航天器天基测控中心关键技术分析

第２５卷第５期　２００６年１０月　飞行器测控学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ　ＴＴ＆Ｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏｌ＿２５　Ｎｏ．５　０ｃｔ．２００６　航天器天基测控中心关键技术分析　杨天社　席政　李济生　黄永宣　（１．西安交通大学・陕西西安・７１００４９；２．北京航空航天大学・北京・１０００８３；３．西安卫星测控中心・陕西西安・７１００４３）　摘要　天基测控模式是航天器测控发展的必然趋势。天基测控模式与地基测控模式有着本质的区别，如何实　现天基测控是我国航天领域目前研究的重点课题之一。本文在分析天基测控技术和我国现有条件的基础上，提　出了实现航天器天基测控的方法，分析研究了与航天器天基测控中心相关的关键技术。　关键词航天器；天基测控；天基测控中心；关键技术　文献标识码：Ａ　中图分类号：Ｖ５５８　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｉｎ　Ｓｐａｃｅ－ｂａｓｅｄ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ＴＴ＆Ｃ　Ｃｅｎｔｅｒ　ＹＡＮＧ　Ｔｉａｎ—ｓｈｅ　・　ＸＩ　Ｚｈｅｎｇ　ＬＩ　Ｊｉ．ｓｈｅｎｇ　ＨＵＡＮＧ　Ｙｏｎｇ—Ｘｕａｎ　（１．Ｘｉ’ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　７１００４９；２．Ｂｅｉｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３；　３．Ｘｉ’ａｎ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　７１００４３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｓｐａｃｅ—ｂａｓｅｄ　Ｔｒ＆ｃ　Ｍｏｄｅ（ＳＢＴＭ）ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｆｏｒ　Ｔｒ＆ｃ　ｏｆ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ，ＳＢＴＭ　ｉｓ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｒｏｍ　Ｇｒｏｕｎｄ—ｂａｓｅｄ　Ｔｒ＆ｃ　Ｍｏｄｅ（ＧＢＴＭ）．Ｈｏｗ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ＳＢＴＭ　ｉｓ　ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ａｒｅａｓ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＳＢＴＭ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｔｒ＆ｃ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ，ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ＳＢＴＭ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｎｄ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｒｅｌａｔｉｎｇ　ｔｏ　Ｓｐａｃｅ—Ｂａｓｅｄ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｔｒ＆ｃ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄ　Ｔｒ＆ｃ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓａｔｅｌ—　ｌｉｔｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍｅｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ；Ｓｐａｃｅ—ｂａｓｅｄ　Ｔｒ＆ｃ；Ｓｐａｃｅ—ｂａｓｅｄ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ＴＴ＆Ｃ　Ｃｅｎｔｅｒ；Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　０　引　言　随着航天事业的快速发展，在轨运行卫星的数量和种类迅速增加，地基测控网（陆基＋海基）承担的　任务日益繁重。