傳統(tǒng)的衛(wèi)星測(cè)控需要申請(qǐng)測(cè)控頻率、建設(shè)地面測(cè)控站和維持其日常運(yùn)行，為了提高測(cè)控覆蓋率，還需要建設(shè)多個(gè)地面站。商業(yè)衛(wèi)星、特別是微小衛(wèi)星的測(cè)控需求強(qiáng)調(diào)可用、高效和低成本，繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的測(cè)控套路，從頻率申請(qǐng)、接口對(duì)接到日常運(yùn)行，過程復(fù)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(diǎn)利用手機(jī)進(jìn)行通信，如果在近地衛(wèi)星上安裝高性能的收發(fā)機(jī)，把近地衛(wèi)星當(dāng)成一個(gè)移動(dòng)終端使用，衛(wèi)星測(cè)控中心就能隨時(shí)與衛(wèi)星建立聯(lián)系，接收衛(wèi)星發(fā)送的遙測(cè)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(cè)控網(wǎng)。

1     利用地球同步衛(wèi)星測(cè)控近地衛(wèi)星

1. 1.1    中繼衛(wèi)星為近地衛(wèi)星測(cè)控服務(wù)

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(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星和地面目標(biāo)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(cè)控服務(wù)，表 1是其為典型近地衛(wèi)星提供測(cè)控服務(wù)情況統(tǒng)計(jì)，根據(jù)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(wù)。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)星等提供測(cè)控服務(wù)。

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(cè)控服務(wù)統(tǒng)計(jì)

近地衛(wèi)星要利用中繼衛(wèi)星測(cè)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(biāo)產(chǎn)生的返向數(shù)據(jù)或測(cè)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(cè)控服務(wù)

美國曾經(jīng)在上世紀(jì)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(jìn)通信技術(shù)衛(wèi)星（ACTS）對(duì)低軌衛(wèi)星低成本通信的研究，圖 2是利用DCDS對(duì)近地衛(wèi)星通信的系統(tǒng)組成，錯(cuò)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(duì)應(yīng)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(jì)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(duì)近地衛(wèi)星測(cè)控的可行性。

圖 2  利用DCDS對(duì)近地衛(wèi)星通信的系統(tǒng)組成

2015年國際移動(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)星與近地軌道小衛(wèi)星實(shí)時(shí)通信、指揮與控制的技術(shù)。初步具備了為衛(wèi)星運(yùn)營者提供國際衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼服務(wù)（IDRS）。此項(xiàng)數(shù)據(jù)中繼服務(wù)將使運(yùn)營者能掌握衛(wèi)星實(shí)時(shí)情況并基于信息交換作出快速響應(yīng)。AVI公司的研發(fā)人員在2012年提出，運(yùn)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(dòng)衛(wèi)星組織”-4和“寬帶全球區(qū)域網(wǎng)”（BGAN）進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼，進(jìn)而解決與近地軌道衛(wèi)星通信不連續(xù)的問題。工程師對(duì)BGAN的移動(dòng)衛(wèi)星終端進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，降低尺寸并延長使用壽命。首個(gè)IDRS的L波段終端包括一個(gè)主接收器和一個(gè)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(yàn)非常成功。IDRS接收器的硬件可重構(gòu)，進(jìn)而使衛(wèi)星用于不同任務(wù)。IDRS客戶購買通信服務(wù)的方式與個(gè)人購買移動(dòng)裝置數(shù)據(jù)包的方式一樣。費(fèi)用與數(shù)據(jù)運(yùn)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(cè)控

1. 2.1    銥星測(cè)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(wù)。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(yàn)證小衛(wèi)星返回技術(shù)，其任務(wù)過程如圖 3所示。由于衛(wèi)星過黑障時(shí)無法通信，因此設(shè)計(jì)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(wù)過程

放完畢。考慮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(jìn)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(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。

圖 4  Qarman使用銥星傳輸階段劃分和接收效果

1. 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825km，傾角45°，為地面提供短消息服務(wù)。OHB Technology公司利用其Rubin-1到Rubin-5小衛(wèi)星系列進(jìn)行了多次使用Orbcomm系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)的天基測(cè)控試驗(yàn)，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(cè)控系統(tǒng)組成和測(cè)控天線安裝位置

圖 6   Rubin使用Orbcomm的兩種模式

（1）    Rubin-1試驗(yàn)

2000年7月Rubin-1發(fā)射，在5天的試驗(yàn)時(shí)間里，通過互聯(lián)網(wǎng)收到了1600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。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(cè)控原理

（2）    Rubin-2試驗(yàn)

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)衛(wèi)星測(cè)控的小衛(wèi)星， 軌道高度650 km,傾角 64.56°，其Orbcomm終端性能指標(biāo)如圖，衛(wèi)星重30kg，功率20W。試驗(yàn)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(biāo)和測(cè)控系統(tǒng)組成

1. 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1400km。表 2是我們計(jì)算利用Globalstar系統(tǒng)對(duì)軌道高度500km和700km，傾角為60°和97°的近地衛(wèi)星測(cè)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(shí)間149 s，一天的總跟蹤時(shí)長29034秒，測(cè)控覆蓋率為33%。

由于Globalstar重點(diǎn)是保障低緯度地區(qū)通信，因此近地衛(wèi)星在過極區(qū)時(shí)，有較長時(shí)間無法通信，圖 9是我們對(duì)Globalstar對(duì)600km 衛(wèi)星測(cè)控的覆蓋情況分析，可以看出在兩個(gè)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(duì)600km 衛(wèi)星測(cè)控時(shí)，在兩個(gè)極區(qū)有較長時(shí)間無法通信

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

表 2   Globalstar一天內(nèi)對(duì)近地衛(wèi)星的測(cè)控可見計(jì)算結(jié)果

TSAT是一個(gè)成功使用Globalstar星座測(cè)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(cè)控費(fèi)用，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%。GEARRS2衛(wèi)星也利用Globalstar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，這一能力證明了利用Globalstar對(duì)近地衛(wèi)星測(cè)控的可靠性。TSAT衛(wèi)星在2014年試驗(yàn)時(shí)，由于功率限制，40天的任務(wù)接收1MByte數(shù)據(jù)，花費(fèi)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(cè)控費(fèi)用

3     結(jié)論

利用高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)控，在同樣的頻率條件下，路徑損耗相差30dB左右，因此對(duì)于微小衛(wèi)星測(cè)控，盡管在覆蓋面積方面無法像同步衛(wèi)星一樣實(shí)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(cè)控，而在現(xiàn)有的Iridium、Orbcomm和Globalstar三個(gè)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(cè)控的微小衛(wèi)星軌道高度太接近，導(dǎo)致覆蓋率無法滿足要求，而Globalstar的軌道高度為1400km，對(duì)一顆600km的近地衛(wèi)星測(cè)控，一圈平均能跟蹤7次、每次平均跟蹤時(shí)間300 s、一圈的測(cè)控時(shí)間30分鐘左右，傳輸速率可達(dá)9.6kbps，，完全可以滿足衛(wèi)星測(cè)控的需求，因此利用Globalstar對(duì)軌道高度800km的近地衛(wèi)星測(cè)控是實(shí)現(xiàn)可行的，而且有近年國外成功的先例。