面向商业通信卫星的测运控一体化系统设计

李靖

（天津七一二通信广播股份有限公司北京研发中心 北京市 100084）

随着商业航天和卫星互联网产业的蓬勃发展，卫星的发射数量和频次急剧增长，国内现有测运控运行体系难以适应纯商业卫星的要求[1]，由国家测控系统统一完成卫星在轨管理的模式逐渐向更灵活的商业测控模式分流。由于卫星测控处理的专业性，中小型商业公司一般选择将卫星的在轨管理交由专业商业测控公司代为管理。然而，卫星作为商业公司的重要资产，特别是对于复杂度较高的、涉及星上再生处理等功能的商业通信卫星星座系统，卫星已经不再是单纯的转发通道，而是重要的通信系统网元，在传统卫星测运控功能的基础上，还需要针对通信业务状态对卫星通信载荷做频繁的业务测控处理。基于上述特征，出于保证公司的卫星核心资产安全、实现有效实现卫星在轨管理的目的，很多商业公司选择自行管理本系统的卫星，并且与通信网络的运行管理和数据业务做有机的结合。因此，测运控以平台载荷为核心的管理服务模式，正在向以数据业务为核心的服务管理模式转变[2]。

本文针对商业卫星独特的运营模式，以“提高商业卫星在轨运行管理效率，减少卫星在轨管理成本”[3]为目的，为通信卫星星座构建一种自动程度较高的测运控一体化系统架构。

1 系统架构

测运控一体化架构由：信号传输处理子系统、卫星运行管理子系统、业务测控管理子系统组成，见图1。

图1：测运控一体化架构

1.1 信号传输处理子系统

信号传输处理子系统负责完成卫星测控信号的处理。卫星测控信息可通过专用测控链路经测控站，或通过数据复接的方式将测控数据与业务数据复接在馈电链路上通过信关站完成与地面的交互。

1.2 卫星运行管理子系统

卫星运行管理子系统负责完成星地数据处理和卫星在轨管理。包括遥测、遥控数据的处理和分发，卫星在轨重构、工程数据处理、卫星轨道测量和定轨预报、卫星的轨道保持、姿态控制管理等功能。

1.3 网络运行管理子系统

网络运行管理子系统负责完成通信网络各设备的状态监控，包括地面系统的设备状态的管理以及卫星测控任务规划等功能。

1.4 业务规划子系统

业务规划子系统负责完成通信任务的规划工，通过受理业务需求，形成业务配置参数指令，并发送到卫星载荷和网络运行管理子系统，实现通信任务的相关处理。

其中，信号传输处理子系统由分布在适当的境内或海外位置的信关站和测控站组成；卫星运行管理、网络运行管理和业务测控管理分系统位于系统运控中心，由运控服务器、网络设备和相应的管理席位构成，运控中心通过地面网络实现与外部地面站点的信息交互。

2 系统设计

2.1 地面站点设计

系统的专用测控站和信关站等地面站点构成信号传输处理子系统。根据国家测控系统的管控要求，商业卫星通信系统的测控链路一般采用X、Ka 或更高的V 频段链路。单个测控站/信关站由天伺馈单元、信道处理单元、基带处理单元、时频单元、站控单元、网络处理单元组成。此外，对于信关站，还包括处理通信业务的管控单元等（接入网、核心网设备）。其中，站控单元通过网管协议，接收运控中心下发的卫星的星历信息和测控计划信息，并转发给天伺馈单元的ACU 模块，指示天线按测控任务的计划安排完成对星和跟踪处理。

2.2 运控中心设计

运控中心负责卫星通信运行控制，卫星通信运行控制系统是卫星通信系统的重要组成部分，是保障系统可靠、高效运行的主要手段[4]。

2.2.1 卫星运行管理子系统

卫星运行管理子系统主要完成传统卫星地面测控系统实现的对卫星在轨运行的测控处理和在轨管理功能。卫星运行管理子系统主要由测控信息处理单元、数传信息处理单元、测定轨处理单元和姿轨控处理单元组成。

