LEO至HEO多階段任務(wù)小衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)方案

黃江江 賈鉑奇 張?jiān)骆?/p>

(中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203)

近年來，我國啟動(dòng)了一系列空間科學(xué)天文觀測(cè)衛(wèi)星項(xiàng)目，并積極與國際(主要以ESA為代表)合作，共同開拓人類對(duì)空間天文認(rèn)知的邊界，例如“天基多波段空間變?cè)幢O(jiān)視器”(SVOM)衛(wèi)星、“愛因斯坦探針”(EP)衛(wèi)星、“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”(ASOS)衛(wèi)星、“磁層-電離層-熱層”(MIT)耦合星座。其中，有部分衛(wèi)星科學(xué)觀測(cè)任務(wù)段需要跨越近地軌道(LEO)至高橢圓軌道(HEO)，如MIT星座，衛(wèi)星工作軌道由LEO轉(zhuǎn)移至近地點(diǎn)為1Re(地球半徑)、遠(yuǎn)地點(diǎn)為7Re的HEO任務(wù)軌道；“太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像”(SMILE)衛(wèi)星需要在LEO長(zhǎng)期停留工作，并轉(zhuǎn)移至近地點(diǎn)為5000 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)為19Re的HEO任務(wù)軌道。這類衛(wèi)星從初始軌道LEO至最終任務(wù)軌道HEO的轉(zhuǎn)移過程中，存在大尺度星地距離變化和不同階段衛(wèi)星姿態(tài)指向變化的情況，到達(dá)最終HEO之后的整個(gè)任務(wù)運(yùn)行期間同樣存在這種情況。

目前，我國已成功開展多顆基于LEO的科學(xué)觀測(cè)/探測(cè)衛(wèi)星任務(wù)，如“全球二氧化碳監(jiān)測(cè)”衛(wèi)星、墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，“悟空”暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星、太極一號(hào)微重力探測(cè)衛(wèi)星[1]?，F(xiàn)有應(yīng)用于這類衛(wèi)星的常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案存在一定局限性，若直接應(yīng)用于LEO至HEO測(cè)控任務(wù)中，存在天線合成干涉導(dǎo)致通信盲區(qū)、上下行通信鏈路余量不足、遙測(cè)速率單一而無法滿足星地距離大尺度變化，以及GPS導(dǎo)航定位性能差甚至完全無法定位等方面的問題。

與LEO至HEO測(cè)控任務(wù)類似的項(xiàng)目，是我國的“嫦娥工程”和中國科學(xué)院的“地球空間雙星探測(cè)”計(jì)劃?！版隙鸸こ獭钡臏y(cè)控系統(tǒng)方案具有多重冗余，故而十分復(fù)雜[2]，并不適用于一般的小衛(wèi)星項(xiàng)目?！暗厍蚩臻g雙星探測(cè)”計(jì)劃的2顆衛(wèi)星均需要統(tǒng)一S頻段(USB)結(jié)合甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)進(jìn)行測(cè)定軌[3]，而VLBI現(xiàn)在的主要業(yè)務(wù)是天文觀測(cè)，一般不會(huì)為普通小衛(wèi)星提供測(cè)定軌服務(wù)。ESA的伽利略在軌驗(yàn)證-A(GIOVE-A)衛(wèi)星[4]搭載GPS接收機(jī)，首次在高于GPS星座的軌道高度上實(shí)現(xiàn)在軌定位,可以為HEO衛(wèi)星提供一種測(cè)定軌思路。

本文對(duì)現(xiàn)有基于LEO衛(wèi)星的常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，為應(yīng)用于LEO至HEO多階段任務(wù)的小衛(wèi)星提供測(cè)控系統(tǒng)解決方案。首先，針對(duì)現(xiàn)有常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案的局限性提出改進(jìn)方案，分析改進(jìn)方案的優(yōu)勢(shì)；然后，以中歐合作SMILE衛(wèi)星為具體應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證本文所提改進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)方案的可行性。

1 常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案及其局限性分析

常規(guī)USB體制測(cè)控系統(tǒng)方案是目前國際通用的測(cè)控系統(tǒng)方案[5-7]，組成如圖1所示。

圖1 常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案Fig.1 Conventional TT&C system scheme

由圖1可知：常規(guī)衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)由2副測(cè)控天線、1個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)、2臺(tái)USB應(yīng)答機(jī)、2副GPS接收天線和1臺(tái)GPS接收機(jī)組成。其中：測(cè)控天線收發(fā)共用，天線1對(duì)天面安裝，天線2對(duì)地面安裝；4端口微波網(wǎng)絡(luò)中的2個(gè)端口連接對(duì)天/對(duì)地天線，另外2個(gè)端口連接應(yīng)答機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間的近全向覆蓋；2臺(tái)收發(fā)合一的應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)完全一致，由雙工器、接收機(jī)和發(fā)射機(jī)組成；GPS接收機(jī)接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位定軌，作為衛(wèi)星測(cè)定軌的輔助手段。

