近年来，小卫星的数量正迅猛增长。面对众多庞大的小卫星星座，小卫星系统应建立起专用的测控通信网。目前，国外的小卫星测控通信网具有自主性和简易性的特点，发展较为成熟。本文介绍了国外小卫星使用的几种典型测控通信网，包括美国航空航天局(NASA) 的空间通信与导航网 (SCaN) 、美国行星实验室的“鸽子”卫星测控网以及欧空局的卫星操作全球教育网(GENSO) ，提炼了关键技术，总结了小卫星测控通信网的未来发展趋势，以期为中国小卫星测控通信网的建设提供参考。
目前，美国是小卫星发展最为成熟的国家，也是拥有小卫星数量最多的国家。美国航空航天局 ( National Aeronautics and Space Administration，NASA)的科学任务理事会(Science Mission Directorate，SMD)计划利用小卫星技术进行重点科学、技术和教育的研究。与此同时，NASA 也提出了适用于小卫星的空间通信与导航(Space Communications and vigation，SCaN)网计划。SCaN 网包括 NASA 的近地网(Near Earth Network，NEN)、天基网(Space Network，SN) 以及深空网(Deep Space Network，DSN)，是一个统一的综合测控网。
如果该项计划成为了现实，那么NASA未来的小卫星任务计划将会 进一步增长。另外，美国的很多商业航天公司已经发射了自己的小卫星星座并且建立了其测控通信网，如行星实验室(Planet Lab)、Spaceflight 公司等，其中，行星实验室 2017 年一次性发射了 88 颗卫星入轨。那么，其地面系统具有什么特点、如何分布等，都是我们关心的重点。
当然，考虑到成本和周期问题，各国最好能使用已有的测控通信网设备。因此，一些商业公司会采取自建地面站和租用地面站相结合的方式实现小卫星星座运行管理。在欧洲，建立了一个院校间的小卫星地面测控通信网，即“卫星操作全球教育网” (Global Educational Network for Satellite Operations ，GENSO)，目前使用 GENSO 的机构包括欧空局(European Space Agency，ESA)、加拿大空间局(Canadian Space Agency，CSA)、日本航空航天探索机构(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)以及美国航空航天局(NASA)，该项目由 ESA 教育计划部门管理。GENSO 网络能容纳上千个地面站，卫星操作者能在世界各地控制其卫星。
在我国，随着小卫星的研制不断取得进展，测控通信站的建设也在大胆寻求创新。由于小卫星数量繁多，一站一星式测控通信已经无法满足需求，而一站多星技术又面临技术挑战。而与此同时，美国和欧洲在小卫星研究方面走在世界前列，在多星测控方面也采用了新的方式和技术。通过学习他国的先进方案和技术，我国的小卫星测控通信难题将逐步得到解决。本文以美国航天机构会议论文为材料，总结了国外典型的几种小卫星测控通信网，讨论了其中涉及的关键技术，分析了未来发展趋势，以供同行参考。
目前，随着越来越多的小卫星进入太空，大部分小卫星呈星座分布，而地面测控通信系统是保障卫星正常运行的重要组成部分。为了对成百上千颗小卫星进行测控通信，地面测控通信系统也面临着数量不足、设备不足的问题。因此，除了建立新站以外，必须对已有测控通信设备进行最大化利用并且探索新技术。另外，由于过境小卫星承担不同的任务，因此同一地面站必须具有多星测控和数据采集的能力，当多星同时过境时，地面站能实现多星同时测控。
