对低轨卫星星座天基测控服务模式的设计与应用

ｄｏｉ：
１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３１０６．２０２３．０９．０２５
引用格式：姬涛，俞道滨，郭瑶，等．对低轨卫星星座天基测控服务模式的设计与应用［Ｊ］．无线电工程，２０２３，５３（９）：２１８２－
２１８６．［ＪＩＴａｏ，ＹＵＤａｏｂｉｎ，ＧＵＯＹａｏ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｐａｃｅ ｂａｓｅｄＴＴ＆ＣＳｅｒｖｉｃｅＭｏｄｅｏｆＬｏｗ ｏｒｂｉｔＳａｔｅｌｌｉｔｅ
Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＲａｄｉｏＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２３，５３（９）：２１８２－２１８６．］
对低轨卫星星座天基测控服务模式的设计与应用
姬　涛，俞道滨，郭　瑶，羌胜莉
（北京空间信息传输中心，北京１０２３００）
摘　要：随着大规模低轨卫星星座的全面部署，对天基测控服务模式提出了新的挑战。

分析了低轨卫星星座在常态运
行、应急使用以及智能化应用中的测控需求；构建了新型天基测控服务系统，设计了前返向实时跟踪波束和全域静态波束组合应用的天基测控资源保障模式。

提出了基于地面运管中心统一调度的天基测控服务模式，给出了即时计划驱动和“返向全时分发＋前向业务驱动”两种典型模式下的系统工作流程，归纳总结了所述服务模式产生的效益。

详细梳理了与所述服务模式相适配的卫星终端设计要求，明确了不同模式下的卫星终端工作状态。

可用于指导后续对低轨卫星星座天基测控服务的工程化应用。

关键词：
低轨卫星星座；天基测控；应用模式；全时服务；卫星测控终端中图分类号：Ｖ１１文献标志码：Ａ开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：文章编号：１００３－３１０６（２０２３）０９－２１８２－０５
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｐａｃｅ ｂａｓｅｄＴＴ＆ＣＳｅｒｖｉｃｅＭｏｄｅｏｆ
Ｌｏｗ ｏｒｂｉｔＳａｔｅｌｌｉｔｅＣｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ
ＪＩＴａｏ，ＹＵＤａｏｂｉｎ，ＧＵＯＹａｏ，
ＱＩＡＮＧＳｈｅｎｇｌｉ
（ＳｐａｃｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２３００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｆｕｌｌｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｏｆｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅｌｏｗ ｏｒｂｉｔｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｎｅｗｃｈａｌｌｅｎｇｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｔｈｅｓｐａｃｅ ｂａｓｅｄＴＴ＆Ｃｓｅｒｖｉｃｅｍｏｄｅ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆＴＴ＆Ｃｏｎｌｏｗ ｏｒｂｉｔｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓｉｎｎｏｒｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｅｍｅｒｇｅｎｃｙｕｓｅ
ａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎａｎｅｗｓｐａｃｅ ｂａｓｅｄＴＴ＆Ｃｓｅｒｖｉｃｅｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄａｎｄａｓｐａｃｅ ｂａｓｅｄＴＴ＆Ｃｒｅｓｏｕｒｃｅｓｅｒｖｉｃｅｓｍｏｄｅｆｏｒｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｏｒｗａｒｄ／ｂａｃｋｗａｒｄｒｅａｌ ｔｉｍｅｔｒａｃｋｉｎｇｂｅａｍｓａｎｄｇｌｏｂａｌｓｔａｔｉｃｂｅａｍｓｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，
ａｓｐａｃｅ ｂａｓｅｄＴＴ＆Ｃｓｅｒｖｉｃｅｍｏｄｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｕｎｉｆｉｅｄｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇｏｆｇｒｏｕｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔｃｅｎｔｅｒｉｓ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ，
ａｎｄｔｗｏｔｙｐｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｆｌｏｗｓｗｈｉｃｈａｒｅｒｅａｌ ｔｉｍｅｐｌａｎｎｉｎｇ ｄｒｉｖｅｎａｎｄ
“ｂａｃｋｗａｒｄａｌｌ ｔｉｍｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ＋ｆｏｒｗａｒｄｔａｓｋ
ｄｒｉｖｅｎ”ａｒｅｇｉｖｅｎ，ａｎｄｔｈｅｂｅｎｅｆｉｔｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｅｒｖｉｃｅｍｏｄｅａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅｔｅｒｍｉｎａｌｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｅｒｖｉｃｅｍｏｄｅａｒｅｓｏｒｔｅｄｏｕｔｉｎｄｅｔａｉｌ，ａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｕｓｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅｔｅｒｍｉｎａｌｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｍｏｄｅｉｓｃｌａｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｇｕｉｄｅｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｐａｃｅ ｂａｓｅｄＴＴ＆Ｃｓｅｒｖｉｃｅｓｆｏｒｔｈｅｌｏｗ ｏｒｂｉｔｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ
：ｌｏｗ ｏｒｂｉｔｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ；ｓｐａｃｅ ｂａｓｅｄＴＴ＆Ｃ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｅ；ａｌｌ ｔｉｍｅｓｅｒｖｉｃｅ；ｓａｔｅｌｌｉｔｅＴＴ＆Ｃｔｅｒｍｉｎａｌ
收稿日期：２０２３－０３－２０基金项目：国家部委基金资助项目ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＩｔｅｍ：ＰｒｏｊｅｃｔＦｕｎｄｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＭｉｎｉｓｔｒｉｅｓａｎｄＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎｓ
ｏｆＣｈｉｎａ
０　
引言
“十四五”期间，我国在轨航天器数量将迅猛增长，卫星应用深度和效能显著提升，测控数传需求也同步大幅增加。

