基于中繼衛(wèi)星的載人航天天基測控體系研究

柳海濤 張偉

【摘要】 基于中繼衛(wèi)星的天基測控系統(tǒng)在我國載人航天測控系統(tǒng)中扮演越來越重要的角色，本文從天基測控體系的優(yōu)勢入手，介紹了基于中繼衛(wèi)星的天基測控體系工作原理，并對天基測控終端的組成及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，給出了天基測控終端的組成原理框圖及與中繼衛(wèi)星一天內(nèi)可建立通信鏈路的情況。

【關(guān)鍵詞】 天基測控 載人航天

一、引言

在我國載人航天任務(wù)中，由“天鏈“系列中繼衛(wèi)星構(gòu)成的天基測控網(wǎng)的應(yīng)用極大地提升了航天測控網(wǎng)的覆蓋范圍，從根本上彌補(bǔ)了地基測控通信覆蓋率低的問題。天基測控所使用的Ka/S頻段的數(shù)傳/測控信道，具有通信頻帶寬、返向鏈路容量大的特點(diǎn)，有效地保證了交會對接、太空授課等各類在軌試驗(yàn)活動(dòng)的順利執(zhí)行。在我國后續(xù)的空間站及空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)中，載人航天系列發(fā)射任務(wù)更加頻繁，航天員在軌時(shí)間更長，進(jìn)行的各類在軌操作與科學(xué)實(shí)驗(yàn)更多，對測控網(wǎng)的高速數(shù)傳、多目標(biāo)測控等技術(shù)要求也更高，因此天基測控在后續(xù)載人航天任務(wù)中的應(yīng)用將更加廣泛。

二、基于中繼衛(wèi)星的天基測控體系的優(yōu)勢

天基測控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)等天基系統(tǒng)，本文僅討論基于數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的天基測控在載人航天中的相關(guān)應(yīng)用及發(fā)展。

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是在地球同步軌道上布設(shè)專用的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，通過與其它衛(wèi)星建立星間鏈路通信，完成前、返向數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和中繼，與地面站建立起通信鏈路。理論上，只要在地球同步軌道上布設(shè)三顆相互夾角為120°的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，即可以實(shí)現(xiàn)對全球低軌道空間飛行器100%的軌道覆蓋。但是對我國而言，這必須有一個(gè)地面站建立在國外，實(shí)現(xiàn)起來非常困難。如果在地球同步軌道上布設(shè)兩顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，即可實(shí)現(xiàn)80%～92%的軌道覆蓋，這可以滿足載人航天任務(wù)的軌道覆蓋要求。因此，采用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星為平臺，建設(shè)我國星座組網(wǎng)的載人航天天基測控通信系統(tǒng)，是解決我國載人航天測控通信問題的有效途徑。

載人航天任務(wù)增加天基測控手段，可帶來如下所述的優(yōu)點(diǎn)。1）高測控覆蓋率。通過加裝中繼用戶終端，可利用中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對載人航天器的大范圍測控，延長測控弧段，大大提高測控覆蓋率；2）高數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性。利用中繼衛(wèi)星，載人航天器的大量載荷數(shù)據(jù)可及時(shí)回傳到國內(nèi)，改變以前衛(wèi)星過境回傳數(shù)據(jù)的歷史，衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)回傳時(shí)效性有了質(zhì)的飛躍，衛(wèi)星應(yīng)用效能得到顯著提升；3）大幅度提高測控?cái)?shù)傳可靠性。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和地基測控系統(tǒng)相互備份、相互補(bǔ)充，可以明顯提高測控?cái)?shù)傳的可靠性，降低了測控風(fēng)險(xiǎn)；4）多目標(biāo)同時(shí)測控。在交會對接和未來空間站任務(wù)中，需要對目標(biāo)飛行器和追蹤飛行器2個(gè)或多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行同時(shí)測控。

三、基于中繼衛(wèi)星的天基測控體系工作原理

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，由“天鏈“系列中繼衛(wèi)星、地面測控站和載人航天器中繼終端設(shè)備組成。中繼衛(wèi)星地面站將發(fā)往載人航天器的相關(guān)遙控指令和上注數(shù)據(jù)等信息，調(diào)制到S/Ka頻段鏈路上，發(fā)往中繼衛(wèi)星，再由中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給載人航天器；載人航天器將要傳給地面的遙測信息和應(yīng)急話音等數(shù)據(jù)，先經(jīng)S/Ka頻段星間鏈路發(fā)往中繼衛(wèi)星，再由中繼衛(wèi)星將相關(guān)信息轉(zhuǎn)發(fā)至地面中繼測控站，并行相關(guān)解調(diào)、解擾、譯碼處理。

中繼衛(wèi)星天基測控系統(tǒng)工作原理如圖l所示。

四、天基測控終端的組成及關(guān)鍵技術(shù)