（1）测控信息处理单元的主要功能包括遥测数据的解析和存储、遥控和注数指令的编辑、组帧、码表转换和认证处理，以及测控数据的网络分发。

（2）数传信息处理单元的主要功能包括按测控计划自动执行对卫星数传业务数据的下载、分析和保存，以及载荷上注重构。通过在数据分析终端上的数传分析软件，能够完成对数传数据的解析，部分与设备状态相关的数据传递给网络运行管理子系统，生成网管的日志和报表。

（3）测定轨处理单元主要完成卫星的定轨和预报功能，通过接收遥测信息中的卫星GNSS 信息，计算得到卫星的定轨信息，并通过比对外部传来的卫星TLE信息、信关站的轨道测量等信息，实现综合精密定轨处理。并且通过SGP4/SDP4 等模型实现轨道预报。网络运行管理子系统通过访问调用测定轨处理单元的服务，能够得到各地面信关站、测控站跟踪卫星测控圈数、进出站时间、对星仰角等的参数，进而完成相关设备的参数配置。

（4）姿轨控处理单元主要完成卫星的轨道保持和姿态控制。通过分析当前卫星的轨道和姿态信息，比对轨道维持和姿态调整的目标要求，计算规划卫星的剩余燃料，得到卫星轨道和姿态调整的参数；进而通过对调整参数的仿真，能够预示姿轨控的调整结果，最后由管理员完成姿轨控的遥控上注处理。

2.2.2 网络运行管理子系统

网络运行管理子系统由卫星状态信息处理单元、网络管理单元和测控计划管理单元组成，实现对网络中各设备健康状态的管理。

（1）卫星状态信息处理单元通过接收卫星遥测信息并转换成网管协议格式，实现网管系统对卫星的统一监控。卫星的遥测参数还进一步作用于测控站或信关站的上行链路的参数调整，实现网管对地面链路的自动调制编码控制等功能。

（2）网络管理单元通过与各设备的网管代理模块之间的网管协议，实现网络管理的各种功能，包括设备上线、离线的监视、参数配置、异常上报、软件更新等处理。此外，通过与外部通信任务规划等子系统交互的网管北向接口，能还能够受理通信任务，实现对信道设备的管控处理。

（3）测控计划管理单元能够实现对测控任务的编排，并通过网管协议，完成对地面各站点的配置。通过访问卫星运行管理子系统生成的轨道预报的数据结果，可以得到各信关站、测控站的跟踪参数，形成测控计划，并由网络管理单元负责访问测控计划信息，形成网管参数配置指令，完成对地面各站点的自动配置。

2.2.3 业务规划子系统

业务规划子系统由业务规划单元、资源调度单元组成。业务规划单元负责为管理员呈现当前的业务运行状态和通信资源的状态，例如各波束照射位置、通信频段、波束可用时段、信道设备占用情况等信息，能够根据特殊通信业务的需求，预留相应的资源，形成针对特殊业务的管理计划。资源调度单元负责接收卫星运行管理子系统和网络运行管理子系统的卫星载荷设备和地面信道设备的状态，为业务规划提供资源信息支持，同时也负责将资源的调度指令发往卫星载荷和网络运行管理子系统的网络管理单元，执行通信资源的调度。

3 系统工作流程

本系统工作流程涉及卫星的测控信息的收发处理、卫星的在轨运行管理以及业务的规划管理等多个方面。以下选取部分典型工作流程描述。

3.1 测控信息收发和处理

（1）卫星运行管理子系统的测定轨单元根据从测控信息处理单元获取的卫星GNSS 信息和外部卫星星历信息实现定轨和预报功能。

（2）网络运行管理子系统的测控计划管理单元建立测控任务，选取某测控站并通过测定轨单元的轨道预报服务得到某测控站的跟踪时段信息。

（3）网络运行管理子系统的网管单元通过接收测控计划管理单元的测控计划信息，生成向测控站下发的配置参数，包括星历信息、跟踪起止时刻等，并通过网管协议接口下发给测控站。