作为小卫星当中最有发展前景的卫星，立方体卫星依然面临测控通信网的限制。迄今为止， NASA SCaN 的各个测控网都无法直接支持立方体卫星任务，目前有少量立方体卫星任务计划使用 SCaN 服 务，但是它们至今数量有限。NEN 或者 SN 支持的大多数未来立方体卫星任务是位于 400 ～ 500 km、 倾角53°的低轨(Low Earth Orbit，LEO)任务，立方体卫星部署的关键发射点是国际空间站。
NASA 近地网包括遍布世界各地的地面站，包括挪威斯瓦尔巴特(Svalbard)、阿拉斯加费尔班克斯(Fairbanks)、智利圣地亚哥(Santiago)、南极麦克默多(McMurdo)以及弗吉尼亚岛的瓦勒普斯(Wallops)。NASA 跟踪与数据中继卫星系统(Tracking and Data Relay Satellite System， TDRSS)为 LEO 卫星提供持续的全球通信和中继服务，当前的 TDRS 星座包括 4 颗第一代、 3 颗第二代以及 2 颗第三代卫星，由 3 个地面站支持，其中两个位于新墨西哥的白 沙(White Sands)，一个位于太平洋关岛(Guam)。这 9 颗中继卫星以及 3 个地面站组成了 NASA 的天基网。
NASA 立方体卫星任务计划在接下来 10 年迅速增长，而更高速率的立方体卫星将在中短期从业余无线电频段过渡到 S 和 X 频段，再长期过渡到 Ka 频段。为了使立方体卫星能利用 NASA SN 和 NEN 进行通信，NASA 戈达德空间飞行中心(Goddard Space Flight Center，GSFC)提出了一个基于高水平通信架构的未来星地立方体卫星通信计划，将使立方体卫星通信硬件实现标准化，进而满足 GSFC 任务需要，最终使立方体卫星和 NEN 及 SN 之间实 现互操作，并提高数据传输速率。
1、NASA 未来立方体卫星/小卫星通信架构及配置
如图 1 所示，立方星星座通信概念包括立方星群、子星/母星星座、 NEN S 和 X 频段直接对地链路、 TDRSS 多址阵列和单址模式。立方星星座将包含成百上千颗立方星，每一颗立方星都非常相似。其中，一颗立方星是母星，剩下的就是子星，而大多数立方星都有完成母星任务的能力。图 1 描述了NASA 未来立方星/小卫星通信配置，包括立方星到 NEN 的直接对地通信，立方星到 TDRSS 多址(Multiple Access，MA) 通信，立方星星座通过母星实现 NEN 直接对地通信，以及立方星星座通过母星实现 TDRSS MA 阵列或者 K 频段单址(Single Access) (KSA) /S 频段单址(SSA)通信。
图 1 SN 和 NEN 支持立方星和立方星星座
母星将是一个存储转发中继星，能在子星之间进行接收和转发，并且能通过 NEN X 频段直接对地链路或者通过 TDRSS Ka 频段单址(KaSA)服务下行向地面站传输科学数据。贴片天线可以用于母星与子星之间的星间通信，利用子星的精确姿态指向 系统以提供其所需的全向覆盖。母星与 NEN 地面站之间可采用具有一定增益的对地覆盖天线进行高数据率下行链路通信。由于立方体卫星发射功率受限，因而立方星与 TDRS KaSA 模式通信需要母星上有一个可控天线或者可充气/相控阵天线，进而实现高速数据下行传 输。在特殊情况下，立方体卫星可以通过 TDRS MA 阵列模式或者 NEN 直接对地模式进行通信。
2、 NEN 和 SN 支持立方星通信实验
NASA 已经做了很多实验，并且还有一些实验正在计划中，希望能改进 NEN 和 SN 以满足立方星的任务需求。如今，对于带有 1 ～ 2 W 发射功率的立方体卫星来说，瓦勒普斯站18 m UHF 立方体卫星地面站已经能达到3 Mbit/s数据率，这是公开可用的飞行硬件达到的最高数据率。然而，至今仍缺少公开可用的 S 频段(1 ～ 10 Mbit/s)和 X 频段(数十 Mbit/s)立方体卫星无线电，其阻碍了 NEN 和 SN 的广泛使用。一旦公用 S 频段和 X 频段无线电经过试验证明可用于立方体卫星，那么更多任务将可以使用 NEN 和 SN。立方体卫星都希望具备传统卫星的高数据率，但是其又比传统卫星更受星上天线功率和体积的限制。