由于国土面积的和造价昂贵等因素的影响，地基测控网存在着轨道覆盖率低、维持费　用高、多星测控能力弱等缺陷。天基测控是满足未来航天器测控需求，解决地基测控网缺陷的有效途　径　Ｊ。世界各主要航天大国和组织都十分重视天基测控技术的发展，美国率先建成了世界上第一个跟踪　与数据中继卫星系统，欧空局也早已开始中继卫星系统的预研和试验，美国和欧空局正在研制第二代中继　卫星系统　引。　中继卫星系统可以实现航天器的天基测控功能，但是，随着ＧＰＳ等全球导航定位系统在航天测控领　域的广泛应用，极大地提高了中低轨道航天器的高精度自主测定轨能力，使得中继卫星系统的测定轨功能　大大弱化，中继卫星系统的作用主要体现在为航天器天基测控提供遥测遥控等信息的传输通道。　我国目前尚未建立自己的中继卫星系统，在中继卫星系统建立之前，若能实现对航天器的天基测控，　不仅可以大大缓解地基航天测控系统测控资源紧张的压力，而且可以率先实现航天器天基测控技术，为将　来中继卫星系统在航天器测控中的应用积累经验。我国已建立的“北斗一号”系统具有短信息传输功能，　可以利用此功能实现对航天器的天基测控。本文研究基于“北斗一号”系统的天基测控模式，主要分析实　现天基测控模式时航天器天基测控中心需要解决的关键技术。　｝收稿日期：２００６—０６—１５　第一作者简介：杨天社（１９６４一），男，博士，高级工程师，主要从事航天器系统工程研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com

１Ｏ　飞行器测控学报　第２５卷　１天基测控原理　航天器地基测控模式（ＧＢＴＭ）中地面测控系统包括航天器测控中心和分布在不同地理位置的若干测　控站，天基测控模式（ＳＢＴＭ）中地面测控系统只包括航天器天基测控中心，没有测控站。ＳＢＴＭ模式中，航　天器天基测控中心通过嵌入中心系统的“北斗”用户机与“北斗一号”系统联为一体，在轨航天器通过装配　的“北斗”用户机与“北斗”卫星之间建立星间链路。这样，位于地面的航天器天基测控中心、“北斗一号”　系统和在轨运行的航天器构成了天基测控回路，据此可以实现对航天器的天基测控。基于“北斗一号”系　统的ＳＢＴＭ模式原理如图１所示。　图１　基于“北斗一号”系统的天基测控模式原理　航天器天基测控中心从“北斗”地面应用系统获取在轨航天器轨道的天基测量数据，进行轨道确定，　对在轨航天器的遥测遥控功能由航天器天基测控中心通过“北斗”卫星与航天器之间的星间链路实现。　２　ＳＢＴＭ模式关键技术分析　天基测控与地基测控有着本质的区别，应用ＳＢＴＭ模式对航天器进行测控涉及若干系统和环节，每个　系统和环节都有需要解决的关键技术，这里主要分析与航天器天基测控中心相关的关键技术。　２．１运行模式　ＧＢＴＭ模式中航天器测控中心通过测控设备（测控站）测量航天器轨道，接收航天器遥测数据，发送上　行控制指令（数据），实现对航天器的测控；ＳＢＴＭ模式中，航天器天基测控中心通过嵌入测控中心系统的　“北斗”用户机与“北斗”卫星联结，实现对航天器的天基测控（见图１）。所以，航天器天基测控中心运行　模式与目前的航天器测控中心运行模式区别很大。航天器天基测控中心运行模式研究内容主要包括：　①与“北斗”地面应用系统协调工作模式；②ＳＢＴＭ工作模式；③ＳＢＴＭ和ＧＢＴＭ集成混合工作模式；　④集成混合工作模式下的多星运行管理模式。　２．２测定轨方法　ＳＢＴＭ模式中，航天器轨道测量数据为“北斗”卫星测量的在轨航天器相对于“北斗”卫星的相对距　离。这种测量数据不同于ＧＢＴＭ模式中地面测控设备测量的轨道数据。航天器天基测控中心需要研究　的测定轨技术主要包括：①天基测量数据处理方法；②天基测量数据误差修正方法；③利用天基测量数据　定轨方法；④天基定轨精度分析方法。　２．３测控资源分配　ＧＢＴＭ模式中的测控资源仅包括地面测控设备，设备同质性好，比较容易根据在轨航天器测控需求进　行分配。