CAPS系統(tǒng)中iHCO衛(wèi)星測控站布局研究*

徐小鈞，馬利華，林榮超，艾國祥

(1. 中國科學院國家天文臺，北京　100012；2. 中國科學院大學，北京　100049)

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CAPS系統(tǒng)中iHCO衛(wèi)星測控站布局研究*

徐小鈞1,2，馬利華1，林榮超1，艾國祥1

(1. 中國科學院國家天文臺，北京100012；2. 中國科學院大學，北京100049)

中國區(qū)域定位系統(tǒng)(Chinese Area Positioning System, CAPS)擬采用比地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)高150 km至300 km的傾斜高圓軌道(inclined Highly Circular Orbit, iHCO)通信衛(wèi)星組建全球?qū)Ш酵ㄐ判亲；谌蚍秶鷥?nèi)的衛(wèi)星測控網(wǎng)分布情況，分析了測控站對傾斜高圓軌道衛(wèi)星的可見性，提出測控站布局的優(yōu)化方案，并研究了站星鏈路的方位角、俯仰角和距離特性。

衛(wèi)星測控；iHCO衛(wèi)星；可見性

中國區(qū)域定位系統(tǒng)計劃把壽命末期的地球靜止軌道通信衛(wèi)星推到比同步軌道高約150 km至300 km的傾斜高圓軌道，并利用傾斜高圓軌道衛(wèi)星組成星座，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的通信導航一體化功能[1-2]。傾斜高圓軌道衛(wèi)星進入運行軌道之后，需要在衛(wèi)星壽命內(nèi)對其進行長期的測控管理，因此必須建立合適的衛(wèi)星測控站。由于傾斜高圓軌道衛(wèi)星比地球同步軌道稍高，每天相對地球向西漂移大約2°至4°[3-4]，每個測控站對傾斜高圓軌道衛(wèi)星的觀測時間有限，所以需要從全球范圍內(nèi)考慮其測控系統(tǒng)的布局。本文對國內(nèi)外布設測控站的方案進行討論和仿真，實現(xiàn)對傾斜高圓軌道衛(wèi)星的全程跟蹤測控。

1　衛(wèi)星測控網(wǎng)概況

隨著航天技術的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)今的航天測控通信網(wǎng)一般由航天控制中心、空中測控平臺 (如中繼衛(wèi)星、測量飛機等) 以及分布在世界各地的若干航天測控站 (包括陸基固定站、海上測量船等) 組成?？罩袦y控平臺中的中繼衛(wèi)星是地球同步軌道衛(wèi)星，其主要功能是利用其高空優(yōu)勢，完成對中低軌道航天器的測控。由于該類衛(wèi)星天線向下俯視的指向限制，所以無法利用中繼衛(wèi)星對高于其軌道高度的傾斜高圓軌道衛(wèi)星進行測控。測量飛機具有較高的機動性，可部署到最有利的位置完成測控任務，但不能保證全天時無間斷地工作，而且使用成本高，不適用于常規(guī)測控。測量船受到地球自轉(zhuǎn)、海水流動、船體擺動、天線晃動、目標移動等復雜動態(tài)環(huán)境的作用，確定船體位置的精度和實時跟蹤航天器的定向精度都會受到嚴重影響[5]。綜合考慮，首選利用陸基固定測控站實現(xiàn)傾斜高圓軌道衛(wèi)星測控。

全球已有多個國家、地區(qū)和國際組織建立了工作頻段為C、S、Ku的衛(wèi)星測控網(wǎng)。C頻段衛(wèi)星測控網(wǎng)運行最為普遍，采用C頻段工作的測控網(wǎng)有中國衛(wèi)星測控網(wǎng)、國際通信衛(wèi)星組織(INternational TELecommunications SATellite organization, INTELSAT)和國際海事衛(wèi)星組織(INternational MARritime SATellite organization, INMARSAT)C頻段衛(wèi)星測控網(wǎng)等[6]。中國衛(wèi)星測控網(wǎng)的陸基測控站如圖1。

中國境內(nèi)測控站主要分布在佳木斯、長春、青島、渭南、和田、喀什、廈門、南寧和三亞，同時在北京、西安和酒泉分別建有測控中心。境外測控站分布在巴基斯坦的卡拉奇、澳大利亞的當加拉、肯尼亞的馬林迪、納米比亞的斯瓦科普蒙德和智利的圣地亞哥。國際海事衛(wèi)星組織是全球移動衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的領跑者，對外全面提供海事、航空、陸地移動衛(wèi)星通信和信息服務。其衛(wèi)星控制中心設在倫敦，全球共設立4個測控站，分布在加拿大的考伊琴湖、彭南特角、意大利的福希諾和中國的北京[7]，如圖2。

圖1中國衛(wèi)星測控網(wǎng)

