目標(biāo)飛行器測控與通信分系統(tǒng)

王乃雯,石云墀

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

0 引言

作為交會對接任務(wù)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一,目標(biāo)飛行器測控與通信分系統(tǒng)完成目標(biāo)飛行器各飛行階段的跟蹤測軌、雙向話音通信,以及圖像傳輸,數(shù)據(jù)傳輸,各設(shè)備的遙測、遙控任務(wù),并與飛船配合完成交會對接相對測量和通信任務(wù)。本文介紹了我國目標(biāo)飛行器測控與通信分系統(tǒng)的功能、構(gòu)成、性能與特點(diǎn),可靠性設(shè)計(jì)。

1 分系統(tǒng)組成與功能

目標(biāo)飛行器測控與通信分系統(tǒng)主要由USB、S波段數(shù)傳、遙測、遙控、話音、圖像、高速通信、空空通信、天線、衛(wèi)星定位和中繼等子系統(tǒng)組成。測控與通信分系統(tǒng)主要功能有：

a)能配合地面站對目標(biāo)飛行器進(jìn)行跟蹤、測軌;

b)可利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取導(dǎo)航定位參數(shù),能直接向追蹤飛行器傳輸數(shù)據(jù);

c)實(shí)現(xiàn)遙控、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)注入及數(shù)據(jù)組幀與傳輸;

d)為目標(biāo)飛行器提供低速及高速雙向通話;

e)為目標(biāo)飛行器提供高質(zhì)量雙向視頻服務(wù);

f)通過S波段數(shù)傳系統(tǒng),為目標(biāo)飛行器提供平臺遙測和中低速視頻服務(wù);

g)可在艙內(nèi)、艙外攝像;

h)為目標(biāo)飛行器提供頻率基準(zhǔn);

i)為目標(biāo)飛行器提供高速數(shù)傳,支持中繼Ka波段鏈路的前反向傳輸;

j)交會對接段配合運(yùn)輸飛船完成交會測量任務(wù);

k)交會對接段與運(yùn)輸飛船建立直接鏈路進(jìn)行雙向通信;

l)組合體飛行段對組合體的跟蹤測量與通信。

2 性能與特點(diǎn)

2.1 USB子系統(tǒng)

USB子系統(tǒng)主要包括USB應(yīng)答機(jī)a/b、USB天線網(wǎng)路、USB發(fā)射天線、USB接收天線等。為保證可靠性,共配置異頻應(yīng)答機(jī)2臺,雙機(jī)熱備份模式工作,USB子系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 USB子系統(tǒng)組成Fig.1 USBtranspandor subsystem

除傳統(tǒng)的跟蹤、測距和測速外,USB應(yīng)答機(jī)還傳輸上行遙控、上行話音和下行工程遙測信號。USB應(yīng)答機(jī)采用相干轉(zhuǎn)發(fā)方式,即上行遙控、測距音、話音副載波調(diào)制在一個(gè)載波上,應(yīng)答機(jī)接收到上行信號后,進(jìn)行解調(diào),將遙控、話音副載波送相應(yīng)終端處理,上行載波按一定比率變頻成下行載波,同時(shí)對遙測、測距音等副載波進(jìn)行調(diào)制并發(fā)射出。應(yīng)答機(jī)的工作模式見表1。

USB網(wǎng)絡(luò)完成2臺應(yīng)答機(jī)對天線的組陣控制和共用隔離。

表1 USB應(yīng)答機(jī)工作模式Tab.1 Operation modeof USB transpandor

2.2 S波段數(shù)傳子系統(tǒng)

S波段數(shù)傳子系統(tǒng)由S波段數(shù)傳機(jī)2臺,以及數(shù)傳接口、數(shù)傳天線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)傳天線等組成,2臺數(shù)傳機(jī)冷備份工作,數(shù)傳接口內(nèi)部雙機(jī)冷備份,S波段數(shù)傳子系統(tǒng)如圖2所示。

S波段數(shù)傳機(jī)采用四相差分相移鍵控(DQPSK)調(diào)制方式。其中：Q支路下傳來自高速數(shù)據(jù)復(fù)接器的數(shù)據(jù),I支路傳輸兩路圖像及伴音。調(diào)制后信號經(jīng)數(shù)傳天線網(wǎng)絡(luò)連接到S波段數(shù)傳天線。S波段數(shù)傳機(jī)a、b共用S波段數(shù)傳天線,通過天線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換。數(shù)傳接口接收來自圖像設(shè)備及高速數(shù)據(jù)復(fù)接器的數(shù)據(jù),同步后送數(shù)傳機(jī)。

