李海濤,程 承,黃 磊,陳少伍,李宇波,強 立,康 凱
(1. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京100094;2. 中國衛(wèi)星海上測控部,江陰 214431;3. 西安衛(wèi)星測控中心,西安 710043)
探月工程三期“嫦娥五號”[1]任務(wù)于2020年11月24日凌晨4時30分發(fā)射升空,經(jīng)過地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月飛行、動力下降、月面采樣、月面起飛、月球軌道交會對接、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等階段[2],于2020年12月17日凌晨2時許返回內(nèi)蒙古四子王旗著陸場,圓滿完成了中國探月工程“繞”“落”“回”三步走目標(biāo)。
“嫦娥五號”探測器由軌道器、上升器、著陸器和返回器組成,其中只有返回器采用S頻段測控,且僅在返回段使用。前期從火箭發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、月面采樣以及月地轉(zhuǎn)移等階段探測器均采用X頻段測控?!版隙鹞逄枴碧綔y器采用“長征五號”(CZ-5)運載火箭發(fā)射。發(fā)射及入軌是“嫦娥五號”任務(wù)成功的第一步。CZ-5運載火箭采用窄窗口多軌道發(fā)射方案,共5條彈道[3-4],不同彈道存在一定差異。探測器采用X頻段測控,相比S頻段,X頻段具有著增大測控距離、提高測量精度、避免無線電干擾等優(yōu)勢,但它也帶來了地面天線波束更窄、頻率動態(tài)范圍更大、探測器接收機帶寬更寬等挑戰(zhàn)[5-7]。尤其在發(fā)射段,對探測器測控提出了更高的要求。因此在發(fā)射段測控總體設(shè)計時,需綜合考慮“嫦娥五號”發(fā)射段運載火箭、探測器測控特點和難點,科學(xué)合理地設(shè)計,可靠保障發(fā)射及入軌段任務(wù)的實施。
文昌發(fā)射場具有緯度較低、火箭發(fā)射安全性好和火箭運輸便利等優(yōu)勢[8]。海南靠近中國最南部,火箭起飛后將很快飛出國境,地面測控資源較少,只能以測量船和中繼衛(wèi)星為主進行測控。為最大程度利用運載火箭的發(fā)射能力,“長征五號”采用窄窗口多軌道發(fā)射方案,發(fā)射當(dāng)天共50 min發(fā)射窗口,每個發(fā)射彈道的窗口10 min[4],每個窗口的彈道均不相同,彈道散布隨時間增大,給測控設(shè)備跟蹤和測量船布設(shè)帶來了挑戰(zhàn)。此外,“嫦娥五號”任務(wù)相比以往“嫦娥”任務(wù)[9],首次在發(fā)射及入軌段全程采用X頻段測控,天線波束在發(fā)射及入軌段僅為之前采用的S頻段的1/4[10],由火箭高速運動導(dǎo)致的多普勒動態(tài)變化范圍達到了± 200 kHz,對發(fā)射及入軌段的測控快速捕獲提出了更高要求。
CZ-5運載火箭是為滿足中國航天發(fā)展對大運載能力的迫切需求而研制的新一代大型運載火箭,填補了中國大推力無毒無污染液體火箭的空白,使中國火箭技術(shù)水平和運載能力進入世界前列,是中國由航天大國邁向航天強國的重要標(biāo)志[11]?!伴L征五號”系列運載火箭采用模塊化設(shè)計方案,其中運載火箭總長約57 m,芯級采用了5 m直徑箭體結(jié)構(gòu),捆綁4個3.35 m直徑助推器,起飛重量約880 t,采用兩級半構(gòu)型,由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和地面發(fā)射支持系統(tǒng)4大系統(tǒng)組成[4]。
發(fā)射段運載火箭采用窄窗口多軌道發(fā)射方案,以節(jié)省探測器在地月轉(zhuǎn)移過程中的推進新消耗[3],每條發(fā)射彈道其散布會隨著飛行時間的增加而逐漸擴大,火箭二級一次關(guān)機點和器箭分離點的散布如圖1和圖2所示。
