MEOSAR載荷設計及在軌測試

袁國靖，何澤驊，劉 江，高 雅

(1.中國空間技術研究院西安分院，西安 710000；2.中國交通通信信息中心，北京 100101)

0 引言

全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)(COSPAS-SARSAT)是1979年由美國、前蘇聯、法國和加拿大四國聯合開發(fā)的全球公益性衛(wèi)星遇險報警系統(tǒng)[1]，已經穩(wěn)定運行30幾年，截止2016年12月，已協助組織實施11788次搜救事件，成功救援了41750余遇險人員。

早期的全球搜救系統(tǒng)主要依靠低軌道衛(wèi)星搜救(LEOSAR)系統(tǒng)和靜止軌道衛(wèi)星搜救(GEOSAR)系統(tǒng)轉發(fā)遇險信標。自2000年起，美國、歐洲委員會和俄羅斯開始與國際衛(wèi)星搜救組織就其各自的衛(wèi)星導航系統(tǒng)安裝中圓軌道衛(wèi)星搜救(MEOSAR)載荷設備的可行性進行磋商。美國從2001年到2010年底，陸續(xù)發(fā)射了9顆搭載S頻段下行MEOSAR載荷的GPS衛(wèi)星(DASS)，歐盟和俄羅斯也分別在Galileo以及GLONASS導航系統(tǒng)上開展了MEOSAR驗證工作[1，2]。研究表明MEOSAR系統(tǒng)可以克服LEOSAR系統(tǒng)時延大、GEOSAR系統(tǒng)無法實現南北極覆蓋等缺點，于是國際搜救衛(wèi)星組織在2004年全面啟動了MEOSAR系統(tǒng)的開發(fā)[1-4]。

MEOSAR系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段組成，空間段為裝載了MEOSAR載荷的衛(wèi)星，地面段包括本地用戶接收終端LUT站、搜救任務控制中心MCC以及搜救協調中心RCC；用戶段為MEOSAR示位標。我國1998年完成了地面LUT站及MCC的建設，成為全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)地面設備提供國。為了承擔起更多的國際事務和人道主義義務，提高在國際衛(wèi)星搜救組織中的話語權，開展了MEOSAR系統(tǒng)空間段建設，并在北斗全球系統(tǒng)MEO-13、MEO-14衛(wèi)星上首次裝載了MEOSAR載荷，經過在軌測試以及入網測試后將為全球用戶提供遇險報警及定位服務。

1 MEOSAR載荷設計

1.1 方案及原理

MEOSAR系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，為了實現各國MEOSAR系統(tǒng)之間良好的互操作，國際衛(wèi)星搜救組織對系統(tǒng)的各組成部分均制定了相應的互操作標準(以下簡稱標準)。MEOSAR載荷完成遇險用戶示位標發(fā)出的UHF頻段搜救信號的透明轉發(fā)功能，參考文獻[2] ( C/S T.016)規(guī)定了詳細的互操作指標，該文獻中同時還給出歐洲Galileo MEOSAR、俄羅斯Glonass MEOSAR以及美國GPS DASS S-Band MEOSAR載荷的在軌性能，主要指標如表1所示。

表1 MEOSAR標準指標要求以及Galileo、Glonass MEOSAR載荷在軌性能

依據互操作指標要求，同時參考目前在軌的MEOSAR載荷的實現情況，進行我國MEOSAR載荷的設計。

(1)下行頻率及發(fā)射天線極化方式的確定

標準中未給出下行頻率范圍；ITU給搜救服務分配的下行頻率范圍為1544MHz～1545MHz，Galileo以及Glonass MEOSAR設計均在此范圍內。為了便于國際互操作，避免可能的信號干擾，我國MEOSAR載荷下行頻率也在1544MHz～1545MHz范圍內選擇。綜合考慮變頻所需本振頻率實現的復雜度，以及多次與國際衛(wèi)星組織相關成員國頻率協調的情況，最終確定了下行頻率范圍為1544.11MHz～1544.31MHz，相應地，標準模式下行中心頻率為1544.21MHz，窄帶模式下行中心頻率為1544.203MHz。

同時，標準中也未明確發(fā)射天線極化方式。由于我國下行頻率與Galileo MEOSAR 相近，為了避免相互干擾，將發(fā)射天線極化方式設計為右旋圓極化(RHCP)。

(2)變頻方案設計

MEOSAR載荷將中心頻率為406MHz、帶寬為90kHz(或50kHz)的UHF頻段上行信號變頻至1544.2MHz的L頻段下行信號，而90kHz(或50kHz)的相對帶寬僅為0.006%(或0.0032%)。對于這樣的帶寬，濾波器無法實現；另外，超窄帶濾波器對轉發(fā)器的群時延和帶寬特性都會產生不利的影響。因此，需要將UHF頻段的接收信號先下變頻至中頻進行濾波，然后再上變頻至L頻段進行發(fā)射。

