產業觀察 | 國外小衛星測控通信網發展現狀和趨勢

新聞 03-06

原標題：產業觀察 | 國外小衛星測控通信網發展現狀和趨勢

作者 | 蔣羅婷 (中國西南電子技術研究所）

來源 | 《電訊技術》2017年11月刊

近年來，小衛星的數量正迅猛增長。面對眾多龐大的小衛星星座，小衛星系統應建立起專用的測控通信網。目前，國外的小衛星測控通信網具有自主性和簡易性的特點，發展較為成熟。本文介紹了國外小衛星使用的幾種典型測控通信網，包括美國航空航天局(NASA) 的空間通信與導航網 (SCaN) 、美國行星實驗室的「鴿子」衛星測控網以及歐空局的衛星操作全球教育網(GENSO) ，提煉了關鍵技術，總結了小衛星測控通信網的未來發展趨勢，以期為中國小衛星測控通信網的建設提供參考。

引言

目前，美國是小衛星發展最為成熟的國家，也是擁有小衛星數量最多的國家。美國航空航天局 ( National Aeronautics and Space Administration，NASA)的科學任務理事會(Science Mission Directorate，SMD)計劃利用小衛星技術進行重點科學、技術和教育的研究。與此同時，NASA 也提出了適用於小衛星的空間通信與導航(Space Communications and vigation，SCaN)網計劃。SCaN 網包括 NASA 的近地網(Near Earth Network，NEN)、天基網(Space Network，SN) 以及深空網(Deep Space Network，DSN)，是一個統一的綜合測控網。

如果該項計劃成為了現實，那麼NASA未來的小衛星任務計劃將會進一步增長。另外，美國的很多商業航天公司已經發射了自己的小衛星星座並且建立了其測控通信網，如行星實驗室(Planet Lab)、Spaceflight 公司等，其中，行星實驗室 2017 年一次性發射了 88 顆衛星入軌。那麼，其地面系統具有什麼特點、如何分布等，都是我們關心的重點。

當然，考慮到成本和周期問題，各國最好能使用已有的測控通信網設備。因此，一些商業公司會採取自建地面站和租用地面站相結合的方式實現小衛星星座運行管理。在歐洲，建立了一個院校間的小衛星地面測控通信網，即「衛星操作全球教育網」 (Global Educational Network for Satellite Operations ，GENSO)，目前使用 GENSO 的機構包括歐空局(European Space Agency，ESA)、加拿大空間局(Canadian Space Agency，CSA)、日本航空航天探索機構(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)以及美國航空航天局(NASA)，該項目由 ESA 教育計劃部門管理。GENSO 網路能容納上千個地面站，衛星操作者能在世界各地控制其衛星。

在我國，隨著小衛星的研製不斷取得進展，測控通信站的建設也在大膽尋求創新。由於小衛星數量繁多，一站一星式測控通信已經無法滿足需求，而一站多星技術又面臨技術挑戰。而與此同時，美國和歐洲在小衛星研究方面走在世界前列，在多星測控方面也採用了新的方式和技術。通過學習他國的先進方案和技術，我國的小衛星測控通信難題將逐步得到解決。本文以美國航天機構會議論文為材料，總結了國外典型的幾種小衛星測控通信網，討論了其中涉及的關鍵技術，分析了未來發展趨勢，以供同行參考。

國外典型的小衛星測控通信網

目前，隨著越來越多的小衛星進入太空，大部分小衛星呈星座分布，而地面測控通信系統是保障衛星正常運行的重要組成部分。為了對成百上千顆小衛星進行測控通信，地面測控通信系統也面臨著數量不足、設備不足的問題。因此，除了建立新站以外，必須對已有測控通信設備進行最大化利用並且探索新技術。另外，由於過境小衛星承擔不同的任務，因此同一地面站必須具有多星測控和數據採集的能力，當多星同時過境時，地面站能實現多星同時測控。

NASA 近地網和天基網

壹

作為小衛星當中最有發展前景的衛星，立方體衛星依然面臨測控通信網的限制。迄今為止， NASA SCaN 的各個測控網都無法直接支持立方體衛星任務，目前有少量立方體衛星任務計劃使用 SCaN 服務，但是它們至今數量有限。NEN 或者 SN 支持的大多數未來立方體衛星任務是位於 400 ～ 500 km、傾角53°的低軌(Low Earth Orbit，LEO)任務，立方體衛星部署的關鍵發射點是國際空間站。

