美国航天测控资源的现状及展望

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2010 年第二十三届全国空间探测学术交流会论文 Integration Center，简称 NIC）、以及新墨西哥州的数据服务管理中心（Data Service Management Center，简称 DSMC）和白沙靶场（White Sands Complex，简称 WSC） 的甚高频系统。
基本操作能力
随机地址系统
150kbit/s 除系统为用户自有和操作外，与查询地址系统能力相同
用户星跟踪测轨
150m（3σ）
150m（3σ）
无变化
注：*超过 300 Mbit/s 需改造地面站；**受到白沙站 DIS 限制在前向服务上有一个 7MB 的限制。
2.2 NASA 地基网
随着美国天基测控系统的建立，NASA 全球分布、规模庞大的地基测控网规模 减小，很多测控站陆续关闭。图 3 所示为 NASA 地基航天测控网，在地理上共有 7 个分布区域。这些测站一些由 NASA 所有，并负责维持，另外一些则为通过签订合 同支持 NASA 任务的商业地面站。目前 NASA 所属测站可以每天跟踪 275 圈次以上， 商业合同站可以提供每天 40 圈次的跟踪。美国国家航空航天局（NASA）的地基网 包括位于挪威、佛罗里达、阿拉斯加和位于维吉尼亚的沃洛普斯飞行实验室（Wallops Flight Facility，简称 WFF），其测控设备参数表 3 所示。此外，地基网还包括位于戈 达德航天中心（Goddard Space Flight Center，简称 GSFC）的网络集成中心（Network
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2010 年第二十三届全国空间探测学术交流会论文
图 2 2010 年（空心节点）和 2015（实心的补充 TDRS）年的天基网结构
预计 2015 年的任务需求是用 7-9 个 SA 覆盖最高负载，用 6 个 SA 确保“稳态”需 求。在交会操作和“一致”支持的每个节点处至少需要两个 SA。发射、LEOP 支持和 交会操作（包括 CEV）都会出现最高负载。
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的接口），编队飞行的多目标同时测控，航天任务的高度自主和更多的组织和用户参 加到航天领域中，很多用户建设自己的测站，大量时间处于空闲状态等等。
未来 NASA 地基测控网的口号是“更灵活，更可靠，更完整”。NASA 的地面网 将提供多任务共享能力，集中在满足任务需求上，商业合同站则提供单一任务的补 充。NASA 地基测控网将实现与美国其它地面网互操作，包括与 NOAA、DoD 的航 天测控资源和其它一些商业资源的合作，同时提供应急测控、发射测控和早期轨道 段测控及其备份是地基测控网的长期测控任务。
NASA 地面网是由用户需求驱动的，提供轨道器和亚轨道器任务的遥测、遥控 和跟踪服务。GN 可以提供各种轨道任务中所有阶段的多个不同频段的测控：部分 测站位于高轨地区，以提供极轨卫星的测控，例如挪威、阿拉斯加和南极洲几乎可 以每圈都提供极轨航天器的测控；非极轨的地面站主要支持小倾角轨道任务和同步 卫星的应急测控；位于运载工具航区的测站则主要提供高效的上升段航区跟踪，如 梅里特岛（MILA）站提供从肯尼迪中心（KSC）发射的航天飞机发射段测控支持， 而位于维吉尼亚的沃洛普斯岛站主要提供小倾角用户的轨道支持，在沃洛普斯上升 段的测控跟踪和从肯尼迪航天中心（KSC）发射的一些测控覆盖。这些非高轨测站 全球分布以提供非极轨任务的覆盖。这些测站的测控设备情况见表 2。
1kbit/s-25Mbit/s** 1kbit/s-超过 1.2Gbit/s*
2SSA 2KuSA 2KaSA
每 个 100bit/s-10kbit/s （超过 TDRSS 8dB） 6 个，每个 3Mbit/s（星 载波束组成）
不可用
注释 无变化
23/25-27GHz 频段 TDRS 8-10 同时使用 S 和 Ku，或 S 和 Ka 服务 操作时，需要单一 SA 天线。
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美国航天测控资源的现状及展望
魏晨曦
北京跟踪与通信技术研究所 摘 要：本文介绍了美国航天测控资源，包括美国国家航空航天局（NASA）管理的天地基 航天测控网和深空网，美国空军司令部管理的空间卫星控制网（AFSCN），以及美国国家海洋和 大气局（NOAA）管理的运控中心和测控站等的发展情况，展望了近年来美国各航天机构均通过 测控网之间的互操作，综合利用这些分属不同部门管理的航天测控资源的新方式。
表 2 NASA 天基网测控能力
服务 S 频 前向 段 返向 Ku 前向 频 返向 单段 址 Ka 前向 频 返向 段 每个航天器的 链路数
每 前向 个 多航 址天 器 返向 的 链 路 数 查询地址系统
TDRS 1-7 1-300kbit/s 1kbit/s-6 Mbit/s 1kbit/s-25Mbit/s 1kbit/s-300Mbit/s
无 无
2SSA 2KuSA
1 个，每个 100bit/s10kbit/s 5 个，每个 150kbit/s （仅受地面设备限 制）
6 个，可扩展至 50 个 TDRS 返 向 服 务，每个通道
TDRS 8-10 1-300kbit/s 1kbit/s-6Mbit/s 1kbit/s-25Mbit/s** 1kbit/s-300Mbit/s
23/35.4 22.6/35.