為獲取合適的濾波器相對帶寬，中頻頻率應當足夠低；同時，如果中頻頻率過低，在上變頻時產生的鏡頻信號以及泄漏的本振信號與輸出信號非常接近，濾除這些無用信號將會非常困難，一方面增加濾波器設計的難度和復雜度，另一方面將導致設備物理尺寸和質量明顯增加。綜合以上因素，中頻頻率選擇在幾十MHz頻段。

(3)工作模式設計

通過對互操作指標的分析，MEOSAR載荷應具有ALC模式，90kHz和50kHz兩種帶寬模式。為了增加在軌使用的靈活性，提出MEOSAR載荷增加FG模式的設計，且FG模式的最大增益以及最大輸出功率均高于ALC模式，可作特殊用途。ALC、FG兩種增益模式，以及90kHz和50kHz兩種帶寬模式可以兩兩任意組合，實現多種工作模式。各種模式之間可以通過遙控指令進行切換，切換示意圖如圖1所示。

圖1 MEOSAR載荷工作模式切換示意圖

在上述分析的基礎上，提出我國MEOSAR載荷的設計方案，其結構框圖如圖2所示。MEOSAR載荷由搜救天線和搜救轉發(fā)器兩部分構成，搜救轉發(fā)器又包含UHF輸入濾波器、UHF接收變頻器、搜救固放、L輸出濾波器等四個部組件。搜救天線接收來自地面用戶示位標的406.05MHz遇險信號，經UHF輸入濾波器進行預選濾波后，送給UHF接收變頻器進行低噪聲放大、變頻至1544.21MHz，再由搜救固放進行功率放大，L輸出濾波器濾除帶外雜波，最終通過搜救發(fā)射天線向地面MEOLUT站進行發(fā)射[5-7]。

圖2 MEOSAR載荷結構框圖

搜救轉發(fā)器中，UHF接收變頻器和搜救固放為有源部件，將整星的一次母線電壓變換成部件所需的二次電壓，同時響應地面上行的工程遙控指令，產生遙測信號。UHF接收變頻器采用二次變頻方案，實現搜救載荷90KHz和50KHz兩種帶寬模式；搜救固放實現ALC以及FG兩種增益模式，帶寬模式及增益模式分別通過遙控指令進行切換。

1.2 仿真模型

1.2.1 搜救轉發(fā)器

采用Agilent公司的仿真軟件ADS進行搜救轉發(fā)器系統(tǒng)仿真，仿真模型包括UHF輸入濾波器、UHF接收變頻器、搜救固放、L輸出濾波器以及連接的高頻電纜，如圖3所示。其中UHF接收變頻器首先將經過UHF輸入濾波器預選濾波的406.05MHz信號進行低噪聲放大，然后變頻至較低的中頻頻率，采用兩只晶體濾波器分別實現90kHz和50kHz帶寬的窄帶濾波，再變頻至下行1544.21MHz；搜救固放中控制電路實現ALC模式和FG模式的切換，并通過功率放大器將信號放大至所需的電平，最后經過L輸出濾波器進行帶外雜散抑制后輸出。

圖3 搜救轉發(fā)器仿真模型圖

1.2.2 搜救天線

搜救天線采用平面微帶陣列天線形式，仿真模型示意圖如圖4所示。

圖4 搜救天線仿真模型示意圖

UHF接收天線位于下層，由4個輻射單元U1～U4構成；L發(fā)射天線位于UHF天線輻射單元U1的正上方，由7個輻射單元L1～L7構成。

2 MEOSAR載荷在軌測試

在北斗全球系統(tǒng)第十三、十四顆組網衛(wèi)星(MEO-13、MEO-14)首次裝載了國際MEOSAR載荷，在軌測試由位于北京云崗衛(wèi)星地球站的MEOSAR在軌測試系統(tǒng)完成。

2.1 TLE格式軌道參數

由于MEO衛(wèi)星的軌道特性，地面測試系統(tǒng)需要根據軌道參數對衛(wèi)星進行實時準確的跟蹤。我國航天系統(tǒng)描述衛(wèi)星軌道的方法為六根數軌道，即在某個觀測時間下，通過相位捕捉的形式，提供軌道傾角i、升交點赤經Ω、軌道偏心率e、近地點幅角ω、平近點角M0和軌道半長軸a，并利用慣性模型推斷衛(wèi)星在未來某一點的位置。