Fig.1Chinese Satellite Control Network

圖2國際海事衛(wèi)星測控網(wǎng)

Fig.2Inmarsat Satellite Control Network

中國區(qū)域定位系統(tǒng)采用C頻段通信衛(wèi)星，因此傾斜高圓軌道通信衛(wèi)星的工作頻段也為C頻段?？紤]到建設成本和測控需求，可以采取測控接力的方式，選擇租賃分布在全球已有的C頻段衛(wèi)星測控網(wǎng)中的陸基固定測控站，并配備相應的測控設備，以實現(xiàn)對傾斜高圓軌道衛(wèi)星的全天時測控。

2　測控站對衛(wèi)星可見性分析

在采用陸基測控站對傾斜高圓軌道衛(wèi)星進行測控的背景下，為了滿足測軌精度和監(jiān)控即時性的需求，地面測控網(wǎng)需要有足夠長的累計觀測弧段，從而獲得足夠高的測控覆蓋。由于受地球曲率的影響，每個地面測控站只能觀測到有限的衛(wèi)星軌道弧段，而且地面障礙物遮擋會影響測控站的可見性，所以為了保證觀測精度，測控站相對于衛(wèi)星的仰角必須大于測控設備設計的最小仰角αmin(αmin≥0)。最小仰角主要取決于測控站周邊的地理環(huán)境，如有無障礙物的遮擋，以及大氣對信號的衰減效應等。

在地心固連坐標系中，已知測控站的直角坐標為(xT、yT、zT)，衛(wèi)星的直角坐標為(xs、ys、zs)，因此，航天器與地面站之間的距離d為

(1)

當已知航天器在時刻t的軌道半長軸a、偏心率e、升交點赤經(jīng)(RAAN)Ω、軌道傾角i、近地點角距ω和真近點角f時，該時刻的航天器地心距r=p/(1 +ecosf)，其中p=a(1 -e2)。測控站對衛(wèi)星的觀測俯仰角α為

(2)

其中，Re為地球長半徑；r為航天器地心距。顯然當α≥αmin時，地面站和航天器之間幾何可見，從而能夠可靠地接收衛(wèi)星播發(fā)的信號。

以比同步軌道高300 km的某顆傾斜高圓軌道衛(wèi)星為例，其繞地周期為94 d，計算在一個繞地周期內(nèi)，傾斜高圓軌道衛(wèi)星的軌道傾角i=10°，升交點赤經(jīng)RAAN=0°時，全球范圍內(nèi)地面站對傾斜高圓軌道衛(wèi)星可觀測弧段。設觀測站海拔高度為0，最小俯仰角為3°。圖3為全球范圍內(nèi)傾斜高圓軌道衛(wèi)星可觀測弧段占總弧段的比值。

圖3全球范圍內(nèi)地面站對某顆傾斜高圓軌道衛(wèi)星可觀測弧段的比率

Fig.3The rate of observable arc of the iHCO satellite to the total arc

可見，對于確定升交點赤經(jīng)的傾斜高圓軌道衛(wèi)星，緯度越低的地區(qū)，可觀測弧段越長，在緯度為-60°至60°范圍內(nèi)的觀測站對傾斜高圓軌道衛(wèi)星均有良好的可見性，覆蓋率超過35%，在赤道地區(qū)能到達最大觀測弧段，約占總觀測弧段的45%。根據(jù)簡單的坐標旋轉(zhuǎn)和時間平移可知，同一緯度、不同經(jīng)度的地區(qū)，可觀測弧長取決于該傾斜高圓軌道衛(wèi)星的升交點赤經(jīng)，其觀測時間分布隨著傾斜高圓軌道衛(wèi)星升交點赤經(jīng)的變化而平移變化。因此，對于固定升交點赤經(jīng)的傾斜高圓軌道衛(wèi)星，觀測站址應該盡量選擇在緯度較低的地區(qū)，其經(jīng)度可以依據(jù)全球范圍內(nèi)的觀測時間比率大小進一步優(yōu)選。

3　傾斜高圓軌道衛(wèi)星測控站布局分析

假設地球為理想球體，地面上的測站一次能跟蹤的地面航程L為[8]

(3)

其中，h為傾斜高圓軌道衛(wèi)星的高度。由此可知，地面上的一個測站一次能跟蹤1.83 × 104km的地面航程，而比同步軌道高300 km的傾斜高圓軌道衛(wèi)星繞地球一圈的地面航程約為4 × 104km，所以至少需要部署3個地面測控站。

以比同步衛(wèi)星軌道高度高300 km的傾斜高圓軌道衛(wèi)星為例，其傾角i=10°，升交點赤經(jīng)RAAN=180°。計算中國衛(wèi)星測控網(wǎng)和國際海事衛(wèi)星組織C頻段衛(wèi)星測控網(wǎng)的陸基固定測控站，對傾斜高圓軌道衛(wèi)星在其一個繞地周期(94 d)內(nèi)的可見性，時間取樣步長為Δt=60 s，設置觀測站海拔高度為0，最小俯仰角為3°。可見性見圖4。