ＧＢＴＭ测控模式中地面测控资源优化分配方法已有一定的研究基础和初步应用经验。使用　ＳＢＴＭ模式后，多星测控需要采用ＳＢＴＭ＋ＧＢＴＭ集成混合模式，如何合理、优化分配天地基测控资源，为　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　杨天社，等：航天器天基测控中心关键技术分析　更多的航天器提供最大的测控支持，是航天器天基测控中心需要研究解决的问题，研究内容主要包括：　①天地基测控资源同质归类方法；②天地基测控资源服务等级划分方法；③在轨航天器测控需求等级划分　方法；④天地基测控资源优化分配策略。　２．４遥测遥控功能实现　ＳＢＴＭ模式中，遥测遥控信息通过“北斗一号”系统的短信息功能发送和接收。短信息功能提供的数　据传输量有限，并且数据传输所需时问在不同状态下可能不同，信息传输顺序还可能会改变，所以航天器　天基测控中心需要研究天基遥测遥控功能的实现技术，研究内容主要包括：①天基遥测数据接收和处理方　法；②天基遥控数据发送和判别方法；③数据传输顺序保持方法；④上行数据时问统计（分布、稳定性等）　方法。　２．５高保真仿真系统研究　ＳＢＴＭ模式在我国航天测控系统中从未使用过，并且该模式与目前使用的ＧＢＴＭ模式差别很大，所以　需要研制相应的高保真仿真系统对ＳＢＴＭ模式各种情况进行模拟仿真，以验证天基测控技术相关方法的　正确性。高保真仿真系统研制内容主要包括：①航天器天基遥测遥控仿真需求研究；②天基测量数据高保　真模拟方法研究。　３地面验证结果及分析　本文提出的ＳＢＴＭ模式已经在地面进行了单独验证。这里给出部分验证结果，并对其进行分析。　３．１验证结果　短指令通过ＳＢＴＭ模式进行短指令（Ｃｏｍｍａｎｄ）发送，　（　为大回路执行时间）试验结果见图２。　长指令数据块使用ＳＢＴＭ模式进行长指令数据块（Ｄａｔａ　Ｂｌｏｃｋ）发送，　试验结果如图３所示。　信道满容量测试ＳＢＴＭ测控模式下，发送１组上行数据块，其长度等于或接近于短信息信道传输容　量，测试短信息传输信道处于满容量状态下的信息传输能力和可靠性，　测试结果如图４所示。　１２　ｌ２　８　８　∞　４　４　０　０　１　３　５　７　９　Ｉ】ｌ３　ｌ５　ｌ　７　ｌ９　１　３　５　７　９　１１　Ｉ　３　ｌ　５　ｌ　７　ｌ９　数据块　数据块　图２　短指令执行时间统计　图３　长指令数据块执行时间统计　图４信道满容量传输试验统计　遥测误码率进行了数百次天基遥测数据误码率（ＥＢＲ）测试，测试结果为误码率小于１０～。　误指令率进行了数十次误指令率（ＥＣＲ）测试（发送指令３０００多条），ＥＣＲ为０。　３．２结果分析　根据３．１节验证结果，分析得到如表１所示的ＳＢＴＭ测控模式性能。　表１　ＳＢＴＭ模式性能　参数　短指令　长上行数据块　信道满容量测试　～／ｓ　９．８　１１．２　１２．３　…　／ｓ　５．６　７．８　８．６　Ａ　／ｓ　４．２　３．４　３．７　／ｓ　８．１　９．４　１０．２　ＥＢＲ　ｌ０一　１０一　１０一　ＥＣＲ　０　０　０　其中△　＝Ｔｃ…一７　…　表１表明，ＳＢＴＭ测控模式可以满足中低轨道航天器的测控需求。　维普资讯 http://www.cqvip.com

１２　飞行器测控学报　第２５卷　４　结　论　ＳＢＴＭ模式可以大大提高地面测控系统的能力，更好地满足星群测控的需要，在国外已成功应用于航　天器实际测控中。　本文研究了我国ＳＢＴＭ模式的实现方法，重点分析了基于“北斗一号”系统的ＳＢＴＭ模式中航天器天　基测控中心需要研究的关键技术项目。地面仿真结果表明，提出的ＳＢＴＭ模式可应用于我国航天器在轨　测控，达到这一目标，不仅需要对本文提出的航天器天基测控中心相关关键技术进行进一步研究，而且需　要对ＳＢＴＭ模式其他相关系统关键技术进行研究，如星载用户机高动态捕获技术等。　参考文献　［１］Ｒｏｂｅｒｔ　Ｓｈｉｓｈｋｏ．ＮＡＳＡ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｒ］．ＮＡＳＡ　２００４，９８—１　１２．　［２］ＮＡＳＡ．Ｔｒａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄａｔａ　Ｒｅｌａｙ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｓｙｓｔｅｍ（ＴＤＲＳＳ）［Ｒ］．