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一、卫星测控概述
（1）监视卫星通信平台上各个子系统的性能，并将这些监视数据发往地面卫星控制中心，为地面站工作人员分析判断卫星是否运行正常提供数据参考。
目前统一S波段（USB）、扩频等测控体系常应用在大型卫星通信系统[26]。由于大型卫星测控通信系统为地面站提供连续遥测数据信号，需要保持发射机长时间的运转，但小卫星的整星功率仅在3W~18W范围，不足以保持稳定的遥测状态，所以在VHF/UHF卫星业余频段，小卫星通常采用突发式自主控制方式，这样对发射机的功耗要求不高，并且遥测信道的传输速率高达4Kb/s，在几秒内便可将星上的遥测数据封装成数据帧发送到地面测控中心。
图2 小卫星测控分系统建模架构
卫星无线电测控包括：跟踪测轨、遥测；遥控（英文是Tracking Telemetry and command 简称TTC或TT&C）跟踪测轨是指地面站能跟踪卫星并测出其飞行轨道。遥测顾名思义是远距离测量，是将卫星上的各种信息（被测物理量）变成电信号、并以无线电载波的形式传到地面接收站，经接收，解调处理后还原成各种信息，为人们提供飞行中卫星的各种工作状态和数据。同样的意义，遥控为远距离控制、其作用方向正好与遥测相反，是将地面上的各种信息（其中主要是对卫星的各种控制量）以电信号的形式调制无线电载波，向卫星发射，卫星接收解调后，按地面要求对卫星有关分系统进行控制或者将信息提供星上有关分系统进行处理、比对，接受或卫星的情况决定其工作程序。
卫星跟踪测轨则与遥测、遥控不同，卫星跟踪测轨分为光学如无线电两种，光学是在地面上依靠光学跟踪经纬仪。激光测距仪等光学手段进行跟踪测轨、目前卫星较少采用（常作为辅助手段）。卫星跟踪测轨则以无线电跟踪测轨为主，它是测量卫星与地面站之间的角度（方位角、俯仰角）、距离、相对速度、其本身也是一个无线电信息传输系统、不过无线电波所携带的信息是卫星位置，速度的信息。
不论什么类型人造卫星、无线电测控（TT&C）是作为各种卫星所必须具备的分系统,和卫星电源、结构、温度控制等分系统一样，是属于卫星的服务系统，是卫星服务舱（或称公用服务平台）的基本组成之一。但是它与卫星电源、结构、温度控制等分系统不同的是它分为星上部分和地面部分，只有二者结合在一起才能成为一个有效的、完整的功能系统。
随着空间技术的迅速发展，对卫星无线电测控的需求愈来愈高，卫星遥测的数目已多达上千条，并发展了可编程遥测、分包遥测，星上摇控指令也多达数百条以上，并能向星上注入大量的程序数据，发展了各种抗干扰编码措施，保密指令，分包遥控等，随着微处理器在星上的应用，卫星遥测遥控已采用星上计算机，通过总线控制多个星上远置单元，远置单元进行信息采集和指令执行控制，这样把遥测遥控统一起来，并且在信通上与跟踪测轨结合成统一系统。
1.2 卫星无线电测控基本原理
卫星无线电测控是信息系统，和其他信息系统一样，符合信息论所描述的信息传输系统的基本模型，信息传输系统基本模型如图4-1所示。
图 1 信息传输系统基本模型
对于卫星无线电遥测，其模型如图4-2所示。
图 2 无线电遥测系统基本模型
对于卫星地线电遥控其模型如图4-3所示
图 3 无线电遥控系统基本模型
由图4-2、图4-3可见卫星无线电测控的信号传输部分与一般通信系统一样，其区别在于终端部分的功能。而且遥测、遥控的星地部分功能二者正好相反。遥测在星上部分为发射机而遥控在星上部分为接收机。由于卫星任务有很大差别因此不同卫星的测控有很大的差别小，例如卫星轨道还有中低轨道卫星、静止轨道卫星、月球轨道和深空轨道等。中低轨道卫星，考虑星地空间传输距离为数千公里即可，静止轨道卫星则传输距离需要考虑四万公里，而对于月球轨道则考虑40万公里，对于深空控测则需考虑数百万公里以上。传输距离的巨大差别，使得卫星测控信道的接收与发射有不同的要求，此外在信号传输方式上也有各种不同的方式，例如对于月球探测的测控，除了采用最有效的抗干扰偏码方式，弱信号低噪声的接收方式等以外，还采用了低速率的窄带信息传输，延长传输时间以弥补低速率传输条件下的信息量小的缺点。同时借助多种测控手段提供测控的精度。
图 4 无线电跟踪测轨基本形式
由于卫星在非机动飞行时绕地球的轨道运动遵循着开普勒方程。因此对卫星段时间的跟踪测量在已知初始轨道后仅靠测速、测距、测角三者中任一个、二个，或者全部，都可计算或改进计算卫星的轨道，当然计算出卫星轨道的精度是不一样的。对于低轨卫星，现阶段均可以利用导航接收机的进行测定轨，除了输出卫星的位置外，还可以对卫星的轨道参数进行计算。因此在测控系统设计时，测控应答机一般都不要求测距功能，大大简化了测控单机的设计。
国家工信部、国防科工局于2019年印发《遥感和空间科学卫星无线电频率资源使用规划（2019-2025年）》的通知 ，对商业卫星无线电测控频率进行了指导，鼓励遥测和数传分时复用，提供频率利用率。在频率的使用和规划上提出了4点意见，主要内容如下：
探测频率应使用《无线电频率划分规定》中的卫星地球探测（有源/无源）、空间研究（有源/无源）等业务划分的频率。
对于搭载大气探测传感器以及微波探测传感器、辐射计等无源传感器的遥感卫星，应根据卫星地球探测（无源）、空间研究（无源）等业务的频率划分，结合探测对象的物理特性选择可用频率。
数传频率应使用《无线电频率划分规定》中卫星地球探测业务、星间业务、空间研究等业务划分的频率。对于大气探测卫星，除上述业务外，还可在卫星气象业务中选取使用频率。
（1）L频段及以下频段测控频率主要用于寿命周期短（一般不超过12个月）、站位置单一、开机时间有限的技术试验卫星以及其他遥感和空间科学卫星测控频率的备份；