圖2 S波段數(shù)傳子系統(tǒng)Fig.2 S-band data transmission subsystem

2.3 遙測子系統(tǒng)

遙測子系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)艙配置遙測調(diào)制器1臺,采集數(shù)管,制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC)及遙控解調(diào)器的數(shù)字量遙測數(shù)據(jù),復(fù)接、組幀工程遙測數(shù)據(jù),將組幀后的數(shù)據(jù)進(jìn)行DBPSK調(diào)制,分別送2臺USB應(yīng)答機(jī),同時(shí)將未調(diào)制的工程遙測幀送空空通信接口和中繼S終端。遙測調(diào)制器內(nèi)部采用雙機(jī)熱備份。

2.4 遙控子系統(tǒng)

遙控子系統(tǒng)由遙控解調(diào)器、遙控指令譯碼單元a(實(shí)驗(yàn)艙)、b(資源艙)等組成。其中：遙控解調(diào)器實(shí)現(xiàn)指令譯碼、指令分配和數(shù)據(jù)注入校驗(yàn)、分配;遙控指令譯碼單元a、b完成指令譯碼和分配。遙控指令可通過USB信道、中繼S波段信道、中繼Ka波段信道傳輸,在交會對接階段還可通過空空通信機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)飛行器。為避免接收不同通道的遙控信號的沖突,遙控解調(diào)器在同時(shí)接收到多個(gè)通道遙控信號時(shí),按優(yōu)先級選擇來自不同信道的遙控指令。遙控子系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 遙控設(shè)備Fig.3 Remotecontrol subsystem

由于目標(biāo)飛行器指令數(shù)量較載人航天工程一期增加較多,為增大指令空間、加大指令編碼間碼距,同時(shí)盡可能避免測試碼表和任務(wù)碼表的重疊,遙控編碼方式采用24位編碼,編碼后的碼距可達(dá)3～4。為提高設(shè)備可靠性,遙控直接指令識別和校驗(yàn)功能采用全硬件方式實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為便于遙控設(shè)備地面測試,遙控設(shè)備內(nèi)部設(shè)計(jì)有碼表2套,即任務(wù)碼表和測試碼表,可適應(yīng)不同的測試狀態(tài)。

2.5 話音子系統(tǒng)

話音子系統(tǒng)由話音處理器1臺、頭戴送受話器3個(gè)和話音環(huán)回插頭(無人時(shí)使用)2個(gè)組成。形成天地話音回路2條：一是USB信道與S波段數(shù)傳信道構(gòu)成的低速天地話音鏈路,另一是中繼Ka波段前向與中繼Ka波段反向信道構(gòu)成的天地高速話音鏈路。話音子系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 話音子系統(tǒng)Fig.4 Audio subsystem

目標(biāo)飛行器話音通信子系統(tǒng)低速話音鏈路使用低速先進(jìn)多帶激勵(lì)(AMBE)編碼算法(碼速率8 kb/s),這是一種能在較低速率時(shí)提供較高語音質(zhì)量的語音壓縮算法,同時(shí)還具較高的對背景噪聲和信道差錯(cuò)容錯(cuò)的能力。與載人航天一期使用的自適應(yīng)差分脈沖調(diào)制(ADPCM)算法相比,碼速率降低了50%,話音質(zhì)量略有提升。高速話音鏈路使用高速高質(zhì)量的先進(jìn)音頻編碼(AAC)編碼算法(128 kb/s),能提供天線語音通話和高保真音樂傳輸。

實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)配頭戴送受話器插座6個(gè),分別用于供3個(gè)航天員的任務(wù)通話接入和3個(gè)專用話接入。頭戴送受話器將接收的各航天員話音送話音處理器進(jìn)行編碼,同時(shí)接收話音處理器送出的解碼話音,頭戴送受話器的頻率響應(yīng)性能較寬(150～15 000 Hz)。話音通信子系統(tǒng)支持多個(gè)通信送受話器,不同天地通信信道、兩種編碼體制,可通過優(yōu)選器或手動選擇話音質(zhì)量較好的通道。

