微波統一測控系統的發展趨勢及建議

王 彬，劉友永,2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081；2.CETC 航天信息應用技術重點實驗室，河北 石家莊050081)

微波統一測控系統的發展趨勢及建議

王 彬1，劉友永1,2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081；2.CETC 航天信息應用技術重點實驗室，河北 石家莊050081)

面向未來航天測控任務的新需求和微波統一測控系統的現實挑戰，在國內外測控通信技術發展需求的基礎上，梳理了微波統一測控系統的發展趨勢的幾點考慮：現有系統的信息化智能化發展趨勢、PNT服務的多樣化高精度與自主化、射頻與光學測控通信和天地一體化網絡等，并著重提出了相應的技術發展方向和關鍵技術建議，以滿足我國微波統一測控系統更高、更遠、更快和更多的發展需求。

微波統一測控系統；自主化PNT；光電混合測控通信；天地一體化信息網絡

0 引言

我國微波統一系統設備歷經二十余年的發展，逐漸形成了S波段統一測控系統、C波段統一測控系統、擴頻統一測控系統和深空測控系統等[1]，其系統設計日臻成熟，并且在關鍵器件國產化、軟件無線電設計、標準化研制、遠程監控和自動化運行等方面取得了長足進步，已成為我國地面航天測控網主干設備，具備S、C、X和Ka頻段的航天任務支持能力。

未來航天測控任務將具有任務復雜化、目標多樣化、信息綜合化和測控通信一體化等特征，則要求微波統一系統具有更高軌道覆蓋、更高的測定軌精度、更高的數據速率和更遠的作用距離，能夠承擔更多目標、更加復雜的測控通信任務。然而隨著網絡技術、導航技術、通信技術、天基測控技術和光學技術等新技術的發展，對傳統地基微波統一系統提出了挑戰，對傳統的航天測控概念提出了挑戰[2]，如：天基測控通信對地基測控通信的挑戰[3]；天地綜合信息網絡對專門測控通信系統的挑戰[4-5]；網絡化測控通信對傳統分離測控通信系統的挑戰；各種導航技術對無線電外測的挑戰[6-7]；航天器自主導航對人在回路的測控通信的挑戰；光學測控通信對射頻測控通信的挑戰[8-9]等。因此，需要在航天測控的新形勢、新需求下，梳理出微波統一系統的未來技術發展趨勢，并給出相應的發展建議。

1 微波統一系統的發展趨勢

根據我國微波統一系統現狀和航天活動中長期發展規劃，并借鑒其他航天強國的發展規劃及技術發展路線圖等，給出對我國微波統一系統及其技術在今后一段時間及未來發展趨勢的幾點考慮。

1.1 深挖現有測控設備的潛力，向信息化、智能化方向發展

從航天任務規劃和航天測控系統的發展情況看，近地衛星、地球同步衛星、載人航天飛船、空間實驗室和返回式飛船等將是今后一段時間的主要管控及服務目標[10]，遠期可能會延伸到拉格朗日點、火星或更遠的外層空間[11]。更高精度、更多目標、更加高效、更加智能和更低成本等仍是地基測控通信網不斷追逐的目標，因此需要深挖現有微波統一系統潛力，不斷優化地基測控通信網絡，主要體現在以下幾點：

① 深挖設備潛力，優化測控網絡，不斷向更高精度邁進。

更多目標、更高精度是測控設備發展的永恒追求。根據航天任務發展需要，地球同步軌道衛星、各種應用衛星對高精度測定軌的要求越來越強烈。因此應深挖現有測控設備潛力，突破影響精度的“瓶頸”因素，尋求新的技術體制[12-14]和誤差修正方法[15]等，不斷優化地基測控網絡布局和能力，向更多目標、更高精度的方向邁進。

② 加強測控設備的綜合化、小型化、數字化、模塊化和標準化。

目前，測控通信設備已實現了單天線多頻段的綜合，實現了多功能信道一體化，實現了測距、測速、遙測、遙控和中低速數傳基帶等功能的一體化終端，以及單站多天線系統的“池式”資源調度配置和集中監控共享后端設備，基本實現了測站“有人值守，無人操作”的設備自動化運行和自動故障診斷等。