（2）S频段测控频率重点保障国家卫星测控任务，兼顾商业卫星的发射、入轨、在轨维护、应急管理等任务需求；
（3）X频段测控频率用于卫星地球探测业务和空间研究业务的测控。其中，将7190-7235 MHz频段规划用于保障探月工程等重大航天工程遥控频率使用，7235-7250 MHz频段规划用于商业遥感卫星，上述新增遥控频率对应的下行遥测业务可依托8025-8400 MHz数传频率传输信号；
（4）鼓励Ka、Q/V等更高频段测控频率的应用，主要用于适应未来大规模星座等复杂系统的测控任务需求。在轨道资源规划上，对于有部署在地球静止轨道上任务需求的遥感卫星，在轨位的选择上应结合使用频率、观测范围、协调态势等因素统筹分析、合理部署。对于部署在非地球静止轨道上的遥感和空间科学卫星，应结合任务需求、协调态势等因素综合考虑，合理选择使用极地轨道、太阳同步轨道以及月球探测轨道、火星探测轨道等。
第一种，USB/UXB/UCB（统一波段）测控模式中，其中USB应用更为广泛，UCB应用于中继测控居多，UXB主要应用于深空测控和商业测控领域。USB主要采用PM调相体制，早期的星载USB测控应答机采用二阶锁相接收机和调相PM发射机设计，采用模拟电路体制，受限于半导体器件工艺的发展，很多电路均在10.7MHz进行处理（10.7MHz很多电台和收音机用到过类似的器件），其电路结构复杂，模拟器件的参数一致性比较差，星载测控应答机的研制需要进行大量的调试和摸底筛选才能得到稳定的指标。自探月工程嫦娥探月一期的嫦娥二号开始，参照美国国家航空航天局(NASA)的深空网络(Deep Space Network, DSN)的设计，我国深空探测首次进行了X频段测控系统的验证，着力解决深空测控的测控精度，由S频段测控改为X频段测控，测距信号的频率进行由500KHz提升至100KHz，同时配合国家射电天文干涉测量技术，首次引入了VLBI进行高精度定轨，要求星上的测控设备能够产生同源的两个DOR（Differential One-way Ranging）单向差分测距信号，两种测控模式的单机构成存在最大的继承性。其主要技术指标如下：
第二种是统一扩频测控模式，属于CDMA通信的一种，该测控模式具备明显的抗干扰能力，具备一定的保密性，在扩频模式中测距采用了PN码扩频测距，测速采用了载波恢复环测速，测角采用了低载噪比的扩频跟踪接收机，遥测、遥控采用了扩频数字传输。用于扩频测控的系统，采用收、发扩频码时延进行距离测量，由于码钟频率较高，其测距精度可以做到很高。扩频测控系统的测速与统一载波测控系统相同，采用载波多普勒测速。对扩频测控系统来讲，不管是遥控指令还是注入数据、不管是遥测数据还是其他数据，均看作统一的数据流，采用虚拟信道的方式，利用数据打包再封装成帧进行传输（类似CCSDS标准）。采用扩频测控能带来很多好处，如抗干扰、防截获、抗多径、多址、伪码扩频测距等。我国该测控方式最早应用于北斗导航一代组网建设中，后为主流的测控模式，在频段上主要有S频段和Ka频段，2022年3月，商业航天公司银河航天发布了国内首台V/X频段多模测控应答机，除了解决测控频率资源问题，受限于V频段的器件和仪器等因素，对于卫星V频段测控的必要性和代价（性价比）不便评价，扩频测控的主要技术参数如下：
第三种为跳扩频测控模式，上述的扩频测控体制直接序列扩频技术由于其良好的抗干扰能力和更高的测距精度,在航天测控系统中得到了广泛的应用。随着空间电磁环境日益复杂,军事电子对抗技术的不断发展,测控链路的安全性逐渐得到重视,跳扩频测控系统正是基于抗干扰的需求而提出,混合跳扩频技术的引入是为了增强系统的抗干扰性能,因此，跳扩频将作为下一代J事测控通信的主流测控模式。
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项目 |
技术参数 |
备注 |
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S频段上下行频率范围 |
上行：2020~2120MHz 下行：2200~2310MHz |
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扩频方式 |
直接序列扩频(DS)+跳频（FH)； |
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通道 |
1路遥控+1路测距+1路遥测 |
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调制方式 |
PCM-DS-BPSK-FH |
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跳频点数 |
2048 |
典型参数 |
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跳频速率 |
20000Hop/s |
典型参数 |
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跳频间隔 |
40KHz |
典型参数 |
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直扩伪码速率 |
10Mcps |
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上行（TC+R）数据码速率 |
88bps； |
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多普勒范围 |
±8KHz |
高轨 |