NASA 近地網包括遍布世界各地的地面站，包括挪威斯瓦爾巴特(Svalbard)、阿拉斯加費爾班克斯(Fairbanks)、智利聖地亞哥(Santiago)、南極麥克默多(McMurdo)以及弗吉尼亞島的瓦勒普斯(Wallops)。NASA 跟蹤與數據中繼衛星系統(Tracking and Data Relay Satellite System， TDRSS)為 LEO 衛星提供持續的全球通信和中繼服務，當前的 TDRS 星座包括 4 顆第一代、 3 顆第二代以及 2 顆第三代衛星，由 3 個地面站支持，其中兩個位於新墨西哥的白沙(White Sands)，一個位於太平洋關島(Guam)。這 9 顆中繼衛星以及 3 個地面站組成了 NASA 的天基網。

NASA 立方體衛星任務計劃在接下來 10 年迅速增長，而更高速率的立方體衛星將在中短期從業餘無線電頻段過渡到 S 和 X 頻段，再長期過渡到 Ka 頻段。為了使立方體衛星能利用 NASA SN 和 NEN 進行通信，NASA 戈達德空間飛行中心(Goddard Space Flight Center，GSFC)提出了一個基於高水平通信架構的未來星地立方體衛星通信計劃，將使立方體衛星通信硬體實現標準化，進而滿足 GSFC 任務需要，最終使立方體衛星和 NEN 及 SN 之間實現互操作，並提高數據傳輸速率。

1、NASA 未來立方體衛星/小衛星通信架構及配置

如圖 1 所示，立方星星座通信概念包括立方星群、子星/母星星座、 NEN S 和 X 頻段直接對地鏈路、 TDRSS 多址陣列和單址模式。立方星星座將包含成百上千顆立方星，每一顆立方星都非常相似。其中，一顆立方星是母星，剩下的就是子星，而大多數立方星都有完成母星任務的能力。圖 1 描述了NASA 未來立方星/小衛星通信配置，包括立方星到 NEN 的直接對地通信，立方星到 TDRSS 多址(Multiple Access，MA) 通信，立方星星座通過母星實現 NEN 直接對地通信，以及立方星星座通過母星實現 TDRSS MA 陣列或者 K 頻段單址(Single Access) (KSA) /S 頻段單址(SSA)通信。

圖 1 SN 和 NEN 支持立方星和立方星星座

母星將是一個存儲轉發中繼星，能在子星之間進行接收和轉發，並且能通過 NEN X 頻段直接對地鏈路或者通過 TDRSS Ka 頻段單址(KaSA)服務下行向地面站傳輸科學數據。貼片天線可以用於母星與子星之間的星間通信，利用子星的精確姿態指向系統以提供其所需的全向覆蓋。母星與 NEN 地面站之間可採用具有一定增益的對地覆蓋天線進行高數據率下行鏈路通信。由於立方體衛星發射功率受限，因而立方星與 TDRS KaSA 模式通信需要母星上有一個可控天線或者可充氣/相控陣天線，進而實現高速數據下行傳輸。在特殊情況下，立方體衛星可以通過 TDRS MA 陣列模式或者 NEN 直接對地模式進行通信。

2、 NEN 和 SN 支持立方星通信實驗

NASA 已經做了很多實驗，並且還有一些實驗正在計劃中，希望能改進 NEN 和 SN 以滿足立方星的任務需求。如今，對於帶有 1 ～ 2 W 發射功率的立方體衛星來說，瓦勒普斯站18 m UHF 立方體衛星地面站已經能達到3 Mbit/s數據率，這是公開可用的飛行硬體達到的最高數據率。然而，至今仍缺少公開可用的 S 頻段(1 ～ 10 Mbit/s)和 X 頻段(數十 Mbit/s)立方體衛星無線電，其阻礙了 NEN 和 SN 的廣泛使用。一旦公用 S 頻段和 X 頻段無線電經過試驗證明可用於立方體衛星，那麼更多任務將可以使用 NEN 和 SN。立方體衛星都希望具備傳統衛星的高數據率，但是其又比傳統衛星更受星上天線功率和體積的限制。