未來的測控通信設備應不斷加強設備的綜合集成、小型化、網絡化和開放性，不斷提高數字化水平，建立完善的設備標準體系和維護機制，依據相應國際標準(如CCSDS標準等)形成模塊化、標準化的產品，基于先進的微波光子技術、光纖傳輸技術和網絡技術等不斷走向“模塊化的小測站大中心”的系統架構配置[16]，同時注重測控通信設備的安全防護。

③ 不斷加強測控設備的智能化、信息化和自動化水平。

隨著未來航天任務的復雜化和航天應用的多樣化，測控設備不會僅局限于現有的測量、控制和數傳功能，隨著通信技術、網絡技術和云計算等技術的發展，未來“測站+中心”將在高速信息傳輸、信息融合的基礎上，成為具有感知、認知、測控、通信、導航和決策等能力綜合化、智能化的系統，并不斷提高其管理信息化和智能化水平、設備自動化水平等。

④ 積極開展國際合作，降低效費比。

在測控設備滿足國際標準的前提下，通過廣泛地、有計劃地開展國際合作，可充分利用不同地域或國家的測控資源，提高軌道覆蓋和測控精度，節省各國的航天測控費用，也能夠促進我國航天測控技術的進步，提升我國航天測控在國際航天領域的知名度和影響力。因此，未來應綜合利用全球地面測控資源，在獨立自主、平等互利的前提下積極開展國際測控合作，尤其是在深空探測、天文觀測等領域，降低效費比同時也利于提高系統觀測精度。

1.2 重塑PNT服務，向綜合化、高精度和自主化方向發展

NASA在其未來發展規劃中重新進行了業務梳理、歸納，將數傳、遙測和遙控等信息傳輸歸口為通信業務，將無線電跟蹤測量、導航和授時等業務統一歸結為PNT(Positioning、Navigation and Timing)服務。因此，未來航天器的PNT將表現出綜合化、高精度和自主化的趨勢[17]。

目前，NASA的定位、導航與授時手段主要有地基和天基無線電測量跟蹤系統、GNSS系統、激光測距系統和光學導航設備(如星跟蹤器、目標成像)等，能夠滿足當前的航天任務。但是，未來航天任務中，精確著陸、交會、編隊飛行、與機器人協作、遠距離操作以及航天器自主導航與操控等需求，對絕對和相對導航精度提出了更新更高的要求，需要發展多種自主導航、相對導航、近距導航技術及其綜合應用技術。需要更多地利用星上設備通過星間激光/微波鏈路和星地鏈路等進行協同作業和信息交互，實現高精度測量、自主導航作業和授時等[18]。

GPS系統易受干擾性已成為GPS應用中的共識，需要開展多手段的PNT服務體系，如利用多導航源建立PNT綜合系統、研究可交換能力的PNT解決方案、建立PNT系統與通信系統的協同能力，提高PNT服務的強健性等。

1.3 走向更高頻段，射頻和光學測控通信系統的優勢互補

更高的數據速率、更高的測量精度以及更遠的作用距離都要求微波統一系統的頻段、帶寬向更高發展。NASA在其TDRSS系統、深空網和IPN網絡等的星間、星地的測控通信鏈路中都使用了Ka頻段；中繼星系統、深空測量站也規劃使用了Ka頻段，也將作為我國未來天地一體化綜合信息網的主要工作頻段[19]。

而激光測量通信技術具有測量精度高、通信容量巨大、碼速率高、抗干擾能力強、保密性好和鏈路終端體積小、重量輕、功耗低等優勢，已被公認是星間(LEO星座)、軌道間(LEO -GEO)、同步衛星與深空探測器之間及星-地間海量、超高速數據傳送的有效方式。同時其測距精度可非常容易達到cm級，技術優勢明顯。NASA、ESA和JAXA等機構開展了大量研究及演示驗證試驗工作[20-21]，技術成熟度不斷提高，其通信速率最高達到了2.5 Gbps，測距精度達到了3 cm量級。

然而，光學測控通信系統易受天氣影響難以全天候工作，其光束發散角極小、捕獲跟蹤難度大，在一定程度上會限制其未來應用，因此NASA將發展射頻技術同時并行發展光學測量通信能力作為一個重要研究領域，從而實現其優勢互補。