載人航天器天繼測控終端是安裝在載人航天器上的測控終端設(shè)備，完成信號的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，通過總線接口、RS422接口與載人航天器的指令分系統(tǒng)、數(shù)管分系統(tǒng)、遙測分系統(tǒng)相連接，完成對載人航天器的測控和數(shù)據(jù)傳輸功能。用于滿足地面測控網(wǎng)視距范圍外的測控通信，以延長測控時(shí)間、實(shí)施空間快速響應(yīng)任務(wù)和應(yīng)急情況下對載人航天器的監(jiān)視和控制，并且為用戶衛(wèi)星提供多種速率遙控遙測服務(wù)。

4.1天基測控終端的組成及功能

載人航天器天基測控終端主要由中繼測控終端、高頻電纜、測控天線組成，其組成原理框圖如圖2所示。

前向的處理過程為：接收來自中繼星轉(zhuǎn)發(fā)的前向遙控、測距擴(kuò)頻信號，傳送到中繼S終端射頻接收模塊，射頻接收模塊對信號進(jìn)行濾波、低噪聲放大、下變頻、中頻濾波、中頻信號放大和AGC控制。輸出中頻信號送到基帶信號處理模塊，AD采樣后在數(shù)字基帶內(nèi)完成捕獲、跟蹤、比特同步，最終解調(diào)、譯碼出遙控PCM碼流，碼型變換后送遙控單元，同時(shí)恢復(fù)測距偽碼；返向的處理過程為：接收遙測PCM信號后送基帶模塊，經(jīng)過對遙測數(shù)據(jù)組幀、RS編碼、加擾處理后進(jìn)行卷積編碼，上行沒有鎖定時(shí)，采用本地產(chǎn)生的長碼進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻，上行鎖定后采用恢復(fù)的上行測距偽碼進(jìn)行擴(kuò)頻，成形濾波之后，經(jīng)過射頻通道進(jìn)行載波調(diào)制、濾波放大后，經(jīng)天線送中繼星。

4.2天基測控終端的關(guān)鍵技術(shù)研究

天基測控終端的研制突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，解決了多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。以下對其采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說明：

4.2.1寬波束中繼測控天線的“車輪狀”波束賦形技術(shù)

天基測控終端作為載人飛行器和中繼衛(wèi)星通信的設(shè)備，其目的是為了延長測控通信時(shí)間，測控弧段主要為境外測控。所以要求中繼測控天線的增益覆蓋范圍為，全方位面且具有一定角度的俯仰角，類似于“車輪狀”賦形波束。

為了達(dá)到“車輪狀”這種特定的波束覆蓋，中繼測控天線在選取傳統(tǒng)的雙繞背射螺旋天線的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了電性能重新設(shè)計(jì)，主要在螺旋天線傳統(tǒng)的輻射模式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了波束賦形設(shè)計(jì)，使天線的工作狀態(tài)為法向模和軸向模結(jié)合，產(chǎn)生了特殊的“車輪狀”賦形波束。

采用此種天線方向圖，在星體能滿足天線視場條件下，大部分通信覆蓋區(qū)域有效地避開地基通信的覆蓋區(qū)域，同時(shí)合理運(yùn)用螺旋天線方向圖仰角調(diào)整的方法，在不損失鏈路增益的情況下有效地增加了天基測控終端在地基通信以外的覆蓋區(qū)域。不僅滿足了載人飛行器與中繼衛(wèi)星的通信時(shí)間的要求，還大大提高了單軌最長測控時(shí)間、每天總測控時(shí)間、測控覆蓋率及傳輸時(shí)效性。圖3為載人航天器與中繼衛(wèi)星之間可視時(shí)間和可視區(qū)域的STK軟件仿真情況說明，紅線為建立通信鏈路的區(qū)域。從仿真結(jié)果可以看出，在載人航天飛行器正常姿態(tài)情況下，每天與任意一顆中繼衛(wèi)星的測控時(shí)間均大幅延長，載人飛行器的天基測控能力顯著提升。

4.2.2大多普勒范圍直接序列擴(kuò)頻信號的高靈敏度快捕跟蹤技術(shù)

