浅析天基测控系统应用关键技术

浅析天基测控系统应用关键技术

马增铠

空军工程大学防空反导学院 二大队 

【摘要】本文结合天基测控系统应用，对我国天基测控问题及任务需求进行分析。通过深入研究天基测控系统应用需求,针对不同应用平台、不同任务、不同测控环境，开展应用系统方案优化设计，突破关键技术“瓶颈”，形成针对性强的中继测控应用系统方案，有效提升天基测控系统应用效能。

【关键词】天基测控 应用 关键技术

1 引言

天基测控系统主要包括数据中继卫星系统和导航卫星系统等天基系统。长期以来,陆/海基测控一直是我国航天器测控的主要方式。经过多年的建设，我国已经建成了陆海基C频段测控网、S频段统一测控网、S频段遥测系统以及一系列卫星数据接收处理站,这些系统已成为我国目前主要的航天测控手段，担负着我国载人航天工程、远程武器以及各种卫星工程的测控任务。随着我国中继卫星系统的建设，天基测控将在我国航测控系统中越来越重要的角色。

2 我国天基测控应用需求分析

2.1地基测控存在的不足

随看航天发射任务频次的增加及测量弧段等要求的提高，地基测控系统的发展已不能完全满足测控任务的需求，主要表现在以下几个方面。

2.1.1卫星及运载火箭测控存在盲区。由于我国海外测控站和远洋测量船数量较少，很难满足载人航天、多星在轨及运载火箭高密度发射对测控弧段高覆盖性的需求。

2.1.2卫星载荷数据传输实时性不高。例如某中低轨气象卫星执行气象观测及灾害预报任务，如果卫星获得的观测数据只能通过国内地基测控站接收，数据的时效性将大打折扣，某些情况下数据可能已过时。

2.1.3难以实现对卫星和火箭的应急测控。

2.2应用天基测控的优势

运载火箭和中低轨卫星等航天器增加天基测控手段，可带来如下优点。

2.2.1大幅度提高测控覆盖范围。通过加装中继用户终端，可利用中继卫星实现对火箭和卫星的大范围测控，延长测控弧段，大大提高测控覆盖率。

2.2.2大幅度提高数据传输实时性。利用中继卫星，中低轨卫星获得的气象等载荷数据可及时回传到国内，改变以前卫星过境回传数据的历史，卫星观测数据回传时效性有了质的飞跃，卫星应用效能得到显著提升。

2.2.3大幅度提高测控数传可靠性。中继卫星系统和地基测控系统相互备份、相互补充，可以明显提高测控数传的可靠性，降低测控风险。

2.3天基测控的应用需求

天基测控系统的应用将得到不断扩展,能够支持的各类服务和用户包括：为卫星及运载火箭等各类航天器提供测控服务。为运输飞船、空间实验室、空间站等载人航天器提供数据中继服务。为气象、海洋、资源勘探、测绘等卫星提供载荷数据中继服务;为各类无人机、有人机、舰船等非航天类用户提供数据中继服务。基于上述各类用户和服务，天基测控系统应用支持能力呈现出以下需求：①轨道覆盖率需求更高;②数据传输速率需求更高;③测控目标数量和任务复杂度需求更高；④测控成本更低；⑤测控距离更远。

3 天基测控系统应用关键技术

通过深入研究天基测控系统应用需求,针对不同应用平台、不同任务、不同测控环境，开展应用系统方案优化设计，突破关键技术“瓶颈”，形成针对性强的中继测控应用系统方案，有效提升天基测控系统应用效能。

3.1中继链路设计与分析技术

中继测控系统链路设计与分析是应用系统中的关键技术，是决定系统链路能否建立和稳定运行的首要因素。测控任务和测控环境日益复杂，各类新型应用方式不断涌现，传统链路分析与设计方式已不能胜任未来的测控需求，必须深入研究天基中继链路特性、空间/轨道/大气的自然环境、人为活动产生的电磁环境、人为强干扰造成的电磁环境等，建立精确模型，充分挖掘系统能力，设计岀可靠的、满足任务需求的系统链路，引导应用发展。