NEN 當前在全球擁有 11 m 孔徑的天線，據立方體衛星星上天線和無線電的模擬顯示，就算是 11 m天線也無法使 LEO 軌道 X 頻段的數據速率達到最大。如果改進星上硬體以及地面系統，設備將能支持 LEO 軌道極高速率(數十 Mbit/s)立方星任務，另外，立方星星上可展開的高增益天線可以通過 NEN 和 SN 實現高數據率傳輸。實驗還顯示，對於 NEN 立方體衛星和傳統衛星任務來說，增加小孔徑地面站還有一個優勢，它們比大孔徑地面站成本更低，還能釋放大孔徑地面站去支持需要它們的任務。另外，大孔徑天線(如18 m、 21 m)可通過租用商業服務增加到 NEN 中。

NASA 深空網

貳

目前，大多數小衛星都運行在低地球軌道，通常採用經過驗證的星上無線電、天線和院校級小孔徑地面站進行測控通信。隨著越來越多雄心勃勃卻成本受限的空間任務概念的發展，立方體衛星和小衛星的應用領域從 LEO 軌道逐漸擴展到月球以遠的深空，有潛力為探索深空和完成科學研究提供更經濟的手段。阻礙行星際立方體衛星和小衛星發展壯大的瓶頸之一是深空航天器與地球距離遙遠帶來的星地通信與跟蹤問題。美國 NASA 近幾年非常重視這個問題，提出了應對這項挑戰的下一代深空網 (DSN)結構與方案。

深空網目前由設置在西班牙馬德里(Madrid)、澳大利亞堪培拉(Canberra)、美國加州戈爾德斯敦 (Goldstone) 的 3 個深空通信綜合站(Deep Space Communication Complex， DSCC)組成。每個站有各種天線，包括34 m波束波導天線、 34 m高效天線、 70 m天線。另外，深空網還擁有支持射頻兼容性測試的設施。

為了發展小衛星星上通信系統和 DSN 體系，NASA 為當前和未來的實現方案考慮了下列工作:

(1)發展和利用企業的能力提供深空立方體衛星/小衛星無線電生產線。Iris 是與 DSN 兼容的一款通信與導航應答機，可提供遙測、遙控、多普勒、測距、差分單向測距(Differential One Way Ranging， ΔDOR)業務。

(2)研發與立方體外形匹配的高增益天線，以有限的功耗實現深空通信。美國噴氣推進實驗室 (Jet Propulsion Laboratory， JPL)目前正在出資研究至少 3 種不同種類的天線，包括可展開反射面天線、可展開反射陣列天線、充氣天線，目標是提升深空立方體衛星的等效全向輻射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power， EIRP)。

(3)簡化過程，升級 DSN 的現有能力。這項工作包括改變 DSN 的資源分析過程，提高天線使用效率，以更好地適應小衛星任務，利用 DSN 服務和「先進多任務操作系統」 (Advanced Multi-Mission Operations System， AMMOS)降低測試與裝配成本。

(4)增強在一個天線波束內同時跟蹤多顆衛星的能力。10 年來採用的一項技術稱為「一站多星」 (Multiple Spacecraft per Antenna， MSPA)。這項技術可以使同一個天線波束內同時出現的衛星共享下行鏈路。

(5)與 DSN 以外的天線設施合作，支持行星際小衛星。未來行星際小衛星數量的增加可能會在某些情況下調用超出 DSN 提供能力的天線資源。DSN 計劃與院校和企業的地面天線設施運營商以及其他國家和國際機構合作，實現信號格式和數據交換介面的標準化，建立互支持協議，如此才能及時申請使用這些天線。航天器運營商也可以利用 DSN 的地面天線資源以及與 DSN 有合作關係的地面天線設施運營商的資源，在控制中心/科學中心與其行星際衛星之間任意及時傳輸數據和指令。

(6)新的網路運行概念將更好地利用行星際小衛星的過頂機會。由鏈路容量決定的網路規劃與調度有助於在測控網的天線跟蹤時間表中生成時間長度合理的未使用時間空隙。這些空隙對於提供按需訪問機會是很理想的，這樣一來，小衛星/立方體衛星任務就能利用傳統深空任務(過頂時間較長)之間短暫的過頂時間。