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多普勒变化率 |
±0.5KHz/s |
高轨 |
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遥测数据码速率 |
1712bps； |
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接收机门限 |
优于-112dBm |
第四种，多模测控和测控数传一体化模式。随着商业航天技术的发展，商业卫星在测控模式上着手于频率资源的充分利用和降低系统设备的复杂性，测控和数传一体化模式将成为商业航天的主流测控模式，国内低轨卫星星座大部分采用X频段测控数传一体化模式，主流的测控数传一体机主要参数如下：
1.4.4 测控数传一体机主要技术参数
卫星无线电测控所涉及的学科和技术领域是非常广泛的，它除了包含有其它无线电信息系统所涉及的领域外，还包括了诸如非电量测量（传感器），雷达技术、超远距离信息传输等，因此卫星无线电测控具有多学科性、涉及面广，主要有以下方面：
1）通信技术：遥测、遥控在发展的早期已与多路通信技术紧密结合，发展了以频分和时分的多路遥测和遥控。数字通信技术的迅速发展也推动了卫星测控 以码分多址为基础的数字化通信领域。
2）微电子技术――微处理器和计算机：卫星测控早在20世纪八十年代采用集成路，现已大量采用超大规模集成电路，星上采用超大规模的微处理芯片，组成星上测控视频电路，以完成数据采集，编码译码，格式编排和贮存、数据判决和处理，指令校验和执行。在地面则要进行巨大数据量的计算，包括轨道计算、遥测处理，遥控指令的校验和比对等。星上和地面计算机的软件工作也随着计算机软件技术的发展，从汇编语言发展到高级语言。
3）超远距离传输：主要是低噪声，弱信号接收技术，包括低噪声器件、锁相技术。
4）微波技术：早期卫星无线电测控传输信号采用超短波现在均采用微波。
5）电波传输：地面与卫星之间的传输空间有大气层，对流层，电离层这些都影响到电波传输。例如对于微波电离层影响小但对流层、大气层影响大要考虑雨衰。电离层和对流层时起短波的传输影响很大造成测速、测距、测角误差。此外对于回收型卫星返回地面前卫星与其周围空气摩擦引起的火焰壳影响电波传输的问题（黑障区）。
6）天线技术：卫星测控收发天线，按照不同卫星的要求、发展不同频段的星上全向天线或赋形天线，此外发展地面高增益定向开线。
7）测量技术：星上被测物理量例如温度、压力、位移量、流量等非电量测量并变成电量，此外有些电量如微波功率、电流量、信噪比等要测量转换成可由遥测传输的电量。
8）记录显示技术：星上和地面，卫星无线电测控均有记录，回放要求，采用磁记录器，超大规模集成电路存贮器，磁泡存贮器，磁鼓、目前已有开始研究计算机硬盘存贮器用于卫星上。在测控地面站及测控中心还有各种显示器。
9）电磁兼容性技术：卫星无线电测控在卫星上具有大功率射频发射及弱信号接收，以及许多数字电路和模似电路。使用星上电源，并与其它卫星电系统安装在一起，电磁兼容性的设计与测试是特别重要的技术，是保证卫星无线电测控以及星上其它电系统正常工作的重要技术关键。
10）抗干扰差错控制与保密编码技术：卫星无线电遥测与遥控、采用了各种抗干扰差错控制的编码技术、采用了检错码，纠错码，以及近二十年来采用的以卷积码和RS码组成的级联码，使通信的效能大大提高，此外为了提高卫星指令控制的安全性，发展了保密编码技术。
11）精密机械和伺服控制技术：地面天线技术，包括大型地面天线伺服跟踪、涉及到精密机械和伺服控制技术。此外星上磁记录器、传感器、星上跟踪天线（卫星天线跟踪中继卫星天线）均是具有高要求的精密机械技术和控制技术。
人类把卫星送入空间运行轨道，首先要发展运载火箭，在多级运载火箭研制成功的基础上发射人造地球卫星。所以卫星的无线电测控首先是由运载火箭测控借鉴过来，但是人们很快就注意到卫星与运载火箭的巨大差别，特虽是应用卫星对测控的要求与运载火箭有着非常明显的不同。因此，从上世纪60年代开始卫星无线电测控就走上了按自身的特点走上发展之路。
中国1970年发射的第一颗人靠地球卫星以及早期发射的卫星，其跟踪测轨方式是和运载火箭相类似的方式，星上装有与运载火箭相似的设备，而地面则利用跟踪运载火箭的雷达设备。中国的第一颗人造地球卫星装有单脉冲5公分（波段）应答机和10公分信标机，此外还安装了一台专为卫星多卜勒测速用的超短波（202兆赫）信标机，与5公分应答机相应的地面设备是5公分单脉冲雷达，为了引导雷达天线指向，利用一个园锥扫描的引导雷达，其天线波束较宽可以容易捕捉到飞行的卫星目标，即捕捉到10公分信号标机发来的信标，进行跟踪接收，并引导5公分单脉冲雷达的窄波束天线跟踪捕获卫星目标，在星上5公分应答机的呼应配合下，能实时获得卫星相对地面站的方位角，俯仰角及卫星与地面站之间的距离。仅靠单个雷达站即能实时确定卫星的初始轨道，中国早期卫星采用202兆赫信标机，此频段受电离层影响很大，定轨精度不高。
美国在二十世纪60年代初在子午仪等卫星采用了双频多卜勒测速方式，双频分别为150兆赫和400兆赫频率比为8比3。利用它们通过电离层不同的路径，经过计算以降低电离层的影响。中国在上世纪70年代中期发展了双频多卜勒测速定轨，频率采用180兆赫和480兆赫，频率比仍为8比3。特别要指出的是美国发展的双频测速定轨系统与卫星遥测系统结合在一起，即星上遥测发射机也就是多卜勒测速信标机。在地面站、遥测接收机也兼作多卜勒测速接收机，形成了下行无线电信道的综合系统。卫星测控的发展时期正处于脉冲和数字电路，半导体电路，集成电路的发展时期，卫星遥测比火箭导弹遥测精度要求高，卫星遥控指令数大大增加，卫星测控自二十世纪60年代初采用编码（数字）方式、通信中抗干扰编码的理论和工程应用包括各种电路被引入到卫星测控技术中，此外由于远距离、弱信号的接收，发展了锁相技术，相应在遥测、遥控的载波调制技术上也由原来以频率调制为主转为以相位调制为主。