特别是随着大规模低轨卫星星座的建设部署，多星并行管理、高时效性测控和星间指令协同等使用需求应运而生，对天基测控系统服务模式提出了新的挑战。

美国拥有规模最大、技术最先进、应用最广泛的
天基测控系统。

美国跟踪与数据中继卫星系统
（ＴＤＲＳＳ）主要为美国国家航空航天局（ＮＡＳＡ）提供
数据中继服务，可实现１００％的全球覆盖，
具备为低轨卫星星座提供天基测控和数据传输服务的能力。

从ＴＤＲＳＳ能力的发展演进来看，不断改进的返向多址技术和前向有限波束资源快速服务技术是其更新
工程与应用
换代的主要内容，包括按需接入业务（ＤＡＳ）、多址快速前向业务（ＭＡＦＦ）和ＴＤＲＳＳ增强业务（ＴＡＳＳ）等。

由于美国天基测控系统的卫星数量较多且功能更加完备，通过全球同步轨道多节点的配置分布，星上多频段多载荷组合应用，具备高效的天基测控服务模式。

而国内天基测控系统的卫星数量较少，且分布在有限的同步轨道节点上，现有卫星资源预分配的天基测控服务模式将无法为大规模低轨卫星提供全球覆盖、高实时、可靠便捷的天基测控服务［１－３］。

本文梳理了大规模低轨星座的天基测控需求，提出一种全域多波束静态覆盖和动态跟踪波束机动调整相结合的天基测控服务方法，详细论述了服务模式、工作流程及产生效益，设计了用户侧低码率测控业务“返向全时分发＋前向业务驱动”和中码率测控业务即时服务工作模式。

分析了与所提天基测控服务模式相适配的卫星测控终端设计要求，实现对涉及源／网／端各要素多节点的设计。

１　低轨卫星星座测控需求
低轨卫星系统一般是指多个卫星构成的可进行实时信息处理的大型卫星系统，其在轨卫星的分布称为卫星星座。

低轨卫星星座具有可批量研制、快速部署、大容量、低时延和全球覆盖等特点，可为各类用户单位提供方便、快捷、稳定的应用服务，如资源普查、信息通信和气象预报等。

低轨卫星星座在轨运行期间，地面中心需通过测控系统完成对卫星遥测信息的获取以及卫星遥控指令的上注，实现对低轨卫星星座的高效应用。

该类测控需求面临的主要难题在于卫星数量较多、星座构型复杂和使用模式多样等，地面中心在实施测控时需考虑低轨卫星星座的全时状态监视、应急测控支持和网络化信息协同等使用需求［４－５］。

