馭星觀察 | 歐空局地面站網絡現狀及演變發展

01 發展歷史

歐空局（ESA）成立於1975年，由22個成員國組成，致力於太空探索活動。自成立以來，歐空局承擔著對地觀測、深空探測、科學研究等多項重要航天任務，龐大的任務量和任務的複雜性需要高性能、高靈活度的地面網絡予以支持。地面網絡對於航天任務的重要性不言而喻，但相較於天基系統，其背後的地面基礎設施較少得到關注。本文將通過梳理歐空局地面站設備概況及現狀，重點闡述該地面網絡的戰略演變及未來發展。歐空局地面網絡分布在全球各地，為歐洲航天事業的發展乃至其他國家和地區的航天活動提供了有力的地面設施保障和支持。目前，該地面網絡平均每年運行15000個小時，每年平均服務20多項航天任務。

從1968年開始，歐空局通過與其他組織機構合作，對地面站網絡進行擴展，同時最大程度地保持系統之間的通用性和完整性，確保其經濟高效的運行。歐空局地面網絡根據用途可分為三個部分，分別為近地網、深空網、發射及初期軌道階段（星箭分離至衛星入軌）跟蹤網絡。其中近地地面網絡開發啟用時間最早，進入本世紀以來，隨著航天科學技術的不斷發展，歐空局的地面網絡部署重點轉移到了發射及初期軌道階段基礎設施（包括法屬蓋亞那庫魯，肯亞Malindi和澳大利亞New-Norcia）和深空基礎設施（位於澳大利亞，西班牙和阿根廷）的建設上。同時，歐空局通過籤署合作協議與商業公司建立合作夥伴關係，以補充歐空局的地面系統能力。

上世紀六七十年代，歐空局地面網絡的建設重點是近地網。在太空探索時代的初期，歐洲發起了運載火箭和地面基礎設施建設計劃。七十年代初期，歐空局開始在全球部署15m口徑天線，包括比利時Redu站，西班牙Villafranca站，德國Odenwald站，瑞典基律納站，法屬蓋亞那庫魯站。這一時期建設的近地地面站網絡為歐洲航天地面系統的發展打下了良好的基礎，比利時Redu站、瑞典基律納站、法屬蓋亞那庫魯站至今仍是歐洲地區開展航天活動的重要基地。

在八十年代，該局在澳大利亞Carnarvon建設了一套地面站，以支持歐空局首次深空任務——彗星觀測任務（Giotto）。該天線於1986年移至Perth。九十年代，隨著以機器人彗星探測器計劃（Rosetta）為首的深空探索計劃的發展，歐空局決定在澳大利亞New-Norcia安裝另一個深空天線。該天線的落成儀式於2003年3月5日舉行。隨後分別在2005年和2013年添加了另外兩套天線，分別位於西班牙Cebreros和阿根廷Malargüe，構成了現有的深空網。

2008年，歐空局在葡萄牙亞速爾群島的Santa Maria島上部署了一套5.5米口徑天線設備，以跟蹤阿里安運載火箭（Ariane）。隨後歐空局部署了另外兩套小型天線，分別位於澳大利亞New-Norcia和肯亞Malindi，用於支持發射及初期軌道階段和運載火箭的跟蹤。

在擴展自有地面站網絡的同時，歐空局與其他機構建立了合作網絡，例如美國NASA，日本JAXA，法國CNES，德國DLR，義大利ASI等各國航天局。圖1為歐空局現有地面網絡布局，圖中綠色為與其他航天局的合作站；橙色表示由商業實體代表歐空局運營的地面站，主要支持日常任務和發射及初期軌道階段任務，包括SSC的夏威夷South Pole站、智利聖地牙哥站、澳大利亞Dongara站以及KSAT的南極Troll站和挪威Svalbard站。藍色表示歐空局核心地面站，位於七個國家，除了由澳大利亞New-Norcia、西班牙Cebreros、阿根廷Malargue三個地面站構成的深空網絡以外，核心地面站還包括庫魯站、比利時Redu、葡萄牙Santa Maria和瑞典基律納站。核心站的產權歸歐空局所有，由位於德國的歐空局運營中心運營，以支持重要探測任務。