上世纪60年代是美苏两国在航天领域竞争剧烈的年代。航天活动频繁、各种航天任务不断涌现，促使卫星测控技术的迅速发展。60年代后期美国研制了阿波罗统一S波段测控系统和戈达德统一S波段测控系统，分别完成了登月飞行及深空控测任务，70年代欧州也发展和采用了统一S波段测控系统。中国在70年代末为地球同步轨道通信卫星――东方红二号研制了统一C波段测控系统。
上世纪70年代中期，随着中、大规模集成电路特别是微型计算机的迅速发展和应用，使空间飞行器的技术水平跨上一个台阶、卫星遥测遥控的视频数字电路以及跟踪测轨中的测距码电路的采用了中、大规模集成电路，并逐步采用微处理器来完成各自的功能。到70年代末、微处理器芯片已发展到超大规模，并能完成更多的计算任务。随着空间飞行器任务的多样化和复杂化，星上各系统之间需要在星内相互交换数据和状态信息，还包括故障诊断和系统重组，整星或分系统的自主控制。星上可以根据状态条件及获取的信息自主判断发出各种指令，也可以接收地面注入的数据（通过上行遥控通道）执行控制程序或修改原有程序。因此，需要在星上建立一个“数据总体”来管理和承担这些工作，欧州空间局（ESA）在80年代初便制定了有关数据标准，并在EXOSAT（X－Ray Obser vation ）科学试验卫星上首次采用数据管理分系统（OBOH－On Board Data Handling），该卫星于1981年发射，随之美国和日本也相继采用了OBOH但也有称之为DMS（Data Management System）。因此到了80年代，卫星测控已不仅仅是S波段统一测控，即不仅仅是在射频上统一，就是视频也都统一到OBOH上，这是卫星测控的又一次革新。中国自70年代末已分别在遥测系统及姿态控制系统中采用微处理器，在80年代中期开始研制OBOH。
随着美国载人航天及侦察卫星任务的发展，美国航空航天局（NASA）感到靠多设地面站和测控船以增加对航天器和卫星的测控覆盖范围，不仅耗费大量人力物力并且会引发许多意外事件，例如设在国外的地面站会因战争或政治事件而关闭甚至撤消。最主要的问题是多设地面站也难以解决空间飞行器的全部轨道的实时测控和数据接收。例如60年代前期的美国水星计划和双子星座计划，均是载人飞行，为了解决测控覆盖。采用了低倾角飞行轨道，NASA沿地球赤道附近布置了十余个地面站及多个测控船队，即使如此仍不能覆盖全部飞行轨道。美国自50年代末到80年代初的20多年时间内，在世界各地建立了许多跟踪与观测站，遥测与遥控站，数据接收站等，总计约有400个之多，但对航天器和卫星的跟踪测轨，遥测、遥控的覆盖率仍不是15％，特别是80年代后，高数据率的应用卫星升空入轨，它们要求连续跟踪和连续高码速率数据的实时传输，这些是目前地面站都难以实现。对于载人飞行和空间站；要求能实现全轨道跟踪、监测，并具有对机动飞行、交会、对接、分离提供高精度的轨道和姿态信息。对于对地观察卫星（包括侦察卫星）则希望能实现全轨道飞行的高码速率数据传输。
为解决这些技术上和实施上的困难，在80年代发展了二方面的工作，一是发展数据中继卫星系统和全球定位系统；二是在世界范围内寻求全面的合作；前者是发展天基系统，即是将地面的多个地面站组成的测控网搬到空间去；后者则是希望通过一个组织制定标准，把各国的测控网组织起来，对航天器和卫星使用一个共同的数据系统标准，同时又不影响各自的秘密，遥测和遥控可以打成数据包在其他国家的地面站接收或发送，这样可以利用世界上各国建立的地面站和测控网进行国际间的相互支撑和合作。
数据中继卫星系统和全球定位系统，是利用空间高远的位置这一空间资源的卫星，它具有收发高码速率数码（包括遥测、遥控数据）或者发送定位信息的卫星，它们组成网后可对中低轨道卫星进行实时数据传输，测控和跟踪测轨。
1986年美国发射并组网的跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）实现了对用户星的跟踪测轨、遥测、遥控以及进行数据传输。此外，在80年代末美国和苏联分别组成的全球定位系统GPS和Glonass，就是以多颗星座在空间的组合，使地面用户（这是主要的用户群）或中低轨道卫星根据此全球定位系统的信息确定自己的位置。对于卫星来说，则是利用此定位系统完成勒卫星自身的跟踪测轨。
1982年开始从NASA、ESA等空间组织发起成立了空间数据系统咨询委员会（ConsultativeCommittee for space Data System）即CCSDS开始致力于空间数据系统的标准化工作包括数据处理、分类和传输；标准化的通信体系结构、协议和业务。这种标准化工作的宗旨在于当未来的空间通信网以及未来的空间任务中采用这些标准，可使重复性开发工作降至最低。最主要的是在卫星或飞行器执行任务期间可以相互支持、地面站资源共享、可以在别人的支持下取得数据包或向卫星发送数据包，这样CCSDS的工作使卫星测控开辟了一条新的道路。跟所有行业一样，标准的制定对于规范行业推动行业的发展起到了决定性的作用。因此，建议商业航天产业中测控技术设备的开发应在CCSDS的框架下，兼容CCSDS中的AOS协议，具备可以持续的国际化视野。
国外商业卫星测控/数据接收站数量众多、分布广泛，为火箭发射和卫星在轨运行提供全部或部分服务，例如，2023年9月NASA声称KSAT和SSC满足了其36%的服务需求，后续还将接受更多的商业服务。商业测控站网的市场参与者以私营企业为主，主要包括：