综合来看，低轨卫星星座的测控需求主要体现在以下方面：
①常态运行时，星上判断其运行状态是否正常，通过测控系统实时建立与地面中心间的返向测
控通道，向地面中心实时回传卫星正常（ＯＫ）／警告（ＷＡＲＮ）／异常（ＳＯＳ）的综合态势信息，地面中心通过解析该信息，实时监视星上状态。

②应急情况下（如卫星平台出现故障等），地面中心通过测控系统建立与卫星间的前向测控通道，
实时、高效完成遥测数据的回传和遥控指令的上注，实现对在轨卫星的应急处置。

③智能化应用中，随着卫星平台自主运行能力不断提高，星上智能化处理的数据可即时、快速回传。

同时，部分在轨卫星可根据任务需要直接向测控系统提交协同指令数据，以实现与星座内指定的其他卫星协同工作。

地面中心在接收后实时将该协同指令数据转发至待协同目标，实现星座网络化信息互联互通。

对于上述低轨卫星星座的测控需求，基于同步轨道卫星的天基测控系统具有天然优势，卫星波束对低轨空间的任一目标均可视，并可支持综合态势信息、遥控指令和协同指令数据等各类业务。

传统天基测控系统在覆盖范围、服务目标数量和系统响应速度等方面还存在一定的局限性，需对其进行优化升级，针对不同场景下的测控使用需求，开展测控服务模式的创新性设计，实现对低轨卫星星座测控服务能力的全面跃升［６－７］。

２　新型天基测控系统
新型天基测控系统是指在同步轨道卫星部署多址相控阵天线，采用在地面系统进行返向可扩展多波束形成、在星上进行前向数字波束形成的总体技术路线［８－９］，可并行生成前／返向实时跟踪波束与返向全域静态波束，实现在视场范围内对低轨卫星星座的全域覆盖，同时对指定空域低轨卫星进行机动覆盖，为所有目标提供实时的中低速测控服务。

该新型天基测控系统可大幅提升卫星波束覆盖范围、波束指向调整速度及多任务并行实施等方面能力。

其中，对于前向实时跟踪波束，由地面依据用户星运动轨迹上注卫星波束形成参数，星上计算机接收并解析后，为指定空域的部分低轨卫星提供测控服务；对于返向实时跟踪波束，主要基于卫星下传信号，地面依据用户星运动轨迹实时运算后，为指定空域的部分低轨卫星提供遥测服务；对于返向全域静态波束，由地面依据多个既定指向固定运算后，为视场范围的所有低轨卫星提供遥测服务。

在所有低轨卫星上搭载适配的测控终端后，可与上述各类波束组合应用，同时地面中心各单元协同配合，能够满足低轨卫星星座在常态运行、应急及智能化应用等方面的测控需求。

主要的组合应用方式包括：
①通过对前／返向实时跟踪波束的组合使用，可支持连续的遥测遥控与数传业务，按照多址资源
即时计划驱动的服务模式，为低轨卫星提供中码率测控业务的即时服务，可满足在轨应急处置、星上智能处理数据快速回传等使用需求。

②通过对全域静态波束和前向实时跟踪波束
工程与应用
的组合使用，可支持短报文相关业务，按照“返向全时分发＋前向业务驱动”的服务模式，为低轨卫星提供低码率测控业务的全时服务，可满足卫星在轨运行状态监视、遥控指令快速上注和星座内卫星协同工作等使用需求［１０－１１
］。

东、中、西３个节点的同步轨道卫星部署后，可实现新型天基测控系统的组网运行，通过全域静态波束可实现对全球范围低轨卫星轨道空间的无缝覆盖，具备对低轨卫星星座的１００％覆盖能力，进一步通过多业务接续式传输、多用户移动性管理和多波束一体化调度等方式，构建广域覆盖的天基中低速信息传输链路，实现由全球波束可达向全球波束常驻的升级，为低轨卫星星座提供全球泛在的天基测控服务［１２－１３
］。

３　
对低轨卫星星座的测控服务模式
在上述新型天基测控系统中，为适应低轨卫星星座全球分布、随时接入的测控使用特点，设计了基
于地面运管中心统一调度多波束资源及数据分发服
务的工作模式及流程，在大规模低轨卫星常态运行时的在轨健康状态管理、特殊情况下的应急测控及智能化应用中，可全面发挥新型天基测控系统的服务效能［１４
］。