圖1 歐空局地面站網絡

隨著任務數量的增加和商業地面基礎設施的發展，歐空局近年來採取了以下幾點戰略方針：第一，繼續維護開發用於深空探測、天文研究和對地觀測任務的戰略性自有地面站，用於支持關鍵任務的發射及初期軌道階段和運載火箭跟蹤等任務；第二，開拓與其他航天局的合作夥伴關係，共享地面站資源，包括歐洲各國和其他國家航天局和相關機構；第三，建立商業合作夥伴關係，以支持日常近地任務，並將部分地面站設備移交給商業公司或其他國家主體運營，以提高歐空局在歐洲的商業競爭力並專注於自身核心任務的支持和地面系統運營。

在過去幾年中，歐空局將三套地面站所有權轉移給了其他主體。2015年，由於城市化進程的需要，澳大利亞電信部門撤回了澳大利亞Perth站的頻率許可。歐空局決定將一套15m天線的所有權轉移給葡萄牙政府，該設備於2018年在葡萄牙Santa Maria地面站重新開始進入運營，目前面向多元化主體提供商業服務。位於西班牙Villafranca和Maspalomas的天線也於2017年移交給了西班牙國際組織，目前同樣用於提供商業服務。

02 近地網絡發展動態

1）近地網絡基礎設施：

表1 近地網絡地面站設備概況

根據歐空局與瑞典政府之間的一項國際協議，歐空局自1986年起開始使用位於瑞典北部的基律納站。基律納兩套天線可提供測控數傳服務和無線電測量（測距，測速）。這兩套天線目前主要支持的任務包括CryoSat遙感衛星（用於觀測兩極地區冰川融化和海平面升高現象）,Integral伽瑪射線天文衛星,Swarm系列三顆衛星（研究地球磁場）和哥白尼計劃哨兵系列對地觀測任務。其中CryoSat遙感衛星發射於2010年，預計運行到2023年後離軌，年均地面系統跟蹤時長為4000多小時，約佔基律納地面站總使用量的20%左右；Integral發射於2002年，預計在2020年至2021年期間退役，年均跟蹤時長為8000-9000小時，約佔基律納地面站總使用量的40%左右；Swarm系列三顆衛星預計在2022年以後退役，年均跟蹤時長為3000小時左右，約佔基律納地面站總使用量的15%左右；其他任務約佔25%，包括哨兵系列目前在軌的七顆衛星（六顆整星+一個有效載荷）和Aeolus氣象衛星。

庫魯站是歐空局另一個核心地面站，該站得益於其優越的地理位置和天線設備獨特的X波段性能，支持了多項重要任務的發射及早期軌道階段和在軌階段的測控。庫魯站主要服務的任務包括高通量X射線光譜任務（XMM）（發射於1999年12月）、伽利略導航衛星系統在軌驗證階段、Metop極地軌道氣象衛星系列C星（發射於2018年11月）、Cluster系列4顆衛星的數據備份（研究地球磁層及其與太陽風的相互作用）、BepiColombo水星探測計劃（發射於2018年10月）和SOLO太陽軌道器（發射於2020年2月）等。庫魯站是歐空局戰略基礎設施，使其能夠自主執行關鍵任務。庫魯站的X頻段發射及早期軌道階段起到的作用很難被商業服務或國際支持所取代。從中期發展來看，庫魯站未來很有可能用於未來歐空局探月計劃。

2）近地任務需求：

當前，對地觀測任務測控通常在S波段進行，有效載荷的數傳在X波段（8.025-8.4GHz）。大多數極軌地球觀測太空飛行器的相關地面站位於兩極圈以內，由於可用帶寬有限，地面站的集中分布增加了X波段的幹擾和擁擠程度。這種幹擾和擁擠不僅限於X波段，由於地面通信的需求，S波段也面臨著類似問題。為了解決該問題並提供更高的數據速率，相關部門將25.5-27.0GHz的Ka頻段劃分給了歐空局，用於傳輸有效載荷數據。美國NASA和國家海洋和大氣管理局（NOAA）聯合研製的極地衛星系統（JPSS-1）（發射於2017年11月）和計劃於2021年啟動的第二代EUMETSAT極地系統/Metop等任務將以26 GHz的頻率傳輸有效載荷數據，測控仍在S波段。這兩個衛星系統測控和數傳都將使用專用天線來完成。為了建立與衛星的可靠鏈路，26GHz數傳需要口徑小至6m的天線。

