，要求星上測控通信產品與地面測控網提供相應的支持，目前的測控模式下，有限的測控資源與巨型星座的測控管理之間存在矛盾，需要測控技術進一步升級、革新以解決矛盾。

(4)商業衛星對測控通信產品的高性價比需求。商業衛星市場蓬勃發展，隨著商業航天的發展，國內商業衛星公司越來越多，目前已達數十家，以遙感、通信、科學試驗衛星為主。商業衛星市場愈加激烈的競爭，必將導致測控通信技術向低成本、高性能、高集成度、小型化、低功耗方向發展。

(5)對測控通信產品的批產化需求。從國際衛星發展現狀來看，成千上萬的衛星星座已處于實施階段，比如美國星鏈項目(StarLink)每2周發射60顆星，國內商業衛星公司批產化生產線也在逐步推進，巨型星座的出現必將要求批產化。

4 小衛星測控通信技術發展趨勢

為滿足小衛星發展新階段對測控通信技術的需求，小衛星測控通信技術有以下發展方向。

(1)抗干擾、抗截獲。將時、頻、空、碼域的抗干擾技術結合應用模式，在測控通信系統中實現工程驗證，滿足特殊場合應用需求。

(2)批產化、通用化。通過測控通信產品的標準化、模塊化，以滿足測控通信產品狀態統一和批產化的需求。在批生產方面，需要由分立單機裝配方式向采用先進構架，集成統一單板和無纜化裝配方式轉換，如基于VPX總線構架，采用統一功能板，通過配備不同軟件來實現各種功能。

(3)測控管理自主化、高效化。通過無依托自主測控、星間數據交互等有效測控手段，滿足大規模星群的高效測控管理需求。

(4)數字化、小型化。采用先進的數字技術來降低成本，用軟件技術實現相關功能，借用先進的工業技術成果，使設備集成度更高、性價比更高、成本更低。

(5)通過推動以激光、Ka頻段高速數據傳輸為代表的先進技術應用，滿足提升衛星通信性能的需求。

在上述發展方向牽引下，梳理出后續重點研究的幾項測控通信領域關鍵技術。

（2）樣品B的制備（工藝B）：丹參、大黃、1/3山藥粉碎成細粉；豆蔻、白術加6倍量水，浸泡1 h，蒸餾法提取揮發油5 h，提取揮發油后的藥液另存；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，加入提取揮發油后的藥液，濾液減壓濃縮成稠膏，與上述藥材細粉混勻，真空干燥，粉碎，加入上述揮發油，制成1 g細粉相當于1.815 g生藥。

(1)應答機抗干擾抗截獲技術。充分利用在研型號，推進擴跳頻應答機在軌驗證，建立型譜。開展寬帶擴跳頻技術研究，提升抗干擾性能。

(2)導航接收機抗干擾技術。開展高精度抗干擾、干擾檢測等技術攻關。

(3)多模通用化測控終端設計技術。開展“技術狀態系列化，硬件平臺通用化，特殊模塊組合化”先進硬件技術研究工作，應用軟件無線電技術，形成多功能、多體制、通用化的多模測控終端工程化產品。

(4)一體化通信架構技術。開展先進通信系統架構研究，基于標準化、通用化通信接口及平臺處理模塊，實現具有可重構、智能化能力的批產化一體通信產品。

(5)巨型星座測控技術。開展隨遇接入、自主測控、星間組網、無依托測控等先進測控技術研究，形成切實可行的巨型星座測控方案。

(6)小型化激光通信設備終端設計技術。開展適用于小衛星的輕小型化激光通信終端，打通遠距離、高速率、大動態的星間、星地激光通信鏈路。

(7)新體制高速數傳技術。針對Q/Ka頻段開展16APSK32APSK高階調制技術研究，實現自適應編碼調制(AMC)技術，完成在軌衛星與地面數據傳輸平均速率最大化。

5 結束語

本文通過對國內外典型在軌衛星測控通信系統現狀的分析，以及對國內小衛星測控通信技術發展歷程的梳理，結合近幾年小衛星對測控通信技術需求的變化，總結出小衛星測控通信領域的主要發展趨勢如下。

(1)測控通信鏈路的應急通信需求，要求應答機、導航接收機等典型測控通信產品，必須向具備抗截獲、抗干擾、高保密的方向進一步優化、發展和改進。

(2)對測控通信產品通用化設計的需求，要求測控通信產品，借助通用化測控終端設計等關鍵技術，產品向支持模塊化、批產化的方向發展。

(3)商業衛星、巨型星座對測控通信產品的高性價比需求，要求測控通信產品，借助一體化通信架構設計、小型化激光通信設備、新體制高速數傳技術等關鍵技術，向低成本、小型化、數字化、高性能的方向發展和改進。

(4)大型星座對測控通信產品的自主測控管理需求，要求測控通信產品，借助隨遇接入、自主測控、星間組網、無依托測控關鍵技術，向測控管理自主化、高效化的方向發展和改進。