美國「鴿子」衛星地面站網路

叄

截至 2017 年 2 月，美國行星實驗室已成功通過 12 次火箭發射部署了221 顆「鴿子」衛星入軌，建造了世界上最大的商業對地成像衛星星座，其「鴿子」衛星隨時都在地球上方進行「行掃描」拍攝。該星座生成了大量圖像數據，且能將其快速方便地傳送到地球。另外，行星實驗室還會搜集常規管理遙測數據、更新軟體以及重置星上的調度安排。

1、地面站網路簡介

行星實驗室地面站網路包括 11 個活動的全球地面站，圖 2 顯示其大多數地面站分布在美國，但是行星實驗室在別國也有站點。目前，大多數立方體衛星使用業餘無線電頻率。

圖 2 行星實驗室的地面站網路

該網路中每個站都安裝多副天線系統。為簡化界面和方便操作，天線系統使用統一的設備。行星實驗室發展了用於自動化監視和 RF 鏈路遠程排故的相關工具以及預測模式工具，在衛星不斷增加的情況下，該工具能輔助進行未來規劃。

「鴿子」衛星每天過頂大約 650 次，經過全球 11 個地面站部署的 33 個天線系統。每天下行傳輸的圖像數據大約為 550 GB，最大為777 GB。一旦這些衛星結束試運行開始正式工作，下傳數據將會進一步增加。

「鴿子」衛星全球地面站網路有很多優點：首先，其降低了一次性故障的影響；其次，可以為多軌道平面服務；再次，減少了圖像獲取和下行傳輸的時間差；最後，它能更均勻地將衛星下行傳輸負荷分攤到全球地面站。

同時，多站點增加了網路的複雜性，最終產生了一個全球聯網的地面站網路。地面站需要具有自主性和可靠性。計算機模型對過頂和任務都會進行調度安排，獨立站點儘可能多地探測故障並且進行修正，不能自動解決的問題將被送到工程師那裡進行處理。行星實驗室依靠軟體工具協助管理衛星網路。

2、測控和高速下行傳輸

「鴿子」衛星的測控(Tracking Telemetry ＆ Command， TT＆C)和定軌使用 UHF 頻率。行星實驗室 UHF 地面站使用簡單、廉價的商業現貨(Commercial Off-the-shelf，COTS)零件支持多覆蓋需求，該地面站價格合理、維護簡便。行星實驗室使用標準的八木天線用於上行和下行鏈路，並使用日本八重洲 (Yaesu)的電機進行定位。

地面站上唯一的非 COTS 產品是自定義的 SpaceTalker 收發器。該收發器基於德州儀器公司 CC1110 的無線 MCU。MCU 在一個晶片上既有一個 UHF 收發器還有一個微處理器單元。伺服器與收發器通過 USB 通信，地面 SpaceTalker 無線電和空間硬體使用非常相似的結構和介面，這樣能增加系統的可預測性和可靠性。

除此之外，還有另外一個升頻到 S 頻段的 CC1110 晶元，就是行星實驗室為星座下載指令和新軟體的高速上行鏈路無線電。行星實驗室的高速數據下行鏈路工作在8.2 GHz頻段，編碼方案是 DVB-S2，其考慮了不同調製和前向糾錯設置。DVB-S2 標準包括一個 GSE 協議，該協議允許任何數字資料在 DVB-S2 框架下進行傳輸。在地面站這端，行星實驗室有 3 種類型的天線分布在全球 S/X 頻段站點，其所有的天線都設計成 29 dB/K，或者更優。圖 3 顯示了 UHF 系統和高速下行鏈路的流程圖，請注意它們的相似性。

圖 3 UHF TT＆C 流程表和高速下行鏈路流程圖

3、下行鏈路自動化

基本來說，行星實驗室的衛星操作概念都很簡單：當衛星處於地球上方，指向地面開始照相。當下行傳輸任務調度好，「鴿子」衛星開啟 X 頻段發射機並且在地面站位於衛星下方時跟蹤地面站。如果衛星不需要進行以上任務，它們會自動進行電池充電。

因為「鴿子」衛星數量眾多，因而行星實驗室一開始就計劃為衛星和地面站建立自動化系統。行星實驗室操作團隊包括 5 名「太空飛船船長」，負責給這些衛星安排任務、對異常情況進行處理並且為改進在軌操作而建立工具。該團隊需要高度自動化系統來支持在軌星座。