LEO至HEO測(cè)控任務(wù)的特點(diǎn)體現(xiàn)在：衛(wèi)星運(yùn)行軌道距離遠(yuǎn)近變化大，軌道運(yùn)行過程復(fù)雜；近地點(diǎn)空間衰減較小，但遠(yuǎn)地點(diǎn)空間衰減很大；由于觀測(cè)任務(wù)需要，衛(wèi)星姿態(tài)變化較大，對(duì)地姿態(tài)較少，要求衛(wèi)星在軌工作全過程全空間對(duì)地可實(shí)時(shí)測(cè)控。根據(jù)該類衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)特點(diǎn)，在LEO至HEO測(cè)控任務(wù)中，采用常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案，會(huì)存在如下問題。

(1)衛(wèi)星在軌飛行過程中可能存在長(zhǎng)時(shí)間側(cè)偏對(duì)地可見情況。常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案通過微波網(wǎng)絡(luò)將對(duì)天/對(duì)地天線進(jìn)行組陣，組陣后的天線方向圖如圖2所示，在側(cè)偏近水平方向±15°內(nèi)會(huì)形成干涉區(qū)，干涉區(qū)內(nèi)的天線合成增益存在多個(gè)凹陷區(qū)，影響上下行鏈路的可靠性，不能滿足LEO至HEO測(cè)控要求。

注：不同顏色代表不同切面，每隔10°一個(gè)切面；頻率為2.25 GHz。

(2)衛(wèi)星在軌道轉(zhuǎn)移過程中及運(yùn)行至HEO時(shí)，星地通信距離遠(yuǎn)，自由空間傳輸損耗大，常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案的發(fā)射輸出信號(hào)功率——有效全向輻射功率(EIRP)較小，無法滿足下行通信鏈路建立要求。常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案的EIRP不小于10 dBm[5]，以SMILE衛(wèi)星的HEO遠(yuǎn)地點(diǎn)為例，結(jié)合地球站的增益，經(jīng)計(jì)算到達(dá)地球站的信號(hào)功率為-144 dBm，而地球站的最低接收門限為-130 dBm(參照美國深空測(cè)控網(wǎng)地球站指標(biāo))[6]。此外，衛(wèi)星上接收地面上行信號(hào)微弱，常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案應(yīng)答機(jī)接收靈敏度有限，也不能夠滿足上行鏈路要求。根據(jù)中國測(cè)控網(wǎng)12 m測(cè)控站的發(fā)射能力，經(jīng)計(jì)算到達(dá)衛(wèi)星上測(cè)控接收機(jī)的信號(hào)功率為-113 dBm(以SMILE衛(wèi)星為例)，而傳統(tǒng)應(yīng)答機(jī)上行接收靈敏度指標(biāo)一般為-112 dBm，極限接收靈敏度為-115 dBm[5]，上行鏈路余量較小，無法滿足遙控鏈路需求。

(3)常規(guī)測(cè)控方案的遙測(cè)發(fā)送速率只有一檔，一般為8192 bit/s，無法適應(yīng)該類衛(wèi)星星地距離的大尺度變化。此外，遙測(cè)信道一般無信道糾錯(cuò)編碼，無法在降低發(fā)射功率的前提下提供充裕的遙測(cè)鏈路余量。

(4)導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射波束寬度設(shè)計(jì)只考慮為地球表面附近區(qū)域提供信號(hào)覆蓋，如圖3所示，當(dāng)衛(wèi)星軌道高度大于2000 km時(shí)(如SMILE衛(wèi)星)，特別是高于導(dǎo)航衛(wèi)星所在軌道面時(shí)，大部分區(qū)域?qū)Ш叫盘?hào)將變得很微弱。常規(guī)LEO衛(wèi)星星載GPS接收機(jī)的接收靈敏度為-130～-134 dBm，變軌期間及HEO期間的接收定位效果差，甚至完全無法定位，無法滿足衛(wèi)星測(cè)定軌需求[8-9]。