在國際搜救組織的相關軟件系統(tǒng)內，空間設備提供國一般采用TLE格式將衛(wèi)星軌道廣播到全世界各地的任務控制中心MCC站，并由MCC下發(fā)到地面終端LUT站，LUT站跟蹤設備利用TLE格式的參數跟蹤衛(wèi)星，接收MEOSAR載荷轉發(fā)的下行信號。為了與國際組織兼容，方便跟蹤不同類型和不同星座的衛(wèi)星，我國的搜救LUT站以及MEOSAR在軌測試系統(tǒng)均使用TLE格式的軌道參數對衛(wèi)星進行跟蹤，故需要將我國觀測站提供的北斗六根數軌道數據轉換成TLE格式的軌道參數，用于在軌測試以及正式入網后提供給國際搜救組織相關成員國，提高系統(tǒng)互操作性。

TLE格式，或稱兩行軌道根格式，為北美防空聯合司令部(North American Air Defence Command,NORAD)在60年代編制的衛(wèi)星軌道參數標準格式，帶有阻力系數，可以計算出由于阻力導致的衛(wèi)星軌道攝動，是一種時變模型[8-10]。它有固定的書寫格式，適合不同設備間交換。如MEO-13的TLE格式如下：

BEIDOU-3 M13

1 43622U 18072A 18283.00000000 .00000000 00000-0 00000-0 0 9990

2 43622 55.0238 156.3850 0003195 302.7978 179.2407 01.86239813 000

具體內容及解釋如表2所示。

表2 TLE格式參數說明

TLE格式中使用的“衛(wèi)星每天環(huán)繞地球的圈數”可以由六根數軌道觀測數據提供的半長軸a進行換算得到。開普勒第三定律-行星運動定律中表述，繞同一中心天體的所有行星的軌道的半長軸的三次方(a3)跟它的公轉周期的二次方(T2)的比值為與該天體相關的常數，即：

a3/T2=k

(1)

式中：k=GM/4π2，為開普勒常數；π為圓周率；G為萬有引力常數，在此取科學技術數據委員會于2014年推薦的值，即6.67408×1011；M為地球質量，在此取NASA下噴氣推進實驗室在2008年343R-08-004文檔中提供的值，即5.97237×1024；a為觀測得到的半長軸。

將這些常數代入到公式后可得：

T=a1.5×3.14710195×10-7

(2)

T為衛(wèi)星的公轉周期，即繞地球一圈所用的時間，單位為秒。用一天的秒數86400除以該周期即可算得衛(wèi)星每天環(huán)繞地球的圈數N：

N=86400/T

(3)

由上述分析可知，在短時間內跟蹤觀測衛(wèi)星時，我國航天系統(tǒng)使用的六根數和國際組織的TLE格式的軌道參數之間是可以互相轉換的。

2.2 MEOSAR在軌測試結果

采用TLE格式軌道參數對MEO-13、MEO-14衛(wèi)星進行跟蹤，采用國際搜救組織在文獻3(C/S T.017)中規(guī)定的測試方法對搜救載荷進行了詳細的測試，測試結果如表3所示。北斗搜救載荷全面滿足國際搜救組織規(guī)定的互操作標準指標要求；采用TLE格式軌道參數對MEO衛(wèi)星進行跟蹤的方法滿足測試要求，可以用于在軌測試。

表3 MEO-13/MEO-14衛(wèi)星搜救載荷在軌測試結果

8發(fā)射EIRP值dBw≥1516.316.6符合9最大轉發(fā)增益dB>180182.3181.5符合10ALC動態(tài)范圍dB>3028>30符合11三階交調抑制dBc≥3032.933.2符合12搜救信號處理能力/正常解調正常解調正常解調符合

注①：參考伽利略搜救載荷，在軌不作考評，向國際搜救組織提交地面測試數據。

3 結束語

北斗MEOSAR載荷與Cospas-Sarsat系統(tǒng)中歐洲Galileo MEOSAR、俄羅斯Glonass MEOSAR均具有良好的兼容性和互操作性；同時，具有多種工作模式，各種模式之間可通過指令進行切換，增強了在軌使用的靈活性。將我國航天系統(tǒng)使用的六根數軌道轉換為TLE格式軌道參數用于衛(wèi)星跟蹤，對首次裝載在北斗全球系統(tǒng)MEO-13、MEO-14兩顆衛(wèi)星上的MEOSAR載荷進行了全面的在軌測試，各項功能性能指標符合國際互操作標準，經過入網測試后將正式集成到全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)中，為全世界海陸空用戶提供搜救服務，為全球范圍內的人命安全提供有力的保障。