卫星星座天基测控守护卫星的天眼其建设应用及启示

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。

1 引言

1.1 巨型星座发展现状与趋势、特点分析

近年来，许多国家都提出了自己的卫星星座计划，旨在为全球范围提供互联网服务。例如美国的 SpaceX 公司、亚马逊公司和英国的 OneWEB公司都提出了星座计划，通过发射成千上万颗卫星组成自己 的卫星网络系统。各国主要星座计划如表 １ 所示。

美国是世界上较早开始航天活动的国家，其技术 水平居世界前列。美国的摩托罗拉公司于 1987年提 出“铱星系统”，该系统提供的用户业务有移动电话、 寻呼与数据传输。但受限于当时卫星通信的技术与 成本，伴随地面蜂窝移动通信迅速普及与发展，“铱 星系统”在市场竞争中落败。2000年 3月，铱星公 司宣布破产。2007 年2 月，重组后的铱星公司向外 宣布了第二代“铱星计划” 的构想，并于2019 年组 网完成。成立 于2002 年 的 美 国 太 空 探 索 技 术 公 司 （SpaceX ）于 ２０１５ 年提出星链计划。该项目是目前 全球设计规模最大、实际在轨卫星最多的巨型星座 项目。该项目设想在地球的近地轨道建设卫星互联 系统，进而为全球提供高速的互联网服务。项目总 投资预计100 亿美元，目前已在北美开始互联网服 务，在大多数地区，下载速度在 100～ 200Ｍｂ ／ ｓ 之 间，延迟低至 20ｍｓ。星链最初计划分 ３ 个阶段进 行，如表 ２ 所示［８］ 。

目前，SpaceX 又对最初的星链计划进行了调 整，追加了 ３ 万颗卫星，总计达到了4.2万颗卫星的 规模。此外，亚马逊还提出了“Project Kuiper”，想要利 用3236颗低轨卫星提供全球互联网卫星服务，与 星链存在巨大的竞争关系。但由于其运行思路过于 传统、发射成本过高，该项目仍与星链有着不小的差 距。值得一提的是，美国亚马逊公司前 CEO贝索斯 创立的蓝色起源公司也参与到卫星星座建设的竞争 中来。

“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。

1.2 巨型星座的测控需求与难点 

1.2.１ 测控需求分析 

通过上文对典型巨型星座发展现状的概述与发 展趋势、特点的分析，可以总结出巨型星座有别于一 般传统在轨目标的测控需求，列举如下：

① 海量卫星用户目标的测控需求。巨型星座 最大的特点在于其拥有海量的卫星，要保证巨型星 座正常运行就必须满足每一颗卫星的测控需求，因 此，巨型星座的测控方式必须能够满足对海量卫星 用户目标的测控。 

② 全空域多目标的测控需求。巨型星座卫星 数量庞大，单个地面测控站必然需要在全空域范围 内对多个目标同时进行测控。传统方法是增加测控 设备以实现多目标同时测控，但存在管理组织成本 高、效费比低等问题［12］ ，因此，需要发展全空域多波 束技术以满足全空域多目标的测控需求。 

③ 实现卫星自主在轨运行的需求。巨型星座 的海量卫星导致测控工作量的极大增加，实现卫星 自主在轨运行可以降低地面测控系统的运行成本， 并且能够提高卫星独立自主的生存能力，当地面站 因异常原因无法完成测控任务时，卫星依然能够正 常在轨运行［13］ 。 

1.2.2 测控难点问题分析 

通过上文对巨型星座测控需求的分析，并结合 我国目前测控发展现状，本文总结分析了巨型星座 测控的难点问题，具体如下：

① 有限测控资源与海量卫星用户目标的冲突。伴随卫星数量激增，有限测控资源与海量卫星用户 需求之间的矛盾逐渐突出，仅靠增加测控站中测控 设备来解决多星、多任务的测控问题会带来成本高、 资源浪费等问题［14］ 。我国现有地基为主、海基天基为辅的测控网络体系面临维护难度大、系统复杂度 不断增加等问题［12］ ，建设天地一体化测运控网络可 实现测控资源的统筹重组，开放、灵活、高效地解决 测控问题。 