4 23/36
2200-
20252120
66
2400 8000-
23 35
9000
20252120
59
22002300
17
2025-
62
2200-
21
2120
2400
20252120
66
22002300
24
2200-
20252120
63
2400 8025-
21.1 32.5
1 概述
美国航天测控资源分属不同部门管理。美国国家航空航天局（NASA）负责民 用航天计划，其中哥达德中心（GSFC）管理 NASA 天基网（SN）（包括空间部分和 地面部分）和地基网（GN），喷气推进实验室（JPL）管理 NASA 深空网（DSN）。 国防部的军方航天测控资源主要为美国空军司令部负责管理的空间卫星控制网 （AFSCN），以及全球定位卫星系统（GPS）及其运行控制中心。美国国家海洋和大 气局（NOAA）拥有管理其所属卫星的测控中心和两个测控站，负责卫星的数据接 收和指令控制。此外有一些商业机构在很小的市场范围内提供航天测控服务，更多 的商业测控行为则依赖于与 NASA 之间的商业合同，包括一些大学。此外美国也与
表 3 测控设备参数
地面站
SGSNASA(挪
威) 属 KAST
天线 口径
11.3 m
11.3 m
13m
11.3m 天线 系统
11.3
（WFF）
m
LEO-T (WFF)
5m
TOTS （WFF）8mຫໍສະໝຸດ 9m 天线系 统（WFF）
9m
MGS （南极洲）
10m
LEO-T (阿拉斯加)
5m
TOTS （阿拉斯 8m
地基网 地基天线网 近地轨道 地球同步轨道 轨道器、亚轨道器、航天飞机
布站主要考虑为极轨支持和发射支持 X 波段高速数传服务 X、S、L 波段和 VHF 通信服务 NASA 的全球网和合同地面站 需要时在适当位置附加的合同商业站
2.1 NASA 天基网
美国天基网有两个主要部分：白沙综合站（WSC）和地球同步轨道跟踪与数据
图 3 美国 NASA 地基航天测控网
经过几十年的建设演化，NASA 地基测控网主要面临四大类的挑战。首先为性 能挑战，表现在测控设备老龄化带来服务性能的风险，任务需求驱动导致接口和硬 件的非标准化限制了网络之间的互操作，有限的经费投入使得升级或建设新系统受 到限制；其次为成本挑战，突出体现在老龄化系统、非单一系统，手动扩展的系统， 针对任务建设的专用设备和那些相对使用率低的系统；三为未来用户需求的矛盾， 包括短期内少数用户会使得 S 频段任务大量增加，对地观测任务的 X 频段需求，其 它中期高速数据任务计划使用其它网和未来空间操作发展趋势对地面网的影响；最 后为高覆盖的急剧增加，主要为希望尽快实现空间资源与用户的端到端通信（共同
中继卫星（TDRS）星座。
天基网由 GSFC 的任务服务计划部（MSP）管理，包括空间部分和地面部分。 空间部分即跟踪与数据中继卫星（TDRS）星座，分成最初的基本 TDRS 计划（TDRS
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2010 年第二十三届全国空间探测学术交流会论文 F1 至 F6）、TDRS 替换计划（TDRS F7）和后续计划（TDRS H，I，J，即 TDRS F8F10）。地面部分包括白沙综合站（WSC），双边测距转发系统（BRTS）、梅里特岛 发射区（MILA）的 TDRSS 中继站和数据服务管理中心（DSMC）。其中 WSC、BRTS 和 MILA 中继站均为 SN 专用，但 DSMC 与 NASA 地基网 GN 共享。WSC 和 TDRS 星座也组成众所周知的数据中继卫星系统（TDRSS）。
NASA 还通过签订合同的商业地面站支持 NASA 任务，如图 3 所示。这些测站 包括阿拉斯加的阿拉斯加卫星设备（ASF）；阿拉斯加的 Honeywell 公司的 DataLynxTM 站；挪威斯瓦尔巴的 Kongsberg 卫星服务(KSAT)；阿拉斯加、夏威夷和澳大利亚的 全球航天测控网（USN）和智利圣地亚哥的智利大学（UdC）。
图 1 SN 和 GN 参考结构
表 1 NASA 天基网与地基网的分工
用户 类型
服务 特征
系统 特征
天基网 天基数据中继系统 近地轨道 轨道器、亚轨道器、发射、航天飞机、 国际空间站 陆基和海基任务 提供低用户连续轨道覆盖 S 波段、Ku 波段和 Ka 波段通信服务