1.4 著重發展天基測控網，構建天地一體化綜合信息網絡

隨著航天任務不斷向深空推進，傳統的航天測控模式已不能滿足信息傳輸的需要，以往點對點的傳輸方式獨存的局面將不復存在。用戶航天器之間、中繼衛星之間、用戶航天器與中繼衛星之間的互聯互通成為空間信息系統發展的必然趨勢和要求，研究并建設包括地基測控網、天基測控網和深空測控網在內的空間信息傳輸系統勢在必行。

發展天地一體化綜合信息網絡[22]，可從根本上解決測控通信的高覆蓋率和信息高效傳輸問題，解決高精度測定軌和大容量信息傳輸問題，緩解多星測控的壓力，是世界航天測控系統的發展趨勢。

NASA在其2030前NASA空間通信與導航計劃[23]，提出將近地網、天基網和深空網整合成一個統一的綜合網絡，采用CCSDS國際標準，利用其所有資源向用戶提供通信與導航業務(前向數據傳輸、返向數據傳輸、無線電測量、定位與授時等)。綜合網絡的建設分3個階段進行：2015年前，3個測控網保持獨立，增加擴展測控網功能的新能力，滿足近期任務需求；2018年前，將3個測控網綜合成統一的通信與導航綜合網絡，利用NASA所有資源提供標準化通信與導航業務，在地球范圍內使用DTN和IP協議實現空間組網；在2025年前，進一步擴展綜合網能力，研制近地和深空光學通信與跟蹤系統，滿足NASA遠期探測與科學研究目標。

2 重點發展方向及關鍵技術

緊跟微波統一系統的發展趨勢，需要預先開展其重點方向及其關鍵技術研究，下面將簡要論述。

2.1 在深挖現有測控設備潛力方面

在實現更高精度方面，需要解決限制現有測控通信設備的“瓶頸因素”，需要重點研究高精度測量中的系統誤差標校技術，cm級空間傳播介質延遲修正技術，發展高精度新體制干涉測量技術(SBI和CEI)、單向測距測速技術等，突破測控設備的誤差在線標校方法、基于GPS和WVR的電離層和對流層延遲修正技術、SBI和CEI的系統標校及整周期解模糊技術等關鍵技術。

在實現更多服務目標方面，需要重點研究Ka波段相控陣天線技術、單站多目標測控技術和分布式陣列多目標測控技術等，需要突破Ka波段相控陣天線設計與TR組件、共形陣列天線設計、多波束形成技術和分布式陣列的高精度時頻同步等關鍵技術。

在更遠距離方面，研究干涉測量技術、下行天線組陣技術[24]、上行天線組陣技術、超高精度和穩定度時鐘技術、精密時頻同步技術、超低噪聲溫度放大器技術、深空網大功率發射機技術、高效調制解調技術、高效編譯碼技術[25]等，需要著重突破nrad量級的△DOR測量技術、極微弱深空信號的高效合成算法、多天線開環合成及系統在線標校技術、ps量級的光纖時頻同步網絡技術、百千瓦量級的X波段調速管功放和極低噪聲的射頻放大器等。

在設備綜合化、小型化、數字化、模塊化和標準化方面，需要重點研究微波光子學在信道綜合中的應用、數字化軟件定義綜合終端及其架構、系統配置與重構和研究CCSDS等相關國際標準等。在智能化和信息化方面，需要重點研究系統自動化運行及故障檢測、健康管理、多任務多目標管理、多源信息融合和信息管理等技術。

2.2 在高精度自主化PNT方面

重點研究基于X射線脈沖星的高精度衛星自主導航技術、星載高精度頻率源技術、星間/星地鏈路技術、星間/星座相對測量技術、衛星網絡時頻同步技術、智能天線技術、多源信息融合技術、自主導航技術和系統健康管理及服務技術等。在空間互聯網環境中時間和頻率高精度分發與同步技術。

重點研究自適應導航技術(ANS)，用于支持開展的PNT新算法和新結構研究，以實現不同PNT傳感器的快速集成，達到“即插即用”能力，以此實現面向不同應用平臺的快速PNT系統集成應用；研究高準確度的光原子鐘，其準確度可以達到50億年才產生 1s偏差。實現如此精度的便攜式原子鐘可以有效提高諸如GPS、新型雷達系統、激光雷達(LIDAR)及其他測量系統的應用性能。

