卫星测控科普之无线电测控技术概述

   无线电通信（radio communications）是将需要传送的声音、文字、数据、图像等电信号调制在无线电波上经空间和地面传至对方的通信方式，利用无线电磁波在空间传输信息的通信方式。

   利用“电”来传递消息的通信方式称为电通信，电通信一般可分为两大类：一类称为有线电通信，一类称为无线电通信。利用无线电波传输信息的通信方式即称为无线电通信，它能传输声音、文字、数据和图像等。与有线电通信相比，不需要架设传输线路，通讯距离远，机动性好，建立迅速；但传输质量不稳定，信号易受干扰或易被截获，易受自然因素影响，保密性差。

 2.无线电通信起源

   1873年,英国物理学家J.C.麦克斯韦在其《电学和磁学论》一书中，总结和发展了19世纪前期对电磁现象的研究成果，从理论上证明了电磁过程在空间是以相当于光的速度传播的，光的本质是电磁波，从而建立了电磁理论。1887年德国物理学家H.R.赫兹在实验中发现了电磁波，验证了麦克斯韦的电磁理论。电磁理论的建立和电磁波的发现，为无线电通信的产生创造了条件。1895年俄国物理学家A.C.波波夫和意大利物理学家G.马可尼，分别成功地进行了无线电通信试验。

3. 卫星无线电测控

   自1957年第一颗人造地球卫星成功发射以来，空间技术成为发展最为迅速的技术学科之一，并推动了经济和军事的巨大进展、空间飞行器无线电测控作为空间技术的基础技术在飞行器发展的历程中具有不可替代的作用。因为卫星在随着运载火箭发射空后，人们在地面要及时了解卫星运行轨道及卫星各分系统的工作情况和各种工程参数，同时还要在地面对卫星飞行轨道、姿态以及各分系统工作状态进行控制。由于卫星通常是通过无线电信道来完成测控信息的传递任务，因此称之为卫星（或空间飞行器）无线电测控。

   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。

4.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4-1    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4-2    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4-3  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4-4 无线电跟踪测轨基本形式

 卫星无线电跟踪测轨从功能来说有测速定轨、测角定轨，测距定轨等。卫星上有信标机或者应答机两种不同形式，星上采用较为简单的信标机，地面可利用卫星与地面站间相对运动而产生的多布勒频率变化测出二者间的相对速度，在地面设置两台接收机分别接收信标机发出的无线电波到达此两接收机的往差，而得到卫星相对于两接收机联线的角度，或者利用窄波束天线，波束方向对卫星从而测出卫星相对于地面站的角度，星上采用应答机，可以接收地面需达发来的信号并且转发回去。将地面发来的稳定频率信号（载波信号）转发回去，在地面获得来回双程多布勒频率变化从而获得比单程多布勒频率变化更为精确的卫星速度数据，将地面发来的测距信号（调制在载波上）转发回地面站，地面根据发送和接收到测距信号的相位差获得卫星与地面站的距离，同时应答机本身也具备信标功能。

   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。

5.卫星无线电测控频率规划

   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：

   1.探测频率的使用规划

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。

对于搭载合成孔径雷达、云廓线雷达、测高计、散射计等有源传感器的遥感卫星，应根据卫星地球探测（有源）、空间研究（有源）等业务的频率划分，结合任务特性选择可用频率。

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。

   2.数传频率的使用规划

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。

中低速数传任务一般使用X频段（8025-8400MHz或8400-8500MHz）开展；高数据速率数传一般选择Ka频段（25.5-27GHz）。在数传频率的使用上，鼓励数传和遥测频率使用采用一体化设计，通过数传下行频率传输遥测信号，提高频谱利用率。

   3.测控频率的使用规划

测控频率应使用《无线电频率划分规定》中空间操作业务（空间操作业务划分的具体频段见附件1）划分的频率，同时也可依托卫星载荷使用的业务频率开展测控任务。鼓励采用测控与业务使用频率的一体化设计开展测控任务。根据任务性质和业务特性，不同频段测控频率的使用应当符合以下要求：

 （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。

6.卫星无线电测控体制分类

   卫星无线电测控根据测控体制和信号调制方式不同，目前主流的卫星测控和形式可以简单分为以下几类：

   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：

表1 USB和UXB测控技术主要参数

      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：

表2 统一扩频测控的主要技术参数

·  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。

表3 跳扩频测控的主要技术参数

   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：

表4 测控数传一体机主要技术参数

7.卫星无线电测控的技术范围

     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。

8.卫星天线电测控发展概况

      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。

文章来源：商业航天宝典 

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