② 传统测控设备与全空域多目标测控需求的冲突。我国目前仍大量采用机械扫描式的抛物面天 线作为航天测控的主要设备，在单波束内采用码分 多址可对星座内的多颗卫星实现同时测控，但这种 方式仅能对少量卫星进行多目标测控。要实现对巨 型星座海量卫星的测控任务就必须采用全空域多波束天线对全空域内的多颗卫星同时进行跟踪测控［15］ 。 

③ 巨型星座自主在轨运行与传统测控模式的冲突。我国传统的测控方式主要通过地面站上注指 令实现［16］,面对巨型星座海量卫星的测控需求时 操作繁琐、效率较低。如果卫星能够利用轨道测 量信息自主计算修正轨道所需的控制量、轨控发 动机的点火时刻和点火时长，实现轨控发动机点 火以进行轨道控制［17］,则能极大减少地面测控工 作量。 

1.3 巨型星座测控主要发展方向

1.3.1全空域多目标测控

全空域多目标测控可实现同时测控多个卫星目标,能够有效缓解有限测控资源与巨型星座海量卫星测控需求的矛盾。目前,全空域多目标测控技术的应用前景主要是以全空域球面相控阵测控系统为设备基础,采用空分码分结合的目标复用形式,实现随遇接入测控模式[12],为巨型星座的长期稳定运行与智能化测控网的建设提供设备与技术支撑。全空域多目标测控的核心与基础是地面站雷达上的全空域多波束天线。这种天线相较于传统天线有很大优势：

①多波束测控天线可同时向多颗卫星发送信号,并且不存在卫星过顶跟踪困难的情况,大大提高了测控效率；

②多波束天线可减少测控站内设备数量,便于设备管理,减轻人力负担,并有利于实现自动化测控；

③多波束天线多波束使用同一时钟源,有利于多星时间信息的统一处理；

④多波束天线可几乎瞬时完成波束方向改变,相比于机械转动式雷达,大大提高了测控时效性与精度。

目前国际上发展最好的是美国GDPAA多波束测控天线,该天线扫描速率在千分之一秒。欧空局的GEODA多波束测控天线也非常先进,其工作在1.7GＨｚ的Ｌ频段[1８],可同时跟踪８颗卫星。我国的全空域多波束天线也处于世界先进水平,文献[16]中球面阵形状的全空域多波束天线所有试验测试项目均达到设计要求,原理样机的测距、测速和测角精度等技术指标满足传统测控站的要求,能够对分布于5°～90°仰角、0°～360°全空域内的16个目标同时进行测控,16个目标的工作频率可以在100ＭＨｚ带宽内任意设定,工作体制不限[15,19]。

1.3.2随遇接入

随遇接入是区别于当前基于集中预分配的测运控资源管理模式的测运控服务概念,在随遇接入的测运控服务架构下,借鉴蜂窝移动网络的随机接入机制,在轨卫星直接按需发起测运控需求,站网对卫星实现灵活接入、即时响应。航天测运控站网由接入网和测运控资源服务网构成。接入网实现用户卫星的随遇接入,资源服务网实现用户卫星的“按需服务”。其中接入网支持3种接入链路：地基Ｓ波段全空域多波束测控设备接入、中继卫星Ｓ频段多址方式接入、北斗短报文通信链路接入。以下将分别从地基和天基两方面介绍随遇接入。

1.3.2.1地基随遇接入

随着巨型星座的发展,在轨运行卫星数量激增,当前测控站基于集中预分配的资源管控模式难以适应未来巨型星座的测运控需求,以随遇接入测控技术为核心的新型测控模式将成为更好的选择。借鉴蜂窝移动网络的随机接入机制,将卫星、测控站分别看作移动终端和基站,在测控网中引入随遇接入技术,在全空域波束覆盖范围条件下,航天器进入波束范围就能接入测控网络进行测控,最终实现“随遇接入,按需服务”。卫星随遇接入流程图如图3所示[12]。