圖4測控站對傾斜高圓軌道衛(wèi)星的可見性

Fig.4Visibility of iHCO satellite at satellite control station

考慮到政治外交因素和建設成本，傾斜高圓軌道衛(wèi)星測控站的站址可以選擇租用中國衛(wèi)星測控網(wǎng)和國際海事衛(wèi)星組織C頻段衛(wèi)星測控網(wǎng)的已有陸基固定測控站，其中一個國內(nèi)站，兩個國外站。依據(jù)以上的仿真結果可知，當站址選在納米比亞站和加拿大的考伊琴湖站時，國內(nèi)站選擇北京、西安、長春、廈門、青島、渭南、南寧、佳木斯和三亞，均可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)全天時連續(xù)跟蹤和觀測傾斜高圓軌道衛(wèi)星。其中，當國內(nèi)站址選在三亞時，3個觀測站可以跟蹤觀測傾斜高圓軌道衛(wèi)星的總時間最長，與傾斜高圓軌道衛(wèi)星的運行時間的百分比為125.492%。因此，傾斜高圓軌道衛(wèi)星的測控站可選址在中國的三亞、納米比亞站和加拿大的考伊琴湖。仿真分析上述3個測控站跟蹤傾斜高圓軌道衛(wèi)星時的方位(Azimuth)、俯仰(Elevation)和距離(Range)，如表1和圖5。

表1　測控站跟蹤傾斜高圓軌道衛(wèi)星的方位角、俯仰角和距離

圖5測控站跟蹤傾斜高圓軌道衛(wèi)星的方位角、俯仰角和距離特性

Fig.5Azimuth, elevation and range features of iHCO satllite

由此可知，選定的3個測控站跟蹤傾斜高圓軌道衛(wèi)星時，鏈路距離的變化范圍是36 163.923 km至41 652.957 km，由于設置的測控站的最小俯仰角為3°，俯仰角的上下起伏為3°至80.286°，方位角變化約為0°至360°。由于方位角、俯仰角和距離的變化較快，對傾斜高圓軌道衛(wèi)星的穩(wěn)定性和天線指向、捕獲和跟蹤能力的要求較高。

4　結　論

(1)本文簡要介紹了世界主要衛(wèi)星測控網(wǎng)的發(fā)展概況，提出傾斜高圓軌道衛(wèi)星測控可以采取測控接力的方法，選擇租用分布在全球已有的陸基固定測控站，并配備相應的測控設備，以滿足傾斜高圓軌道衛(wèi)星的控制建設成本和全天時測控需求。

(2)分析了全球范圍內(nèi)的測控站對傾斜高圓軌道衛(wèi)星的可見性，結果顯示可觀測弧長取決于傾斜高圓軌道衛(wèi)星的升交點赤經(jīng)，在緯度為-60°至60°范圍內(nèi)的觀測站對傾斜高圓軌道衛(wèi)星均有良好的可見性，赤道地區(qū)最佳。

(3)傾斜高圓軌道衛(wèi)星實現(xiàn)全天時測控，需要租用至少3個測控站，當測控站址選在中國的三亞、納米比亞站和加拿大的考伊琴湖時，可測控時長最長。這種情況下，由于測控站對傾斜高圓軌道衛(wèi)星的方位角、俯仰角和距離的變化較快，對地面站的天線指向、捕獲和跟蹤能力的要求較高。

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An Analysis of TT & C Station Selection of iHCO Satellite in CAPS

Xu Xiaojun1,2, Ma Lihua1, Lin Rongchao1, Ai Guoxiang1

(1. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China, Email: mlh@nao.cas.cn;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The inclined Highly Circular Orbit (iHCO) communication satellites, which are on orbits 150-300km above the Geostationary Earth Orbit (GEO), can be used to build global navigation and communication constellation of Chinese Area Positioning System (CAPS). Based on the development of the world telemetry, tracking, and command (TT & C) network, this paper analyzes the visibility of iHCO satellites, puts forward the optimization layout of TT & C network, and explores the azimuth, elevation and distance (AER) characteristics of the satellite-ground links.

TT & C; Inclined Highly Circular Orbit satellite; Visibility

國家自然科學基金 (11573041)；中國科學院重點部署項目 (KJCX2-EW-J01) 資助.

2016-01-31；

2016-03-01

徐小鈞，女，博士. 研究方向：導航星座優(yōu)化. Email: xuxiaojun12@mails.ucas.ac.cn

馬利華，男，研究員. 研究方向：衛(wèi)星導航通信與應用天文學. Email: mlh@nao.cas.cn

V474.2

A

1672-7673(2016)04-0422-06

CN 53-1189/PISSN 1672-7673