低速上行USB話音、低速下行數(shù)管話音、高速上下行中繼話音均為時(shí)分復(fù)用信號,各含有數(shù)字話音2路,通過USB上行信號、S波段數(shù)傳信道Q支路、Ka波段中繼前反向信道進(jìn)行傳輸。低速下行圖像伴音、高速下行圖像伴音為單路數(shù)字話音,經(jīng)圖像子系統(tǒng)與數(shù)字圖像復(fù)/分接后由S波段數(shù)傳信道I支路、Ka波段中繼前反向信道進(jìn)行傳輸。

高、低速話音通道均設(shè)有密話功能,啟用密話時(shí)會在話音幀的特定位置填充話音密鑰。由話音設(shè)備內(nèi)部專用加解密模塊對話音加解密。話音設(shè)備明密工作狀態(tài)可通過遙控指令進(jìn)行切換,切為密態(tài)后下行話音將被加密。上行信號明密狀態(tài)由話音處理器自動識別,根據(jù)上行信號的內(nèi)容決定是否送加解密模塊進(jìn)行解密處理。

目標(biāo)飛行器自主運(yùn)行期間,話音環(huán)回插頭將上行話音的音頻信號環(huán)回地面,完成話音子系統(tǒng)的自檢。在需要進(jìn)行天地通話時(shí),用頭戴送受話器替代話音環(huán)回插頭進(jìn)行通話。

2.6 圖像子系統(tǒng)

圖像子系統(tǒng)由艙內(nèi)攝像機(jī)2臺、艙外攝像機(jī)1臺、太陽翼攝像機(jī)1臺、視頻處理器1臺、視頻編碼器1臺和視頻切換器1臺等組成。構(gòu)成天地圖像通路2條,一路為S波段數(shù)傳機(jī)中低速反向圖像通路,實(shí)現(xiàn)中低質(zhì)量下行圖像傳輸,一路為中繼終端前反向圖像回路,實(shí)現(xiàn)高速高質(zhì)量的圖像上下行傳輸。圖像子系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 圖像子系統(tǒng)Fig.5 Video subsystem

圖像子系統(tǒng)設(shè)有攝像機(jī)通道5路,其中艙外攝像機(jī)1路,艙內(nèi)攝像機(jī)2路,手持?jǐn)z像機(jī)1路和太陽翼攝像機(jī)1路。為滿足任務(wù)攝像需要,艙外固定攝像機(jī)布局在實(shí)驗(yàn)艙外柱段Ⅳ象限(偏Ⅰ象限20°),可完整拍攝交會對接過程。實(shí)驗(yàn)艙外正Ⅲ象限安裝太陽翼攝像機(jī),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)安裝艙內(nèi)攝像機(jī)2臺,艙內(nèi)攝像機(jī)b拍攝對接通道,艙內(nèi)攝像機(jī)a拍攝液晶顯示器且安裝位置可調(diào)。配置視頻切換器1臺、視頻處理器1臺、視頻編碼器1臺,實(shí)現(xiàn)圖像的5路選2路切換。

圖像子系統(tǒng)采用基于MPEG-4(ISO/IEC DIS 14496-2)標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮算法,根據(jù)不同鏈路選擇不同質(zhì)量的壓縮算法。

視頻處理器對高速高質(zhì)量圖像進(jìn)行編碼,對接收的2路視頻模擬信號分別作A/D變換,編碼壓縮,并與話音處理器的1路192 kb/s的話音數(shù)據(jù)復(fù)接,形成3 840 kb/s的圖像及伴音數(shù)據(jù)流送高速通信處理器,經(jīng)中繼Ka波段反向信道傳輸回地面。視頻處理器同時(shí)接收來自中繼前向信道的圖像及伴音信號1路,完成解碼、D/A變換后恢復(fù)為模擬視頻信號送儀表顯示器。與載人航天一期工程相比,其圖像碼速率更高,圖像更清晰,并提供了上行圖像通道。

