天基測控系統(tǒng)產(chǎn)品化研究與實踐

/北京宇航系統(tǒng)工程研究所

天基測控系統(tǒng)主要由天基測控S頻段中繼終端、相控陣天線等組成。天基測控S頻段中繼終端接收來自中心程序器(或數(shù)據(jù)綜合器)的PCM數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)挑路后形成返向數(shù)據(jù)幀,并在中繼終端內(nèi)完成基帶信號的調(diào)制和載波搬移,以射頻信號輸出至相控陣天線。同時,中繼終端從PCM數(shù)據(jù)中提取火箭姿態(tài)和位置信息,生成波束指向信息,將波束指向信息傳輸?shù)较嗫仃囂炀€,完成相控陣天線波束指向控制,并收集自身與相控陣天線狀態(tài)信息,發(fā)送到中心程序器(或數(shù)據(jù)綜合器)后再通過遙測信道回傳。

天基測控子系統(tǒng)利用中繼衛(wèi)星進(jìn)行運(yùn)載火箭測控信息轉(zhuǎn)發(fā)傳輸,可以大幅提升測控覆蓋率,節(jié)省大量人力和物力,降低發(fā)射成本,減少發(fā)射準(zhǔn)備時間,并可實現(xiàn)全射向、多軌道發(fā)射和全球機(jī)動發(fā)射,很好的解決了地基測控存在的問題。

北京宇航系統(tǒng)工程研究所自天基測控系統(tǒng)設(shè)計初期便大力推進(jìn)產(chǎn)品化體系建設(shè),規(guī)劃了天基測控基本型及三步走戰(zhàn)略,并統(tǒng)一產(chǎn)品性能指標(biāo)及輸入輸出要求等,指導(dǎo)產(chǎn)品開展規(guī)范化設(shè)計,這是測量系統(tǒng)產(chǎn)品化工作的積極探索,更是全面深入推進(jìn)產(chǎn)品化建設(shè)的重要里程碑。

一、工作與實踐

在現(xiàn)有技術(shù)認(rèn)識的基礎(chǔ)上,天基測控按照返向碼率這一主要技術(shù)指標(biāo)開展基本型的規(guī)劃,同時,參考天基測控用戶終端型譜規(guī)劃,統(tǒng)籌需求后規(guī)劃為100kbps以下返向碼率S頻段天基測控基本型、100kbps-1Mbps返向碼率S頻段天基測控基本型、1Mbps以上返向碼率Ka頻段天基測控基本型等3種天基測控基本型。

1.100kbps以下返向碼率S頻段天基測控基本型

一是箭上組成(見圖1)。

針對返向碼率100kbps以下天基測控,基本型需要由S頻段中繼測控終端、S頻段天線組成,終端可擴(kuò)展前向功能。若需要前向鏈路功能,則終端擴(kuò)展為前返向終端,基本型加設(shè)前向鏈路全向天線。

二是地面測試設(shè)備組成(見圖2)。

圖1 100kbps以下返向碼率S頻段天基測控箭上組成

圖2 100kbps以下返向碼率S頻段天基測控地面測試設(shè)備組成

2.100kbps-1Mbps返向碼率S頻段天基測控基本型

一是箭上組成(見圖3)。

針對100kbps-1Mbps碼率天基測控,基本型需要由S頻段中繼測控終端、S頻段相控陣天線組成,終端可擴(kuò)展前向功能。若需要前向鏈路功能,則終端擴(kuò)展為前返向終端,基本型加設(shè)前向鏈路全向天線。

二是地面測試設(shè)備組成(見圖4)。

圖3 100kbps-1Mbps返向碼率S頻段天基測控箭上組成

3.1Mbps以上返向碼率Ka頻段天基測控基本型

一是箭上組成(見圖5)。

針對1Mbps以上碼率天基測控,基本型需要由Ka頻段中繼測控終端、Ka頻段相控陣天線組成。

二是地面測試設(shè)備組成(見圖6)。

二、實踐效果

根據(jù)我國“天鏈”中繼衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)度、技術(shù)可行性、S頻段、Ka頻段技術(shù)成熟度以及型號需求等方面的情況,天基測控按照三步走的發(fā)展思路,逐步推進(jìn)該技術(shù)在型號中的應(yīng)用,最終滿足部分及全部替代地基測控的目標(biāo)。

