載人航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)安全工作模式設(shè)計(jì)

丁凱 夏奕 張克楠 龍吟

(1 西華師范大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川南充 637001)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

以前的測(cè)控通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，僅由固定天線和硬件設(shè)備組成，沒(méi)有軟件或軟件規(guī)模小，設(shè)備接通電源即可工作，不區(qū)分初始狀態(tài)和工作狀態(tài)，不用專門(mén)設(shè)計(jì)安全工作模式。近些年，隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、單片機(jī)、FPGA的廣泛應(yīng)用，特別是隨著鏈路速率提高，高增益天線應(yīng)用越來(lái)越多，測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)備的工作模式越來(lái)越復(fù)雜，例如現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的中繼終端[4]，其中繼天線就存在跟蹤模式、命令模式、等待模式等多種工作模式。在跟蹤模式下，根據(jù)跟蹤中繼衛(wèi)星時(shí)采用的數(shù)據(jù)種類不同，又分為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)數(shù)據(jù)跟蹤和軌道數(shù)據(jù)跟蹤等模式；依據(jù)控制模式不同又分為自動(dòng)跟蹤和程序跟蹤。在各種跟蹤模式下，還需要提前指定所跟蹤的中繼衛(wèi)星，一旦在跟蹤過(guò)程中出現(xiàn)掉電等異?，F(xiàn)象，想要中繼天線恢復(fù)到斷電前的跟蹤狀態(tài)，需要數(shù)管分系統(tǒng)重新發(fā)送多條程控指令來(lái)指定跟蹤模式以及需要跟蹤的中繼衛(wèi)星，在緊急情況下，數(shù)管分系統(tǒng)設(shè)備不能接收地面上行飛行程序，無(wú)法重新發(fā)出相關(guān)指令，鏈路沒(méi)法自動(dòng)恢復(fù)，往往會(huì)耽誤航天器的故障處置時(shí)機(jī)，嚴(yán)重時(shí)造成航天器失效。因此，研究航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)的安全工作模式，提高鏈路自主恢復(fù)的能力顯得尤為重要。

目前，對(duì)于載人航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)安全工作模式的研究不多，文獻(xiàn)[1]中提出了數(shù)管分系統(tǒng)根據(jù)制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC)的工作模式自主接通應(yīng)答機(jī)對(duì)天(III象限)天線的方案，但是該方案過(guò)于復(fù)雜，不利于故障的及時(shí)處置，需要進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[5-7]中提出了采用寬波束中繼天線提供應(yīng)急支持的方案，也提到了為對(duì)地(I象限)和對(duì)天(III象限)天線方案提供測(cè)控支持，但未對(duì)具體實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行研究，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義有限。針對(duì)窄波束中繼Ka頻段鏈路[8-11]，現(xiàn)有的研究和工程應(yīng)用都集中在正常跟蹤模式設(shè)計(jì)，并未考慮緊急情況下中繼鏈路的恢復(fù)方案。本文從分系統(tǒng)的全鏈路狀態(tài)出發(fā)，提出了基于S頻段測(cè)控及導(dǎo)航信號(hào)接收鏈路全向覆蓋，寬波束中繼鏈路自主組陣，窄波束中繼天線自主跟蹤的測(cè)控與通信安全工作模式，可確保任何情況下測(cè)控通信鏈路都能夠正確建立，特別是在載人航天器出現(xiàn)異常掉電又恢復(fù)后，測(cè)控與通信分系統(tǒng)能夠自主恢復(fù)天地鏈路，確保載人航天器安全工作。

1 測(cè)控與通信分系統(tǒng)安全工作模式設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)控與通信分系統(tǒng)組成

為了便于描述清楚信息流及天地接口，本文從天地和星間鏈路的角度介紹載人航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。測(cè)控與通信分系統(tǒng)通常包括S頻段測(cè)控鏈路、S頻段數(shù)傳鏈路、導(dǎo)航信號(hào)接收鏈路、寬波束中繼S頻段鏈路、窄波束中繼S頻段鏈路、中繼Ka頻段鏈路、空-空通信鏈路及信標(biāo)鏈路，通過(guò)這些鏈路可以實(shí)現(xiàn)地面對(duì)載人航天器的跟蹤測(cè)軌、數(shù)據(jù)傳輸、遙控遙測(cè)和圖像話音功能。