研究惡劣環境下的空間、時間和定向信息獲取技術，尋求建立惡劣環境下的PNT 系統實現能力，這種PNT系統可以達到GPS系統的精度但卻不依賴于GPS系統實現。

2.3 在射頻和光學測控通信技術方面

當前一段時間還需要深入挖掘射頻測控與通信潛力，重點發展基于Ka波段的測控通信技術、具有高效頻率利用率的調制解調新體制、基于空間組網的星間射頻測控通信鏈路技術；發展上/下天線組陣技術，提高上下行通信速率和測控通信作用距離等。

光學測控通信技術，是未來測控通信的技術發展趨勢，該技術可獲得幾乎不受限的光譜帶寬，易于實現cm級測距精度和10 Gbps以上的通信速率，比射頻技術至少提高1個數量級；另外，在體積、功耗等方面具有較大優勢。重點開展運動平臺的快速高可靠激光波束捕獲跟蹤技術、星間/星地激光測控通信一體化技術、星間/星地高速相干光通信技術等方面的研究。

另外，射頻測控通信的全天候、高可靠性和激光通信的高速通信能力為二者的一體化復合提供了可能性，在未來一段時間內，要重點開展光電混合高速通信系統設計、一體化的光電混合天線、基于微波波束引導的激光波束快速捕獲跟蹤技術、高速相干光通信調制解調終端技術等。

2.4 在天地一體化綜合信息網絡方面

重點研究未來航天任務對天地一體化綜合信息網絡的通信、遙感和導航等需求，開展天地一體化綜合信息網絡總體架構、天地一體網絡協議、天地融合移動接入、安全保密和運維管控等方面研究，重點研究滿足未來需求的基于天網地網的一體化網絡架構設計、微波/激光星間/星地的測控通信鏈路技術、天基信息處理與融合技術、天地基聯合定位導航與授時技術、基于TCP/IP、IP over CCSDS和DTN協議的天地一體化協議及空間部署[26]、在網絡協議、物理層、鏈路層的安全機制、面向衛星用戶和移動用戶的無線移動接入技術、移動單元間Ad Hoc組網及網狀物的組網、授時、定位與間隔保持技術、基于分級分層的一體化網絡運維管控技術等。

3 結束語

地基微波統一系統歷經二十余年的發展已經日臻成熟，未來應當緊跟航天任務需求和發展理念，面向具有更高軌道覆蓋、更高的測定軌精度、更高的數據速率和更遠的作用距離的測控通信要求，深挖現有地基系統潛力，充分發展高精度測量、多天線組陣和多目標測量等技術，提高設備的標準化、智能化水平。同時，面向未來天地一體化綜合信息網絡建設需求，積極開展一體化網絡總體架構、網絡協議、基于微波/激光的星間鏈路和光學測控通信技術等研究，為微波統一測控系統后續發展奠定基礎。

[1] 于志堅.我國航天測控系統的現狀與發展[J].中國工程科學,2006,8(10):42-46.

[2] 雷 厲,朱勤專.飛行器測控通信技術發展趨勢與建議[J].飛行器測控學報，2014,33(6):463-368．

[3] 李艷華,盧滿宏.天基測控系統應用發展趨勢探討[J].飛行器測控學報，2012,31(4):1-5.

[4] 張乃通.對建設我國“天地一體化信息網絡”的思考[J].中國電子科學研究院學報,2015,10(3):223-230.

[5] 吳曼青,吳 巍,周 彬,等.天地一體化信息網絡總體架構設想[J].衛星與網絡,2016(3):30-36.

[6] SCAWG N.Space Communication and Navigation Architecture Recommendations for 2005-2030,Final Report[R].NASA’s Glenn Research Center,2006:165.

[7] 張碧雄,巨 蘭.2030年前航天測控技術發展研究[J].2010,29(5):11-15.

[8] 郭麗紅，張 靚，杜中偉，等．NASA月球激光通信演示驗證試驗[J].飛行器測控學報，2015,34(1):87-94.

