驭星观察 | 欧空局地面站网络现状及演变发展

图1 欧空局地面站网络

随着任务数量的增加和商业地面基础设施的发展，欧空局近年来采取了以下几点战略方针：第一，继续维护开发用于深空探测、天文研究和对地观测任务的战略性自有地面站，用于支持关键任务的发射及初期轨道阶段和运载火箭跟踪等任务；第二，开拓与其他航天局的合作伙伴关系，共享地面站资源，包括欧洲各国和其他国家航天局和相关机构；第三，建立商业合作伙伴关系，以支持日常近地任务，并将部分地面站设备移交给商业公司或其他国家主体运营，以提高欧空局在欧洲的商业竞争力并专注于自身核心任务的支持和地面系统运营。

在过去几年中，欧空局将三套地面站所有权转移给了其他主体。2015年，由于城市化进程的需要，澳大利亚电信部门撤回了澳大利亚Perth站的频率许可。欧空局决定将一套15m天线的所有权转移给葡萄牙政府，该设备于2018年在葡萄牙Santa Maria地面站重新开始进入运营，目前面向多元化主体提供商业服务。位于西班牙Villafranca和Maspalomas的天线也于2017年移交给了西班牙国际组织，目前同样用于提供商业服务。

1）近地网络基础设施：

根据欧空局与瑞典政府之间的一项国际协议，欧空局自1986年起开始使用位于瑞典北部的基律纳站。基律纳两套天线可提供测控数传服务和无线电测量（测距，测速）。这两套天线目前主要支持的任务包括CryoSat遥感卫星（用于观测两极地区冰川融化和海平面升高现象）,Integral伽玛射线天文卫星,Swarm系列三颗卫星（研究地球磁场）和哥白尼计划哨兵系列对地观测任务。其中CryoSat遥感卫星发射于2010年，预计运行到2023年后离轨，年均地面系统跟踪时长为4000多小时，约占基律纳地面站总使用量的20%左右；Integral发射于2002年，预计在2020年至2021年期间退役，年均跟踪时长为8000-9000小时，约占基律纳地面站总使用量的40%左右；Swarm系列三颗卫星预计在2022年以后退役，年均跟踪时长为3000小时左右，约占基律纳地面站总使用量的15%左右；其他任务约占25%，包括哨兵系列目前在轨的七颗卫星（六颗整星+一个有效载荷）和Aeolus气象卫星。

库鲁站是欧空局另一个核心地面站，该站得益于其优越的地理位置和天线设备独特的X波段性能，支持了多项重要任务的发射及早期轨道阶段和在轨阶段的测控。库鲁站主要服务的任务包括高通量X射线光谱任务（XMM）（发射于1999年12月）、伽利略导航卫星系统在轨验证阶段、Metop极地轨道气象卫星系列C星（发射于2018年11月）、Cluster系列4颗卫星的数据备份（研究地球磁层及其与太阳风的相互作用）、BepiColombo水星探测计划（发射于2018年10月）和SOLO太阳轨道器（发射于2020年2月）等。库鲁站是欧空局战略基础设施，使其能够自主执行关键任务。库鲁站的X频段发射及早期轨道阶段起到的作用很难被商业服务或国际支持所取代。从中期发展来看，库鲁站未来很有可能用于未来欧空局探月计划。

2）近地任务需求：

当前，对地观测任务测控通常在S波段进行，有效载荷的数传在X波段（8.025-8.4GHz）。大多数极轨地球观测航天器的相关地面站位于两极圈以内，由于可用带宽有限，地面站的集中分布增加了X波段的干扰和拥挤程度。这种干扰和拥挤不仅限于X波段，由于地面通信的需求，S波段也面临着类似问题。为了解决该问题并提供更高的数据速率，相关部门将25.5-27.0GHz的Ka频段划分给了欧空局，用于传输有效载荷数据。美国NASA和国家海洋和大气管理局（NOAA）联合研制的极地卫星系统（JPSS-1）（发射于2017年11月）和计划于2021年启动的第二代EUMETSAT极地系统/Metop等任务将以26 GHz的频率传输有效载荷数据，测控仍在S波段。这两个卫星系统测控和数传都将使用专用天线来完成。为了建立与卫星的可靠链路，26GHz数传需要口径小至6m的天线。

此外，从任务规划的角度而言，随着目前管理的卫星寿命逐渐耗尽，在未来的4-5年间，基律纳地面站将主要支持哨兵系列任务和计划2022年发射的多个遥感卫星，包括Earthcare（观测云层和气溶胶）、Biomass（观测植被）、Flex（观测植物光合作用）。

3）近地网络发展策略：

基于如上所述的任务需求，在未来的几年中，欧空局将对地面端设备进行一系列改造和升级，以提供更好的通信服务。该局考虑在原有的基律纳1号天线设备的基础上添加X波段上行和Ka波段接收能力。欧空局将通过可行性研究，评估设备改造的可能性。同时，也考虑购置6m口径S/Ka频段天线，以支持未来的对地观测任务。