NEN 当前在全球拥有 11 m 孔径的天线，据立方体卫星星上天线和无线电的仿真显示，就算是 11 m天线也无法使 LEO 轨道 X 频段的数据速率达到最大。如果改进星上硬件以及地面系统，设备将能支持 LEO 轨道极高速率(数十 Mbit/s)立方星任务，另外，立方星星上可展开的高增益天线可以通过 NEN 和 SN 实现高数据率传输。实验还显示，对于 NEN 立方体卫星和传统卫星任务来说，增加小孔径地面站还有一个优势，它们比大孔径地面站成本更低，还能释放大孔径地面站去支持需要它们的任务。另外，大孔径天线(如18 m、 21 m)可通过租用商业服务增加到 NEN 中。
目前，大多数小卫星都运行在低地球轨道，通常采用经过验证的星上无线电、天线和院校级小孔径地面站进行测控通信。随着越来越多雄心勃勃却成本受限的空间任务概念的发展，立方体卫星和小卫星的应用领域从 LEO 轨道逐渐扩展到月球以远的深空，有潜力为探索深空和完成科学研究提供更经济的手段。阻碍行星际立方体卫星和小卫星发展壮大的瓶颈之一是深空航天器与地球距离遥远带来的星地通信与跟踪问题。美国 NASA 近几年非常重视这个问题，提出了应对这项挑战的下一代深空网 (DSN)结构与方案。
深空网目前由设置在西班牙马德里(Madrid)、 澳大利亚堪培拉(Canberra)、美国加州戈尔德斯敦 (Goldstone) 的 3 个深空通信综合站(Deep Space Communication Complex， DSCC)组成。每个站有各种天线，包括34 m波束波导天线、 34 m高效天线、 70 m天线。另外，深空网还拥有支持射频兼容性测试的设施。
为了发展小卫星星上通信系统和 DSN 体系，NASA 为当前和未来的实现方案考虑了下列工作:
(1) 发展和利用企业的能力提供深空立方体卫星/小卫星无线电生产线。Iris 是与 DSN 兼容的一款通信与导航应答机，可提供遥测、遥控、多普勒、测距、差分单向测距(Differential One Way Ranging， ΔDOR)业务。
(2) 研发与立方体外形匹配的高增益天线，以有限的功耗实现深空通信。美国喷气推进实验室 (Jet Propulsion Laboratory， JPL)目前正在出资研究至少 3 种不同种类的天线，包括可展开反射面天线、可展开反射阵列天线、充气天线，目标是提升深空立方体卫星的等效全向辐射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power， EIRP)。
(3) 简化过程，升级 DSN 的现有能力。这项工作包括改变 DSN 的资源分析过程，提高天线使用效率，以更好地适应小卫星任务，利用 DSN 服务和“先进多任务操作系统” (Advanced Multi-Mission Operations System， AMMOS)降低测试与装配成本。
(4) 增强在一个天线波束内同时跟踪多颗卫星的能力。10 年来采用的一项技术称为“一站多星” (Multiple Spacecraft per Antenna， MSPA)。这项技术可以使同一个天线波束内同时出现的卫星共享下行链路。
(5) 与 DSN 以外的天线设施合作，支持行星际小卫星。未来行星际小卫星数量的增加可能会在某些情况下调用超出 DSN 提供能力的天线资源。DSN 计划与院校和企业的地面天线设施运营商以及其他国家和国际机构合作，实现信号格式和数据交换接口的标准化，建立互支持协议，如此才能及时申请使用这些天线。航天器运营商也可以利用 DSN 的地面天线资源以及与 DSN 有合作关系的地面天线设施运营商的资源，在控制中心/科学中心与其行星际卫星之间任意及时传输数据和指令。