美国：美国通过多个商业和私营企业构建了全球覆盖的地面站网。例如，亚马逊的AWS Ground Station计划通过其全球数据中心网络，提供卫星测控服务，直接将卫星数据传输到云端。AWS Ground Station（美国）：依托亚马逊全球的云服务网络，为卫星提供低成本、按需使用的测控服务。SpaceX：虽然SpaceX以火箭发射著称，但其Starlink网络也在卫星通信和数传领域逐渐扩大服务，提供自建站网支持。
欧洲：欧洲的KSAT（Kongsberg Satellite Services）已经在全球建立了一个强大的测控站网，包括多个位于极地、赤道等关键地理位置的站点，能够覆盖极轨和低轨卫星的实时测控需求。KSAT（挪威）：全球覆盖最广的地面站服务提供商之一，拥有超过200个地面站，能够支持LEO、MEO和GEO等各类卫星任务。SSC（瑞典空间公司）：提供全球卫星测控、任务规划和数传服务，拥有众多地面站点，并为多个商业卫星客户提供服务。
亚洲：亚洲地区也有一定布局，如中国、日本、印度等国家逐步建设起覆盖区域性甚至全球的地面测控站。
国外商业卫星测控/数传站网的技术能力不断提升，主要表现在以下几个方面：
高频段通信：为支持越来越高的数据传输需求，地面站网逐步向Ka、Ku等高频段发展。这种高频段技术支持更高速率的数传链路，实现卫星与地面之间的大量数据传输。
自动化与智能化：许多测控站网已经实现了高度的自动化和远程控制，减少了对人工操作的依赖，并且可以通过软件定义的方式进行升级和维护，提供灵活的服务。
云端集成：像AWS Ground Station这样的平台，将测控任务与云计算服务集成，使卫星数据能够通过云平台进行处理、存储和分发，这种方式加速了卫星数据的获取与应用。
随着卫星产业的快速发展，商业卫星测控/数传站网也呈现出一些新的发展趋势：
低轨卫星网络扩展：随着低轨卫星星座的普及，更多的低成本、分布式地面站正在建设。这种趋势尤其体现在如SpaceX的Starlink和OneWeb等大型星座项目中，它们依靠分布广泛的地面站网来支持大规模卫星群的运作。
软件定义地面站：未来地面站网会越来越多地采用软件定义技术，增加灵活性和可扩展性，使得地面站能够通过软件升级适应新兴的通信标准和频率。
新兴市场的进入：如澳大利亚、南美洲、非洲等新兴市场也在积极建设或引入商业卫星测控服务，以支持本地区的卫星通信需求，这种全球化扩展将进一步降低卫星运营的成本。
频谱资源竞争：随着全球卫星网络的密集部署，频谱资源的竞争变得激烈，尤其是在高频段，多个国家和公司争夺有限的频谱资源可能会导致卫星通信的干扰和限制。
数据安全与隐私：跨国界的卫星测控站网可能面临数据传输的隐私和安全问题，尤其是当卫星数据涉及敏感行业或政府领域时，数据加密和安全审查成为重要议题。
本文整理和分析了国外9个主要提供地面站服务的公司（瑞典SSC，美国AWS、Azure Orbital、RBC Signals、Atlas Space Operations、Viasat、挪威KSAT，意大利Leaf Space和日本Infostellar）的测控站分布、天线数量、设备类型、工作频段、服务模式、服务能力、管理的卫星和计费标准等，力争对它们提供的服务、使用的技术、管理的卫星、获得的收益和未来的发展方向等进行全面了解。
2.1 亚马逊AWS GSaaS地面站服务
2018年11月AWS开始提供地面站即服务（GSaaS），当时它有2个地面站，计划到2019年在全球有12个站，它按需提供卫星地面站服务。使用 GSaaS 产品，客户可以通过简单的 Web界面在地面站上安排和预订时间。AWS负责协调地面站调度与卫星轨道和位置的复杂后勤工作。一旦安排了地面站，客户就可以通过安全、低延迟的数据传输链路实时访问卫星传输的数据。
AWS的GSaaS服务对象包括LEO、NGSO和MEO轨道卫星，AWS与世界各地的卫星地面站运营商合作，为客户提供一系列地面站位置选项，客户可以根据卫星轨道、数据延迟要求和法规遵从性等因素选择地面站的位置。
2.1.1 测控站位置和工作频率
AWS GSaaS的地面站位置如图 1所示，截止到2023年共有12个站，具体为美国俄勒冈、俄亥俄、夏威夷，中东巴林、欧洲斯德哥尔摩、爱尔兰，南美洲蓬塔阿雷纳斯，亚太地区悉尼、首尔、新加坡，非洲开普敦。
图 1 2021年AWS 地面站全球分布
AWS测控站的工作频率为S频段上行（2025 - 2120 MHz）和下行2200 - 2300 MHz、X 频段（7750 - 8400 MHz）窄带和宽带下行，最高支持 54MHz 的窄带上行传输速度和 500MHz 的下行传输速度。
2.1.2 服务模式
（1）计划
AWS的GSaaS提供两种服务模式：预订和按需。预订模式下用户提前 21 天预订跟踪服务，并可在跟踪前1天重新计划；按需模式用户最早可提前7天、最晚提前15分钟计划，不能进行重新计划。图 2是AWS GSaaS的计划界面。
图 2 AWS GSaaS服务界面
（2）操作和数据传输
AWS提供了云服务，使用需要在云上根据AWS提供的事例，调用相应的服务，关键AWS服务包括Amazon EC2、Amazon S3、Amazon VPC、Amazon Rekognition、Amazon SageMaker和Amazon Kinesis Data Streams。用户利用Amazon EC2进行数据实时收发，使用Amazon S3 存储已下载的数据，使用 Amazon Kinesis Data Streams管理从卫星接收的数据，使用Amazon SageMaker构建适的数据集的自定义机器学习应用程序，这里具体介绍EC2和S3。
1）Amazon EC2
