我國衛星在軌測控技術發展展望
衛星在軌長期管理是保障衛星正常運行和發揮作用的關鍵。我國在軌衛星管理可以劃分為兩個階段,第一個階段是從1990年至1997年,這一階段衛星管理數量少、衛星功能簡單、管理技術單一,地球同步衛星採用定時管理方式,可以稱之為早期定時在軌衛星管理階段;第二階段從1997年之後,我國發射的衛星數量激增、功能複雜,管理要求顯著提高,管理技術大大提升,地球同步衛星採用全時管理方式,實現了衛星長期管理由初期「單星經驗型」到「多星智能型」轉變,管理的衛星數量和水平躍居世界前列。
隨著我國航天事業發展,中低軌道衛星在軌數量將大量增加,小衛星、星座要求航天測控網具備多星同時在軌測控能力;二代導航衛星星座、高精度對地觀測衛星等要求提高飛行器軌道測量和定位精度;遙感衛星為提高使用效率要求更靈活的測控服務,因此未來的在軌衛星管理技術必須進一步擴展軌道測控覆蓋率、提高測控設備使用率、提高測控時效性和靈活性,才能滿足我國航天事業發展對衛星在軌測控的要求。
形成天基為主、地面為輔的
在軌衛星測控網
利用以跟蹤與數據中繼衛星系統為主建設的天地一體化測控網, 不僅能有效地提高網的測控覆蓋率和多目標測控能力, 而且能夠完成各類對地觀測衛星的高速實時數據傳輸的任務。以一顆多址能力為前向1路、返向5路的中繼衛星為例,在現有管理模式下,它具有支持100顆低軌衛星在軌工程測控的能力。以天基為主、天地結合在軌衛星測控網與現有的基於地基測控網管理低軌衛星相比,除了衛星管理數量的增加,還可以克服現有基於地基測控網在軌衛星管理時間域集中和模式單一的缺陷,比如在中繼衛星多址服務方式下,均勻測控模式可以減小衛星測控間隔,輪詢測控能確保在最短時間內發現衛星異常,連續測控模式能滿足長時間測控需求和減小衛星測控間隔,這些多服務模式的使用將帶來衛星在軌測控數量、管理質量和時效性的顯著變化,提高衛星在軌測控安全性、靈活性和管理效率。
充分發揮資源調度的作用
地面測控設備、中繼衛星和相關運行系統統稱為測控資源,這些測控資源不可能無限地增加。如何利用有限的測控資源支持更多數量的衛星管理,需要充分發揮資源調度的作用。以美國空軍衛星測控網(AFSCN)的測控調度問題為例:1992年到2002年間,AFSCN的測控站數量沒有發生變化,但是隨著衛星的增加,每天的平均測控服務需求數目上漲了40~50%,其中存在衝突的任務數量更是上漲了5.4~6.6倍。1992年,通過測控調度演算法能夠達到近98%的任務滿足度,到2002年,通過測控調度演算法可使任務滿足程度達到94%以上,僅下降了不足4%,充分體現了通過測控調度實現測控資源綜合利用所實現的巨大效益。
發展多目標測控管理技術
經過30多年的發展,我國衛星測控系統已經形成了多星測控能力,通常它側重於對多個不同類型的衛星進行並行管理或者相同衛星的串列管理。未來海量小衛星組網以及大量的衛星星座運行,需要在同一時間,對多顆同類型衛星進行管理, 它們之間較單星運行相比,更多地強調協調性和依賴性,同時衛星間特徵的相似性為單個衛星故障的檢驗提供了更多信息,因此需要在現有多星測控的基礎上,針對這些特點,提升多目標測控服務的能力,著重編隊衛星管理,充分挖掘多目標服務的優勢。
關鍵故障自動實時處置
與過去試驗衛星數量居多相比,今後越來越多的是為用戶提供服務的應用衛星,它們更強調衛星業務可用率。以地球同步軌道通信衛星為例,它要求衛星一年的服務率大於99.99%。儘管衛星在設計製造過程中為了整星的安全,採用各種技術確保衛星在各種情況下平台安全,但出現重大異常時,這種安全保護措施的執行會中斷衛星的業務運行,進而影響衛星年度有效使用率。目前的普遍的做法是由操作人員判斷故障原因,進而採取上行發令或注數,整個處理過程時間長、對操作人員要求高,會出現處理不及時導致衛星業務中斷的現象。因此,為更好滿足衛星業務高效運行和確保衛星安全,衛星在軌測控必須具有衛星關鍵故障自動實時處置能力。目前我國已經做了成功的嘗試,並在某顆地球同步軌道衛星的太陽干擾保護的過程中發揮了作用,成功地避免了衛星姿態失穩。
提供靈活的按需測控服務
過去由於受測控站分布的限制,建設在國內的測控站只能為低軌衛星提供每天上午、下午一定時段的升、降軌各幾圈測控服務,其它圈次衛星不可見。衛星載荷和數據回傳開、關機的時間通常是提前1天或幾天注入星上計算機,地面很少修改已經注入的工作程序。現代對地觀測衛星從提高衛星利用率和使用效能出發,提出了按需要測控服務的要求。據了解,光學成像衛星如果能及時調整工作計劃避免雲層遮擋,可以將衛星有效圖像率提高一倍以上。因此,如果充分利用中繼衛星的全球覆蓋和多址服務能力,開發按需服務能力,地面測控系統就能夠為衛星用戶提供反應迅速、高效靈活的按需測控服務,將顯著提升衛星的應用效果和衛星用戶滿意度。
原標題:《我國在軌衛星測控發展歷程及展望》
來源:《國際太空》2018年第1期
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