(6) 新的网络运行概念将更好地利用行星际小卫星的过顶机会。由链路容量决定的网络规划与调度有助于在测控网的天线跟踪时间表中生成时间长度合理的未使用时间空隙。这些空隙对于提供按需访问机会是很理想的，这样一来，小卫星/立方体卫星任务就能利用传统深空任务(过顶时间较长)之间短暂的过顶时间。
截至 2017 年 2 月，美国行星实验室已成功通过 12 次火箭发射部署了221 颗“鸽子”卫星入轨，建造了世界上最大的商业对地成像卫星星座，其“鸽子”卫星随时都在地球上方进行“行扫描”拍摄。该星座生成了大量图像数据，且能将其快速方便地传送到地球。另外，行星实验室还会搜集常规管理遥测数据、更新软件以及重置星上的调度安排。
1、地面站网络简介
行星实验室地面站网络包括 11 个活动的全球地面站，图 2 显示其大多数地面站分布在美国，但是行星实验室在别国也有站点。目前，大多数立方体卫星使用业余无线电频率。
图 2 行星实验室的地面站网络
该网络中每个站都安装多副天线系统。为简化界面和方便操作，天线系统使用统一的设备。行星实验室发展了用于自动化监视和 RF 链路远程排故的相关工具以及预测模式工具，在卫星不断增加的情况下，该工具能辅助进行未来规划。
“鸽子”卫星每天过顶大约 650 次，经过全球 11 个地面站部署的 33 个天线系统。每天下行传输的图像数据大约为 550 GB，最大为777 GB。一旦这些卫星结束试运行开始正式工作，下传数据将会进一步增加。
“鸽子”卫星全球地面站网络有很多优点：首先，其降低了一次性故障的影响；其次，可以为多轨道平面服务；再次，减少了图像获取和下行传输的时间差；最后，它能更均匀地将卫星下行传输负荷分摊到全球地面站。
同时，多站点增加了网络的复杂性， 最终产生了一个全球联网的地面站网络。地面站需要具有自主性和可靠性。计算机模型对过顶和任务都会进行调度安排，独立站点尽可能多地探测故障并且进行修正，不能自动解决的问题将被送到工程师那里进行处理。行星实验室依靠软件工具协助管理卫星网络。
2、测控和高速下行传输
“鸽子”卫星的测控(Tracking Telemetry ＆ Command， TT＆C)和定轨使用 UHF 频率。行星实验室 UHF 地面站使用简单、廉价的商业现货(Commercial Off-the-shelf，COTS)零件支持多覆盖需求，该地面站价格合理、维护简便。行星实验室使用标准的八木天线用于上行和下行链路，并使用日本八重洲 (Yaesu)的电机进行定位。
地面站上唯一的非 COTS 产品是自定义的 SpaceTalker 收发器。该收发器基于德州仪器公司 CC1110 的无线 MCU。MCU 在一个晶片上既有一个 UHF 收发器还有一个微处理器单元。服务器与收发器通过 USB 通信，地面 SpaceTalker 无线电和空间硬件使用非常相似的结构和接口，这样能增加系统的可预测性和可靠性。
除此之外，还有另外一个升频到 S 频段的 CC1110 芯片，就是行星实验室为星座下载指令和新软件的高速上行链路无线电。行星实验室的高速数据下行链路工作在8.2 GHz频段，编码方案是 DVB-S2，其考虑了不同调制和前向纠错设置。DVB-S2 标准包括一个 GSE 协议，该协议允许任何数字资料在 DVB-S2 框架下进行传输。在地面站这端，行星实验室有 3 种类型的天线分布在全球 S/X 频段站点，其所有的天线都设计成 29 dB/K，或者更优。图 3 显示了 UHF 系统和高速下行链路的流程图，请注意它们的相似性。
图 3 UHF TT＆C 流程表和高速下行链路流程图
3、下行链路自动化
基本来说，行星实验室的卫星操作概念都很简单：当卫星处于地球上方，指向地面开始照相。当下行传输任务调度好，“鸽子”卫星开启 X 频段发射机 并且在地面站位于卫星下方时跟踪地面站。如果卫星不需要进行以上任务，它们会自动进行电池充电。
