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相比大型航天器，小衛星具有研製時間短、開發/發射費用低、機動靈活、組網能力強等優勢，其在空間中的利用日益增加，未來也將有越來越多的小衛星發射入軌。為了滿足小衛星任務需求，進一步降低成本，提高效率，小衛星的控制和通信將使用更加經濟高效的先進地面站系統。

本文將從小衛星地面系統的組成和功能入手，研究了目前小衛星地面系統發展的一些動態，並概述了其近期研究方向。

1 小衛星地面系統概述

小衛星地面系統包括地面站網路和控制中心，如飛行器運行控制中心（SOCC）、有效載荷運行控制中心（POCC）和任務控制中心（MCC）。

地面系統為空間段（衛星和有效載荷）提供支持，將任務數據中繼至最終用戶。為了支持衛星任務，地面系統應指揮與控制衛星及有效載荷，監測健康情況，跟蹤航天器位置，並使用感測器信息報告航天器姿態。小衛星任務中空間段、地面系統和最終用戶之間的關係具體如圖1所示。

小衛星任務的地面站網路架構通常與大航天器任務不同。小衛星地面站網路採用對等拓撲結構，還有大量自願參與的ad hoc節點，拓撲結構中的節點可互換。此外，複雜的大型衛星通常使用基於CCSDS標準的通信協議，而小衛星主要使用基於TCP/IP的通信協議，在安全性、可靠性和時延方面，小衛星地面站與傳統地面站也不一樣。並且，小衛星地面站網將更多使用低成本以及商用現貨技術。

2 小衛星地面系統發展動態

完成發射後，衛星與地面的唯一連接渠道就是通信系統，它能向地面發送衛星狀態等數據,還能提供衛星跟蹤和控制信息。而地面系統將在衛星與地面通信以及衛星跟蹤與控制中起到重要作用。隨著小衛星技術的發展，小衛星地面系統也將不斷改進。

近幾年為了滿足小衛星的發展需求，業界正在開發新技術和系統，改進小衛星地面系統實現方式，提高小衛星地面系統的能力，使小衛星地面系統有了進一步的發展。

2.1 實施方案

在小衛星地面系統的實施和建設方面，許多公司正在開發和提供「交鑰匙」型解決方案。「交鑰匙」解決方案對於想更多關注有效載荷和衛星工程的設計人員是一項很好的選擇。這種地面站實現方案不僅能提供全部能力，完全支持衛星地面通信，而且讓設計人員無需過多考慮地面問題。並且，利用「交鑰匙」解決方案更便於已有地面系統快速增加能力，提高可用性，擴展服務，大大提高工作效率，隨時滿足用戶需求。

ASAT公司開發的ATLAS全球商用衛星地面站網路就是一種先進的「交鑰匙型」解決方案，其特點是採用了一種非常經濟的基於雲的解決方案。用戶可直接選用該方案，無需考慮地面系統的設計。該方案利用Amazon虛擬雲提供全球TT&C操作系統，連接用戶與地面站。ATLAS主要支持S、X和UHF頻段衛星，2017年還擴展了Ka頻段能力。

KONGSBERG公司開發的KSAT Lite是一種低成本地面站網路，可支持不同階段的小衛星任務。它具備所有KSAT網路的主要優點，包括在分配、可用性和路徑選擇方面，具有更靈活的選擇和處理能力。KSAT網路能利用位於北極和南極地區的極地站點為極地軌道衛星提供服務，並且該網路還運行有中緯度地面站，為許多其他軌道衛星提供接入服務。KSAT天線的基線為3.7米平台，提供X波段和S波段下行鏈路以及S波段上行鏈路。此外KSAT Lite還提供VHF和UHF能力，支持了多種系統配置，2016年還增加了Ka波段能力。

Espace公司的靈活地面站開放系統（OSAGS）也是一種先進的「交鑰匙」型解決方案，它支持小衛星高頻通信，是一種基於軟體無線電的低成本S波段地面站網路。地面站上行鏈路頻率為2.025~2.0120GHz，下行鏈路為2.20~2.30GHz。這種靈活的系統能同時支持不同衛星任務，並可用於任何需要地面系統支持的小衛星任務。

目前業界有許多公司在開發這種「交鑰匙」解決方案，利用這種解決方案想更多關注於有效載荷和衛星工程的開發人員無需考慮地面系統的設計問題，大大減輕了人員負擔，節省了成本。