（１） 接入测控实施流程 

在基于随遇接入技术的测控过程中，为了实现 接入控制和数据传输同时进行，分别设计控制信道 和业务信道。测控流程具体如下［１２，２０］ ：卫星进入测 控范围，准备随遇接入。首先卫星发送下行询问信 号，预先按照最优选择策略搜索和选择地面测控站， 并向选择的测控站发送随遇接入请求，询问信号中 包含卫星标识编码。测控站接收请求后，向地基测 控网管控中心发送查询申请，验证卫星身份并确定 优先等级，基于本站的测控资源和卫星优先等级进 行测控资源的分配。若接入成功，业务信道开始正 常工作，控制信道继续寻找下一测控站，以便进行下 一步的切换。当前测控业务完成，或卫星超出当前 测控站覆盖范围时，卫星断开连接，开始接入下一测 控站。 

（２） 随遇接入测控优势 

① 可实现对多星同时测控。航天器只要进入 测控站覆盖范围就能实现随遇接入，有效解决了未 来因卫星数量激增导致测控资源不足的问题。 

② 降低资源调度的复杂度。随遇接入是卫星 自主接入，相较于传统测控方式的提前统一调度，随 遇接入对于测控资源调度的复杂度大大降低。 

③ 可靠性高。卫星可同时与多个测控站建立 连接，必要时可快速切换，可靠性大大提高。 

④ 灵活性提高， 能 更 好 适 应 未 来 多 种 任 务 需求。 

⑤ 能有效降低卫星测控管理成本。若采用传 统测控模式，需新建大量测控站，而随遇接入可实现 一站对多星的资源管理分配，有效降低成本。 

（３） 随遇接入测控关键技术

① 卫星接入测控站时的最优选择策略。测控 站的覆盖范围多有重叠，这时就需要卫星综合测控 站覆盖范围大小、测控能力强弱等因素，制定出最优 选择策略。 

② 测控资源调度计划研究。测控方式发生变化：由地面主导变为需求主导，由提前统一调度变为 实时动态调整。要建立卫星和测控站的资源清单， 便于依据卫星需求进行实时资源调度。 

③ 多信道实现方法研究。为实现可随时切换 测控站，业务信道和控制信道需要进行分离。而这 两类信道采用频分还是码分仍需研究。 

1.3.2.2 天基随遇接入

为有效满足用户卫星“随遇接入，按需服务”的 测控需求，我国正规划建设和发展天基测控网，构建 深空探测测控网，构建天地空一体化测控通信系统。随着我国天基 Ｓ 频段具备多址工作方式的中继星投 入使用［２１］ ，天基测运控站网也将为用户随接随用站 网资源提供条件。 

（１） 天基随遇接入流程 根据接入链路不同，有以下两种运行模式： 

① Ｓ 频段多址接入。当在轨卫星进入到某中 继卫星的 ＳＭＡ 覆盖区后，全景波束将覆盖该在轨卫 星，在轨卫星以短报文形式向中继卫星发送测控请 求，中继卫星实时转发至地面站。地面站进行用户 卫星身份识别，根据用户请求、用户卫星轨迹信息和 优先等级进行测控资源的分配，通过中继卫星将测 控指令转发给对应用户卫星。当前测控任务业务 完成。

② 基于北斗短报文接入。用户卫星遥测数据 生成短报文信号向特定导航卫星发送，北斗卫星接 收信号后，将遥测短报文信号发送至地面短报文测 控终端，地面短报文测控终端再将其发送至卫星测 控中心。卫星测控中心进行用户卫星身份识别，根 据用户请求、用户卫星轨迹信息和优先等级进行测 控资源的分配，然后将遥控数据通过地面短报文测 控终端和北斗卫星发送给指定用户卫星［２２－２３］ 。 

（２） 天基随遇接入优势 

目前天基测控网主要包括导航卫星系统和数据 中继卫星系统。导航卫星系统具有以下优势：

① 能 为中低轨航天器提供精度较高的自主导航，实时定 位与姿态测定；

② 提供高精度时间同步；

③ 算法简 约系统可靠性较高［２４］ 。

数据中继卫星系统具有以 下优势：

① 轨道覆盖率高，可利用体积较小、质量较轻的相控阵天线实现多址工作方式，同时为多个卫星服务；

② 测控实时性强，有利于巨型星座的长期稳定健康管理；

③ 系统传输能力强，效费比较高。 

（３） 天基随遇接入的局限性 

① 中继卫星位于地球同步静止轨道，其轨道高 度较高。而巨型星座以小卫星为主，其天线增益及 发射功率一般较小，且绝大多数运行在低轨轨道与 中继星距离较远，存在卫星测控无法彻底管控的 问题。 

