傳統(tǒng)的衛(wèi)星測控需要申請測控頻率、建設地面測控站和維持其日常運行，為了提高測控覆蓋率，還需要建設多個地面站。商業(yè)衛(wèi)星、特別是微小衛(wèi)星的測控需求強調(diào)可用、高效和低成本，繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的測控套路，從頻率申請、接口對接到日常運行，過程復雜且耗資不菲。大口徑、多波束和高增益的通信衛(wèi)星已經(jīng)使地面用戶可以在全球任意地點利用手機進行通信，如果在近地衛(wèi)星上安裝高性能的收發(fā)機，把近地衛(wèi)星當成一個移動終端使用，衛(wèi)星測控中心就能隨時與衛(wèi)星建立聯(lián)系，接收衛(wèi)星發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)和發(fā)送遙控指令，就可以利用現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)建立起覆蓋全球的近地衛(wèi)星測控網(wǎng)。

1     利用地球同步衛(wèi)星測控近地衛(wèi)星

1. 1.1    中繼衛(wèi)星為近地衛(wèi)星測控服務

地球同步軌道均勻分布3顆中繼衛(wèi)星可以徹底克服地球的遮擋，實現(xiàn)低軌衛(wèi)星和地面目標的100％覆蓋，如圖 1所示。相關(guān)數(shù)據(jù)表明美國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)平均每天可以為近地衛(wèi)星提供405圈、每圈72min的測控服務，表 1是其為典型近地衛(wèi)星提供測控服務情況統(tǒng)計，根據(jù)這些衛(wèi)星的軌道高度分析，可以看出它們完全依靠中繼衛(wèi)星系統(tǒng)完成日常在軌管理任務。歐空局也重視發(fā)展中繼衛(wèi)星為飛船和對地觀測衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務，歐洲第二代中繼衛(wèi)星為“哨兵”觀測衛(wèi)星提供50%以上的業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸，同時還為“伽利略”衛(wèi)星等提供測控服務。

圖 1  中繼衛(wèi)星覆蓋及中繼衛(wèi)星系統(tǒng)組成

表 1  TDRS為典型近地衛(wèi)星提供測控服務統(tǒng)計

近地衛(wèi)星要利用中繼衛(wèi)星測控，就必須安裝中繼終端，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)送用戶目標產(chǎn)生的返向數(shù)據(jù)或測距信息．通常采用全向?qū)挷ㄊ炀€的S頻段中繼終端，目前，美國中繼終端已經(jīng)發(fā)展到第四代，其重量小于1kg、功率小于5W，使用全向螺旋天線、微帶天線或相控陣天線。

1. 1.2    同步通信衛(wèi)星為近地衛(wèi)星測控服務

美國曾經(jīng)在上世紀90年代未開展利用地球同步軌道的國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)（DCDS）和先進通信技術(shù)衛(wèi)星（ACTS）對低軌衛(wèi)星低成本通信的研究，圖 2是利用DCDS對近地衛(wèi)星通信的系統(tǒng)組成，錯誤！未找到引用源。是在近地衛(wèi)星功放功率40W、天線增益28.5dB（對應口徑0.5m）、頻率7.5GHz、通信速率2Mbps，雙方使用定向天線的條件下的鏈路計算結(jié)果，鏈路余量2 dB，表明了利用地球同步通信衛(wèi)星對近地衛(wèi)星測控的可行性。

圖 2  利用DCDS對近地衛(wèi)星通信的系統(tǒng)組成

2015年國際移動衛(wèi)星組織（Inmarsat）與新加坡增值創(chuàng)新（AVI）公司聯(lián)合進行了利用海事衛(wèi)星與近地軌道小衛(wèi)星實時通信、指揮與控制的技術(shù)。初步具備了為衛(wèi)星運營者提供國際衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼服務（IDRS）。此項數(shù)據(jù)中繼服務將使運營者能掌握衛(wèi)星實時情況并基于信息交換作出快速響應。AVI公司的研發(fā)人員在2012年提出，運營者可以通過將數(shù)據(jù)中繼到地球同步軌道L波段通信星座“國際移動衛(wèi)星組織”-4和“寬帶全球區(qū)域網(wǎng)”（BGAN）進行數(shù)據(jù)中繼，進而解決與近地軌道衛(wèi)星通信不連續(xù)的問題。工程師對BGAN的移動衛(wèi)星終端進行了重新設計，降低尺寸并延長使用壽命。首個IDRS的L波段終端包括一個主接收器和一個備接收器，于2015年12月搭載6U立方星Velox-2發(fā)射。AVI公司通過Inmarsat-4星座向Velox-2衛(wèi)星發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，試驗非常成功。IDRS接收器的硬件可重構(gòu)，進而使衛(wèi)星用于不同任務。IDRS客戶購買通信服務的方式與個人購買移動裝置數(shù)據(jù)包的方式一樣。費用與數(shù)據(jù)運營者每月與衛(wèi)星交換的數(shù)據(jù)量有關(guān)。

2     利用近地衛(wèi)星測控

1. 2.1    銥星測控

銥星系統(tǒng)由780km的 66顆星組成，采用星間鏈路，提供全球話音服務。Qarman衛(wèi)星由Von Karman Insittute (VKI)生產(chǎn)，體積30cm×10cm×10cm，重量小于4kg，用于驗證小衛(wèi)星返回技術(shù)，其任務過程如圖 3所示。由于衛(wèi)星過黑障時無法通信，因此設計在衛(wèi)星出黑障后，將黑障過程的數(shù)據(jù)存貯，出黑障后利用銥星系統(tǒng)將存貯的20 分鐘數(shù)據(jù)在5分鐘內(nèi)回