因为“鸽子”卫星数量众多，因而行星实验室一开始就计划为卫星和地面站建立自动化系统。行星实验室操作团队包括 5 名“太空飞船船长”，负责给这些卫星安排任务、对异常情况进行处理并且为改进在轨操作而建立工具。该团队需要高度自动化系统来支持在轨星座。
该自动化概念也适用于地面站网络。地面站团队也包含 5 人，他们并没有足够的时间和能力在下行传输任务中手动控制每一个地面站。在每一次下行传输之前，地面站下载过顶安排、期间的卫星指令，并从任务控制下载轨道要素用于天线指向。过顶之后，图片将会上传到亚马逊网络服务 (Amazon Website Service， AWS)——一个云计算平台，卫星和地面站的遥测和过顶记录将发送到任务控制。任务控制网站也寄主在 AWS 上，提供卫星和地面站的最新信息。
GENSO 是一个始于 2006 年 10 月的国际项目，主要目的是通过建立一个院校和业余地面站网络改进教育类卫星通信。
目前，立方体卫星发展迅猛，许多国外院校都发射了立方体卫星并且建立了地面站。但是，卫星只有在可视范围内才能进行通信，因此大多数院校的通信窗口每天只有 30 ～ 45 min，结果就导致立方体卫星任务下载的数据量受限。但是，如果全球的院校都共享自己的卫星地面站，那么就能增加数据下载量。GENSO 项目致力于发展这样一个系统，将全球的院校地面站通过现役网络基础设施进行组网，最终形成一个全球地面站网络。
GENSO 项目由国际空间教育委员会(International Space Education Board，ISEB)发起，由 ESA 教育计划部门管理，其来源于两个早前的项目：斯坦福大学的“水星地面站”项目和东京大学的地面站网络计划。GENSO 系统架构包括 3 个主要部分：任务控制客户机(Mission Control Client，MCC)、地面站服务器(Ground Station Server，GSS)以及认证服务器(Authentication Server，AS)。
AS 在网络中对节点进行授权并且分发卫星和地面站目录；GSS 位于地面站，用于控制连接的天线和无线电；MCC 由卫星操作者使用，能安排过顶时间并且从地面站服务器搜集数据。MCC 是一个应用程序，卫星操作者能利用 MCC 控制网络对卫星的处理， MCC 能将卫星的模式和频率等告知 GSS，每一颗卫星都有一个 MCC。
MCC 有 一个虚拟 RS-232 界面和一个套接字接口，项目中的卫星能直接接入硬件“终端节点控制器” (Terminal Node Controller，TNC)使用 GENSO 网络，不需要进行软件改动。当 MCC 经过授权注册到了网络后，它会得到一个地面站服务器目录(Ground Station Server List，GSSL)，包括网络中的所有地面站的地点、频率、参数。同时，MCC 还能将卫星的模式等数据输入 AS，保持开普勒根数一直处于更新状态。
GSS 安装在网络中的每一个地面站节点，首先，它是用于控制地面站硬件的一种方式，例如无线电和天线；其次，它可通过网络使用硬件功能，并且将卫星数据包压缩成 XML 消息格式。GSS 在 AS 授权通过后，能让参与的 GENSO 地面站自动跟踪卫星并且与可兼容卫星建立下行链路。GSS 还能用于为可兼容卫星加载遥控指令(得到允许后)。AS 用于跟踪网络中 GSS 和 MCC 节点的当前状态，是网络的中心角色，能进行网络授权、加密、分发卫星目录、监控地面站和卫星操作者状态及“质量”并且汇编网络数据。
最初的计划是为 GENSO 建立 3 个认证服务器(AS)，分别位于欧洲、美国和日本。这就能提供冗余并且让 GSS 和 MCC 节点与 AS 进行通信，且达到网络延迟最小化。在对 AS 和授权进行了初始询问之后， GSS 和 MCC 将通过对等网络方式(Peer-to-Peer，P2P)进行相互通信。因此，GENSO 系统架构是属于 P2P 网络和中心网络的合成型架构，可量测并且安全。