此外，從任務規劃的角度而言，隨著目前管理的衛星壽命逐漸耗盡，在未來的4-5年間，基律納地面站將主要支持哨兵系列任務和計劃2022年發射的多個遙感衛星，包括Earthcare（觀測雲層和氣溶膠）、Biomass（觀測植被）、Flex（觀測植物光合作用）。

3）近地網絡發展策略：

基於如上所述的任務需求，在未來的幾年中，歐空局將對地面端設備進行一系列改造和升級，以提供更好的通信服務。該局考慮在原有的基律納1號天線設備的基礎上添加X波段上行和Ka波段接收能力。歐空局將通過可行性研究，評估設備改造的可能性。同時，也考慮購置6m口徑S/Ka頻段天線，以支持未來的對地觀測任務。

03 深空網絡發展動態

1）深空網絡基礎設施

表2 深空網絡地面站設備概況

如表2所示，深空跟蹤網絡作為歐空局地面核心網絡的一部分，由三套地面站組成，分別位於西班牙Cebreos，阿根廷Malargue和澳大利亞New-Norcia，三點之間經度相距120度，在全球均勻分布。該深空網絡主要提供遙測、遙控、跟蹤、無線電測量（測距，都卜勒， Delta-Do幹涉測量）、無線電科學研究等功能。2019年1月，歐空局宣布計劃在2019年年內在三套深空天線上安裝低溫冷卻饋源，用於收發深空信號，新的天線可以在高頻運行狀態下，提高40%的下行數據量。該饋源必須冷卻到10 K（與絕對零值僅10度之差，大約-263 C），才能正常運行。主要亮點為超高功率信號發射（超過25千瓦），相當於同時打開25,000部手機所傳輸的電量。該技術的原型天線由美國NASA研發，目前安裝在加利福尼亞Goldstone，已在2018年成功完成技術測試。

深空網絡可執行一系列任務，包括行星探索、天文學、太陽觀測、探月等。一般情況下，地面站與深空探測太空飛行器之間的距離超過200萬千米，對於設備的性能要求較高。該深空網絡自建成以來先後成功服務了機器人彗星探測器（Rosetta）和雷射幹涉儀空間天線技術試驗任務（LISAPF），目前管理的在軌太空飛行器包括火星快車號（MarsExpress）、火星探測計劃（ExoMars）、金星快車（VenusExpress）、空間恆星望眼鏡任務（Gaia）、水星探測計劃（BepiColombo）、太陽系外行星特性探測衛星（CHEOPS）、太陽軌道器（SOLO）等。同時，該網絡也為其他國家航天局的任務提供服務，作為相互合作和支持的項目，包括NASA的土星探測任務（Cassini）、洞察號火星探測器（Insight）和日本JAXA的隼鳥號小行星探測計劃（Hayabusa）。

2020年1月30日，澳大利亞New Norcia 35m天線首次同時向火星快車號（Mars Express）和火星微量氣體任務衛星（ExoMars TraceGas Orbiter）兩個太空飛行器發送了指令，分別使用了S頻段（約2.8GHz）和X頻段（8-12GHz）進行通信，並確保兩個頻段的信號沒有相互幹擾。此前，地面站可從多個接收器同時接收多個信號，但從地面向太空飛行器發射信號在此前從未實現過雙頻同時發射。此次測試成功是提高歐空局全球地面網絡靈活性的重要一步。隨著深空探測任務量的增加，對於相應地面站的需求量也不斷增加，在新的地面站建成之前，為了滿足短期內的容量需求，單個天線與多個太空飛行器之間的通信技術對於提高基礎設施利用率有著非同凡響的意義。

2）深空任務需求：

除了目前已經在軌的深空探測太空飛行器以外，正在計劃中的任務主要有歐空局拉格朗日太空天氣探測任務（L5Space Weather）、美國NASA大視場紅外巡天望遠鏡（WFIRST）、歐幾裡得空間望遠鏡（Euclid）等潛在任務，均計劃在未來五年內發射。中長期發射計劃包括X射線高級望遠鏡（ATHENA）、行星過境太空望遠鏡（PLATO）等。

通過分析現有和計劃中的深空任務需求，可以預測從2021年開始深空地面站使用量將有較大幅度增長；到2023年，任務通信需求將超過目前可用容量的50％，預計平均每年需要26,000個小時的工作量。

