深空長(zhǎng)時(shí)延條件下測(cè)控系統(tǒng)捕獲應(yīng)急處置方法*

張 偉，劉 軍，陳少伍，金文馬，蘇 犇

(1.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，西安 710043；2.宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710043；3.浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，浙江 杭州 310027；4.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；5.北京航天飛行控制中心，北京 100094)

0 引 言

近10年以來(lái)，我國(guó)初步建成了全球布站的深空測(cè)控網(wǎng)，在探月工程和首次火星探測(cè)任務(wù)中發(fā)揮了重要作用[1]。深空測(cè)控任務(wù)的特點(diǎn)是傳輸時(shí)延大、信號(hào)電平弱、多普勒動(dòng)態(tài)大、測(cè)控通信信號(hào)中斷頻繁[2]。首次火星探測(cè)任務(wù)中，探測(cè)器與地面測(cè)控設(shè)備之間的距離最遠(yuǎn)達(dá)到4×108km，雙向光行時(shí)長(zhǎng)達(dá)44 min[3-4]，對(duì)于如此之長(zhǎng)的光行時(shí)，地面測(cè)控設(shè)備如果發(fā)生故障導(dǎo)致測(cè)控鏈路中斷，按照以往的測(cè)控模式，重新建立雙向鏈路的時(shí)間代價(jià)將長(zhǎng)達(dá)數(shù)十分鐘，在近火制動(dòng)、進(jìn)入下降著陸(Entry,Descent,and Landing,EDL)等重要測(cè)控弧段甚至是不可接受的。

針對(duì)這一問(wèn)題，需要改變依靠下行信號(hào)狀態(tài)確認(rèn)后再進(jìn)行上行信號(hào)流程推進(jìn)的近地捕獲模式，建立上下行解耦合的深空捕獲模式[4]。在此基礎(chǔ)上，深空測(cè)控設(shè)備才能縮減應(yīng)急發(fā)令需要的捕獲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)測(cè)控鏈路異常中斷時(shí)的快速響應(yīng)。

火星探測(cè)的測(cè)控距離之遠(yuǎn)在我國(guó)尚屬首次，國(guó)內(nèi)未查詢到長(zhǎng)時(shí)延條件下測(cè)控應(yīng)急處置的相關(guān)文獻(xiàn)，國(guó)外航天機(jī)構(gòu)深空任務(wù)設(shè)計(jì)及組織模式相關(guān)文獻(xiàn)較多[5-15]，但其捕獲流程設(shè)計(jì)及應(yīng)急處置方法未見公開資料。本文將對(duì)首次火星探測(cè)任務(wù)中的光行時(shí)及其對(duì)測(cè)控的影響進(jìn)行分析，對(duì)近地衛(wèi)星及深空航天器的捕獲模式進(jìn)行介紹，據(jù)此分析深空長(zhǎng)時(shí)延條件下測(cè)控鏈路應(yīng)急處置方法并評(píng)估其實(shí)施效果。

1 首次火星探測(cè)任務(wù)光行時(shí)分析

火星是地球的近鄰，是我國(guó)行星探測(cè)任務(wù)的首個(gè)探測(cè)目標(biāo)。根據(jù)首次火星探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)，器地單向傳輸時(shí)延最長(zhǎng)約為22.2 min。根據(jù)測(cè)定軌計(jì)算，首次火星探測(cè)任務(wù)器地距離及傳輸時(shí)延如圖1所示。

圖1 我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)器地距離及傳輸時(shí)延

光行時(shí)的增加對(duì)航天器的測(cè)控帶來(lái)了顯著影響：一是同一時(shí)刻地面站和航天器發(fā)射和接收的上下行信號(hào)存在很長(zhǎng)的時(shí)延差；二是按照傳統(tǒng)捕獲方式捕獲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

探測(cè)器和深空站收發(fā)信號(hào)時(shí)延如圖2所示。設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為t，地面站收信號(hào)光行時(shí)為τ1，發(fā)信號(hào)光行時(shí)為τ2，t時(shí)刻地面站接收的下行信號(hào)由探測(cè)器在t-τ1時(shí)刻探測(cè)器發(fā)送；t時(shí)刻深空站發(fā)送上行信號(hào)，t+τ2時(shí)刻探測(cè)器接收到上行信號(hào)。設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為t，探測(cè)器收信號(hào)光行時(shí)為τ4，發(fā)信號(hào)光行時(shí)為τ3，t-τ4時(shí)刻地面站發(fā)送上行信號(hào)，并在t時(shí)刻由探測(cè)器收到；t時(shí)刻探測(cè)器發(fā)送下行信號(hào)，t+τ3時(shí)刻地面站接收到下行信號(hào)。