圖1 二級一次關(guān)機前后彈道Fig. 1 Trajectory of stage-two turn-off
圖2 器箭分離前彈道Fig. 2 Trajectory before rocket probe separation
發(fā)射段火箭測控主要滿足火箭動力飛行期間的地面測控覆蓋,重點監(jiān)視運載火箭飛行狀態(tài)及發(fā)動機工況。動力飛行主要包括火箭起飛至二級一次關(guān)機點和二級二次點火至器箭分離。
由于發(fā)射窗口時間窄,測量船機動范圍很小可視為一個定點,在測量船位選擇時,考慮在固定船位上兼顧圖1和圖2前后5條彈道測控要求,給出測量船的可布設(shè)范圍,既能保證在該范圍內(nèi)滿足測控要求,同時可布設(shè)范圍不能太小,以保證測量船在遇到氣象、海況和其它因素影響的情況下,仍能通過調(diào)整船位完成任務(wù)[12]。
“嫦娥五號”探測器發(fā)射及入軌段測控系統(tǒng)需完成探測器遙測監(jiān)視、應(yīng)急處置、探測器初軌確定和器箭分離后阿根廷深空站的首次捕獲跟蹤等重要任務(wù)。深空測控工作頻段如表1所示。
表1 深空測控工作頻段Table 1 TT&C frequency band of deep space exploration
探測器X頻段測控的難點在于頻率域和空間域兩方面的捕獲。頻率上,與S頻段相比,X頻段應(yīng)答機的捕獲帶寬更寬[13],約為S頻段的4倍,捕獲所需時間更長,由火箭帶來的動態(tài)多普勒(見圖3)變化更大,動態(tài)范圍為
圖3 測量船多普勒示意圖Fig. 3 Doppler of TT&C ship
其中:v為火箭相對測量船的徑向飛行速度,飛向測量船(進站)速度為正,飛離測量船(出站)速度為負(fù);c為光速;f為頻率。
測量船布設(shè)在彈道一側(cè),火箭飛向測量船時多普勒為正,遠(yuǎn)離測量船時多普勒為負(fù)。進站時飛行方向與測量船視線方向夾角最小,圖3中為40°,到航捷時夾角為90°,隨后夾角又逐漸減小,出站時最小。
探測器為飛離地球到達月球,其器箭分離時速度需接近第二宇宙速度(11.2 km/s),預(yù)計進站時速度約10 km/s,徑向飛行速度10 × cosθ≈ 7 km/s。發(fā)射段探測器的跟蹤由測量船的X頻段測控設(shè)備完成,最高發(fā)射頻率f= 7 235 MHz,因此按照式(1),進站時多普勒頻率168.8 kHz。出站時預(yù)計速度約11 km/s,徑向飛行速度11 × cosθ≈ 7.7 km/s(夾角仍按40°),其出站時多普勒頻率f= -185.7kHz,因此最大多普勒動態(tài)范圍約± 200 kHz。
發(fā)射段每條測量船的測控弧段只有數(shù)百秒時間,短時間內(nèi)需完成探測器的發(fā)現(xiàn)、捕獲、跟蹤、狀態(tài)判斷、應(yīng)急指令發(fā)送和外彈道測量等一系列操作??臻g上,測控天線3 dB半波束與頻率和天線口徑的關(guān)系[10]
其中:f為頻率;D為天線直徑。
由式(2)可知,在相同天線口徑條件下,測量船X頻段天線3 dB波束寬度僅為S頻段的1/4。阿根廷深空站是入軌段主用測控站,擁有中國為探月工程三期新建的35 m口徑深空測控設(shè)備,與佳木斯、喀什深空測控設(shè)備組成中國深空測控網(wǎng)[14],其口徑比以往探月任務(wù)[15-17]中使用的18 m天線增加了近1倍,其下行信號接收能力和測控距離大大增加,但其波束寬度在相同頻段下又只有原來的1/2,在頻率和天線口徑的雙重影響下,阿根廷深空站35 m天線的捕獲跟蹤波束覆蓋范圍是以往探月任務(wù)18 m天線的1/8。此外,由于天線口徑增加,其轉(zhuǎn)動速度和目標(biāo)搜索能力大幅下降,使得入軌段快速發(fā)現(xiàn)并捕獲目標(biāo)的難度進一步增加,因此,如何可靠保障阿根廷深空站對器箭分離后探測器的及時捕獲跟蹤是“嫦娥五號”任務(wù)的又一難點。