視頻編碼器對低速中低質(zhì)量圖像進(jìn)行編碼,將接收的2路視頻模擬信號進(jìn)行2路視頻模擬信號的A/D變換,編碼壓縮,同時(shí)與接收到的1路16 kb/s的話音數(shù)據(jù)復(fù)接,形成768 kb/s的圖像數(shù)據(jù)流送S波段數(shù)傳機(jī),通過S波段數(shù)傳I支路下行傳輸。視頻編碼器為單/雙副圖像編碼器,可根據(jù)地面監(jiān)視圖像的需要選擇單幅模式(736 kb/s圖像數(shù)據(jù)1路+16 kb/s話音數(shù)據(jù)1路)或雙幅模式(360 kb/s圖像數(shù)據(jù)2路+16 kb/s話音數(shù)據(jù)2路)輸出。

視頻切換器將艙外攝像機(jī)1臺、艙內(nèi)攝像機(jī)2臺和手持?jǐn)z像機(jī)的視頻模擬信號送儀表分系統(tǒng)的顯示器,由航天員自行選擇其中的視頻圖像進(jìn)行監(jiān)視。

2.7 高速通信子系統(tǒng)

高速通信子系統(tǒng)由高速通信處理器1臺等組成,是目標(biāo)飛行器上下行高速數(shù)據(jù)的處理中樞。其中：上行信道處理模塊接收來自中繼終端的傳輸幀,進(jìn)行同步識別、解隨機(jī)化,R-S譯碼,判別傳輸幀標(biāo)識符后將遙控?cái)?shù)據(jù)、儀表注入數(shù)據(jù)、話音和圖像數(shù)據(jù)由各自的輸出接口送指定用戶;下行信道處理模塊接收數(shù)管復(fù)接、生理遙測、圖像及伴音、話音、有效載荷、延時(shí)遙測等,動態(tài)調(diào)度傳輸幀,進(jìn)行R-S編碼和編碼交織、隨機(jī)化、加同步字,形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)流傳輸幀送中繼終端。處理器接口關(guān)系如圖6所示。

高速通信處理器采用基于CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)高級在軌系統(tǒng)(AOS),碼速率高達(dá)144 Mb/s,并可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行速率切換;采用先進(jìn)的虛擬信道調(diào)度策略,信道利用率大于98%,且可在軌切換各虛擬信道的優(yōu)先級;為保證圖像與話音信號的連續(xù)流暢,通過合理的平滑算法對該兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理,既保證了信道的延遲最小,又保證了平滑處理的可靠性;通過合理的調(diào)度與錯(cuò)誤控制機(jī)制,使飛行器在某路信道發(fā)生故障后重新建立傳輸而損失的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)小于1幀,既能確保信道連接的可靠性,又保證了空間應(yīng)用數(shù)據(jù)最大化傳回地面。

2.8 空空通信子系統(tǒng)

空空通信子系統(tǒng)由空空通信機(jī)2臺、空空通信接口1個(gè)和空空通信天線2副組成,實(shí)現(xiàn)與載人飛船的雙向通信。2臺空空通信機(jī)通過空空通信接口與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,每個(gè)空空通信機(jī)連接一個(gè)收發(fā)共用空空通信天線?？湛胀ㄐ抛酉到y(tǒng)框圖如圖7所示。

在交會對接段(100 km～0 m),目標(biāo)飛行器與載人飛船的空空通信設(shè)備建立雙向空空直接鏈路。目標(biāo)飛行器將GPS和GLONASS兼容機(jī)(GNSS)數(shù)據(jù)及工程遙測數(shù)據(jù)(含GNC姿態(tài)數(shù)據(jù))發(fā)送至載人飛船,同時(shí)目標(biāo)飛行器的空空通信機(jī)接收載人飛船轉(zhuǎn)發(fā)的遙控指令、注入數(shù)據(jù),解調(diào)后將遙控?cái)?shù)據(jù)幀送遙控解調(diào)器。

圖6 高速通信處理器接口關(guān)系Fig.6 AOS interface

圖7 空空通信子系統(tǒng)Fig.7 Space to space communication subsystem

空空通信機(jī)采用直接序列擴(kuò)頻體制,a、b機(jī)的收發(fā)頻率相同,通過不同擴(kuò)頻序列進(jìn)行碼分多址;為提高信道容錯(cuò)能力,采用R-S編解碼進(jìn)行糾錯(cuò)處理;中頻部分采用基于軟件無線電技術(shù)的數(shù)字化解擴(kuò)解調(diào)方案,從中頻對模擬信號進(jìn)行采樣數(shù)字化,之后所有處理均在數(shù)字域內(nèi)完成,具有硬件平臺通用、調(diào)試簡單、受環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。