圖3 導(dǎo)航衛(wèi)星波束覆蓋示意Fig.3 Navigation satellite beam coverage diagram

2 改進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)方案

本文提出的改進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)方案，針對(duì)需要在LEO、轉(zhuǎn)移軌道和HEO多種不同軌道高度和軌道類型下分階段執(zhí)行差異性工作任務(wù)的小衛(wèi)星項(xiàng)目。其主要設(shè)計(jì)改進(jìn)體現(xiàn)為：①提高產(chǎn)品集成度；②采用高靈敏度接收機(jī)，優(yōu)化接收靈敏度指標(biāo)，提高對(duì)上行微弱信號(hào)的接收能力；③設(shè)置大、小2檔發(fā)射功率，以適應(yīng)LEO至HEO大尺度星地距離變化，采用大功率放大器結(jié)合信道糾錯(cuò)編碼方案，既保證HEO遠(yuǎn)地端下行遙測(cè)鏈路余量，又可減少系統(tǒng)功耗，小功率放大器可保證在LEO運(yùn)行期間滿足國際電信聯(lián)盟(ITU)無線電管理?xiàng)l例[10]對(duì)航天器發(fā)射到達(dá)地球表面產(chǎn)生的功率通量密度的限制；④設(shè)置多檔遙測(cè)速率，以適應(yīng)LEO至HEO大尺度星地距離變化；⑤除設(shè)置收/發(fā)共用天線外，單獨(dú)設(shè)置大功率發(fā)射天線，增加收/發(fā)通道的隔離度，保證高靈敏度接收機(jī)低底噪工作，同時(shí)，為避免如圖2所示的合路干涉問題，2副發(fā)射天線與2臺(tái)大功率放大器之間采用微波開關(guān)連接；⑥采用高靈敏度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)，接收靈敏度為-144 dBm，比傳統(tǒng)GPS接收機(jī)提高10 dB以上，同時(shí)改進(jìn)接收算法，支持“漏信號(hào)法”，即可接收從地球背面導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。此外，還兼容接收GPS、“北斗”和“格洛納斯”(GLONASS)3類導(dǎo)航信號(hào)，提高定位的連續(xù)性和可靠性。

基于以上設(shè)計(jì)改進(jìn)，本文提出適用于LEO至HEO多階段任務(wù)小衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)方案，其組成如圖4所示。測(cè)控系統(tǒng)由2臺(tái)應(yīng)答機(jī)(內(nèi)含大、小功率放大器)、1臺(tái)6端口微波網(wǎng)絡(luò)(內(nèi)含1個(gè)4端口微波網(wǎng)絡(luò)和2個(gè)雙工器)、1臺(tái)微波開關(guān)、1臺(tái)4端口微波網(wǎng)絡(luò)、2副測(cè)控收發(fā)共用天線和2副測(cè)控大功率發(fā)射天線、2副GNSS接收天線和1臺(tái)GNSS接收機(jī)(內(nèi)含主機(jī)和備機(jī)，冷備工作)組成。

為滿足小衛(wèi)星高集成度、低成本、小型化、輕量化的需求，采取如下措施。①數(shù)字應(yīng)答機(jī)的調(diào)制解調(diào)、測(cè)距轉(zhuǎn)發(fā)、信號(hào)濾波、信道編碼、數(shù)據(jù)加解擾、指令解析和遙測(cè)采集等功能都由一片F(xiàn)PGA完成，具有很高的集成度；②大功率放大器置于應(yīng)答機(jī)中，可與小功率發(fā)射機(jī)共用前級(jí)功率放大器和電源部分，相比單獨(dú)配備大功率放大器單機(jī)的常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案，可較大程度減小質(zhì)量和降低成本；③GNSS接收機(jī)以單板的形式集成到星務(wù)計(jì)算機(jī)中，進(jìn)一步減小系統(tǒng)質(zhì)量。

圖4 改進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)方案Fig.4 Modified TT&C system scheme

2副收發(fā)共用天線對(duì)應(yīng)接收通道和小功率發(fā)射通道，2副天線通過微波網(wǎng)絡(luò)連接，以實(shí)現(xiàn)全向覆蓋波束，滿足全向測(cè)控(特別是遙控)通信需求。設(shè)置小功率發(fā)射工作模式，可以在衛(wèi)星LEO運(yùn)行階段和變軌早期滿足ITU無線電管理?xiàng)l例[10]對(duì)衛(wèi)星發(fā)射到達(dá)地球表面產(chǎn)生的功率通量密度的限制，否則將無法通過頻率申報(bào)及獲得后續(xù)的發(fā)射許可，特別是一些國際合作的衛(wèi)星項(xiàng)目。另外，單獨(dú)設(shè)計(jì)2副大功率發(fā)射天線是為了減小發(fā)射信號(hào)對(duì)高靈敏度接收機(jī)的影響。