② 目前中继卫星的测控能力有限，不足以满足 未来巨型星座的海量卫星测控需求，目前我国有 120余颗信息获取卫星在轨运行，每天需接收数据1000圈次， 一、二代中继仅能满足 200余圈次，仅 能满足任务需求的四分之一［１２］ 。

③ 天基测控网防护薄弱，抗毁能力差，组网卫 星出现故障难以快速实现修复，对巨型星座长期稳 定健康测控存在风险。

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。

跟踪和数据中继卫星系统 (TDRSS) 是由 NASA 开发的通信信号中继系统，可将数据中继到地面站并跟踪轨道中的卫星。该系统在低地球轨道航天器和 NASA 或其他地面数据处理设施之间提供跟踪和数据采集服务。该系统可以在 100% 的轨道上向客户航天器发送和接收数据。

  目前，该系统由七颗位于地球同步轨道的在轨卫星组成，每颗卫星都称为跟踪和数据中继卫星 (TDRS)。数据双向流动。TDRS 从地面接收数据并将其传输到其他在轨卫星。它还从在轨卫星接收数据，并将其传输到位于新墨西哥州拉斯克鲁塞斯附近的地面站。

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。 

2低轨卫星星座测控需求

2.1 国际商业测控服务情况

目前，国际市场上有两家较为成熟的公司开展商业测控业务，分别是瑞典空间公司(SSC)和是挪威康斯伯格卫星服务公司(KSAT)，为商业卫星提供在轨管理或数据接收服务。

瑞典空间公司拥有1个操作中心、27个自有的测控站点和6个合作测控站点，分布在瑞典、意大利、德国、澳大利亚、加拿大、美国、智利、印度、南非等地，可以提供C/S/L/X/UHF频段测控服务能力，具有分布范围广、测控能力强的特点。该公司的主要客户包括波音、中国资源卫星应用中心、加利福尼亚航天局、美国地理眼公司、台湾太空中心等。瑞典空间公司在2009年收购了美国环球航天网络公司，进一步加强了商业卫星测控服务能力。

挪威康斯伯格卫星服务公司由1个操作中心和23个地面站组成，目前运营的天线总数为200个，主要为极轨卫星提供测控和数据服务，主要客户有美国航天局、欧空局、数字全球公司等。2019年KSAT在新西兰和希腊建设了新的地面站，2020年新添加了韩国济州站，同时对已有地面站进行了升级和扩充，2019年共安装了31个天线，投资额约为2400万美金，占2019年总投资额的88%。

近年来，随着全球商业卫星计划日益增多，越来越多的商业公司开始发现地面端运营的商业价值，出现了一些新兴的商业测控初创公司，主要包括意大利Leafspace、美国RBC signal、日本Infostellar、澳大利亚Capricorn公司，这些初创的商业测控公司的地面站网络覆盖的范围较小，在区域范围内拥有一定数量的地面站硬件设备，但受经费资金压力影响，这些公司投资建设自己的地面站硬件设备能力有限，会选择通过合作关系整合现有地面站的剩余容量，主要开发任务规划界面和云平台等软件系统。

这种模式下，初创公司虽然避免了硬件设备的巨额投资成本，但同时也存在地面站使用灵活性较低的缺点，需要通过足够富余的备用地面系统弥补这一劣势。这一特点也促使新兴的初创测控公司之间建立更多的合作关系，以相互整合资源。从产品和服务的市场定位来看，这些新的测控公司瞄准的是近年来正在兴起的中低轨小卫星星座。

2.2 国内商业测控服务情况

目前我国所有非商业航天性质的发射测控保障仍由国家航天测控部门承担，而大部分商业卫星的测控需求则需要由商业化的公司来提供保障。

在这样的背景下，我国的商业航天测控公司从2015年开始陆续成立，并为各类商业卫星和航天爱好者科学实验卫星任务提供测控服务，同时也开启了对航天测控商业化模式的有益探索。

2018年9月26日，国家工业与信息化部颁发了我国首个第三方卫星测控站电台执照，这标志着我国商业航天测控行业规范的正式建立与实施，表明国家对商业航天的发展开始给予支持，行业管理开始走向完善。