由于空空通信的通信距離為100 km～0 m,信號衰減變化大于100 dB。為防止因接收機(jī)飽和導(dǎo)致靈敏下降,空空通信機(jī)發(fā)射功率設(shè)計(jì)為兩檔,在不同距離內(nèi)根據(jù)遙控指令進(jìn)行切換。

2.9 天線子系統(tǒng)

天線子系統(tǒng)包括天線8副和天線網(wǎng)絡(luò)2個(gè)。其中：天線包括USB接收天線2副、USB發(fā)射天線2副、S波段數(shù)傳天線1副、GNSS接收天線1副、北斗二號(BD2)雙頻天線1副和中繼天線1副;天線網(wǎng)絡(luò)包括USB天線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)傳天線網(wǎng)絡(luò)。

USB接收與發(fā)射天線實(shí)現(xiàn)USB應(yīng)答機(jī)信號的接收與發(fā)射。在上升段及運(yùn)行段姿態(tài)變化較大時(shí),2副天線組陣工作,擴(kuò)大信號覆蓋范圍;在運(yùn)行段常僅用1副天線工作。由USB天線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)天線的切換以及USB應(yīng)答機(jī)a、b對信號的接收與發(fā)射。

S波段數(shù)傳天線實(shí)現(xiàn)對S波段數(shù)傳機(jī)信號的輻射。通過數(shù)傳天線網(wǎng)絡(luò)可在數(shù)傳天線與S波段數(shù)傳機(jī)a、b間切換。GNSS接收天線接收GNSS衛(wèi)星信號,BD2雙頻天線接收BD2/GPS衛(wèi)星信號。

空空通信天線a、b為收發(fā)共用天線,分別與各自的空空通信機(jī)相連,采用不同的旋向極化方式進(jìn)一步提高2條空空通信信道間的隔離度。同時(shí),該天線還具有增益高、方向?qū)挼奶攸c(diǎn),最大方向角可達(dá)±72°。

3 可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

目標(biāo)飛行器測控與通信分系統(tǒng)各單機(jī)研制始于2005年,至2011年天宮一號目標(biāo)飛行器和神舟八號飛船發(fā)射,歷時(shí)7年。各單機(jī)的設(shè)計(jì)考慮了機(jī)、電、熱、抗輻照、電磁兼容(EMC)、元器件降額,以及安全性等多因素,采取了措施提高產(chǎn)品可靠性。對關(guān)鍵單機(jī)采用系統(tǒng)冗余備份,如USB應(yīng)答機(jī)、遙測、遙控、空空通信設(shè)備的雙機(jī)熱備設(shè)計(jì),S波段數(shù)傳機(jī)、高速通信處理器的雙機(jī)冷備份設(shè)計(jì),話音、圖像設(shè)備的上下行多通道設(shè)計(jì),均能在個(gè)別單機(jī)或通道發(fā)生故障時(shí)切換至其他單機(jī)或通道工作。

為驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性,各單機(jī)設(shè)計(jì)完成后,均按規(guī)定經(jīng)歷了振動、沖擊、加速度、熱循環(huán)、熱真空、真空放電、EMC、靜電放電敏感度(ESD)、綜合應(yīng)力、拉偏、地面壓力、交變濕熱、老練等試驗(yàn),通過了所有鑒定試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)合理,可滿足產(chǎn)品飛行環(huán)境要求。

4 結(jié)束語

隨著天宮一號目標(biāo)飛行器的成功發(fā)射和與神舟八號飛船/天宮一號目標(biāo)飛行器兩次交會對接的成功,目標(biāo)飛行器測控與通信分系統(tǒng)圓滿完成了在軌測控通信任務(wù)。飛行結(jié)果顯示,軌道測量準(zhǔn)確,遙控指令及時(shí)有效,艙內(nèi)外圖像畫面清晰,話音清晰可懂,空空通信鏈路穩(wěn)定,遙測數(shù)據(jù)采集正確圓滿。該分系統(tǒng)的研制成功,標(biāo)志著我國載人航天工程取得了新的重大進(jìn)步。