圖1 測(cè)控與通信分系統(tǒng)組成

通常S頻段測(cè)控鏈路上行遙控、下行工程遙測(cè)數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)距音；S頻段數(shù)傳鏈路下行圖像和數(shù)管遙測(cè)數(shù)據(jù)；導(dǎo)航信號(hào)接收鏈路接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行定位解算，將定位數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)用戶；寬/窄波束中繼S頻段鏈路上行遙控、下行工程遙測(cè)，窄波束中繼S頻段鏈路還包括轉(zhuǎn)發(fā)前向、返向測(cè)距偽碼；中繼Ka頻段鏈路接收前向遙控、圖像、話音數(shù)據(jù)，發(fā)送返向數(shù)管遙測(cè)數(shù)據(jù)、圖像話音數(shù)據(jù)、有效載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)等?？?空通信鏈路是鄰近航天器之間的通信鏈路，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在衛(wèi)星之間也叫星間鏈路。部分航天器還配套通信網(wǎng)[12]進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)類型包括遙測(cè)、圖像話音、有效載荷及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通信網(wǎng)既可以與地面系統(tǒng)形成一體化網(wǎng)絡(luò)，又可以在組合體飛行時(shí)與其他航天器組成局域網(wǎng)通信。信標(biāo)鏈路為載人飛船等具有返回功能的航天器特有鏈路，為返回艙落地后的搜救提供信標(biāo)信號(hào)。

對(duì)于多數(shù)衛(wèi)星，測(cè)控鏈路不一定包括上述全部鏈路。確保航天器安全工作必需的鏈路，主要包括S頻段測(cè)控鏈路、導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)接收鏈路和寬波束中繼鏈路，大部分中低軌航天器均作為標(biāo)配。近年來(lái)，越來(lái)越多的航天器也配套了提供天地間高速傳輸?shù)恼ㄊ欣^Ka頻段鏈路。S頻段數(shù)傳鏈路、空-空通信鏈路及通信網(wǎng)不是航天器在軌安全所必需的，在航天器緊急狀態(tài)下這些鏈路不是優(yōu)先考慮的鏈路。為確保測(cè)控與通信分系統(tǒng)的安全工作，應(yīng)優(yōu)先保障S頻段測(cè)控、導(dǎo)航信號(hào)接收、寬波束中繼鏈路的安全；對(duì)于載人航天器等有特殊需求的航天器，為了提供緊急情況下的圖像話音傳輸，便于故障處置，也應(yīng)該考慮和設(shè)計(jì)窄波束中繼鏈路的安全工作模式。

1.2 S頻段測(cè)控鏈路安全工作模式

S頻段測(cè)控鏈路通常由應(yīng)答機(jī)[13]、天線網(wǎng)絡(luò)和寬波束固定天線組成，天線網(wǎng)絡(luò)將布局在III象限(對(duì)天)和I象限(對(duì)地)的天線進(jìn)行合路和分路后接入應(yīng)答機(jī)，使寬波束測(cè)控天線組成準(zhǔn)全向天線工作，以應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況造成的異常姿態(tài)。

通常，S頻段測(cè)控鏈路結(jié)構(gòu)如圖2所示，III象限天線和I象限天線固定組陣工作，由于中間有天線網(wǎng)絡(luò)，這種工作模式對(duì)應(yīng)答機(jī)的接收靈敏度和發(fā)射功率要求較高，需要保持足夠余量。在鏈路余量有限的情況下，為了節(jié)省功耗，降低發(fā)射功率，載人航天器也將應(yīng)答機(jī)天線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為圖3的模式，采用單天線工作模式和組陣工作模式相結(jié)合的方式。正常工作時(shí)，微波開(kāi)關(guān)僅選擇I象限天線(圖3中接收天線a端口和發(fā)射天線a端口)即可完成正常的測(cè)控任務(wù)，此時(shí)信號(hào)不需要經(jīng)過(guò)功分器和合路器，插損較小，可保證足夠的鏈路余量；但出現(xiàn)姿態(tài)翻滾時(shí)，為了確保任意姿態(tài)均可測(cè)控，需要將I象限和III象限天線組陣工作，此時(shí)消耗鏈路余量來(lái)確保應(yīng)急狀態(tài)的測(cè)控覆蓋，這就需要在姿態(tài)異常時(shí)數(shù)管分系統(tǒng)能夠自動(dòng)發(fā)送微波開(kāi)關(guān)切換指令控制天線網(wǎng)絡(luò)組陣工作[1]，或者通過(guò)地面上行指令進(jìn)行切換。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的興起和普及，微信、QQ已經(jīng)成為人們生活中必不可少的一部分，班級(jí)群里的聊天內(nèi)容和聊天方式也發(fā)生了很大變化。