3）深空網絡發展策略

基於以上的任務預測，歐空局主要採取兩個策略來滿足深空探測任務需求。第一，考慮到地面站基礎設施利用率和運維成本，該局將在現有的站址增加天線數量，而非開拓新的站址。2019年12月，歐空局宣布將在澳大利亞New Norcia添加第四套深空天線，以支持將於2024年發射的木星冰月探測器（JUICE）和小行星探測針（Hera）任務。該站將補充NASA位於Tidbinbilla（坎培拉附近）的基礎設施，提供相互支持。為促進與澳大利亞的合作，歐空局將與澳大利亞相關部門合作，共同投資建設該站。新的設備將在2023年完工，2024年中旬進入運營。此外，在阿根廷Malague，新的深空天線將覆蓋南美地區，目前該地區只有中國的地面站，但歐空局與該地面站尚無合作關係，因此也考慮在阿根廷站址添置另一套地面站。

第二，儘可能重複利用現有的基礎設施。歐空局將通過開拓新的合作關係，將更多的現有基礎設施包含到深空地面網絡中，可能合作的地面站包括德國DLR的Weiheim、義大利Sardinia深空站、英國Goonhilly站。英國Goonhilly站是歐空局首次使用商業地面站服務進行深空探測任務，該站32m天線建於1985年，將通過天線設備改造提高數據傳輸速度，使天線性能能夠滿足深空探測任務需求，目前項目資金主要來自英國企業，設備正在改造中。

04 發射和早期階段網絡

1）發射和早期軌道階段網絡基礎設施

位於澳大利亞New-Norcia的另一套天線主要用於運載器跟蹤，可跟蹤極軌、高軌和地球同步軌道、太陽同步軌道太空飛行器。該站可為維加火箭極地低軌發射時的星箭分離階段提供實時監控，預計每年平均參加5-6次發射活動，是一個相對合理的工作量。該站替代了之前的Perth站，為深空任務的早期發射跟蹤階段提供服務，入軌後的跟蹤任務由該站的另一個35m天線負責。這兩套天線結合了寬波束（35m）和窄波束（4.5m），可提供有效的X頻段跟蹤能力。迄今為止，該站累計支持了14次發射活動。

葡萄牙SantaMaria站用於跟蹤阿里安5火箭向國際空間站發射自動轉移運載（ATV）貨運飛船。得益於大西洋中部獨特的地理位置，該地面站隨後參與了ATV系列5次發射任務及之後的伽利略導航衛星發射任務（每年1-2次）。目前，該站支持所有從歐洲發射場發射的運載器跟蹤任務，包括阿里安2火箭、維加火箭、聯盟號火箭等，與阿里安公司（Ariane）和法國CNES航天局有著緊密的合作關係。該天線S頻段主要用於火箭跟蹤，X頻段用於探測和商業活動。迄今為止，該站累計支持了16次發射活動。

肯亞Malindi天線從短期來講，主要支持水星探測計劃（Bepi-Colombo）和預計在2021年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWT）；長遠來講，很有可能與庫魯站一同支持未來的探月任務。此外庫魯站和基律納站也具備發射及早期軌道階段任務執行能力。

2）發射和早期軌道階段任務需求

在接下來的十年中，歐空局將執行約20次發射及早期軌道階段任務，每年平均兩次。同時將配合阿里安公司，每年支持6次發射任務，主要由澳大利亞New-Norcia和葡萄牙Santa-Maria站提供服務。

3）發射和早期軌道階段網絡發展策略

現階段，現有的設施能夠滿足目前的任務需求，短期內沒有建站計劃。

05 總結

進入太空仍然是歐洲的戰略目標之一，在這樣的大背景下，未來的太空飛行任務在數據吞吐量、工作頻段等方面的要求將越來越苛刻，優化成本和儘可能共享地面設施是歐空局地面網絡發展的大方向。為此，歐空局表示將不斷開拓合作夥伴關係，通過合作模式或資產共有的模式，實現地面設施的使用和相關運營成本的最優化。歐空局已經開始著手實施這種發展戰略，並已開始與夥伴機構進行討論，未來空間段和地面段活動都將需要加強合作。此外，無論是近地，發射及早期軌道階段還是太空探索，新技術的開發仍然是戰略目標。為此，需要進行大量的研究，為將來的需求做充分的技術儲備，以改善地面網絡的性能。

（本文部分內容翻譯自國際航天大會會議文章《ESA Tracking Network-A European Asset》）

（感謝閱讀，歡迎轉發！）