圖2 探測(cè)器和深空站收發(fā)信號(hào)示意圖

器地單向光行時(shí)較大時(shí)，地面站收發(fā)信號(hào)的延遲非常大，如果按照傳統(tǒng)的捕獲流程，載波雙向捕獲和距離捕獲需多次器地往返，由此導(dǎo)致捕獲時(shí)間將包含多個(gè)器地光行時(shí)，需要設(shè)計(jì)新的捕獲流程將上行與下行信號(hào)解耦合，不再用下行信號(hào)判斷執(zhí)行情況后驅(qū)動(dòng)上行信號(hào)完成捕獲流程，從而降低捕獲時(shí)間。

2 深空任務(wù)的捕獲時(shí)間考量

2.1 近地衛(wèi)星捕獲時(shí)間

在常規(guī)模式下，地面測(cè)控設(shè)備任務(wù)弧段開始時(shí)，首先完成角度捕獲鎖定衛(wèi)星下行信號(hào)，接著啟動(dòng)掃描；上行載波經(jīng)過(guò)單向光行時(shí)抵達(dá)衛(wèi)星，衛(wèi)星完成載波鎖定；載波相干轉(zhuǎn)發(fā)返回地面，地面測(cè)控設(shè)備通過(guò)隨掃判決或星鎖信息判定雙捕，控制上行掃描回零；下行信號(hào)隨掃回零后，載波雙向捕獲完成。雙捕完成后，再依次發(fā)送測(cè)距音，完成距離捕獲。雙向捕獲和距離捕獲均完成，將外測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至任務(wù)中心，加調(diào)遙控副載波，具備指令發(fā)令條件，系統(tǒng)捕獲完成。一般情況下，系統(tǒng)捕獲完成后向衛(wèi)星發(fā)送上行遙控指令及注入數(shù)據(jù)；緊急情況下可以去掉距捕流程。近地衛(wèi)星捕獲原理流程見圖3。

圖3 近地衛(wèi)星捕獲流程示意圖

傳統(tǒng)雙捕子流程包含1個(gè)雙向光行時(shí)，距捕子流程包含7個(gè)側(cè)音對(duì)應(yīng)的7個(gè)雙向光行時(shí)，地面站系統(tǒng)捕獲時(shí)間的計(jì)算公式如下：

t近地系統(tǒng)捕獲=t角捕+t雙捕+2t光行時(shí)+t距捕+

14t光行時(shí)+t送數(shù)+t加調(diào)遙控。

(1)

地球軌道衛(wèi)星一般距離為4×104km，16個(gè)光行時(shí)占用系統(tǒng)捕獲時(shí)間約為2 s，地球軌道衛(wèi)星的系統(tǒng)捕獲時(shí)間一般為20 s左右，因此光行時(shí)占系統(tǒng)捕獲總時(shí)間的比例較小，可忽略光行時(shí)影響。

2.2 深空探測(cè)器捕獲時(shí)間

深空探測(cè)器捕獲模式包括常規(guī)模式和為深空模式，具體系統(tǒng)捕獲方式為常規(guī)掃描、常規(guī)預(yù)置、深空掃描、深空預(yù)置四種。在以往月球探測(cè)任務(wù)中，深空站主要使用常規(guī)掃描捕獲方式；首次火星探測(cè)任務(wù)中深空測(cè)控設(shè)備主要使用深空預(yù)置捕獲方式，應(yīng)急情況下，可根據(jù)需要采用深空掃描捕獲方式。

在深空預(yù)置模式時(shí)，考慮光行時(shí)影響，深空站在任務(wù)開始后，分別同時(shí)開始下行與上行工作，鎖定探測(cè)器下行信號(hào)后向任務(wù)中心送出遙測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)送含上行多普勒頻率預(yù)置(考慮光行時(shí)影響)的上行載波，載波保持一定時(shí)長(zhǎng)滿足探測(cè)器鎖定上行載波的要求后發(fā)送測(cè)距音，測(cè)距音按照預(yù)定時(shí)間間隔依次發(fā)送；測(cè)距音發(fā)送完成后，加調(diào)遙控，經(jīng)過(guò)單向光行時(shí)，上行載波抵達(dá)探測(cè)器，載波保持的時(shí)長(zhǎng)使探測(cè)器能夠可靠鎖定上行載波；此后測(cè)距音按照時(shí)間間隔依次到來(lái)，探測(cè)器對(duì)測(cè)距音依次相干轉(zhuǎn)發(fā)，再經(jīng)過(guò)器地空間傳輸，地面先后接收到探測(cè)器下傳的遙測(cè)信息(包含探測(cè)器上行信號(hào)鎖定情況)和測(cè)距音，任務(wù)中心完成探測(cè)器上行鏈路鎖定狀態(tài)判斷后，向深空站發(fā)送“航天器上行鏈路狀態(tài)”信息；深空站依據(jù)上行鏈路和下行鏈路的鎖定情況完成雙捕判決，距捕完成后將外測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至任務(wù)中心，至此系統(tǒng)捕獲完成。