Amazon EC2提供实时数据同步交互传输功能，如图 3所示，Amazon EC2 实例以运行每部分联络，启动 Command EC2实例来接收卫星操作遥测和对卫星发令。利用Downlink EC2实例以近乎实时地从卫星中接收批量任务数据，或异步接收Amazon S3存储桶中的数据。EC2实例将通过联络期间所存在的 Amazon VPC中的弹性网络接口 (ENI) 连接与AWS Ground Station的天线网关进行通信。
图 3 EC2测控数据双向传输流程
2）Amazon S3
Amazon S3数据异步交互传输功能，来自卫星的数据使Amazon S3事例存贮和提取，Amazon S3传输数据仅适用于向下链接来自卫星的数据；无法将数据从 Amazon S3上行链路到卫星。
图 4 S3数据单向传输流程
（1）传统地面站下行链路架构
传统体制下的地面站结构如图 5所示，天线系统接收来自卫星的射频信号并将其发送到调制解调器。调制解调器将模拟射频信号解调为数字流，然后传递到前端处理器进行帧同步、错误解码和预处理。预处理后的数据最终被传送到下游特定于任务的软件应用程序，例如任务控制中心（MOC）或有效载荷数据处理器。
图 5 传统地面站结构
（2）软件无线电体制
基于软件无线电体制地面站结构如图 6所示，由天线、硬件DAC/ADC、软件定义无线电和前端处理器以及任务运营软件后端组成，目前仅仅适用于下行链路。图中 ADC对从天线系统接收的模拟射频信号进行数字化或采样，以产生数字射频流或digIF数据。软件定义无线电（SDR）对digIF数据进行解调和解码，软件FEP完成帧同步、错误解码和预处理，其方式与传统架构中专用硬件中的对应物类似。
借助宽带 DigIF，卫星运营商可以使用他们选择的SDR在其Amazon Virtual Private Cloud（Amazon VPC）中执行数据解调和解码，从而提高对下行链路数据的控制力和灵活性，客户可以在 AWS的计算服务上部署SDR和FEP产品，以及他们的任务运营中心解决方案，并从云中托管整个端到端地面段架构中受益。
图 6 软件无线电体制结构
（3）数据传输流程
AWS Ground Station可采集、解调和解码来自卫星的下行链路信号。使用 AWS Ground Station的Amazon S3数据传输功能，数据可在几秒钟内传输到 Amazon S3存储桶。AWS Ground Station采集下行链路信号并将其数字化，然后在几毫秒内将数字化流传输到 Amazon EC2实例。Amazon EC2实例托管SDR。SDR对数据进行解调和解码;然后，数据存储在 Amazon S3中或流式传输到托管在云中或本地的任务控制后端。卫星运营商可以选择使用 AWS Ground Station 或第三方天线系统。AWS Ground Station 提供将射频信号数字化作为托管服务的一部分的功能，而第三方地面站可能需要引入能够在模拟和数字射频域之间进行转换的数字化仪。
图 7画出了数据从卫星到用户的流程，其中用户可以用实例EC2或实例S3进行数据收、发，图中digIF 流传送到用户指定为数据传输区域的AWS区域，采用VITA-49、UDP、速率7Gbps，传输到EC2实例的AWS地面站代理，地面站代理再采用VITA-49、UDP、速率7Gbps传输到Amphinicy Blink解调器，用户还可以VITA-49数据中的SDR监视参数，如图 8所示。
图 7 DigIF X 波段下行链路
图 8 VITA-49传输解调器眼图
目前AWS的GSaaS提供软件无线电服务的地方只有北美夏威夷、俄亥俄州、俄勒冈州，非洲开普敦，欧洲地区爱尔兰、斯德哥尔摩，亚太地区新加坡、达博和中东巴林。
2.1.4 服务价格
根据数据带宽和按需/预订服务定价，带宽小于54MHz为窄带，带宽大于54MHz为宽带，预订服务要求用户每月至少使用600m时间，具体价格如下：
（1）窄带
按需服务10美元/分钟，按此计算，一圈8分钟，按需服务80美元（约576人民币）；预订服务3美元/分钟，按此计算，一圈8分钟，预订服务24美元（约170人民币）。
（2）宽带
按需服务22美元/分钟，按此计算，一圈8分钟，按需服务176美元（约1260人民币）；预订服务10美元/分钟，按此计算，一圈8分钟，预订服务24美元（约576人民币）。
AWS的GSaaS为Maxar、BlackSky、Capella 和D-Orbit等公司提供服务。
2.2 Leaf Space公司
Leaf Space成立于2014年，人员来自米兰理工大学，总部位于意大利洛马佐，Leaf Space号称第一个提出了GSaaS概念，Leaf Space由RedSeed Ventures、Whysol Investments和Primo Space资助，2023年7月获得2千万美元投资，自2020年以来，其核心业务收入同比增长3倍。
2.2.1 测控站
截止2023年11月，Leaf Space在全球13个地方有17个站，天线口径3.7m～5.5m，这些站主要分布在欧洲和澳大利亚，如图 12所示，工作频率U/V、S、X。Leaf Space主要使用Orbit公司的GAIA 100测控设备，Orbit是全球领先的机载通信和卫星跟踪、海上和地面站以及新型空间解决方案提供商。
另外，Leaf Space还有2个专用测控站支持UHF、S、X、Ku、Ka和Q/V频段。其主用设备的主特点：天线跟踪没有奇点，支持从L到Ka频段；单个站跟踪太阳同步卫星20圈/天、中倾角卫星18圈/天，赤道附近卫星14圈/天；数传速率
1.2 kbps～1.2Gbps；传输协议采用CCSDS support、DVB-S2和用户自定义