圖 3  Qarman衛(wèi)星任務過程

放完畢?？紤]到要傳輸盡量多的數(shù)據(jù)，鏈路余量很重要，Qarman衛(wèi)星選擇了銥星系統(tǒng)而不是同步衛(wèi)星進行通信。圖 4是Qarman使用銥星傳輸階段劃分和接收效果，右上角數(shù)據(jù)接收量與預期比較的結(jié)果，它表明衛(wèi)星離地面越近，接收效果越好。

圖 4  Qarman使用銥星傳輸階段劃分和接收效果

1. 2.2    Orbcomm測控

Orbcomm衛(wèi)星星座由分布在4個軌道面的32顆衛(wèi)星組成，軌道高度825km，傾角45°，為地面提供短消息服務。OHB Technology公司利用其Rubin-1到Rubin-5小衛(wèi)星系列進行了多次使用Orbcomm系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)的天基測控試驗，如圖 5所示，Orbcomm的天線安裝在太陽帆板頂端。圖 6是Rubin系統(tǒng)衛(wèi)星使用Orbcomm通信的兩種模式。

圖 5  利用Orbcom衛(wèi)星測控系統(tǒng)組成和測控天線安裝位置

圖 6   Rubin使用Orbcomm的兩種模式

（1）    Rubin-1試驗

2000年7月Rubin-1發(fā)射，在5天的試驗時間里，通過互聯(lián)網(wǎng)收到了1600條E-mail信息，驗證了基于Orbcomm進行小衛(wèi)星測控的可行性。Rubin-1與Orbcomm衛(wèi)星之間最長通信距離7500km。

圖 7  基于Orbcomm的Rubin-1測控原理

（2）    Rubin-2試驗

2002年發(fā)射的Rubin-2是第一個完全使用互聯(lián)網(wǎng)和Orbcomm系統(tǒng)衛(wèi)星測控的小衛(wèi)星， 軌道高度650 km,傾角 64.56°，其Orbcomm終端性能指標如圖，衛(wèi)星重30kg，功率20W。試驗結(jié)果表明：30%的信息可以在1分鐘內(nèi)收到、 90%的信息可以在10分鐘內(nèi)收到，每條信息長度為229byt，一天信息傳輸總量為30KB。

圖 8   Rubin-2衛(wèi)星Orbcomm通信終端指標和測控系統(tǒng)組成

1. 2.3    Globalstar測控

Globalstar系統(tǒng)由分布在8個軌道面上32顆衛(wèi)星組成，軌道傾角為52°、高度1400km。表 2是我們計算利用Globalstar系統(tǒng)對軌道高度500km和700km，傾角為60°和97°的近地衛(wèi)星測控覆蓋情況，它表明利用Globalstar系統(tǒng)跟蹤一顆500km、97°太陽同步軌道衛(wèi)星衛(wèi)星，一天跟蹤128次，每次平均跟蹤時間149 s，一天的總跟蹤時長29034秒，測控覆蓋率為33%。

由于Globalstar重點是保障低緯度地區(qū)通信，因此近地衛(wèi)星在過極區(qū)時，有較長時間無法通信，圖 9是我們對Globalstar對600km 衛(wèi)星測控的覆蓋情況分析，可以看出在兩個極區(qū)的通信間隙較大在，圖 10表明在赤道附近覆蓋情況明顯改善。

圖 9   Globalstar對600km 衛(wèi)星測控時，在兩個極區(qū)有較長時間無法通信

圖 10   Globalstar對600km 衛(wèi)星測控時，在赤道區(qū)附近通信鏈路密集

表 2   Globalstar一天內(nèi)對近地衛(wèi)星的測控可見計算結(jié)果

TSAT是一個成功使用Globalstar星座測控的例子。圖 11是TSAT衛(wèi)星在不同姿態(tài)條件下的鏈路建立成功率及使用Globalstar星座測控費用，可以看出在天線對天情況下，鏈路建立最好，成功率達到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到57.7%。GEARRS2衛(wèi)星也利用Globalstar通信，它的經(jīng)驗表明，甚至在衛(wèi)星姿態(tài)翻轉(zhuǎn)時也能達到85%的通信率，這一能力證明了利用Globalstar對近地衛(wèi)星測控的可靠性。TSAT衛(wèi)星在2014年試驗時，由于功率限制，40天的任務接收1MByte數(shù)據(jù)，花費4000美元。

圖 11   TSAT衛(wèi)星在不同姿態(tài)條件下的鏈路建立成功率及使用Globalstar星座測控費用

3     結(jié)論

利用高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星進行測控，在同樣的頻率條件下，路徑損耗相差30dB左右，因此對于微小衛(wèi)星測控，盡管在覆蓋面積方面無法像同步衛(wèi)星一樣實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，但可以使用低增益的全向天線和低功率放大器，因此更適用于微小衛(wèi)星的測控，而在現(xiàn)有的Iridium、Orbcomm和Globalstar三個低軌衛(wèi)星星座中，由于前兩者的軌道高度只有800km左右，與需要測控的微小衛(wèi)星軌道高度太接近，導致覆蓋率無法滿足要求，而Globalstar的軌道高度為1400km，對一顆600km的近地衛(wèi)星測控，一圈平均能跟蹤7次、每次平均跟蹤時間300 s、一圈的測控時間30分鐘左右，傳輸速率可達9.6kbps，，完全可以滿足衛(wèi)星測控的需求，因此利用Globalstar對軌道高度800km的近地衛(wèi)星測控是實現(xiàn)可行的，而且有近年國外成功的先例。