圖2 S頻段測(cè)控鏈路結(jié)構(gòu)

圖3 可切換的天線網(wǎng)絡(luò)

從載人航天器的安全性考慮，S頻段鏈路作為確保航天器安全工作的最低保障，I象限和III象限天線建議長(zhǎng)期保持組陣工作模式，在方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)設(shè)計(jì)有足夠的鏈路余量，應(yīng)答機(jī)的接收機(jī)、遙控單元和遙測(cè)單元永遠(yuǎn)保持開(kāi)機(jī)狀態(tài)，確保任意情況均能夠上行遙控指令。應(yīng)答機(jī)的發(fā)射機(jī)可在必要時(shí)臨時(shí)關(guān)機(jī)，但建議常態(tài)下保持開(kāi)機(jī)，并盡可能避免關(guān)機(jī)，確保在突發(fā)緊急情況下能夠?qū)⑦b測(cè)信號(hào)發(fā)送至地面。應(yīng)答機(jī)的發(fā)射機(jī)開(kāi)關(guān)機(jī)電路不能選用光耦或者其他不能斷電保持接通狀態(tài)的電路，防止載人航天器在異常掉電又恢復(fù)后不能自動(dòng)恢復(fù)開(kāi)機(jī)發(fā)送遙測(cè)信號(hào)。作為載人航天器最基本的測(cè)控鏈路，建議S頻段測(cè)控鏈路的正常工作模式和安全工作模式應(yīng)該保持一致，不要設(shè)置過(guò)多的狀態(tài)切換。S頻段測(cè)控鏈路是載人航天器與地面建立聯(lián)系的保底鏈路，工作模式越簡(jiǎn)單，載人航天器越可靠。

1.3 寬波束中繼鏈路安全工作模式

隨著我國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，目前在軌服役的中繼衛(wèi)星已經(jīng)達(dá)到5顆，有力地提高了載人航天器的測(cè)控覆蓋率，目前寬波束中繼鏈路[6-7]已經(jīng)成為載人航天器的標(biāo)配測(cè)控鏈路。與S頻段測(cè)控鏈路類似，由寬波束中繼S頻段終端、寬波束射頻收發(fā)組件和布局在III象限和I象限的收/發(fā)天線組成(見(jiàn)圖4)，寬波束中繼S頻段終端處于常加電狀態(tài)，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)均不關(guān)機(jī)。射頻收發(fā)組件可以根據(jù)需要開(kāi)機(jī)或者關(guān)機(jī)，射頻收發(fā)組件關(guān)機(jī)時(shí)，寬波束中繼鏈路的天線處于單天線工作模式，僅有III象限天線完成中繼衛(wèi)星信號(hào)的接收和發(fā)送，射頻收發(fā)組件開(kāi)機(jī)后，可以通過(guò)I象限天線接收和發(fā)送信號(hào)，天線組陣工作。

圖4 寬波束中繼S頻段鏈路

由于射頻收發(fā)組件工作需要消耗較大的功率，大部分載人航天器的能源系統(tǒng)不能長(zhǎng)期支持I象限和III象限天線的組陣工作，因此寬波束中繼鏈路需要區(qū)分正常工作模式和安全工作模式。正常情況下僅寬波束中繼S頻段終端工作，使用III象限天線發(fā)射和接收信號(hào)，可以完成正常狀態(tài)的測(cè)控工作，同時(shí)也不浪費(fèi)過(guò)多的能源；緊急情況下航天器姿態(tài)發(fā)生翻滾時(shí)，僅有III象限天線不能應(yīng)對(duì)異常狀態(tài)下的測(cè)控需求，要進(jìn)入安全工作模式，需要射頻收發(fā)組件開(kāi)機(jī)工作，將I象限天線的信號(hào)接收回來(lái)或發(fā)送出去，完成I象限和III象限天線的組陣工作。上述2種工作模式的結(jié)合，可以在正常情況下節(jié)省功耗，緊急情況下能夠盡最大能力提供測(cè)控支持，完成載人航天器的應(yīng)急處置。