該自動化概念也適用於地面站網路。地面站團隊也包含 5 人，他們並沒有足夠的時間和能力在下行傳輸任務中手動控制每一個地面站。在每一次下行傳輸之前，地面站下載過頂安排、期間的衛星指令，並從任務控制下載軌道要素用於天線指向。過頂之後，圖片將會上傳到亞馬遜網路服務 (Amazon Website Service， AWS)——一個雲計算平台，衛星和地面站的遙測和過頂記錄將發送到任務控制。任務控制網站也寄主在 AWS 上，提供衛星和地面站的最新信息。

衛星操作全球教育網路(GENSO)

肆

GENSO 是一個始於 2006 年 10 月的國際項目，主要目的是通過建立一個院校和業餘地面站網路改進教育類衛星通信。

目前，立方體衛星發展迅猛，許多國外院校都發射了立方體衛星並且建立了地面站。但是，衛星只有在可視範圍內才能進行通信，因此大多數院校的通信窗口每天只有 30 ～ 45 min，結果就導致立方體衛星任務下載的數據量受限。但是，如果全球的院校都共享自己的衛星地面站，那麼就能增加數據下載量。GENSO 項目致力於發展這樣一個系統，將全球的院校地面站通過現役網路基礎設施進行組網，最終形成一個全球地面站網路。

GENSO 項目由國際空間教育委員會(International Space Education Board，ISEB)發起，由 ESA 教育計劃部門管理，其來源於兩個早前的項目：斯坦福大學的「水星地面站」項目和東京大學的地面站網路計劃。GENSO 系統架構包括 3 個主要部分：任務控制客戶機(Mission Control Client，MCC)、地面站伺服器(Ground Station Server，GSS)以及認證伺服器(Authentication Server，AS)。

AS 在網路中對節點進行授權並且分發衛星和地面站目錄；GSS 位於地面站，用於控制連接的天線和無線電；MCC 由衛星操作者使用，能安排過頂時間並且從地面站伺服器搜集數據。 MCC 是一個應用程序，衛星操作者能利用 MCC 控制網路對衛星的處理， MCC 能將衛星的模式和頻率等告知 GSS，每一顆衛星都有一個 MCC。

MCC 有一個虛擬 RS-232 界面和一個套接字介面，項目中的衛星能直接接入硬體「終端節點控制器」 (Terminal Node Controller，TNC)使用 GENSO 網路，不需要進行軟體改動。當 MCC 經過授權註冊到了網路後，它會得到一個地面站伺服器目錄(Ground Station Server List，GSSL)，包括網路中的所有地面站的地點、頻率、參數。同時，MCC 還能將衛星的模式等數據輸入 AS，保持開普勒根數一直處於更新狀態。

GSS 安裝在網路中的每一個地面站節點，首先，它是用於控制地面站硬體的一種方式，例如無線電和天線；其次，它可通過網路使用硬體功能，並且將衛星數據包壓縮成 XML 消息格式。GSS 在 AS 授權通過後，能讓參與的 GENSO 地面站自動跟蹤衛星並且與可兼容衛星建立下行鏈路。GSS 還能用於為可兼容衛星載入遙控指令(得到允許後)。AS 用於跟蹤網路中 GSS 和 MCC 節點的當前狀態，是網路的中心角色，能進行網路授權、加密、分發衛星目錄、監控地面站和衛星操作者狀態及「質量」並且彙編網路數據。

最初的計劃是為 GENSO 建立 3 個認證伺服器(AS)，分別位於歐洲、美國和日本。這就能提供冗餘並且讓 GSS 和 MCC 節點與 AS 進行通信，且達到網路延遲最小化。在對 AS 和授權進行了初始詢問之後， GSS 和 MCC 將通過對等網路方式(Peer-to-Peer，P2P)進行相互通信。因此，GENSO 系統架構是屬於 P2P 網路和中心網路的合成型架構，可量測並且安全。

如圖 4 所示，GENSO 系統可以被看作網路層和應用層之間的附加層。紅色實線顯示數據的線路，即數據下載和上載到衛星的線路；藍色實線顯示了 GENSO 控制數據路線。紅色虛線則是一條虛擬鏈路，解釋了衛星應用如同直接連接到遠程地面站。

