低轨卫星测控技术分析之二：Iridium卫星测控

铱星通信网络的系统已经稳定运行20多年，为地面提供全球无隙通信覆盖，在现阶段仍然技术领先，虽然不是真正的宽带系统，但是提供的服务多元而稳定。它的星间链路使全网始终处于联通状态，实现了近地卫星7×24小时连续测控，采用Ka频段测控和业务通道完成不同阶段的卫星测控任务，并在卫星寿命结束后主动完成离轨控制，为近地通信卫星测控树立了标杆。

一、基本情况（1）卫星 Iridium卫星系统的建立经历了二个阶段，共完成了30次入轨发射，将170颗星（95颗一代卫星和75颗二代卫星）送入轨道，截止到2021年4月30日，所有75颗二代Iridium Next卫星正常工作，一代Iridium卫星中的29个停止工作、66个卫星离轨。一颗Iridium卫星对地覆盖范围4000公里，地面通信的最小仰角8.2°，历次Iridium卫星发射统计如表1所示，具体如下：第一阶段 从1997年05月05日第一次发射到2002年6月20日，共进行了22次发射，将95颗一代Iridium卫星送入轨道，一代卫星重约689千克，寿命8年，其外形如图1(a)；一代Iridium星 二代Iridium星第二阶段 从2017年1月14日到2019年1月11日，共进行8次发射，将75颗二代Iridium Next卫星送入轨道，二代卫星重约860千克，寿命15年，其外形如图1(b)。（2）轨道 这里只讨论活跃状态的75颗卫星，它们分布在6个轨道面，如图2(a)所示，其中5个轨道面分布12颗卫星、一个轨道平面分布15颗星，轨道高度774km，倾角86.5°。图2(b)是这75颗卫星星下点瞬时分布图，可以看出它们分布均匀。 (a) 星座 (b) 星下点瞬时分布二、地面网络 Iridium地面网络由卫星网络运营中心、网关和跟踪与指挥控制站组成。 （1）卫星网络运营中心（SNOC） SNOC是空间和铱星网络地面基础设施的神经中枢，一个在美国，一个在意大利的罗马。主控制设施位于华盛顿特区郊外，其主要功能是控制和监视铱星卫星网络。卫星星座的日常管理涉及多种任务，包括分析遥测数据，以确保航天器上的每个子系统都在正常工作，并生成每日和每周的任务计划和轨道确定报告。（2）网关（GATE） 网关是卫星和地面通信系统进行语音和数据交换的通信节点，提供到公共交换电话网（PSTN）和Internet的连接。铱星公司曾经建立了11个网关，此后大部分已关闭，现有的4个网关分别位于美国亚利桑那州坦佩和阿拉斯加费尔班克斯、挪威斯瓦尔巴特群岛和智利蓬塔阿雷纳斯。（3）跟踪与指挥控制站（TTAC） TTAC站点将卫星的健康和安全信息路由到SNOC，提供从SNOC到卫星的上传命令，并充当关键空间网络数据的卫星遥测的传递机制。新一代Iridium地面系统升级后，已经把地面站统称为电信港，每个电信港包括网关和跟踪与指挥控制站，如图 4中(a)所示，图 4(b)是Iridium位于智利蓬塔阿雷纳斯的地面站外景。 (a) 地面站分布 (b)蓬塔阿雷纳斯站三、测控链路 Iridium系统的测控链路包括星地上、下行链路，如图 5中的链路①和星间链路，如图 5中的链路②，具体如下：（1）星地上行测控链路频段为29.1～29.3 GHz，在早期测控段和轨道转移段，上行测控链路使用BPSK调制方式，遥控速率1kbps，全向天线，右旋圆极化；在业务运行段，上行测控链路使用QPSK调制方式，遥控数据与其它业务数据一起打包，速率3.125Mbps，定向天线，右旋圆极化。（2）星地下行测控链路频段为19.1～19.6 GHz，在早期测控段和轨道转移段，下行链路频率使用BPSK调制方式，遥测速率1kbps，全向天线，左旋圆极化；在业务运行段，下行链路频率使用QPSK调制方式，遥测数据与其它业务数据一起打包，速率3.125/12.5Mbps，定向天线，左旋圆极化。 （3）每颗铱星卫星还与星座中的其他四颗卫星相连，提供业务和测控通道。一颗卫星链接到同一轨道上的其他两颗卫星-它们将在轨道的任一侧，也链接到相邻轨道上的另外两颗卫星。这些链接提供了一个空间网络，允许在卫星之间路由数据，星间链路频段为22.55～23.55 GHz。 图5 Iridium卫星测控链路四、测控模式所有工作卫星始终实时连接，控制中心对它们进行7×24小时实时测控管理，备份卫星只在经过地面站上空时建立测控链路，分时测控管理。8名日常运营人员7x24对星座和网络监控，当地面系统或卫星发生异常，卫星工程师7x24全天候值班处理。五、星座建立星座的建立是逐次实现的，以2017年10月8日的发射为例，本次发射将10颗Iridium送入620km的初始轨道，它们在到达高度为777km的目标轨道之前在中间的710km高度停留一段时间，图 6(b)是D点的细节，可以看出，为提高控制精度，所有卫星在达到目标高度777km之前，还要进行一次精控。(a) 入轨后2个月 (b) D点细节六、离轨控制 在第二代Iridium卫星入轨后，一代Iridium进行了离轨，到2019年时，已经对64个卫星完成了离轨控制，这些卫星已经坠落。 （1）离轨策略 控制卫星的近地点轨道高度降至260公里甚至更低，选择太阳活动高峰期，同时调整卫星的太阳电池板方向，使阻力最大，卫星在一年内能坠入大气层。 （2）推进系统 Iridium的推进子系统安装有7个推力器，为轨道转移、轨道维持和姿态控制提供推力。有两种推力器类型：推力为1N的Aerojet MR-103G和推力为0.369N的Aerojet MR-501B电热肼推力器，尽管后者推力较低、功耗大，但效率高。图7 Iridium卫星推力器 一个Iridium卫星载有115kg推进剂，其中11kg用于卫星星座的建立和20多年寿命的轨道维持，剩余推进剂用于轨道机动、异常处置和离轨控制。推进器一次工作能够提供0.25～3m/s的速度增量，一次卫星离轨持续6～30天，推进器工作80～300次。图8 是2018年对Iridium 62进行离轨执行情况，从10月18日开始降低轨道开始，只用了7天时间，将卫星的近地点到160km后卫星坠入大气层。图8 Iridium 62卫星离轨轨道过程