如图 4 所示，GENSO 系统可以被看作网络层和应用层之间的附加层。红色实线显示数据的线路，即数据下载和上载到卫星的线路；蓝色实线显示了 GENSO 控制数据路线。红色虚线则是一条虚拟链路，解释了卫星应用如同直接连接到远程地面站。
图 4 GENSO 系统分层模型
GENSO 架构大多使用商业现货产品、开源软件以及广泛使用的网络技术。GENSO 软件用 JAVA 语言写成，有些用 C#和 C 语言写成。
因为小卫星星座数量庞大，因此其星座测控的特点是测量目标多、地面站数量多(或通过中继卫星)、分布广泛、测量弧段长(确保测轨精度)、测控频繁(数据需及时处理)、信息量大、数传率高。为了实现高效可靠的测控管理，并有效地利用已有的 地面站，小卫星测控通信网必须满足一系列的技术要求。
小卫星星座地面测控管理具有特殊性，每个测控站要同时管理多个不同的小卫星，所以小卫星星座要求测控站与应用站设备综合、功能合一。地面站可采取有人值守、无人操作模式。为适应不同的无线电体制卫星，地面站的设备应具有多种不同的 调制体制，且可以切换适应；为适应不同轨道高度的卫星，其发射功率和接收灵敏度要能自动调节。
为了在卫星以不同时间、不同地方进入测控区时，地面站都能自动计算卫星轨道，那么天线得预先对准卫星进入的方向、仰角，处于待命的工作状态，并有自动跟踪能力。新的测控体制的特点是多星同时测控、卫星长期管理、覆盖率高、测控费用低廉。目前，国内外对小卫星进行测控的基本体制有地基测控、天基测控、自主测控，还有基本测控体制之间结合的组合测控体制。
目前，国际上的星座测控应用了扩频技术和码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)技术。现在隶属美国军方的“铱系统” (Iridium，66 颗星)、 Globalstar(52 颗星)、 Aries 等系统都属于小卫星星座系统的典范，其中 Globalstar、 Aries 采用了 CDMA 技术。另外，美国的 TDRSS 中也应用了 CDMA 技术。采用这种机制，还可以将扩频技术和加密技术结合，实现卫星通信和遥测信息的加密，提高了卫星的安全性和抗干扰能力。采用 CDMA 机制还具有组网简单灵活、系统容量大、成本低等一系列优点。
在 NASA 深空网(DSN)中，目前只有 13 副天线可用于支持 35 颗卫星。但是只用太空发射系统 (Space Launch System， SLS)发射 3 次，需要支持的卫星数就会超过 1 倍。由于它们是作为搭载载荷部署的，多颗小卫星几乎在相同时间相同的空间区域需要初步支持。因此，DSN 正在研究低成本技术使天线能同时支持多颗卫星。目前，“一站多星”(MSPA)方法可在一个天线波束内支持 2 颗卫星的下行链路。NASA 计划升级到支持 4 颗卫星的下行链路(4-MSPA)，以满足近期的需求。另外，还考虑了跟踪多颗卫星下行链路的低成本机会式 MSPA(OMSPA) 法，并研究了一种增强版 MSPA，同时为多颗卫星提供上行链路、下行链路和双向跟踪服务。
由于立方体卫星的功能和质量都受限，因此推荐使用强大且带宽高效的信号技术，以满足立方体卫星高速数传的需要，如低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check， LDPC)。由于 NASA 为地球科学立方体卫星任务分配的信道带宽为 375 MHz(X 频段)，因此对不超过 100 ～ 200 Mbit/s 的立方体高速率传输任务，最好使用高编码增益速率 1/2LDPC 编码，而非低开销 7/8 速率 LDPC 编码。