３．１　服务模式及流程
新型天基测控系统服务模式包括多址资源即时计划驱动模式和“返向全时分发＋前向业务驱动”模式，二者相对独立、相互补充。

在地面运管中心统一调度下，当低轨卫星发起前／返向连续业务时，采用
前／返向实时跟踪波束为用户中心提供服务，
通过卫星资源计划驱动各个功能模块工作；当低轨卫星发起短报文业务时，采用全域静态波束和前向实时跟踪波束为用户中心提供服务，所有相关功能模块全时工作。

地面运管中心是各类前／返向测控数据处理的核心部分，发挥着重要的作用。

对低轨卫星的天基测控服务工作流程如图１
所示。

图１　对低轨卫星的天基测控服务工作流程
Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅｗｏｒｋｆｌｏｗｏｆｓｐａｃｅ ｂａｓｅｄＴＴ＆Ｃｓｅｒｖｉｃｅｓｆｏｒｌｏｗ ｏｒｂｉｔｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ
下面对２种模式进行详细分析：（１）
多址资源即时计划驱动模式用户中心按照任务计划发送天基多址资源使用需求，地面运管中心立即响应生成资源使用计划，然后通过任务调度驱动内部各单元完成状态配置，具备与用户目标建立前／返向数传链路的状态，完成测控服务前的准备工作。

在资源计划时间窗口内调用前返向实时跟踪波束对用户目标进行跟踪，建立低轨卫星与用户中心间的数传链路，多个不同空域用户目标群可同时进行遥测遥控或前／返向数传，实现对低轨卫星星座的天基测控服务。

该模式可实现对低轨卫星星座的中码率测控业
务即时服务。

（２）
“返向全时分发＋前向业务驱动”模式用户中心和用户目标预先在运控中心完成注册，运控中心为已注册的用户中心和用户目标提供前／返向短报文服务，具体为“返向全时分发＋前向业务驱动”的工作流程。

对于返向短报文全时分发，地面运管中心通过常态化保持方式与用户中心建立地面链路，用户目标周期或间歇发送返向短报文业务数据，多个天基服务地面站具备全时接收用户目标返向短报文的状态，在收到数据后实时向地面运管中心转发。

地面运管中心对返向数据进行本地缓存，基于已注册信
工程与应用
息完成返向短报文合法性判断后，提取报文特征信息并确定该帧短报文的唯一性，并按照标识地址向指定用户中心发送，由用户中心对该短报文业务的数据域内容进行解析处理。

对于前向短报文业务驱动，用户中心与地面运管中心之间的链路也是采用常态化保持方式，用户中心可按需随时发送前向短报文业务数据，地面运管中心全时接收该数据并进行本地缓存，对数据进行唯一性编队编号，并从中提取发送需求信息；然后基于前向报文需求信息和天基多址前向波束覆盖区域，在完成资源冲突判断、用户目标可视性判断和发送预估时间核准后确定可发送的前向短报文数据；最后对前向短报文进行调度，在指定前向波束下进行排队，快速完成波束指向调整后按照队列顺序发送报文，并实时将前向短报文业务的发布状态反馈至用户中心。

该模式可实现对低轨卫星星座的低码率业务全时服务。

３．２　产生效益
上述天基测控服务模式及流程设计，可实现对低轨卫星星座的高效测控服务，产生效益如下：（１）转变传统测控模式，实现由少到多的跨越可同时服务的低轨卫星数量提升至千颗量级，实现了对低轨卫星星座的网络化管理，可同时兼顾境内／境外多个低轨卫星目标的在轨测控，支持地面中心全时获取低轨卫星星座的在轨健康状态，为卫星异常状态快速处置提供便捷的天基测控资源保障。

地面中心可依据需求灵活配置卫星健康状态发送的时段和频次，提升了天基测控服务的灵活性。

（２）升级资源使用方式，实现由慢到快的跨越将单类资源保障升级为多类资源组合保障的方式，在地面运管中心统一调度下实现卫星资源的高效利用，用户中心可获得实时、高效的遥测遥控服务，服务时效提升至分钟级。

此时，地面中心可在收到卫星异常情况报告数分钟内完成卫星波束资源调用，实现对在轨异常情况的快速响应和处置，提升了卫星资源保障的时效性。

（３）提供星间协同手段，实现从无到有的跨越作为星座内各型卫星星间链路的备份手段，支持构建不可视条件下的星间链路，以及具有协作关系卫星之间的星间链路，实现多星协同的工作模式，适用于国土资源普查等卫星星座的应用场景，实现了星座内不同型号卫星间的能力互补，提升了天基信息获取的综合效能。