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 ］ 。

2.3 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 ］ 。

作为全世界最具挑战性和广泛带动性的高新技术领域之一，航天产业集设计、生产、测试与应用于一体，具有高技术、高投入、高风险、长周期等特点。航天测控是航天产业不可分割的一部分，主要完成火箭和卫星的跟踪测量、遥测遥控等任务，掌握火箭飞行状态和实施安全控制，以及在轨卫星的轨道测量与确定、运行状态管理、工作状态控制、载荷数据接收与分发等，为卫星发射回收、在轨应用提供不可或缺的支撑。

2.4 SpaceX的测控资源及其应用

SpaceX 作为美国新兴的私营航天公司，经过20 余年的发展，已成功研发了猎鹰系列火箭、星链计划系列卫星等优势产品，在低成本、高可靠航天发射等方面形成了绝对优势。研究该公司如何应用整合各种资源完成庞杂繁复的航天测控工作，对我国在常态化高密度发射情况下提升航天测控的效率和质量具有重要的参考意义。

支持 SpaceX 航天发射回收的测控资源主要有发射场配套设施、美国国家航空航天局（NASA）天基 / 空基测控系统、军方地面卫星控制网及公司自建的测控站和测量船等。

（1）发射场配套的指控中心及基础测控设施：SpaceX 租借了肯尼迪航天中心、卡角太空军基地、范登堡太空军基地等多个发射综合体，用于猎鹰系列火箭发射，并在得州博卡奇卡自建了星舰基地，用于星舰火箭制造、测试与发射。测控通信系统、指挥控制中心等是发射场的必要配套设施，为此，SpaceX 在租用发射综合体的同时，还租用了发射场的必要测控资源。而该公司自建的星舰发射场配套有完整的指控中心和基础测控设施，这些基础条件保证了每次发射前的测试和发射过程的测控支持。

（2） NASA 天基测控系统：SpaceX 与 NASA一直保持着密切的协作关系，NASA 的跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）为 SpaceX 提供天基测控支持。TDRSS 历经三代发展，目前有 7 颗卫星在役，另有 2 颗在轨备用。SpaceX 发射和回收龙飞船时，全程依靠该天基测控星座的技术支持，该系统在提升测控覆盖率、加强多目标并行服务能力、缩短接力跟踪切换时间、优化关键事件协同工作程序等方面，为 SpaceX 提供了重要保障。

（3）NASA 机 载 测 控 系 统：NASA 拥 有 3架 WB-57 高空测控飞机，它们的巡航高度超过18 km，航程达 4000 km，飞行时间约 6.5 h。这些飞机的鼻锥、弹舱、机翼吊舱均安装了大量传感器，用于拍摄、监控火箭发射或航天器回收，具有布站灵活、可抵近作业、几乎不受大气影响等显著优势。该型飞机几乎参与了所有 SpaceX 重要发射任务的测控支持，在飞船发射和回收过程中，该型飞机拍摄的图像均被作为主力指显图像。

（4）军方地面卫星控制网：隶属于太空军的卫星控制网（SCN）是一个可多方共用的卫星控制网络，能提供全球范围的测控通信服务。该控制网络不仅能够提供航天发射全程的遥测数据接收、解调、转发等服务，其地面雷达设备获取的外测数据作为遥测数据的备份手段，还可在飞行异常、设备故障、再入黑障等特殊场景发挥重要作用。该卫星控制网本身承担着繁重的卫星管理控制任务，在取消一些无法保障的测控合同后，其利用率仍常年保持在 70% 以上，提供测控支持的航天发射次数也在逐年攀升，年运维费用也从 2019 年前的 6000万美元左右升至 2021 年的 9000万美元以上 。

（5）公司自建地面测控站及兼职测量船：为了支持庞大的星链计划，SpaceX 共建了 60 余个地面站，其中有些关口站可以同时作为航天测控地面站使用，这使 SpaceX 自主测控能力得到明显增强。为完成海上回收任务，SpaceX 建造了一支由10 余艘舰船组成的任务支援舰队，这支舰队在完成火箭一级、整流罩、飞船等海上回收任务以外，均兼具测控通信功能，能够为发射段、再入回收段提供测控监视和中继通信支持，提升下行数据和上行指令传输的可靠性。