带宽是由干扰引起的问题，高阶调制(至少 8 和 16)能使更多任务无需重叠就能共存，提高了极地区域的利用。为了获得更高的数据速率和频谱效率，NASA 目前正在研究在 S 和 X 频段的 NEN 立方体卫星通信链路中使用功能更强、带宽效率更高的调制和编码方式。研究考虑了空间数据系统咨询委员会 (Consultative Committee for Space Data System，CCSDS)和数字电视广播-卫星-第二代(DVB-S2)的信号方案，包括 LDPC 系列。研究建议，对 NEN 站 的 Cortex 接收机进行升级以支持未来立方体卫星的高数据速率任务。
GENSO 使用的是标准的业余无线电接收机，这类接收机在定轨方面的局限是不能进行直接频率测量。而新一代接收机——软件定义无线电(Software Defined Radio，SDR)能部分解决这个问题。SDR 和标准接收机的主要区别就是 SDR 能一次性分析一个很大的接收段，并且能确定卫星无线电信号的准确接收频率。
SDR 具有以下两个特点：首先，使用 SDR 可以在地面站记录卫星的多普勒曲线，能减少轨道确定时间和所需的地面站数量；第二个特点是静态模式定轨，一个 SDR 能同时接收多颗卫星的数据，只要这些卫星都在同一频段，一个地面站就能对相同频率卫星进行同时测控。对于非持续性卫星传输，卫星信号多普勒曲线必须在卫星整个无线电频谱外进行重建。
小卫星目前广泛采用业余无线电频率，而 X 频 段和 S 频段也有使用，未来，Ka 等高频段也将加入测控的行列，这主要是为了更好地满足对高速率数据传输系统的测控，同时可以提高天线的增益，减小天线的尺寸，降低测控受干扰的程度，更好地保证测控的可靠性。目前国际上各大机构都在研究小卫星 Ka 频段的通信，其实际使用指日可待。
合理布站和实现国际联网，可以进一步提高地面站的使用率，从另一方面提高测控质量和降低测控费用。国外已建立了许多专用系统的测控网，如美国 NASA 的天基网(SN)、近地网(NEN)和深空网(DSN) 以及欧洲的 GENSO 网络，如果将这些地面测控网稍加改造，然后利用开放式互连结构将之组成一个大的测控网络，就可以有效地利用测控资源，实现多种测控任务。虽然目前国外已有一些地面站组网的实例，但是其范围仍然有限，未来将有可能采取公私合营或者国际合作等方式进一步扩大地面站组网。
由于地面站需要同时对多目标进行测控管理，并且一次可测时间只有几分钟到十几分钟，因此，卫星应能自主运行并自动应对突发事件。首先，目前发展最快的是利用高动态的卫星导航定位接收机实时接收多颗 GPS 卫星的导航信号，实现半自主导航；其次，可以利用软件无线电技术根据信号的特征进行自动识别和处理接收信息，以及加载不同的功能软件与不同体制的特定系统交互信息；最后，还可以利用光电仪器实现全自主导航。卫星自主能力的提高可以简化地面测控网的设计、节约成本，同时提高测控精度。
为了实现对小卫星进行多星跟踪和在轨运行管理，地面测控通信站可以采用宽波束天线或者采用多天线，这也是目前小卫星测控通信网采用的方法。但是更有前景的方法是采用连续波多波束相控阵天线，其具有多波束、实时切换、无惯性跟踪等功能及特点，因此广泛应用于雷达、通信等领域。在测控通信领域最早应用相控阵天线的是 TDRSS，其星上就装有由 30 个螺旋天线元及波束形成网络组成的相控阵天线。目前，相控阵天线的发展和改进也是国外的研究重点。
小卫星作为目前航天领域研究的热点，正以一箭多星的方式不断被发射升空。因为其成本低廉，所以不论是国际还是国内都在进行各项研究。值得注意的是，国际上的小卫星测控通信网已经遍布全球，因此其小卫星发挥的价值也超乎想象，单是“鸽子”对地成像卫星已经能实现每天对全球进行拍摄。
在我国，小卫星的研制和发展相对较为缓慢，地面测控网也处于发展中。因此，可以借鉴国外的先进经验，创新开发小卫星的民用、商用和军用价值，最重要的就是加速部署可靠和自主的小卫星地面测控通信网，使中国和国际接轨的同时向航天强国逐步迈进。
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