图 12 Leaf Space测站分布
2.2.2 数据传输
用户与地面站之间的数据传输网络采用网络云引擎（NCE）服务，如图 17所示，网络云引擎是一组在云中运行的微服务，用于编排地面站网络的整个活动，并从用户的角度抽象其操作，无需直接管理每个地面站和基带设备的运行，整个地面站网络使用单一接口，NCE是由Leaf Space公司100%内部开发和维护，与云服务提供商无关。
图 17 Leaf Space数据传输途径
2.2.3 计费标准
按时时间（分钟）收费，分为两个档次：10Mbps以下和10Mbps以上，量大优惠。
2.2.4 站网调度系统
Leaf Space开发的调度规划软件为数十个天线和数百颗卫星来进行站网规划，调度器将直接来自用户的任务约束作为输入，将它们与整个网络上所有活动卫星的可用跟踪圈次相结合，然后运行优化以提供始终满足约束的 72 小时移动窗口计划。
图 18 Leaf Space 调度系统
2.2.5 服务的卫星
截止到2022年11月，Leaf Space为60个以上的卫星提供服务，到2023年7月，已经为80个卫星提供服务，从2023年开始，首次月跟踪圈次大于1万次，如果按17个天线计算，一个天线每天跟踪约20圈。下面是2个卫星测控的例子。
2022年2月3日Leaf Space宣布，它已与来自SpaceX最新的Transporter-3拼车任务的五个不同客户的所有13颗卫星建立了成功的通信，包括D-Orbit、NanoAvionics、Kepler Communications、Sen和Fossa Systems，客户能够在部署后的短短几个小时内与他们的卫星联系，完成LEOP和在轨测试的测控支持。
2022年11月3日Leaf Space宣布，它已经成功完成了为期两个月的地面运营，以支持AST SpaceMobile Inc. 的BlueWalker 3卫星。BlueWalker 3是AST SpaceMobile的原型卫星，旨在将天基蜂窝宽带直接提供给未经修改的移动设备。BlueWalker 3是Leaf Space测控的第一个大卫星，之前都是小卫星。
4 瑞典空间公司（SSC）
瑞典空间中心（Swedish Space Corporation，SSC）创建于1972年，它的卫星运营部提供卫星监控、地面站、卫星通信港等服务，支持航天器LEOP、退役和日常运营服务，包括异常处理， 24/7全天候支持卫星和地面段的运营，它的操作中心环境如图 20所示。它的SSC CONNECT地面站网络功能适合从LEO到月球及更远的所有任务类型、规模和轨道。它除了利用自有的10个站提供服务外（多于21付天线），还与其它公司的11个站点合作，提供全球覆盖服务，每天跟踪圈次超过300圈。另外，SSC还托管 100 多个客户的天线。
当前SSC的天线都是抛物面机械天线，2023年9月22日，SSC获得了美国国家航空航天局（NASA）的能力研究合同，以展示其相控阵地面系统，说明它有后续发展地面相控阵系统的计划。
图 20 SSC操作中心
SSC为近地卫星服务提出了“Kinuvik”概念，即将靠近北极的加拿大伊努维克和基律纳埃斯兰奇航天中心的地面站虚拟成一个北极站运行，可以为近地卫星提供圈圈可见的效果，同时还延长了每圈的测控时长，在具体应用上用户不用关心具体使用哪个站。
4.1 工作频率
SSC测站使用的频率：（1）S频段上/下行测控 ；（2）X下行数据接收；（3）有一个站具有X上/下行测控能力；（4）有一个站具有Ku上/下行测控能力。
4.2 站点数量和分布
（１）自有站
SSC 在全球运营着自有的10个地面站，分别是美国佛罗里达半岛的克莱维斯顿卫星站、阿拉斯加北极卫星站、夏威夷南角卫星站，瑞典埃斯兰奇航天中心站、奥杰斯塔站，加拿大伊努维克，智利蓬塔阿雷纳斯站、圣地亚哥站，西澳大利亚卫星站，泰国西拉查卫星站，它们的分布位置如图 21中的标注，其中奥杰斯塔站是通信站，其它9个测控站每天可以提供300圈以上的跟踪圈次，平均每个站跟踪33圈以上。
图 21 SSC自有站和合作站全球分布
（２）合作站
SSC 还与其它公司的11 个站合作，分别是南极洲奥希金斯，意大利 Fucino，德国Weilheim， 西班牙马德里、Maspalomas，南非Hartebeesthoek， 印度班加罗尔，日本北海道、冲绳，美国肯塔基州和拉托维亚，如图 21中的标注。
图 22 SSC的10个自有站
图 22SSC10个自有站中的9个具备卫星测控能力，1个具备通信功能，这些站点共有21付以上的测控设备，最小口径7.3m，最大口径13m。
4.3 管理的卫星和火箭测控情况
SSC为欧空局提供卫星运营服务，管理的有星际卫星、地球卫星和火箭发射测控，具体如下：
（１）星际卫星：当前的Cluster-2、BepiColombo、MarsExpress、ExoMars TGO、Juice 和 Solar Orbite；未来的Hera，MSR-ERO和ExoMars RFM
（２）地球卫星
2019年4月瑞典航天公司（SSC）和空中客车公司签署了一份合同，为新的Pléiades Neo超高分辨率地球观测卫星星座提供SSC地面段支持服务，SSC将为发射和早期轨道阶段（LEOP）提供全面的地面部分支持，并在运行段遥测、跟踪和控制以补充空中客车公司的直接接收站（DRS）以及空中客车SpaceDataHighway中继卫星系统，星座每天可以进行60次任务和下载；后续哨兵卫星任务，从早期运营准备阶段到过渡到常规运营的活动，包括对 CO2M、CRISTAL、ROSE-L、CIMR、CHIME 和 LSTM 任务的发射和早期轨道阶段的支持
（３）火箭发射测控