2.5 SpaceX的测控系统特点分析

SpaceX 通过购买服务与自主建设相结合的方式实现了对高密度航天发射的测控支持，达到了效费比、系统弹性、可靠可用等关键目标的均衡。SpaceX 的测控系统在建设与应用方面具有鲜明的特点。

（一）以遥测为主的精简测控设计

SpaceX 主力火箭猎鹰 9 号的箭上测控设备如表 1 所示。

从表 1 所列出的箭载测控设备可以看出，遥测系统作为 SpaceX 测控设计的核心测控手段，其一级、二级各有 2 个下行通道，用于可靠传输火箭遥测参数和箭上高清图像；鉴于定位和高度是最为敏感的关键信息，所以高度计同时作为一级回收的关键设备，设置了多组传感器冗余备份；利用铱星的双向链路构建的保底传输通道，则进一步保证了关键信息的传输；控制系统以箭上自主控制为主，遥控接收仅设置了 1 个通道，主要用于地面安控。整个箭上测控系统的设计较为精简，没有复杂的无线电合作目标，同时还具有多层次的冗余设计。

（二）信息驱动下以任务为核心的指挥显示

分析 SpaceX 的任务控制中心在航天发射、回收等任务中的指挥显示界面和流程，可以发现其最大特色是以任务为中心，使各级各类指挥员将全部精力放到所负责的业务中，无需任何操作就能及时掌握关键状态和参数。来自测控支持系统的所有信息在进入控制中心后，可自动实施数据筛选与处理，驱动指挥显示系统工作，隐藏信息来源和测控设备等细节，提升指挥显示效能。

（三）多任务兼顾、陆海空天有效融合的系统架构

SpaceX 通过租用发射场基础设施、NASA 天基 / 空基测控系统、军方地面卫星控制网等测控资源，自建的测控系统充分利用了星舰发射场、海上回收船、星链地面站等既有条件，形成了陆基、海基、空基、天基有效融合的立体测控网络。该系统架构能够兼顾多种任务，并区分任务重要程度来调度不同系统参与，从最基础的保底测控到载人航天的完全测控覆盖，展示出良好的资源利用弹性。

（四）将测控支持作为产业链的一环综合布局

市场中的商业航天企业是以盈利为目标，须对成本加以控制，优化投资回报率，实现企业利益最大化。SpaceX 瞄准低成本、大规模航天应用场景，已形成集卫星研发制造、火箭发射、地面站建造和卫星运维于一体、相对完备的产业链条，产品和服务实现了纵向一体化，所产生的协同效益有效提高了企业竞争力。在发展过程中，SpaceX 将测控支持系统作为其整个航天产业链中的一环，贯彻创客思想及互联网思维，与发射场、回收设施等建设一体推进，最终具备了一定的自主测控能力，实现了包括测控系统在内的全产业链闭环。

3 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 ］ 。

4 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 ］ 。

4.1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。

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。

4.2 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。

5 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

6 结束语

6.1 航天测控系统发展的总结

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。

当前，各国均高度重视航天产业发展，注重核心技术创新，各国航天产业间呈现竞争合作的新常态。SpaceX 作为航天领域的领先企业，以快速迭代、敏捷开发的技术特色和重复使用、全产业链闭环的商业模式，开创了商业航天发展的新范式。该公司在航天测控领域同样贯彻了工业化、数字化思维，在有限成本下实现了对大规模航天发射的测控支持，其发展之路对我国航天测控系统发展具有借鉴意义。

我国总体的科技实力与发达国家特别是美国相比，还存在较大差距，在基础科学和底层技术方面还存在较多短板，在创新理念、创业环境方面仍存在一些制约因素。对创新创业的支持不仅仅指技术和资本方面的支撑，更在于营造勇于挑战质疑传统权威的机制氛围，形成接纳与包容新思想、新产品和新模式的能力。商业航天时代的到来要求我们不能墨守成规，需要注入新的发展思想、管理理念，遵循“科技创新、自立自强”要求，建立试错容错机制，加大研发投入，支持自主创新，鼓励各种风险资本投资于急需的技术和产品，加快航天测控系统能力建设，提高体系应用效能，为建设航天强国提供强大支撑。