由于天基測控的信號傳輸距離與地基測控模式相比要遠(yuǎn)很多，中繼衛(wèi)星到載人航天器之間的距離達(dá)4萬公里而不是用戶星到地面站的幾百到幾千公里；另外中繼衛(wèi)星受功耗的限制，對載人航天器的發(fā)射EIRP較地面站也小許多，并且中繼星在轉(zhuǎn)發(fā)用戶星與地面站之間的測控信號時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲進(jìn)一步污染了有用信息。因此，天基測控模式下天基測控終端的鏈路預(yù)算與地基測控模式相比，要緊張很多。例如，在S頻段下采用簡單的全向天線，要求天基測控終端解調(diào)門限電平優(yōu)于-124dBm。同時(shí)，中繼星和載人航天器之間的相對運(yùn)動(dòng)造成多普勒頻率變化范圍大的特點(diǎn)，需要考慮在-90kHz～90kHz的多普勒變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速捕獲。中繼測控低信噪比、大多普勒變化范圍的特點(diǎn)，要求接收機(jī)實(shí)現(xiàn)直接序列擴(kuò)頻信號的高靈敏度快速捕獲跟蹤，此技術(shù)是天基測控終端研制過程中最為關(guān)鍵的技術(shù)。使用基于FFT的并行頻率搜索捕獲算法完成載波和偽碼的快速捕獲。通過延長相干積分時(shí)間，獲取到較高的處理增益，滿足高靈敏度捕獲的目的；另外，中繼遙控偽碼碼長較短，故采用時(shí)域滑動(dòng)搜索，頻域上通過FFT實(shí)現(xiàn)并行搜索的方案，一次FFT運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)-90kHz～90kHz的多普勒變化范圍內(nèi)的搜索，而且能夠得到多普勒頻率的精確估計(jì)。在捕獲的偽碼相位預(yù)測值和偽多普勒頻率預(yù)測值的基礎(chǔ)上進(jìn)行偽碼相位跟蹤、載波跟蹤和數(shù)據(jù)位的跟蹤。上行遙控信號的數(shù)據(jù)位和偽碼周期不相參，為適應(yīng)數(shù)據(jù)位與偽碼周期非相參時(shí)直擴(kuò)信號的跟蹤，上行跟蹤與位同步解調(diào)模塊采用位同步環(huán)、碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)并行工作。碼跟蹤環(huán)采用由積分清除器、碼鑒相器、環(huán)路濾波器等組成的數(shù)字延遲鎖相環(huán)（DDLL）。采用載波輔助方法來消除大部分的碼多普勒頻率，這樣可以降低偽碼相位跟蹤環(huán)的階數(shù)，簡化偽碼相位跟蹤環(huán)設(shè)計(jì)。所以采用二階跟蹤環(huán)路即可跟蹤高動(dòng)態(tài)信號。載波跟蹤環(huán)在跟蹤載波變化的同時(shí)向碼跟蹤環(huán)提供一個(gè)載波輔助量用以校正由于多普勒效應(yīng)引起的碼率變化。

4.2.3直接序列擴(kuò)頻信號的抗多址干擾技術(shù)

干擾的存在影響系統(tǒng)的整體性能，同時(shí)惡化了系統(tǒng)的同步性能、解調(diào)和測量性能，使檢測概率降低、虛警概率升高、平均捕獲時(shí)間變長、失鎖概率增加、誤碼率變大、測量誤差加大等。由于擴(kuò)頻碼的非理想互相關(guān)性，碼分多址系統(tǒng)中總是存在碼間干擾問題，即強(qiáng)的信號會影響弱信號的捕獲和跟蹤。天基測控終端采用周期為1023的Gold碼作為擴(kuò)頻碼，碼序列的自相關(guān)峰和互相關(guān)峰的比值理論上只有1023/65，因此，碼間干擾現(xiàn)象較嚴(yán)重，功率較強(qiáng)的干擾信號將造成信號通道的誤捕和誤跟。如何既保證捕獲靈敏度，又允許干擾信號和有用信號有較大功率差，是天基測控終端需解決的另外一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在天基測控終端的研制中，采用根據(jù)信號強(qiáng)度自適應(yīng)改變檢測判決門限的恒虛警門限方法；利用偽碼的相關(guān)特性以及聯(lián)合判決檢測誤鎖等新的思路和方法，可有效控制使得碼間干擾引起的誤捕或誤鎖，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的碼間干擾抑制能力。

五、結(jié)束語

天基測控是我國載人航天測控體系的主要發(fā)展方向，隨著空間站和空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的實(shí)施，載人航天將迎來新的發(fā)展高潮，必將帶動(dòng)與之相關(guān)的天基測控技術(shù)的飛速發(fā)展。今后在中繼鏈路設(shè)計(jì)與分析、遙控遙測數(shù)據(jù)高碼速率傳輸、抗干擾抗截獲能力提高等方面是天基測控體系研究的重點(diǎn)?；谥欣^衛(wèi)星的天基測控體系的有效應(yīng)用不但能夠減少地面測控站和遠(yuǎn)洋測量船的使用數(shù)量，而且能夠彌補(bǔ)地面覆蓋盲區(qū)，降低地面任務(wù)費(fèi)用，提高測控和通信能力，將來必將有更廣闊的發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王家勝. 我國數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展建議，航天器工程，2011

[2] 李艷華，盧滿宏，天基測控系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展趨勢探討，飛行器測控學(xué)報(bào)，2012