圖4 100kbps-1Mbps返向碼率S頻段天基測控地面測試設(shè)備組成

圖5 1Mbps以上返向碼率Ka頻段天基測控箭上組成

第一步,低碼率階段。利用“天鏈一號”中繼一期衛(wèi)星,采用S頻段完成低碼率數(shù)據(jù)傳輸,解決航區(qū)測控盲區(qū)部分遙測數(shù)據(jù)傳輸問題,以打通鏈路為主,滿足CZ-XX等型號系列運(yùn)載火箭現(xiàn)階段測控需求以及部分武器型號的測控需求。目前, CZ-XX等型號S頻段天基測控低碼率數(shù)據(jù)傳輸均已經(jīng)取得成功。

第二步,中碼率階段。充分發(fā)揮S頻段衛(wèi)星下行鏈路能力,深入研究LDPC等高效編碼方式,實現(xiàn)S頻段中碼率數(shù)據(jù)傳輸,提供更高的測控覆蓋范圍和更高的數(shù)據(jù)傳輸要求,滿足Ka頻段技術(shù)尚未成熟階段遙測數(shù)據(jù)的傳輸要求,在第一步相關(guān)技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展S頻段的能力。目前,CZ-XX等型號S頻段天基測控中碼率數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)取得成功。

第三步,高碼率階段。采用Ka頻段設(shè)備,實現(xiàn)高碼率遙測數(shù)據(jù)傳輸,徹底解決遙測下行信道容量問題,解決地面站的冗余問題,實現(xiàn)部分及全部替代地面站和海上測量船的目的。目前,XX-XA等型號 Ka頻段天基測控高碼率數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)取得成功。

圖6 1Mbps以上返向碼率Ka頻段天基測控地面測試設(shè)備組成

三、后續(xù)思路

一是規(guī)定測量系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計和建造要求,大力推進(jìn)高碼率技術(shù)成果,完善并規(guī)范設(shè)計構(gòu)架、要素等內(nèi)容。

二是建設(shè)貨架產(chǎn)品,規(guī)范產(chǎn)品名稱,控制上架產(chǎn)品數(shù)量,兼顧通用性、系列性、發(fā)展性等。

三是產(chǎn)品成熟度認(rèn)定和提升,按照成熟度認(rèn)定方法,對產(chǎn)品單機(jī)、模塊進(jìn)行劃分,對各種類的產(chǎn)品或模塊開展成熟度定級工作。

四是建設(shè)產(chǎn)品化規(guī)章制度,編制天基測控子系統(tǒng)基本型設(shè)計規(guī)范,固化前期成果,總結(jié)、提煉天基測控子系統(tǒng)設(shè)計方法與流程,搶占行業(yè)先機(jī)。

五是形成基本型持續(xù)完善、持續(xù)更新管理辦法,不斷補(bǔ)充和豐富基本型構(gòu)成。

六是在新型號中全面推行產(chǎn)品體系模式下的研制工作。

天基測控系統(tǒng)產(chǎn)品體系的建立是發(fā)展戰(zhàn)略的需求、是落實新體系建設(shè)的需求、是適應(yīng)由任務(wù)型向任務(wù)能力型轉(zhuǎn)型的需求。系統(tǒng)和型號工作人員應(yīng)共同努力,將天基測控系統(tǒng)和產(chǎn)品化單機(jī)進(jìn)一步推廣至更多型號,使天基測控技術(shù)在運(yùn)載火箭測控任務(wù)中發(fā)揮越來越重要的作用,逐步替代測量船和地基站,提高型號的經(jīng)濟(jì)效益。