測量船布設(shè)區(qū)域主要受測控幾何可見性、測控鏈路、海況等條件約束。發(fā)射段火箭和探測器距離測量船較近,測控鏈路相關(guān)的發(fā)射功率、飛行姿態(tài)等在工程方案設(shè)計階段進行了詳細(xì)的設(shè)計論證,因此可以近似認(rèn)為幾何可見即測控鏈路滿足要求。海況等約束需根據(jù)任務(wù)實施時具體分析,本文主要分析同時滿足多條彈道幾何可見性的測量船布設(shè)區(qū)域確定。
測量船對火箭的可見性主要在于仰角,如圖4所示,R表示地球半徑,r表示航天器到地心的距離,S'表示航天器S的星下點,仰角E即為從測量船P觀察航天器S時,觀測矢量與當(dāng)?shù)睾F矫娴膴A角。在已知測量船位置、航天器軌道時,可通過余弦定理計算測量船觀測仰角,即
圖4 測量船幾何可見示意圖Fig. 4 Visibility of TT&C ship
在已知航天器位置和測量船跟蹤最低仰角時,可以計算得到海面能夠觀測到該航天器的范圍為
圖4中點畫線確定的區(qū)域就是能夠在某個固定仰角條件下觀測到航天器的區(qū)域,該區(qū)域近似為以星下點S'為圓心的一個圓。
對于火箭動力段測控的要求,測量船需要:①與地面站測控弧段搭接,同時覆蓋到二級一次關(guān)機點;②保證器箭分離后一定的測控時間,同時盡可能多地覆蓋二級二次點火后的測控弧段。
如圖5所示,以其中1條彈道為例,以地面站測控結(jié)束點和二級一次關(guān)機點為基準(zhǔn),分別畫出滿足覆蓋這兩個點的海面可用區(qū)域(以5°仰角為例),兩個區(qū)域的交集就是測量船可布設(shè)的區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi),對于地面測控結(jié)束至二級一次關(guān)機之間的任意一點,其距離更小,仰角更高,因此測量船可以完成這兩點之前全部弧段的覆蓋。同理,如圖6所示,確定器箭分離后測控覆蓋結(jié)束點和二級二次主動段測控開始點,可以確定測量船的布設(shè)區(qū)域。
圖5 首條測量船彈道1區(qū)域Fig. 5 First ship range of one trajectory
圖6 第二條測量船彈道1區(qū)域Fig. 6 First ship range of one trajectory
對于全部5條彈道,每條彈道都有上述區(qū)域,將5條彈道的區(qū)域取交集,就是發(fā)射日當(dāng)天的測量船適用于5條彈道的區(qū)域,如圖7和圖8所示。測量船在這些區(qū)域的基礎(chǔ)上,進一步考慮領(lǐng)海、經(jīng)濟專屬區(qū)、氣象、水文、測控最高仰角等因素,根據(jù)具體情況確定具體船位,完成對火箭和探測器的測控。
圖7 首條測量船5條彈道區(qū)域Fig. 7 First ship range of 5 trajectory
圖8 第二條測量船5條彈道區(qū)域Fig. 8 Second ship range of 5 trajectories
發(fā)射段測量船快速捕獲的核心需求就是快速穩(wěn)定可靠地捕獲,應(yīng)答機的雙向捕獲包括發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、掃描、隨掃和回零等步驟。傳統(tǒng)S頻段應(yīng)答機的掃描范圍± 115 kHz,掃描速率15 kHz/s[18-19],掃描一個周期的時間為115 kHz × 4/15 kHz/s = 30.7 s,即約30 s完成雙捕[20]。而X頻段應(yīng)答機的掃描范圍增大4倍到 ± 460 kHz,傳統(tǒng)方法下掃描一個周期的時間為460 kHz × 4/15 kHz/s =122.7 s。“嫦娥五號”任務(wù)中,測量船一個測控弧段僅5 min左右,若雙捕就需要2 min,一旦出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致捕獲丟失,那么測量船很可能沒有足夠的時間完成第二次雙捕和應(yīng)急處置,給工程任務(wù)帶來很大的風(fēng)險。因此必須采取措施縮短雙捕時間,降低任務(wù)風(fēng)險。若能把雙捕時間控制在1 min內(nèi),對后續(xù)發(fā)令和應(yīng)急處置的風(fēng)險可控,則能夠可靠保證任務(wù)實施。