[9] 翟政安.下一代數據中繼衛星系統發展思考[J].飛行器測控學報，2016,35(2)：89-97.

[10] 高 銘,趙光恒,顧逸東.我國空間站的空間科學與應用任務[J].中國科學院院刊,2015,30(6):721-732.

[11] 吳 季,孫麗琳,尤 亮,等.2016—2030年中國空間科學發展規劃建議[J].中國科學院院刊,2015,30(6):707-720.

[12] 韓松濤,唐歌實,陳 略，等.連接單元干涉測量技術應用于嫦娥二號衛星測軌實驗[J].飛行器測控學報，2012,21(5)：135-138.

[13] 郭肅麗.厘米級擴頻測距系統自校準鏈路分析[J].無線電工程,2016,46(2):44-47.

[14] HAMKINS J,KINMAN P,XIE H,et al.Telemetry Ranging:Concepts[R].IPN Process Report 42-203,2015.[15] MORABITO D D.A Comparison of Estimates of Atmospheric Effects on Signal Propagation Using ITU Models:Initial Study Results[R].IPN process report 42-199,2014.

[16] 朱 坤.射頻微波信號在光纖中傳輸及處理技術的相關研究[D].杭州：浙江大學,2012:19-43.

[17] 劉 鈍.PNT系統體系結構與PNT新技術發展研究[J].全球定位系統,2015,40(2):48-52.

[18] 欽偉瑾,韋 沛,楊旭海.一種特殊星間鏈路的應用研究[J].天文學報,2016.57(2):188-195.

[19] 翟立君,汪春霆.天地一體化網絡和空中接口技術研究[J].無線電通信技術,2015,41(3):1-5.

[20] KUNT B,MARK G,FRANK H,et al.Laser Communication Terminals for the European Data Relay System[C]∥Proceedings of SPIE.San Francisco,2012:1-7.[21] TOYOSHIMA M,SASAKI T,TAKENAKA H,et al.Research and Development of Free Space Laser Communications and Quantum Key Distribution Technologies at NICT[C]∥2011 InternationalConference on Space Optical Systems ans Applications.Santa Monica,2011:1-7.

[22] 閔士權.我國天地一體化綜合信息網絡構想[J].衛星應用，2016(1):27-37.

[23] GRAMLING J J,CHRISSOTIMOS N G.Three Generations of NASA’s Tracking and Data Relay Satellite System[C]∥Space OPS 2008 Conference,2008:2 008-3 313.[24] 孟 瑋,劉 瑩,張婭楠.下行寬帶信號天線組陣試驗驗證及分析[J].無線電工程,2014,44(9):28-31.

[25] 徐鍵卉,杜昊陽,雷旺春,等.噴泉編碼在DTN網絡中的應用研究[J].無線電通信技術,2016,42(3):110-114.

[26] 翟立君,汪春霆.天地一體化網絡和空中接口技術研究[J].無線電通信技術,2015,41(3):1-5.

王 彬 男，(1970—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：航天測控、信號處理技術。

劉友永 男，(1980—)，博士，高級工程師。主要研究方向：航天測控新技術。

Development Trends of Unified Microwave TT&C Systems and Suggestions

WANG Bin1,LIU You-yong1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.CETCKeyLaboratoryofSpaceInformationApplicationTechnology,ShijiazhuangHebei050081，China)

Considering the new requirement for future aerospace TT&C missions and the realistic challenges of unified microwave TT&C systems,and based on the research status of TT&C and communication technologies in China and other countries,the paper presents several developing trends of unified microwave TT&C systems such as the informationization and intellectualization of existing TT&C systems,the diversity,high accuracy and autonomy of PNT services,RF and optical TT&C technologies,and integrated space-terrestrial information networks.Some suggestions are given on the main development directions and key technologies of China’s TT&C systems to meet the demand for higher altitude,longer distance,faster speed and more targets.

unified microwave TT&C system；autonomous PNT services；RF and optical TT&C；integrated space-terrestrial information network

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.04.11

王 彬，劉友永.微波統一測控系統的發展趨勢及建議[J].無線電工程,2017,47(4):44-48.

2017-01-08

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃) 基金資助項目(2013AA122105)。

TN927;V566

A

1003-3106(2017)04-0044-05