在HEO工作時(shí)，考慮衛(wèi)星姿態(tài)指向可能的變化情況，采用2副寬波束大功率遙測(cè)發(fā)射天線組成近全球形波束。2副天線與2臺(tái)大功率放大器可通過微波網(wǎng)絡(luò)或微波開關(guān)連接：若采用微波網(wǎng)絡(luò)連接，由于受微波網(wǎng)絡(luò)本身的插損和2副天線之間的干涉影響，天線波束邊緣增益只有約-6 dB甚至更低；而通過微波開關(guān)連接，考慮微波開關(guān)插損，天線波束邊緣增益約為-1.2 dB。至于衛(wèi)星下行發(fā)射EIRP，后者比前者提高約4.8 dB，即后者需要的發(fā)射功率是前者的1/3。因此，2副天線與2臺(tái)大功率放大器之間采用微波開關(guān)連接，可有效降低系統(tǒng)功耗，適合小衛(wèi)星功耗受限的應(yīng)用場(chǎng)景。單獨(dú)設(shè)置2副大功率發(fā)射天線，也是因?yàn)檫@一結(jié)論。進(jìn)口宇航級(jí)微波開關(guān)具有極高的可靠性，在NASA的航天器測(cè)控通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[11-15]。雖然2副大功率發(fā)射天線與2臺(tái)大功率放大器通過微波開關(guān)連接僅能實(shí)現(xiàn)半球波束覆蓋，但通過開關(guān)切換可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)全向覆蓋，必要時(shí)打開2臺(tái)大功率放大器也可以實(shí)現(xiàn)全向覆蓋。

2臺(tái)應(yīng)答機(jī)的發(fā)射通道與2臺(tái)大功率放大器之間設(shè)置一個(gè)4端口微波網(wǎng)絡(luò)[11-15]，可提供交叉連接通道，該方案可抵抗任意1個(gè)發(fā)射通道(包含前面的數(shù)字基帶部分)和任意1臺(tái)大功率放大器的雙點(diǎn)故障，提高發(fā)射鏈路的可靠性。

改進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)方案將小功率收發(fā)雙工器從應(yīng)答機(jī)中獨(dú)立出來，主要是考慮到國內(nèi)定制的雙工器產(chǎn)品一般都已經(jīng)有自身的結(jié)構(gòu)，且體積相對(duì)較大，放入應(yīng)答機(jī)的電路板中會(huì)增大板與板的間距，不利于實(shí)現(xiàn)應(yīng)答機(jī)的小型化、輕量化設(shè)計(jì)。其他衛(wèi)星應(yīng)用過程中，可根據(jù)單機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定雙工器的安裝位置。至于設(shè)置2副GNSS接收天線，是針對(duì)慣性定向的衛(wèi)星，其他具有特定指向的衛(wèi)星可以根據(jù)其自身情況只設(shè)置1副接收天線并選擇最優(yōu)安裝方向。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文提出的改進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)方案，可根據(jù)不同衛(wèi)星項(xiàng)目的具體軌道參數(shù)及任務(wù)需求，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)不同的具體指標(biāo)值。以SMILE衛(wèi)星為例，對(duì)改進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)的具體指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行描述。SMILE衛(wèi)星是由中歐科學(xué)家聯(lián)合提出，并由中國科學(xué)院與ESA聯(lián)合研制的小衛(wèi)星工程項(xiàng)目。由于這顆小衛(wèi)星需要搭載發(fā)射，因此要在700 km/700 km的LEO上停留，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)半年，等到合適的窗口再變軌到遠(yuǎn)地點(diǎn)1.2×105km的HEO。SMILE衛(wèi)星設(shè)計(jì)軌道如表1所示。針對(duì)SMILE衛(wèi)星的改進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)方案與常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案的系統(tǒng)性能參數(shù)對(duì)比，見表2。結(jié)果表明：改進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)方案在滿足LEO至HEO測(cè)控任務(wù)需求的前提下，測(cè)控設(shè)備復(fù)雜度、系統(tǒng)質(zhì)量和功耗均有較大改善，滿足小衛(wèi)星對(duì)平臺(tái)的高集成度、低成本、低功耗、小型化、輕量化要求。

表1 SMILE衛(wèi)星軌道Table 1 SMILE satellite orbit

表2 測(cè)控系統(tǒng)性能參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of performance parameters of TT&C system

4 結(jié)束語

本文提出的改進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)方案在繼承常規(guī)測(cè)控系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)LEO至HEO測(cè)控任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在滿足小衛(wèi)星對(duì)平臺(tái)的高集成度、低功耗、小型化、輕量化要求的前提下，既能實(shí)現(xiàn)LEO至HEO變軌衛(wèi)星任務(wù)的測(cè)控需求，又最大限度地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度，并且具備測(cè)控通道備份切換功能，能保證測(cè)控系統(tǒng)的可靠性。本文在現(xiàn)有衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)復(fù)雜軌道任務(wù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方案和思路對(duì)于其他變軌工作的衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。