既然有2種工作模式，就涉及到如何完成2種模式的切換。安全工作模式進(jìn)入正常工作模式比較簡(jiǎn)單，可以通過(guò)地面實(shí)時(shí)上行指令，也可以上行飛行程序定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)。較難操作的是出現(xiàn)姿態(tài)翻滾或其他緊急情況后如何自動(dòng)進(jìn)入安全工作模式，這就需要數(shù)管分系統(tǒng)能夠根據(jù)載人航天器的飛行模式進(jìn)行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)載人航天器的姿態(tài)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則自動(dòng)發(fā)送程控指令將寬波束射頻收發(fā)組件開(kāi)機(jī)。為確保安全，在載人航天器能源允許的情況下，建議將射頻收發(fā)組件常開(kāi)機(jī)，I象限和III象限天線組陣工作的模式作為正常工作模式，實(shí)現(xiàn)2種模式的二合一，確保載人航天器安全。

1.4 導(dǎo)航信號(hào)接收鏈路安全工作模式

隨著我國(guó)“北斗”系統(tǒng)全球組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，越來(lái)越多的中低軌航天器上配套了導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)(簡(jiǎn)稱為“導(dǎo)航接收機(jī)”)，通?？梢约嫒軬PS、“北斗”及“格洛納斯”(GLONASS)系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)高精度自主測(cè)定軌。導(dǎo)航接收機(jī)的工作模式較為單一，開(kāi)機(jī)即工作，天線通常配置在載人航天器的III象限，導(dǎo)航接收機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是開(kāi)關(guān)機(jī)電路需要采用磁保持繼電器，確保載人航天器異常掉電恢復(fù)后導(dǎo)航接收機(jī)能夠在無(wú)地面干預(yù)的情況下恢復(fù)工作，并盡力定位，對(duì)外提供定位信息。導(dǎo)航接收機(jī)的定位信息需要能夠通過(guò)多條鏈路同時(shí)下傳，包括S頻段測(cè)控鏈路、寬波束中繼鏈路及窄波束中繼鏈路，確保地面能夠第一時(shí)間獲取天上的自主測(cè)定軌信息。

為了能夠應(yīng)對(duì)載人航天器姿態(tài)異常情況下導(dǎo)航接收機(jī)的定位問(wèn)題，目前已有載人航天器開(kāi)始模仿S頻段測(cè)控鏈路，在III象限和I象限同時(shí)配置導(dǎo)航信號(hào)接收天線，通過(guò)天線網(wǎng)絡(luò)組成準(zhǔn)全向天線(如圖5所示)，以適應(yīng)任意姿態(tài)下的導(dǎo)航信號(hào)接收和定位。這種方案需要多配置1副天線和1個(gè)前置放大器，在安裝位置和發(fā)射質(zhì)量指標(biāo)有余量的情況下，可以按照該方案配置。

圖5 導(dǎo)航信號(hào)接收鏈路

1.5 窄波束中繼鏈路安全工作模式

窄波束中繼測(cè)控鏈路[8-11]主要為載人航天器提供高速的前向、返向通信鏈路，提供高速遙測(cè)數(shù)據(jù)、圖像和話音數(shù)據(jù)下行，高速遙控注入數(shù)據(jù)、圖像和話音數(shù)據(jù)上行，窄波束中繼鏈路的建立和保持，能夠完整支持載人航天器的天地通信和測(cè)控，是S頻段鏈路和寬波束中繼鏈路的備份測(cè)控鏈路和主份通信鏈路，若在緊急情況下能夠保持鏈路，在異常中斷后能夠自主恢復(fù)鏈路，將會(huì)對(duì)于航天器緊急情況下故障處置提供便利條件。