４　卫星测控终端的设计要求
为实现低轨卫星星座全时状态监视、应急测控支持、网络化信息协同等天基测控服务模式的全面应用，需建立天地一体的协同体系，其中在低轨卫星上搭载的测控终端至关重要。

按照东、中、西３个具备天基测控能力的同步轨道卫星进行计算，针对上述测控服务模式，卫星测控终端功能、性能及工作状态等方面的设计要求具体包括：
①在功能性能方面，低轨卫星在轨运行期间，在任一轨道位置上应具备对某一同步轨道卫星的可
视条件。

当天线保持常态对日工作模式时，总的可视时长不少于全轨道运行时长的６０％。

同时，终端可按照一定频率实时发送综合状态信息，发送频率按需配置并可不间断持续发送，同时可接收地面中心发送的遥控指令、数据包等，实现卫星在天基测控系统内的全时在线。

应急使用时，卫星测控终端处理模块需支持由地面控制发起或卫星自主发起的前／返向连续业务和短报文业务，可与地面中心建立遥测遥控双向信息传输链路，实现星上业务数据的快速回传和地面测控指令的快速上注。

特别地，对于智能化应用场景，卫星终端处理模块可主动发送天基资源使用申请，支持申请多类波束资源，并基于所接收的资源计划完成前／返向数传；同时，可主动发起对其他卫星的协同指令，并可接收执行其他卫星发起的协同指令，具备在多颗同步轨道卫星支持下的信息交换和协同传输能力［１５－１６］。

②在卫星工作状态方面，当卫星测控终端工作在前／返向连续业务状态时，可使用多址资源即时计
划驱动模式；工作在仅返向短报文、前／返向短报文、前向短报文返向连续等状态时，可支持“返向全时分发＋前向业务驱动”模式［１７］。

卫星终端工作状态与各应用模式一一对应，不同模式下的卫星终端状态如表１所示。

表１　不同模式下的卫星终端状态
Ｔａｂ．１　Ｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅｔｅｒｍｉｎａｌｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｓ模式前向返向说明应用模式
前返向即
时计划
连续
ＴＣ
连续
ＴＭ
连续模式：前向
遥控，返向遥测，
应急时使用
应急测控支持
返向全时
分发—
短报文
ＴＭ
短报文模式：不
建立前向链路，
仅有返向链路
全时状态监视
工程与应用
续表
模式前向返向说明应用模式
返向全时分发＋前向业务驱动短报文
ＴＣ
短报文
ＴＭ
短报文模式：前
向和返向链路均
为短报文
常态测控支持、
卫星协同工作
返向即时计划＋前向业务驱动短报文
ＴＣ
连续
ＴＭ
短报文＋连续模
式：前向链路短
报文，返向链路
为连续业务
中速测控服务、
卫星协同工作
５　结束语
本文结合天基测控系统特点及能力，开展对低轨卫星星座的新型天基测控服务模式研究，首先分析了低轨卫星星座的测控服务需求，然后基于新型天基测控服务系统体系架构，对低轨卫星星座天基测控服务的工作模式及流程进行设计，最后提出对用户终端功能及性能等方面的适配性设计要求，实现对天基测控服务模式应用的全面支撑。

在采用该新型天基测控系统后，通过全系统、全要素的适配设计，可满足低轨卫星星座在全时状态监视、指令快速上注和网络化信息协同等方面的需求，大幅降低卫星数传任务状态建立时间，提升可支持的用户目标数量，为低轨卫星星座提供实时随遇接入、多星灵活协同的测控服务，形成一种长时在线、按需使用的新型天基测控服务模式，对于未来低轨卫星星座在轨管理具有重要的参考意义。

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作者简介
姬　涛　女，（１９７２—），硕士，研究员。

主要研究方向：航天测控与通信。

俞道滨　男，（１９８８—），博士，工程师。

主要研究方向：通信与信息系统。

郭　瑶　女，（１９８５—），博士，工程师。

主要研究方向：航天测控与通信。

羌胜莉　女，（１９８０—），硕士，高级工程师。

主要研究方向：航天测控与通信。

工程与应用。