為了縮短雙捕時間,有加快掃描速率和減小掃描范圍兩個途徑。應(yīng)答機鎖相環(huán)理論跟蹤門限要求[21]為
其中:θe表 示鎖相環(huán)動態(tài)應(yīng)力誤差;σj表示鎖相環(huán)熱噪聲相位抖動。
其中:Bn為鎖相環(huán)環(huán)路帶寬;為探測器最大視線方向加速度,有
其中:a為視線方向加速度;λ表示波長。
鎖相環(huán)熱噪聲相位抖動為
其中:S/N0為信噪比。
綜合式(7)~(10)可知,應(yīng)答機鎖相環(huán)理論跟蹤門限要求為
由式(11)可知,如果Bn過小,則動態(tài)應(yīng)力誤差會很大,導(dǎo)致失鎖;而如果Bn過大,會導(dǎo)致信噪比S/N0過低,導(dǎo)致失鎖。在發(fā)射及入軌段,探測器距離近,信噪比高,理論上應(yīng)答機可以適應(yīng)更大的掃描速率。經(jīng)過“嫦娥五號”探測器系統(tǒng)的仿真分析和試驗驗證,確認(rèn)發(fā)射段在15 kHz/s掃描速率的基礎(chǔ)上,可以進一步提升至30 kHz/s的速率進行掃描。
在掃描范圍上,CCSDS標(biāo)準(zhǔn)[13]中推薦的掃描范圍主要考慮了探測器與地面站相對運動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)和應(yīng)答機接收頻率的不確定性。對于多普勒效應(yīng),可以根據(jù)理論和實時飛行彈道進行預(yù)報,預(yù)報精度可達1 kHz/s,因此首先采用了預(yù)置多普勒頻率,以補償火箭飛行動態(tài)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)。假設(shè)探測器進站時由于飛行方向和速度會帶來200 kHz的多普勒效應(yīng),那么測量船將上行頻率設(shè)置為-200 kHz附近的某個值,以抵消多普勒效應(yīng),使其靠近所要的頻率,大幅減小掃描范圍。對于應(yīng)答機接收頻率不確定性,CCSDS標(biāo)準(zhǔn)要求達到 ± 200 kHz。為快速捕獲,任務(wù)中采用 ±100 kHz的帶寬掃描,因此整個雙捕時間小于200 kHz ×4/15 kHz/s = 53.3 s,滿足任務(wù)要求,若采用30 kHz/s速率進行掃描,則可以將雙捕時間降低到30 s之內(nèi)。
“嫦娥五號”探測器在器箭分離后有一系列重要動作需要在阿根廷深空站弧段內(nèi)完成。阿根廷深空站是器箭分離后首個地面站,其順利發(fā)現(xiàn)并捕獲探測器,對探測器狀態(tài)監(jiān)視、應(yīng)急處置起到至關(guān)重要的作用。阿根廷深空站35 m天線口徑大、波束窄、轉(zhuǎn)動速度慢,而探測器在阿根廷深空站弧段內(nèi)距離較近、飛行速度快,在國際上也沒有如此大口徑的天線負(fù)責(zé)入軌段測控。
發(fā)射“嫦娥五號”探測器在器箭分離后進入阿根廷深空站弧段時距離約4 000 km。根據(jù)式(2),阿根廷深空站35 m天線X頻段半功率波束寬度約0.07°,在4 000 km的距離上,波束覆蓋是一個直徑約5 km的圓。而火箭實際入軌與理論彈道的偏差最大可能達到百千米量級,利用阿根廷深空站完成掃描捕獲,如圖9所示。