圖 4 GENSO 系統分層模型

GENSO 架構大多使用商業現貨產品、開源軟體以及廣泛使用的網路技術。GENSO 軟體用 JAVA 語言寫成，有些用 C#和 C 語言寫成。

關鍵技術

因為小衛星星座數量龐大，因此其星座測控的特點是測量目標多、地面站數量多(或通過中繼衛星)、分布廣泛、測量弧段長(確保測軌精度)、測控頻繁(數據需及時處理)、信息量大、數傳率高。為了實現高效可靠的測控管理，並有效地利用已有的地面站，小衛星測控通信網必須滿足一系列的技術要求。

小衛星的測控體制

壹

小衛星星座地面測控管理具有特殊性，每個測控站要同時管理多個不同的小衛星，所以小衛星星座要求測控站與應用站設備綜合、功能合一。地面站可採取有人值守、無人操作模式。為適應不同的無線電體制衛星，地面站的設備應具有多種不同的調製體制，且可以切換適應；為適應不同軌道高度的衛星，其發射功率和接收靈敏度要能自動調節。

為了在衛星以不同時間、不同地方進入測控區時，地面站都能自動計算衛星軌道，那麼天線得預先對準衛星進入的方向、仰角，處於待命的工作狀態，並有自動跟蹤能力。新的測控體制的特點是多星同時測控、衛星長期管理、覆蓋率高、測控費用低廉。目前，國內外對小衛星進行測控的基本體制有地基測控、天基測控、自主測控，還有基本測控體制之間結合的組合測控體制。

碼分多址技術

貳

目前，國際上的星座測控應用了擴頻技術和碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)技術。現在隸屬美國軍方的「銥系統」 (Iridium，66 顆星)、 Globalstar(52 顆星)、 Aries 等系統都屬於小衛星星座系統的典範，其中 Globalstar、 Aries 採用了 CDMA 技術。另外，美國的 TDRSS 中也應用了 CDMA 技術。採用這種機制，還可以將擴頻技術和加密技術結合，實現衛星通信和遙測信息的加密，提高了衛星的安全性和抗干擾能力。採用 CDMA 機制還具有組網簡單靈活、系統容量大、成本低等一系列優點。

增強「一站多星」(MSPA) 技術

叄

在 NASA 深空網(DSN)中，目前只有 13 副天線可用於支持 35 顆衛星。但是只用太空發射系統 (Space Launch System， SLS)發射 3 次，需要支持的衛星數就會超過 1 倍。由於它們是作為搭載載荷部署的，多顆小衛星幾乎在相同時間相同的空間區域需要初步支持。因此，DSN 正在研究低成本技術使天線能同時支持多顆衛星。目前，「一站多星」(MSPA)方法可在一個天線波束內支持 2 顆衛星的下行鏈路。NASA 計劃升級到支持 4 顆衛星的下行鏈路(4-MSPA)，以滿足近期的需求。另外，還考慮了跟蹤多顆衛星下行鏈路的低成本機會式 MSPA(OMSPA) 法，並研究了一種增強版 MSPA，同時為多顆衛星提供上行鏈路、下行鏈路和雙向跟蹤服務。

用帶寬高效信號技術實現立方體衛星高數據率

肆

由於立方體衛星的功能和質量都受限，因此推薦使用強大且帶寬高效的信號技術，以滿足立方體衛星高速數傳的需要，如低密度奇偶校驗碼(Low Density Parity Check， LDPC)。由於 NASA 為地球科學立方體衛星任務分配的信道帶寬為 375 MHz(X 頻段)，因此對不超過 100 ～ 200 Mbit/s 的立方體高速率傳輸任務，最好使用高編碼增益速率 1/2LDPC 編碼，而非低開銷 7/8 速率 LDPC 編碼。

帶寬是由干擾引起的問題，高階調製(至少 8 和 16)能使更多任務無需重疊就能共存，提高了極地區域的利用。為了獲得更高的數據速率和頻譜效率，NASA 目前正在研究在 S 和 X 頻段的 NEN 立方體衛星通信鏈路中使用功能更強、帶寬效率更高的調製和編碼方式。研究考慮了空間數據系統諮詢委員會 (Consultative Committee for Space Data System，CCSDS)和數字電視廣播-衛星-第二代(DVB-S2)的信號方案，包括 LDPC 系列。研究建議，對 NEN 站的 Cortex 接收機進行升級以支持未來立方體衛星的高數據速率任務。