2023年10月9日SSC为从法属圭亚那库鲁发射的泰国 0.5m高分辨率地球观测光学卫星THEOS-2提供发射测控服务；2023年7月5日SSC为从法属圭亚那库鲁发射的德国新型通信卫星H2SAT提供发射测控服务；
5 ATLAS Space Operations公司
ATLAS Space Operations是一家总部位于美国的公司，成立于2015年，ATLAS利用它自有的地面站和软件平台Freedom为卫星和火箭发射、LEOP提供测控和数据接收服务，ATLAS还在建设第一个商用深空通信网络，以补充LEO和GEO服务能力。ATLAS为商业和政府服务，60%是民用，其中国家海洋和大气管理局是该公司最大的客户，40%是军用。
5.1 测控站
ATLAS在全球维护着一个由 37 个天线组成的网络，如图 23所示，分别位于美国新墨西哥州阿尔伯克基、华盛顿州布鲁斯特、佛罗里达州迈阿密、加利福尼亚州莫哈韦、Utqiagvik、关岛Harmon，芬兰Sodankylä，澳大利亚Mingenew，苏格兰邓迪，阿拉伯联合酋长国Dubai，日本千岁，新西兰Awarua，法属波利尼西亚塔希提岛，澳大利亚Mingenew和加纳Sunyani。表 3是ATLAS Space Operations地面站参数，可以看出，这些站的天线口径以3.7m为主，最大口径9.3m。工作频率S和X，支持的最高速率为1.5Gbps。
除了自己的站外，ATLAS还与Viasat RTE的12个天线合作，Viasat RTE 网络中的大多数天线长度为 7.3 米；ATLAS也与AWS的11个天线合作。
图 23 ATLAS 地面站分布
图 24 ATLAS关岛和西亚塔希提岛站
表 3 ATLAS 地面站参数
图 25是 ATLAS 地面站操作界面，ATLAS服务的另一个独特之处在于，它可以向用户提供天线实时健康状况，使他们能够快速决定如何解决问题。另外，ATLAS的软件和天线网络还可以在卫星出现故障时为卫星运营商提供“路边援助”，因为ATLAS使用无源射频检测，可以确认某种类型的信号活动，即航天器是否在按其频率发射信号。
图 25 ATLAS 地面站操作界面
5.2 云服务
地面站与ATLAS的 Freedom（FPS）软件平台连接如图 26所示，Freedom Pass服务器与客户之间通信基于VPN采用TCP协议。FPS使ATLAS客户端能够通过抽象化硬件差异来与来自不同地面站点的各种调制解调器进行交互，将ATLAS自己的天线和第三方天线集成到Freedom软件中，例如它集成7家不同的天线供应商（Comtech、Organal和Orbit Systems等），5家基带供应商、4家上/下变频器供应商和众多射频开关、HPA、数字化仪等，它的客户的指挥和控制系统（C2）专为KRATOS框架格式而设计，还能够使用 Amergint Technologies 调制解调器执行命令和遥测。ATLAS还与AWS Ground Station联手，利用Freedom使用AWS Ground Station。
图 26 Freedom 连接各系统
用户连接到单个云API来安排天线时间，执行遥测、跟踪和命令（TT&C），接收数据，当硬件发生变化时，API保持不变，图 27画出了ATLAS基于Freedom的服务流程。
图 27 ATLAS 服务流程
图 28 ATLAS 系统结构
5.3 任务规划和测控系统
ATLAS Space Operations 与Quindar合作，在其Freedom云平台上集成Quindar的基于云任务管理系统，Quindar系统允许客户设计他们的星座轨道，利用它的测控系统在地面测试卫星，规划地面站测控计划，并实现跟踪过程对卫星发令和监视自动化。
图 29 ATLAS任务规划界面
5.4 服务的卫星
2017年，Atlas与美国国家海洋和大气管理局（NOAA）签署了一份价值数百万美元的合同，以支持该机构在多年期限内的国家环境卫星数据和信息服务（NESDIS）任务，自由平台获得了政府的主要认可。从那时起，Atlas报告说，到2022年底它已经为NOAA完成了52,000圈跟踪，可用性超过98%，延迟低于26秒，这一壮举在当今竞争激烈的地面系统市场中脱颖而出。2021年3月，ATLAS为Astroscale、LinaSpace和日本Axelspace等卫星提供测控服务。
KSAT与公有云平台服务商合作在远程站点提供边缘计算解决方案和数据访问，并提供高度安全的私有云。
2022年KSAT为GHGSat的5颗温室气体监测星座提供卫星操作和星座控制，为Satellogic提供服务测站，同年，KSAT被选为NOAA-15、NOAA-18和NOAA-19提供地面站服务的三个商业公司之一，这是首次NOAA从传统的政府拥有的地面控制系统过渡到基于混合云的商业运营的尝试。
2023年KSAT统计，它的280多个天线每月跟踪85000个圈次，算下来平均一个天线一天跟踪约10圈，与2022年相比，测站的利用率明显增加。
另外，这两类公司还提供测站托管服务，例如SSC托管了其它公司的100多付天线，Infostellar为Planet在北海道建立上行站。
1）Azure Orbital --按照预订和按需服务，临时按需服务10美元/分钟，长期预订服务3美元/分钟，不分高速还是低速；
2）AWS --除了按照预订和按需服务分类外，还按带宽分类收费，带宽小于54MHz为窄带，收费与上面Azure Orbital一样，带宽大于54MHz为宽带，按需服务22美元/分钟，预订服务10美元/分钟；
原文始发于微信公众号（太空安全）：国外商业卫星测控站网现状
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