6.2 对我国航天测控系统发展的启示

通过整合资源，SpaceX 做到了商业环节的最优化，技术、资本和资源形成了内循环，消除了科技创新中的“孤岛现象”，促成了产业链和创新链双向融合，最终形成了显著的技术优势、资本优势和管理优势 。我国的航天测控同整个航天产业一样，主要依靠国家投资的传统计划模式，商业航天、商业测控仍处于起步发展阶段。SpaceX作为一家商业公司，凭借有限的资源实现了对大规模航天发射的测控支持，对我国测控系统的发展和改进具有一定的借鉴启示价值。

（一）围绕核心职能优化指挥显示

在 SpaceX 的航天发射及回收过程中，其控制中心所有席位都专注自身业务，通过显示器或大屏观察状态，几乎没有显示切换或操作动作。我们在指挥显示模式上也应当充分融合测控设备数据信息，合理利用显示面积及各种控件，优化用户交互界面，减少操作切换，为各席位指挥员提供直观详细的状态指示，让指挥员将关注度集中到核心职能上，以便实施高效的指挥决策。

（二）更新测控理念提升系统弹性

传统航天测控任务投入资源多、实施周期长，在全过程管理中追求的是零问题、零失误的质量管理目标。SpaceX 航天发射测控支持过程主要依靠遥测和光学手段，遥测接收、光学成像利用多平台、多设备形成充分冗余，雷达作为融合辅助和保底备用手段，它们共同构成了该公司航天测控的完整架构。我国的测控支持应当瞄准任务要求，突出服务意识和理念，针对“关键—重要—详细”信息，构建出“保底—基本—全面”多层次测控布局，在架构冗余的基础上，分层次设计冗余备份，提升测控支持系统的弹性，从而提升完成任务的可靠性。

（三）创新手段提高测控装备实战效能

在载人龙飞船逃逸试验过程中，SpaceX 的高空测控飞机充分利用民用领域成熟的影像器件及数字图像处理技术，通过空中抵近、光学变焦、数码变倍、图像增强等通用方法，拍摄到的光学画面可以清晰看到飞船分离过程及外观形态，实现了较高的光学测控效能。我国也有必要在测控平台建设、测控装备应用、测控资源调度等方面积极开展创新，充分利用无人机、空基、天基等新型平台，不断增强测控系统实战效能。同时，测控资源调度也要适应“一体化、自动化、智能化”的发展，实现测控数据传输一体化、系统运行自动化、算法分配智能化，完成“按需测控、随遇接入”。

（四）抓好测控资源建设规划和综合利用

NASA 计划将美国的近地网、天基网和深空网 3 个独立的测控网整合成一个统一的综合测控网，而 SpaceX 在星舰研制阶段就提前布局发射场规划建造，并将测控支持融入产业链一体建设，这些做法充分体现了整体规划的重要性。我国在测控资源顶层设计、发展建设、综合利用等方面应当进一步坚持前瞻眼光、全局观念、系统思想，与航天发射场、太空态势感知等力量建设协调推进，加快建设陆海空临天一体、军民商充分融合、有效支撑航天应用的先进测控体系。在商业航天测控方面，我们应强化系统能力综合利用，加强商业测控地面站的国际合作，提高商业卫星频率、轨位、空间目标编目、发射与回收等管理服务能力。

（五）商业模式创新助力测控系统发展

实现航天领域的繁荣也需要商业模式创新能力。从当前国内外发展现状来看，军、民、商航天测控多元化模式并存、协调发展是大势所趋。SpaceX 显示出高超的商业模式创新能力，如拼单卫星发射、私人定制太空旅行等，这些创新模式不仅带来了丰厚的利润，也带来了巨大的创新研发动力和企业活力。航天驭星作为国内首家开展商业化航天测运控技术研发和航天器运营管理服务的商业航天公司，将自身定位为航天产业基础设施的建设者和运营商，通过建设全球化的卫星地面站网，提供包括测控、运控、定标、碰撞预警在内的航天器在轨运管一站式解决方案，迅速成长为商业测控新模式的杰出代表 。我国航天领域在军民协同创新的背景下，应当充分鼓励各类企业进行商业模式创新，实现整个领域百花齐放的繁荣景象 。

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原文始发于微信公众号（太空安全）：卫星星座天基测控守护卫星的“天眼”其建设应用及启示