圖9 阿根廷深空站快速掃描捕獲示意圖Fig. 9 Fast sweep capture of Argentina deepspace station
火箭入軌精度與理論彈道偏差按照150 km考慮(誤差圓),35m天線波束在此距離上覆蓋直徑約5 km的空域,天線最大轉(zhuǎn)動速率0.8°/s,按此計算,將誤差圓掃描一遍的時間約320 s。而在這個時間內(nèi),探測器相對于35 m深空天線的位置變化已經(jīng)超過數(shù)百千米,方位俯仰角的變化均超過20°,早已飛出天線掃描范圍,對捕獲存在很大風(fēng)險。
針對上述風(fēng)險,也可以考慮在阿根廷深空站西部智利附近海域再布設(shè)一條測量船,輔助35 m天線捕獲。但測量船從中國開赴智利附近海域航程長達數(shù)千千米,往返需要數(shù)10 d,對人力、物力消耗很大。如果將原本用于運載火箭測控的測量船布設(shè)到阿根廷深空站西部,則會損失運載火箭的測控弧段,導(dǎo)致無法接收火箭二級一次關(guān)機的高速遙測數(shù)據(jù)。
庫魯站15 m S/X雙頻段測控設(shè)備是歐洲航天局(European Space Agency,ESA)法屬圭亞那的庫魯發(fā)射場附近的測控設(shè)備[22],對器箭分離后“嫦娥五號”的測控弧段與阿根廷深空站大部分重疊,它支持ESA發(fā)射及早期入軌段的任務(wù)和運行段任務(wù),具備X和S雙頻段測控能力,X頻段3 dB波束寬度0.19°,天線轉(zhuǎn)動速率方位15°/s、俯仰5°/s,X頻段發(fā)射功率82.8 dBw、G/T值37.5 dB/K。庫魯站15 m天線上還配備了一個口徑1.3 m的引導(dǎo)天線,波束寬度2°,是庫魯15 m X頻段主天線波束的10倍。按照前面的計算方法,小口徑引導(dǎo)天線在4 000 km距離上覆蓋空域的直徑約150 km,基本覆蓋火箭誤差圓,能夠可靠地為捕獲高速運動的探測器提供引導(dǎo)。
按照庫魯站15 m天線的指標(biāo)和上述入軌精度計算,庫魯站15 m測控設(shè)備能夠在10 s之內(nèi)完成捕獲,滿足任務(wù)要求。庫魯站15 m和阿根廷35 m測控設(shè)備在快速捕獲能力對比如表2所示。
表2 阿根廷35 m與庫魯15 m快速捕獲能力對比Table 2 Difference of fast sweep acquisition between Argentina 35 m and Kourou 15 m
為將任務(wù)風(fēng)險降至最低,可靠保證探測器可靠捕獲,在總體設(shè)計時,對器箭分離后可能出現(xiàn)的風(fēng)險點進行了仔細(xì)分析,梳理了理論等待點未能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、利用初軌引導(dǎo)仍未能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)等情況,同時充分發(fā)揚“協(xié)同攻堅、合作共贏”的探月精神,與ESA庫魯站聯(lián)網(wǎng),利用ESA庫魯站15 m測控設(shè)備進行備份,在應(yīng)急情況下為探測器的捕獲跟蹤提供支持。
圖10給出了器箭分離后首次捕獲策略,根據(jù)不同分支進行了風(fēng)險分析和措施應(yīng)對。
圖10 入軌段地面站捕獲流程Fig. 10 Capture process of ground station in early orbit phase