軟體定義無線電技術

伍

GENSO 使用的是標準的業餘無線電接收機，這類接收機在定軌方面的局限是不能進行直接頻率測量。而新一代接收機——軟體定義無線電(Software Defined Radio，SDR)能部分解決這個問題。SDR 和標準接收機的主要區別就是 SDR 能一次性分析一個很大的接收段，並且能確定衛星無線電信號的準確接收頻率。

SDR 具有以下兩個特點：首先，使用 SDR 可以在地面站記錄衛星的多普勒曲線，能減少軌道確定時間和所需的地面站數量；第二個特點是靜態模式定軌，一個 SDR 能同時接收多顆衛星的數據，只要這些衛星都在同一頻段，一個地面站就能對相同頻率衛星進行同時測控。對於非持續性衛星傳輸，衛星信號多普勒曲線必須在衛星整個無線電頻譜外進行重建。

未來發展趨勢

測控頻率越來越高

壹

小衛星目前廣泛採用業餘無線電頻率，而 X 頻段和 S 頻段也有使用，未來，Ka 等高頻段也將加入測控的行列，這主要是為了更好地滿足對高速率數據傳輸系統的測控，同時可以提高天線的增益，減小天線的尺寸，降低測控受干擾的程度，更好地保證測控的可靠性。目前國際上各大機構都在研究小衛星 Ka 頻段的通信，其實際使用指日可待。

國內、國際測控網路的互連

貳

合理布站和實現國際聯網，可以進一步提高地面站的使用率，從另一方面提高測控質量和降低測控費用。國外已建立了許多專用系統的測控網，如美國 NASA 的天基網(SN)、近地網(NEN)和深空網(DSN) 以及歐洲的 GENSO 網路，如果將這些地面測控網稍加改造，然後利用開放式互連結構將之組成一個大的測控網路，就可以有效地利用測控資源，實現多種測控任務。雖然目前國外已有一些地面站組網的實例，但是其範圍仍然有限，未來將有可能採取公私合營或者國際合作等方式進一步擴大地面站組網。

衛星的自主能力越來越強

叄

由於地面站需要同時對多目標進行測控管理，並且一次可測時間只有幾分鐘到十幾分鐘，因此，衛星應能自主運行並自動應對突發事件。首先，目前發展最快的是利用高動態的衛星導航定位接收機實時接收多顆 GPS 衛星的導航信號，實現半自主導航；其次，可以利用軟體無線電技術根據信號的特徵進行自動識別和處理接收信息，以及載入不同的功能軟體與不同體制的特定系統交互信息；最後，還可以利用光電儀器實現全自主導航。衛星自主能力的提高可以簡化地面測控網的設計、節約成本，同時提高測控精度。

相控陣天線不斷發展

肆

為了實現對小衛星進行多星跟蹤和在軌運行管理，地面測控通信站可以採用寬波束天線或者採用多天線，這也是目前小衛星測控通信網採用的方法。但是更有前景的方法是採用連續波多波束相控陣天線，其具有多波束、實時切換、無慣性跟蹤等功能及特點，因此廣泛應用於雷達、通信等領域。在測控通信領域最早應用相控陣天線的是 TDRSS，其星上就裝有由 30 個螺旋天線元及波束形成網路組成的相控陣天線。目前，相控陣天線的發展和改進也是國外的研究重點。

結束語

小衛星作為目前航天領域研究的熱點，正以一箭多星的方式不斷被發射升空。因為其成本低廉，所以不論是國際還是國內都在進行各項研究。值得注意的是，國際上的小衛星測控通信網已經遍布全球，因此其小衛星發揮的價值也超乎想像，單是「鴿子」對地成像衛星已經能實現每天對全球進行拍攝。

在我國，小衛星的研製和發展相對較為緩慢，地面測控網也處於發展中。因此，可以借鑒國外的先進經驗，創新開發小衛星的民用、商用和軍用價值，最重要的就是加速部署可靠和自主的小衛星地面測控通信網，使中國和國際接軌的同時向航天強國逐步邁進。

參考文獻：略

本文轉載自「《電訊技術》2017年11月刊」，原標題《國外小衛星測控通信網發展現狀和趨勢》，作者 | 蔣羅婷 (中國西南電子技術研究所）

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編輯：楊艷、朝暉、林紫、娜娜

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