由于窄波束中繼鏈路速率較高，因此采用高增益天線，正常情況下需要終端中繼天線按照預(yù)定計(jì)劃指向中繼衛(wèi)星建立通信鏈路[10-11]，載人航天器上的中繼天線為了正確指向中繼衛(wèi)星，需要從平臺(tái)獲取航天器的位置信息和姿態(tài)信息，同時(shí)需要地面上注中繼衛(wèi)星的軌道信息和飛行程序，指定什么時(shí)間跟蹤哪個(gè)中繼衛(wèi)星。載人航天器發(fā)生意外進(jìn)入緊急狀態(tài)時(shí)，如果天地間沒(méi)有其他測(cè)控鏈路，數(shù)管分系統(tǒng)將無(wú)法獲知現(xiàn)在及后續(xù)的跟蹤計(jì)劃，無(wú)法給中繼終端發(fā)出跟蹤哪顆中繼衛(wèi)星的指令，也就無(wú)法建立中繼鏈路，不能給載人航天器應(yīng)急處置提供通信鏈路支持。有的載人航天器為了應(yīng)對(duì)緊急情況下地面無(wú)法及時(shí)上注飛行程序的風(fēng)險(xiǎn)，采取加長(zhǎng)上注跟蹤計(jì)劃周期的方案，這種方案雖然可以解決天地失聯(lián)時(shí)終端中繼天線自動(dòng)按照原計(jì)劃跟蹤中繼衛(wèi)星的問(wèn)題，但若出現(xiàn)緊急情況而臨時(shí)增加中繼衛(wèi)星時(shí)，終端中繼天線將不能及時(shí)調(diào)整跟蹤計(jì)劃，從而導(dǎo)致不能及時(shí)指向臨時(shí)增加的中繼衛(wèi)星，延誤故障處置時(shí)機(jī)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致載人航天器永久失效。為解決該問(wèn)題，本文提出一種中繼天線自主跟蹤方法，作為窄波束中繼鏈路在緊急情況下的一種跟蹤方式，可以在緊急情況下由數(shù)管分系統(tǒng)自動(dòng)給窄波束終端加電，并發(fā)送自主跟蹤指令，讓窄波束中繼終端進(jìn)入自主跟蹤模式(安全工作模式)，自動(dòng)搜索中繼衛(wèi)星建立鏈路，為載人航天器搶救提供測(cè)試通信鏈路支持。

自主跟蹤模式包括以下3個(gè)步驟，如圖6所示。

圖6 窄波束中繼天線自主跟蹤中繼衛(wèi)星流程

(1)正常模式下定期將中繼衛(wèi)星軌道根數(shù)預(yù)置到中繼終端。通過(guò)注入數(shù)據(jù)方式，將現(xiàn)有中繼衛(wèi)星的軌道根數(shù)注入中繼終端存儲(chǔ)，并定期更新，更新周期可以是1天、1周或者1個(gè)月，周期的選取取決于中繼衛(wèi)星位置保持的周期及中繼終端軌道外推的能力，通常建議1天或者1周1次。需要注意的是，這里僅注入中繼衛(wèi)星的軌道根數(shù)，不需要注入跟蹤中繼衛(wèi)星的起止時(shí)間。

(2)中繼終端根據(jù)載人航天器提供的實(shí)時(shí)位置信息，計(jì)算載人航天器指向中繼衛(wèi)星的角度，再根據(jù)角度是否落入指定范圍來(lái)選擇可跟蹤的中繼衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，若同時(shí)有多顆中繼衛(wèi)星可跟蹤，則優(yōu)先選擇距離近的進(jìn)行跟蹤。

(3)中繼終端天線跟蹤到中繼衛(wèi)星后，開(kāi)始嘗試建立前向、返向鏈路，此時(shí)會(huì)遇到2種情況。①如果一定時(shí)間(如5 min)之內(nèi)監(jiān)測(cè)到前向鏈路鎖定，則維持當(dāng)前跟蹤狀態(tài)，直到前向鏈路信號(hào)消失，在鏈路建立期間按計(jì)劃實(shí)施中繼衛(wèi)星軌道根數(shù)的注入和更新。前向鏈路失鎖時(shí)，根據(jù)載人航天器平臺(tái)提供的位置信息，計(jì)算載人航天器是否還處在當(dāng)前跟蹤的中繼衛(wèi)星覆蓋區(qū)：如果已出當(dāng)前中繼衛(wèi)星覆蓋區(qū)，則轉(zhuǎn)為跟蹤下一顆中繼衛(wèi)星；如果還在原中繼衛(wèi)星覆蓋區(qū)，則監(jiān)視前向鏈路不鎖定的時(shí)間，持續(xù)失鎖時(shí)間超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間(如5 min)后轉(zhuǎn)為跟蹤下一顆中繼衛(wèi)星。②如果一定時(shí)間(如5 min)內(nèi)均未監(jiān)測(cè)到前向鏈路鎖定，則轉(zhuǎn)為跟蹤下一顆中繼衛(wèi)星。