2.2 軟體與硬體

每個地面站都需要硬體和軟體組件來運行和支持衛星任務。大量小衛星的跟蹤和指揮都需要通過先進的軟硬體系統實現。目前，業界有許多公司在為小衛星地面站提供先進的前端和後端軟硬體，這些軟硬體大都使用了虛擬化、模塊化等設計方法，具有很強的靈活性，便於用戶根據自己的需求使用合適的配置。虛擬化技術是近幾年各界的研究熱點，它能將原本運行在真實環境上的系統或組件運行在虛擬的環境中。在小衛星地面系統中利用虛擬化技術，能大大提高系統的靈活性，加速系統部署，降低成本。

Kratos/RT Logic公司開發了專用於小衛星應用的QuantumGND地面系統，這也是一種「交鑰匙」型解決方案，使用了先進的軟硬體組件。這是一種完整的從指揮與控制（C2）到RF（指揮控制通信到無線電信號處理）的小衛星地面系統組件，包括一系列模塊化軟體組件，涉及從C2系統到地面網路到地面數據機所有部分，提供一種預先集成的更便於使用的解決方案。QuantumGND減少了對硬體系統的依賴，使用了虛擬化技術。該系統包括用於小衛星指控的QuantumCMD、用於基帶前端處理以及加解密的qFEP、用於網路傳輸和RF信號處理的qRADIO。所有組件都能單獨使用，都是一種軟體應用，用戶可根據自己的地面數據系統獨立使用某個特定組件。QuantumGND能支持不同的衛星任務、衛星測試和衛星編隊操作，有很強的靈活性，能擴展支持小衛星空間操作以及多種地面天線站。下圖為QuantumGND工作示意圖。

利用先進的軟體和硬體，用戶可更輕鬆地根據自己的需求選擇適當的組件，構成所需的地面系統，更加經濟有效地實現對小衛星的指揮與控制。

2.3 藉助其他衛星網路實現專用地面站功能

小衛星在執行某些任務時也可選用其他衛星網路，利用其他衛星網路的地面系統，完成跟蹤與數據傳輸，這樣能減少需部署的地面站數量，大大降低成本。目前已有一些小衛星實驗驗證了在執行某些特定任務時可借用Iridium、Orbcomm和「全球星」等衛星數據網路通信，從而完成對衛星的指揮控制，降低地面站維護與運行成本。

2013年4月的NASA的智能手機衛星實驗中，Bell PhoneSat衛星外附加了Iridium數據機，成功將衛星位置信息發送給Iridium星座，然後Iridium星座將這些信息通過email發送給任務小組。任務小組發現數據速率有顯著提升，且質量與和專用地面站通信時相當。此次實驗還證明在24小時內能向Iridium星座傳輸十小時數據，大幅提升了天對地傳輸能力。2013年8月，TechEdSat-3p立方體星也完成了與Iridium衛星網路的通信測試。在測試中，衛星成功利用兩個Quake Global Q9602數據機與Iridium衛星網路進行通信。TechEdSat-3p使用了一種全新的納衛星通信範式，其中利用了Iridium和GPS在軌衛星取代部分地面站，完成跟蹤、快速數據檢索和上行鏈路功能。這兩次實驗都證明小衛星能與Iridium星座進行數據傳輸，利用Iridium衛星網路完成與小衛星的通信以及衛星控制。

美軍已取消的轉型衛星通信系統（TSAT）項目也成功測試了一個「全球星」數據機，並且在2014和2015年，「全球星實驗與風險降低衛星」GEARRS1和GEARRS2也測試了「全球星」數據機，驗證了「全球星」鏈路在小衛星任務中的應用。另外，NSL公司的EyeStar衛星通信系統也能接入「全球星」衛星星座，利用「全球星」地面系統，無需額外的地面站資源，可為用戶提供近實時數據，延遲為1~5秒。這些都證明了小衛星能利用「全球星」衛星鏈路，將數據發送至「全球星」星座，獲得「全球星」地面系統接收的數據。

以上這些實驗都驗證了小衛星可借用其他現有衛星網路完成對小衛星的指揮控制，減少了對專用地面資源的利用。小衛星從使用專用地面站轉換到利用現有衛星星座，能大大降低成本，提高傳輸質量。

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近期研究方向

隨著小衛星任務複雜性和數據傳輸需求的提高，衛星與地面站的通信方式也將不斷擴展，地面站的軟體也將進行升級和改進，提高對衛星的指揮控制能力。當然，隨著小衛星地面數據系統和通信方式的擴展，工程人員需要考慮數據質量、數據量和成本之間的均衡。