器箭分離后地面站首次捕獲策略包含:①阿根廷深空站和ESA庫魯站初始均在理論等待點,等待探測器進站;②若理論等待點順利發(fā)現(xiàn)目標(biāo),則阿根廷深空站按計劃開展后續(xù)工作,ESA庫魯站進行狀態(tài)監(jiān)視;③若理論等待點未能發(fā)現(xiàn)目標(biāo),則利用器箭分離后初始軌道作引導(dǎo),進行探測器搜索捕獲;④正常情況下ESA庫魯站能夠利用初始軌道跟蹤目標(biāo),若庫魯站無法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)屬于重大事故,按照應(yīng)急預(yù)案開展后續(xù)工作;⑤若利用引導(dǎo)數(shù)據(jù)阿根廷深空站仍無法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo),則利用ESA庫魯站對探測器進行外測,利用積累的外測數(shù)據(jù)再進行軌道確定,為阿根廷深空站提供引導(dǎo),阿根廷深空站按計劃開展后續(xù)工作;⑥若利用ESA庫魯站引導(dǎo)數(shù)據(jù)阿根廷深空站仍無法跟蹤目標(biāo),則后續(xù)工作由ESA庫魯站開展。
在“嫦娥五號”任務(wù)工程實踐中,上述總體設(shè)計方法都起到的相應(yīng)的重要作用。
船位選擇方面,兩條測量船提前到達了菲律賓以東、太平洋東南部預(yù)定海域,完成了相應(yīng)海域的勘察,天氣探測、相關(guān)試驗準(zhǔn)備等工作。在海況、氣象等條件允許的情況下,選擇了測控弧段更長的船位,超額完成預(yù)定遙測數(shù)據(jù)接收任務(wù)30 s以上。
探測器捕獲方面,根據(jù)理論飛行彈道事先計算了飛行全過程的多普勒,實現(xiàn)可以在彈道任意時刻準(zhǔn)確預(yù)置多普勒值。實際飛行過程中多普勒預(yù)置準(zhǔn)確、無線電信號較強,掃描捕獲過程順利實施,未出現(xiàn)失鎖重捕現(xiàn)象,在探測器進入弧段后快速完成雙向捕獲,比預(yù)計時間提前20 s以上,順利完成后續(xù)工作。
入軌首次捕獲方面,由于運載火箭入軌精度非常高,阿根廷深空站和ESA庫魯站都在第一時間等待點發(fā)現(xiàn)了目標(biāo),探測器器箭分離后的測控工作由阿根廷深空站完成,ESA庫魯站作為備份持續(xù)監(jiān)視探測器狀態(tài),“保駕護航”直至其第一個測控弧段結(jié)束。
“嫦娥五號”任務(wù)已經(jīng)圓滿成功,測控系統(tǒng)也圓滿完成了包括發(fā)射及入軌段在內(nèi)的各項任務(wù),任務(wù)總體設(shè)計在準(zhǔn)備及實施過程中起到了重要作用,為X頻段發(fā)射及入軌段測控積累了重要經(jīng)驗,為將來更高頻段測控打下了基礎(chǔ)。未來發(fā)射段測控總體設(shè)計中,要著重針對船位布設(shè)、測量船快速捕獲和入軌后首次捕獲開展系統(tǒng)設(shè)計,必要時進行試驗驗證,采取有針對性預(yù)防措施,將風(fēng)險降至最低。就本次任務(wù)發(fā)射和入軌段測控而言,能夠得到的經(jīng)驗和建議如下。
1)在發(fā)射段多窗口設(shè)計中,從運載火箭的角度來說,不同理論彈道的特征點(二級一次關(guān)機、二級二次點火、器箭分離等)應(yīng)盡量靠近,使得測量船能夠同時兼顧多條彈道的測控;從測控系統(tǒng)的角度來說,建議未來考慮采用機動能力更強的測控設(shè)備,如測控飛機,能夠根據(jù)發(fā)射時具體彈道及時選擇的更優(yōu)化的測控點位,實現(xiàn)更長測控弧段。
2)深空應(yīng)答機設(shè)計中,需重視同時兼顧X頻段(或未來更高頻段)發(fā)射段高動態(tài)、快速捕獲和深空段低動態(tài)、低信噪比的情況。應(yīng)答機需具備發(fā)射段快速捕獲和應(yīng)急指令接收能力,能夠提高適應(yīng)的最大掃描速率(30 kHz/s),減小掃描范圍( ± 200 kHz)。
3)大口徑天線在入軌段捕獲中能力較弱,對于首次捕獲存在較大風(fēng)險,建議在阿根廷深空站參照庫魯15 m設(shè)備的能力,新建類似庫魯15 m測控設(shè)備并配備1 m左右的引導(dǎo)天線輔助主天線快速捕獲,完成入軌段快速捕獲的同時一定程度兼顧未來探月任務(wù)的多目標(biāo)測控支持的需求。