通過(guò)中繼終端判讀前向鏈路建立情況，靈活判斷當(dāng)前所跟蹤的中繼衛(wèi)星是否在執(zhí)行載人航天器的測(cè)控任務(wù)，這樣的優(yōu)勢(shì)是：①可以在緊急情況下，不依賴地面上注中繼衛(wèi)星跟蹤計(jì)劃；②可以避免中繼衛(wèi)星任務(wù)臨時(shí)調(diào)整后中繼終端天線無(wú)法自主跟蹤到有效的中繼衛(wèi)星的問(wèn)題，可提高緊急情況下中繼終端天線自主跟蹤中繼衛(wèi)星的效率。

1.6 各鏈路安全工作模式的關(guān)系

S頻段測(cè)控、導(dǎo)航信號(hào)接收、寬波束及窄波束中繼4條鏈路相互備份，互為補(bǔ)充。S頻段測(cè)控鏈路主要針對(duì)地面測(cè)控站設(shè)計(jì)，覆蓋率較低，對(duì)載人航天器的重大緊急故障處置支持能力有限，但工作模式簡(jiǎn)單，功耗低，對(duì)載人航天器的約束最小，是載人航天器安全工作的保底鏈路。寬波束中繼鏈路可以彌補(bǔ)對(duì)地S頻段測(cè)控鏈路覆蓋率低的缺陷，但所需功耗較大，載人航天器可根據(jù)自身的能力靈活選擇工作模式。導(dǎo)航信號(hào)接收鏈路可完成自主定位，在其他下行鏈路配合下為地面提供精確的位置信息，也能為窄波束中繼鏈路的自主跟蹤提供位置信息，是其他鏈路的輔助手段。窄波束中繼鏈路功耗最大，模式最復(fù)雜，提供的天地鏈路速率也最高，其安全工作模式主要針對(duì)緊急情況下有特殊需求的載人航天器設(shè)計(jì)。對(duì)于大部分載人航天器的緊急故障處置和安全工作，S頻段測(cè)控和寬波束中繼鏈路已經(jīng)可以完成，2條鏈路可以相互備份，建議各載人航天器作為標(biāo)準(zhǔn)配套進(jìn)行設(shè)計(jì)，其余鏈路作為補(bǔ)充。

2 安全工作模式驗(yàn)證

2.1 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)S頻段測(cè)控、導(dǎo)航信號(hào)接收、寬波束及窄波束中繼4種鏈路的安全工作模式，在地面進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于S頻段測(cè)控鏈路、寬波束中繼鏈路和導(dǎo)航信號(hào)接收鏈路，重點(diǎn)是開(kāi)展艙體方向圖測(cè)試、艙體天線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，以及與地面測(cè)控通信系統(tǒng)天地對(duì)接試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)艙體方向圖和天線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，獲取了組陣模式的天線方向圖，滿足增益指標(biāo)要求，能夠支持全新天線的工作模式。圖7給出了統(tǒng)一S頻段(USB)測(cè)控鏈路的艙體方向圖測(cè)試結(jié)果，可以看出：天線組陣模式能夠支持全向鏈路的工作。

圖7 USB測(cè)控鏈路天線方向圖

使用與上天狀態(tài)一致的產(chǎn)品與地面測(cè)控通信系統(tǒng)開(kāi)展了天地對(duì)接試驗(yàn)，S頻段鏈路、寬波束中繼鏈路天線按照組陣方式連接，通過(guò)試驗(yàn)，證明了在全向組陣的模式下，分別在門(mén)限電平、中強(qiáng)電平及強(qiáng)電平模式下，各鏈路的誤碼率實(shí)測(cè)為0，滿足小于天地接口文件中小于10-6的要求；上行遙控指令進(jìn)行遍歷測(cè)試，無(wú)漏指令；測(cè)速誤差3.24 cm/s,測(cè)距誤差10.2 m，滿足小于5 cm/s和小于15 m的指標(biāo)要求。對(duì)接試驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)在不降低普通工作模式的誤碼率、測(cè)速及測(cè)距指標(biāo)的基礎(chǔ)上，使各條測(cè)控鏈路的天線長(zhǎng)期保持全向組陣的模式，既保證了正常狀態(tài)的測(cè)控性能，又提升了應(yīng)急模式下的應(yīng)急能力。