（２００４—１２—０６）［２００５—１０—１２］．ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｐａｃｅｃｏｍｍ．ｎａｓａ．ｇｏｖ，　２ｏｏ５．　［３］Ｇｌｅｎｎ　Ｅ．Ｐｒｅｓｃｏｔｔ，Ｓｔｅｖｅｎ　Ａ．Ｓｍｉｔｈ．Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ　ｆｏｒ　ＮＡＳＡ’ｓ　Ｅａｒｔｈ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｎｔｅｒｐｉｒｓｅ［Ｒ］．（２００５—　０２—１１）［２００５—１Ｏ一１２］．ｈｔｔｐ：／／ｉｓｄ．ｇｓｆｃ．ｎａｓａ．ｇｏｖ，２００５．　［４］Ｂａｄｉｆ　Ｙｏｕｎｅｓ．ＮＡＳＡ　ＦＵＴＵＲＥ　ＯＰＥＲＡＴＩＯＮＳ　ＡＴ　ＫＡ—ＢＡＮＤ　ＦＯＲ　ＬＥＯ　ＳＰＡＣＥＣＲＡｂ３＂ＳＵＰＰＯＲＴ［Ｒ］．（２００５一Ｏ８—１５）［２００５—１Ｏ一１２］．　ｈｔｔｐ：／／ｔｒａｃｋ．ｓｆｏ．ｊａｘａ．ｊｐ／ｓｐａｃｅｏｐｓ，２００５．　［５］ＮＡＳＡ．ＴＤＲＳＳ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ［Ｒ］．（２００５—０８—１５）［２００５—１０—１２］．ｈｔｔｐ：／／ｍｓｐ．ｇｓｆｃ．ｎａｓａ．ｇｏｖ／ｔｄｒｓｓ／ｏｖｉｅｗ．ｈｔｍｌ，２００５．　［６］Ｚｉｌｌｉｇ　Ｄ　Ｊ，ＭｃＯｍｂｅｒ　Ｒ．ＴＤＲＳＳ　ＤＥＭＡＮＤ　ＡＣＣＥＳＳ　ＳＥＲＶＩＣＥ：ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＡＤＶＡＮＣＥＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ　ＴＯ　ＥＮＨＡＮＣＥ　ＵＳＥＲ　ＯＰ—　ＥＲＡＴＩＯＮＳ［Ｒ］．（２００５—０２—１１）［２００５—１０—１２］．ｈｔｔｐ：／／ｔｒａｃｋ．ｓｆｏ．ｊｌｔｘａ．ｊｐ／ｓｐａｃｅｏｐｓ，２００５．　；简　讯《　恭恭恭恭　洛克希德在ＮＡＳＡ载人航天飞行计划中取得核心地位　洛克希德・马丁公司令人吃惊地击败了诺斯鲁普・格鲁曼公司与波音公司组成的联盟，赢得了价值　３９亿美元的合同，为ＮＡＳＡ设计建造“猎户座”——一种将取代航天飞机作为ＮＡＳＡ主要载人飞船的航天　器。到２０１９年，该合同的金额将高达８１．５亿美元，最终合同额将取决于ＮＡＳＡ定购多少艘这种可重用的　“猎户座”飞船。　就该合同展开的激烈竞争是从布什总统２００４年呼吁研制一种新的乘员探索飞行器（ＣＥＶ）后不久开　始的。ＮＡＳＡ的称，这种将替代航天飞机并能够将航天员送往月球的乘员探索飞行器可供６人乘坐，　采用弹道式再人方式，明确地排除了采用空气动力学空天两用飞行器的设计方案。　到２０１３年９月７日截止的合同包括头２艘“猎户座”飞船的设计、开发、建造、测试及评估。其他飞船　的建造将由另一项仍在洽谈的高达３５亿美元的合同来确定。　洛克希德・马丁公司计划在休斯敦（在ＮＡＳＡ约翰逊航天中心的附近）完成“猎户座”飞船的大部分　工程建造工作，并在位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心进行最后的组装。ＮＡＳＡ所有的１Ｏ个中心都将为　此项目提供技术和工程支持。　洛克希德・马丁公司的“猎户座”飞船合作团队包括：休斯敦联合航天联盟（Ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｐａｃｅ　Ａｌｌｉａｎｃｅ　ｏｆ　Ｈｏｕｓｔｏｎ），一个由波音和洛克希德・马丁联合组成的操作航天飞机的团队；轨道科学公司（Ｏｒｂｉｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｃｏｒｐ．）；亨尼维尔防务与航天电子系统公司（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ　Ｄｅｆｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｓｐａｃｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｙｓｔｅｍ）；汉密尔顿桑　德斯特兰公司（Ｈａｍｉｌｔｏｎ　Ｓｕｎｄｓ￣ａｎｄ）。　（下转第５Ｏ页）