（4）测控站的站控单元接收到测控配置参数，将参数加注到天线ACU 模块，在规定的时刻，天线执行对星操作，根据跟踪的模式，开始程序跟踪，或进入信号的搜索状态。

（5）当天线捕获到卫星信号，将建立与卫星的双向信号连接，测控站的基带单元将完成测控信息的调制解调等处理工作，并通过地面网络，与运控中心的卫星运行管理子系统交互卫星遥控和遥测信息。

（6）对于遥测信息，经卫星运行管理子系统的测控信息处理单元完成遥测信息的解包和物理量解析处理，将数据保存到时序数据库中，并将物理量以组播方式在局域网内推送，供其他系统选择使用。

（7）对于遥控信息，管理员可通过操作界面选取或配置遥控指令信息，并选择是否经过码表和认证设备的处理后，再完成遥控帧的组帧，传递到测控站最终上注给卫星。

（8）当测控任务结束时，卫星飞出测控可视范围，测控站天线自动回位，测控计划管理单元通过接收网管单元上报的信息，完成相关的日志记录工作。

3.2 测控链路状态管理

（1）网络运行管理子系统的网络管理单元分别从卫星运行管理子系统的测控信息处理单元接收卫星下发的上行信号质量的遥测信息，从测控站站控单元接收本站的基带单元上报的基带配置状态和下行信号质量信息。

（2）当上下行信号质量信息发送变化，达到调制编码档位调整的阈值时，将触发相应的调整流程。

当下行信号达到阈值，将触发对卫星测控基带或发射的功率调整，网管单元将通过卫星的网管代理生成对卫星的发射调整指令，并通过接收测控站站控单元的网管代理反馈的下行信号状态完成状态确认。

当上行信号达到阈值，将触发对测控站基带和信道处理设备（如功放设备）的调整，网管单元将通过测控站的站控单元的网管代理生成对测控站的发射调整指令，并通过接收卫星的遥测信息完成状态确认。

3.3 业务规划和执行

（1）业务规划子系统的资源调度单元负责从网络运行管理子系统的网络管理单元获取卫星的资源信息和信关站的信道状态，并综合呈现给业务管理员。

（2）管理员在业务规划单元根据特种通信任务规划，选择使用的波束资源、子信道转发资源、地面信道的资源，并根据任务规划生成业务配置脚本。

（3）资源调度单元按照业务配置脚本的要求，触发对卫星和地面信关站的配置。其中，对卫星的配置，由资源调度单元生成载荷的注数指令，配置卫星的波束指向、频段交换关系等信息；对地面信关站的配置，由资源调度单元生成对网管单元的配置需求指令，进而由网管单元通过网管协议完成对信关站信道单元的配置，或生成对卫通终端的配置参数，当终端入网时，将相关参数经卫星信道下发给卫通终端，完成通信规划的执行。

4 结束语

随着卫星互联网概念的实现和普及，催生了大量的商业卫星公司，特别是针对商业通信卫星系统建设，已进入到蓬勃发展的时期，各商业公司为了有效的管理复杂的卫星载荷和整个通信网络的管理和业务系统，需要将传统的卫星测运控系统与地面网络管理和业务运行系统进一步做综合化处理。本文提出了一种针对商业通信卫星的测运控一体化架构，将系统划分为“信号传输处理子系统”、“卫星运行管理子系统”、“网络运行管理子系统”和“业务规划子系统”等四个部分，并针对其系统组成、功能描述、接口关系以及由上述各部分配合实现的若干典型的工作流程做了详细的描述。

该架构通过将卫星的测控、运控、网管、业管等各部分功能实体形成标准的模块定义，并利用模块、单元、分系统等各级接口协议，将各部分功能有机的结合在一起，形成高度自动化的测运控一体化架构。该架构对于提升网络管理效率，特别是卫星的在轨管理，降低整个运营人员和设备的成本都有巨大的帮助，能够大大降低商业卫星运营公司管理卫星资产的难度。