針對(duì)窄波束中繼鏈路的安全工作模式，使用地面模擬器開(kāi)展地面仿真測(cè)試。地面全物理仿真試驗(yàn)表明：在自主跟蹤模式下，中繼天線可自主尋星，在跟蹤上中繼衛(wèi)星后可自主根據(jù)前向信號(hào)的鎖定情況判斷是否進(jìn)行切換，跟蹤過(guò)程中跟蹤精度小于0.2°，優(yōu)于0.4°的指標(biāo)要求。因此，本文設(shè)計(jì)在不降低正常跟蹤方案跟蹤精度的基礎(chǔ)上，使中繼天線具備了自主尋星的功能，提高了應(yīng)急情況下的故障處置能力。

2.2 在軌飛行驗(yàn)證

上述的測(cè)控安全工作模式已經(jīng)在“天舟”貨運(yùn)飛船中得到應(yīng)用。其中：S頻段測(cè)控鏈路安全工作模式和寬波束中繼鏈路安全工作模式已經(jīng)在軌驗(yàn)證，支持完成了貨運(yùn)飛船與空間實(shí)驗(yàn)室、空間站核心艙的交會(huì)對(duì)接任務(wù)。在組陣全向模式下，應(yīng)答機(jī)鏈路的上行能夠不小于5 dB，返向余量不小3.1 dB。在組陣工作模式下，寬波束鏈路的前向余量大于5 dB，返向余量不小于3.2 dB。貨運(yùn)飛船的USB和寬波束中繼S頻段鏈路天線長(zhǎng)期保持I象限和III象限組陣工作模式，上行、下行鏈路均保持開(kāi)機(jī)模式，工作穩(wěn)定。導(dǎo)航信號(hào)接收鏈路的組陣模式也在新飛船的飛行試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證，定位精度滿足小于15 m的指標(biāo)要求。相比組陣和單天線工作模式之間切換的策略，在軌期間保持I象限和III象限天線組陣工作，減少了不必要的在軌操作，在保證正常模式下鏈路余量和定位精度的前提下，可靠保證了出現(xiàn)緊急情況時(shí)在任意姿態(tài)下對(duì)載人航天器的測(cè)控覆蓋和應(yīng)急處置。

目前，配套窄波束中繼終端的載人航天器在軌飛行任務(wù)中，中繼終端一直工作在正常工作模式，在軌的前向鏈路余量不小于5 dB，返向鏈路余量不小于4.0 dB，鏈路穩(wěn)定，有力保障了載人航天器的飛行任務(wù)。由于載人航天器工作穩(wěn)定，用于應(yīng)對(duì)緊急情況的自主跟蹤模式并未開(kāi)展在軌試驗(yàn)和應(yīng)用，但作為安全工作模式，為載人航天器在軌應(yīng)對(duì)緊急情況提供了安全保障措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)載人航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)其安全工作模式進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了基于地面S頻段測(cè)控鏈路及導(dǎo)航接收鏈路全向覆蓋，寬波束中繼鏈路自主組陣，窄波束中繼天線自主跟蹤的測(cè)控與通信安全工作模式。該設(shè)計(jì)方案完全基于載人航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)產(chǎn)品的在軌自主處置，不需要地面測(cè)控通信系統(tǒng)進(jìn)行特殊操作，可以應(yīng)對(duì)載人航天器出現(xiàn)掉電后恢復(fù)供電，以及姿態(tài)失控等緊急情況下的故障處置。其中：S頻段測(cè)控鏈路、寬波束中繼鏈路及導(dǎo)航信號(hào)接收鏈路方案已經(jīng)過(guò)軌驗(yàn)證，有效支持了所配套載人航天器的飛行任務(wù)。窄波束中繼鏈路的自主跟蹤模式是針對(duì)天地失聯(lián)的緊急情況設(shè)計(jì)，僅在地面驗(yàn)證，在后續(xù)的飛行任務(wù)中可以擇機(jī)開(kāi)展在軌驗(yàn)證。同時(shí)，后續(xù)可以結(jié)合中繼衛(wèi)星的布局，對(duì)窄波束中繼鏈路的自主跟蹤模式進(jìn)一步優(yōu)化，將自主跟蹤模式拓展為一種正常的跟蹤模式，最終實(shí)現(xiàn)安全工作模式與正常工作模式二合一，提高窄波束中繼設(shè)備的自主工作能力，消除緊急情況不必要的模式切換，更好地為載人航天器的安全工作提供測(cè)控通信支持。