3.2 中继链路捕获及链路模拟技术

传统陆/海基测控方式中，测控链路只发生在飞行器与测控站或测量船之间，飞行器多采用宽波束天线，只需测控站或测量船单向捕获、跟踪飞行器信号,即可执行测控任务。而中继测控包括飞行器中继星-地面终端站链路,涉及Ka/S双频段转发、双向窄波束跟踪、链路状态信息交互等内容，链路捕获及地面验证困难。一方面需要研究星星间、箭星间等链路捕获技术，另一方面由于链路特性复杂，环节较多，需要硏究采用相应的链路模拟技术，在地面进行间接设计验证。

3.3 S频段高灵敏度抗干扰中继测控链路设计技术

通过中继卫星系统S频段前返向链路进行飞行器测控，由于距离遥远,要求中继测控设备相对于地基要有更好的接收灵敏度。灵敏度提高的同时，抗干扰能力要求也随着提高。目前中继卫星系统主要利用中继卫星窄波束天线特性，结合扩频体制来实现一定的抗干扰能力，在今后的研究及应用中,可通过体制、编码、天线、信道、信号处理等多种技术手段相结合，系统性地提高测控链路性能，保证测控安全。

3.4高可靠小型化终端设计

天基测控系统应用的用户平台大多是运载火箭、卫星、飞机、导弹等飞行器对终端设备可靠性、功耗、体积、重量、结构形式等均有严苛要求。作为系统应用关键技术，终端设备高可靠、轻小型化设计可以通过系统集成与优化技术、芯片集成技术、高效率发射机设计、高效散热设计以及新型材料等技术手段加以实现。

3.5 Ka频段相控阵天线技术

箭/弹等飞行器应用中继卫星测控、实现高码率数据传输时，需要采用定向天线提高辐射增益，由于受到气动外形限制,可与结构外形共形设计的相控阵天线成为应用首选。目前国内基于S频段相控阵天线的中继终端已进入工程应用阶段,ka频段相控阵天线硏制成为今后箭/弹载高速数传应用需要的关键技术。

3.6抗干扰抗截获技术

设计中继卫星采用双向窄波束天线与用户终端进行前返向信息传输，较之传统陆/海基测控手段具有先天的遥控抗干扰和遥测/数传抗截获优势。然而，面对越来越恶劣的信息传输环境，依然需要寻求合理技术手段进一步提高系统的抗干扰抗截获能力。通过对极低副瓣天线设计、自适应干扰抑制和加解密等关键技术的研发，将多种抗干扰手段与多径抑制技术综合应用于终端设计，可在现有基础上大幅度提高系统的抗干扰抗截获能力，满足复杂环境下测控通信需求，提高系统可靠性。

3.7高增益高效率信道编/译码技术。

在我国二代中继卫星系统中，已经考虑应用1P码作为主要的信道编码方式之、对h码和LDPC码的应用开展深入研究，采用高阶调制。结合高效高增益编码技术将是实现天基系统更高速率传输应用的必由之路。

3.8中继S频段多用户网络化技术

天基测控已经具备了多用户支持能力，与最新的通信交换网络技术相结合，可大大扩展中继卫星系统，同时支持用户数量和信息交互能力，为集群用户、区域热点等即时通信和数据交互需求提供一种高效、便捷的支持手段。中继S频段多用户网络化技术将成为今后天基测控系统扩展用户支持数量和提升信息交互效率的重要研究方向。

4 结束语

天基测控是我国航天测控系统的重点发展方向，今后我国各类飞行器乃至整个航天运输系统测控必定是陆海天基一体化综合测控。积极研究、推动天基测控技术及应用,加强中继链路设计分析与模拟验证工作,重点研究突破抗干扰抗截获、更高码速率传输以及多用户网络化等关键技术，是今后天基测控系统广泛应用的重要工作方向，必将在航天领域中发挥越来越重要的作用。

参考文献

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[2] 全球低轨卫星星座发展研究[J]. 方芳;吴明阁.飞航导弹

[3] 一种低轨卫星星座测控地面站调度策略研究[J]. 安元元;李伟超;王伟;杨旭海;韦沛;王霄.时间频率学报

[4] 一种低轨卫星星座测控地面站调度策略研究[J]. 安元元;李伟超;王伟;杨旭海;韦沛;王霄.时间频率学报