3.1 星地通信方式將向Ka和光通信轉變

隨著數據高速傳輸以及對S波段和X波段通信需求的增加，S和X波段的可用頻譜越來越擁擠，已不能滿足小衛星任務的通信需求，因此小衛星星地通信將考慮應用Ka波段和光通信技術。目前NASA已考慮將26GHz的Ka波段用於未來小衛星任務中。同時NASA還將在未來任務中使用激光通信技術，並投資開發激光通信終端。利用激光波束傳輸信息的光通信系統相比無線電通信系統能大大提高衛星在每單位功率的信息傳輸量。光通信系統能避免目前無線電從太空到地面傳輸大量數據時存在的壁壘，改善星地數據傳輸，它比傳統無線電系統更快、更安全且成本更低，同時可滿足小衛星運行尺寸、重量和功率受限的需求。

激光通信技術已在NASA的月球大氣與塵埃環境探測器（LADEE）項目中得到成功演示。此外，NASA小衛星技術項目投資的光通信和感測器演示（OCSD）任務也將解決NASA關注的兩個問題：用於小衛星和其他衛星的光通信系統和低成本感測器。該項目將演示天對地光通信鏈路，其中使用了地基光跟蹤系統，由高精度指向系統進行控制，數據傳輸速率可達200Mbit/s。2018年3月5日，美國BridgeSat公司也宣布正式啟用其建設的全球首個自由空間光通信網路運營中心。BridgeSat公司主要從事衛星激光通信地面網路系統研發，旨在為低地球軌道（LEO）衛星、地球同步軌道（GEO）衛星以及高空無人機（UAV）提供基於激光的下行鏈路和地面網路解決方案，此次啟用的網路運營中心將為衛星激光通信地面站網路和客戶有效載荷提供全面的運行監控和管理。該中心可執行全天候、各種氣象條件下的光任務規劃，將為BridgeSat公司的地面站網路提供經驗證的、無衝突的和優化的網路控制，以滿足客戶的數據下行需求。網路控制和數據傳輸監控完全自動化，並將考慮天氣條件變化、帶寬可用性、不斷變化的客戶要求、站點狀態、任務優先順序以及最新的客戶衛星軌道數據等。引入了最先進的雲存儲技術，以確保客戶數據的安全高速傳輸。

由於光通信的諸多優點，預計未來10~15年，衛星到地面光通信將得到較大發展。

3.2 規劃與調度和數據管理是地面站軟體的重點研究方向

規劃與調度以及數據管理是小衛星地面數據系統軟體需繼續開發的兩個方面。

對小衛星任務來說，其地面數據系統使用了分散式、高動態性的拓撲結構，需要協調所涉及的地面站。這種協調工作也能通過管理地面站的通用、開放式可用軟體實現。歐空局的全球衛星操作教育網路（GENSO）系統就是一種用於大學的軟體組網標準，實現遠程操作人員利用分布在全球的地面站與小衛星通信，利用此類地面站時，數據收集從每天一個地面站幾分鐘變為每天幾個地面站數小時，數據量大大增加。隨著小衛星技術的不斷發展，小衛星執行的任務越來越複雜，衛星數量大大增加，因而必須要有適當的地面數據系統軟體，合理規劃和協調網路中的地面站，提高數據管理能力，適應不斷發展的小衛星任務。

未來小衛星任務將不斷增加，不僅會涉及一顆衛星，還將包括衛星集群、星座和編隊等方式。由許多單元構成的小衛星分散式體系結構能實現低成本高精度對地觀測等科學任務。然而，由於缺乏自主能力，任務操作的規模可變能力有限。操作人員通常需要改變遙測節點來監測衛星，如果一個小衛星需要大約10名操作人員確保任務成功完成，由幾百顆衛星組成的星座則需要上千名操作人員，從而帶來巨大開銷。在小衛星領域中，運行預算一般不足，為了控制成本，並適應下一代分散式小衛星平台，衛星將必須能完成必要的在軌自主操作或來自地面的自動控制操作。小衛星群自主運行和多任務操作中心是目前的重要研發方向。

4.

結語

在小衛星任務中，地面系統將在小衛星通信以及衛星跟蹤與控制中發揮重要作用。業界正在研究和開發新技術與新方法，提高小衛星地面系統的能力，滿足小衛星的發展需求。用戶可根據需求選用不同類型的地面站建造和裝配解決方案。如果用戶想要更多地關注有效載荷和衛星系統工程，則可選擇「交鑰匙」型地面系統解決方案。另外，用戶可使用為地面站定製的專用的先進組件（如天線、收發器、數據機和軟體），按需選擇不同的硬體和軟體，構成定製化的地面站。最後，小衛星與地面通信的另一種有價值的解決方案是利用其他衛星網路代替專用地面站。一些立方星任務已演示了這一能力。

未來更多的衛星任務將選用光通信方式與地面進行通信，此外由於小衛星空間體系結構越來越複雜，任務操作和控制也將更加複雜，因此地面系統的調度與規劃以及數據管理將是小衛星地面系統軟體未來研究方向。

（王靜 編譯）

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