在實(shí)際工作中，為保證遙控指令執(zhí)行的可靠性，避免一次捕獲不成功造成指令不執(zhí)行的不可逆影響，一般情況下需要在任務(wù)中心完成探測(cè)器上行鏈路鎖定狀態(tài)判斷或者深空站判斷雙捕后才開始發(fā)送遙控指令和注入數(shù)據(jù)。深空任務(wù)捕獲流程見圖4。

圖4 深空任務(wù)捕獲流程示意圖

深空雙捕子流程包含1個(gè)雙向光行時(shí)，距捕子流程不再包含光行時(shí)，深空站系統(tǒng)捕獲時(shí)間的計(jì)算公式如下：

t深空系統(tǒng)捕獲=t角捕+t雙捕+2t光行時(shí)+t距捕+t送數(shù)+t加調(diào)遙控。

(2)

深空捕獲模式改進(jìn)雖然比傳統(tǒng)捕獲模式省去了7個(gè)雙向光行時(shí)的時(shí)間，但是僅僅1個(gè)雙向光行時(shí)導(dǎo)致的系統(tǒng)捕獲時(shí)間以器地距離4×108km計(jì)算就達(dá)到44.4 min。雖然深空微弱信號(hào)的鎖定比較耗時(shí)，但通常在數(shù)分鐘以內(nèi)，相比載波和測(cè)距音的鎖定用時(shí)，深空任務(wù)中光行時(shí)在系統(tǒng)捕獲時(shí)間中的占比較大。

2.3 應(yīng)急處置捕獲流程設(shè)計(jì)

在首次火星探測(cè)任務(wù)中，由于深空網(wǎng)全球布站使探測(cè)器可測(cè)控時(shí)間覆蓋率達(dá)到90%[1]，正常情況下，為保證遙控執(zhí)行的確定性，系統(tǒng)捕獲所耗費(fèi)的數(shù)十分鐘開銷是可以接受的，但是如果發(fā)生測(cè)控鏈路中斷等異常，在問(wèn)題排除后需盡快發(fā)送指令的情況，長(zhǎng)達(dá)數(shù)十分鐘的捕獲時(shí)間開銷則難以承受，因此應(yīng)急處置捕獲流程需進(jìn)一步縮短捕獲時(shí)間。

任務(wù)應(yīng)急處置捕獲流程見圖5。應(yīng)急處置捕獲時(shí)，深空測(cè)控設(shè)備在上行載波(含多普勒頻率預(yù)置)發(fā)出并保持一定時(shí)間后，依次發(fā)送上行測(cè)距音，隨后加調(diào)遙控，上行捕獲流程完成。此時(shí)上行信號(hào)雖未到達(dá)探測(cè)器，但已具備上行遙控發(fā)送能力，任務(wù)中心可正常發(fā)送遙控指令或注入數(shù)據(jù)。待雙向光行時(shí)后，探測(cè)器鎖定指示等工程遙測(cè)下傳到地面后，可確認(rèn)遙控指令接收及執(zhí)行情況。

圖5 深空任務(wù)應(yīng)急處置捕獲流程示意圖

應(yīng)急處置捕獲時(shí)間不再包含光行時(shí)，僅包含用于雙捕的預(yù)置保持時(shí)間和用于距捕的測(cè)距音發(fā)送時(shí)間，通常為數(shù)分鐘，此用時(shí)能夠保障深空任務(wù)應(yīng)急處置時(shí)的快速發(fā)令需求。深空站應(yīng)急處置捕獲時(shí)間的計(jì)算公式如下：

t應(yīng)急處置捕獲=t角捕+t雙捕+t距捕+t加調(diào)遙控。

(3)

緊急情況下，捕獲流程中可去掉距捕子流程，捕獲時(shí)間僅包含用于雙捕的預(yù)置保持時(shí)間，進(jìn)一步保障了深空任務(wù)的快速發(fā)令需求。此時(shí)捕獲時(shí)間的計(jì)算公式如下：

t緊急情況捕獲=t角捕+t雙捕+t加調(diào)遙控。

(4)

2.4 不同捕獲流程的捕獲時(shí)間分析

綜上所述，對(duì)于不同捕獲流程，假定探測(cè)器距離4×108km，利用信道模擬器搭建環(huán)路，設(shè)置載波信噪比為30 dBHz(高于門限10 dB)，在此情況下仿真分析捕獲時(shí)間，結(jié)果見表1。

表1 不同捕獲流程的捕獲時(shí)間

由此可見，傳統(tǒng)上下行耦合的捕獲模式帶來(lái)的光行時(shí)開銷已不適合深空?qǐng)鼍?，而深空捕獲模式中的雙向光行時(shí)在應(yīng)急處置或緊急情況需快速發(fā)送遙控指令時(shí)也難以接受，在此情況下應(yīng)急遙控指令發(fā)送不再等待雙向光行時(shí)進(jìn)行雙捕判決，上行捕獲流程完成后即發(fā)送遙控指令可有效縮短應(yīng)急的響應(yīng)時(shí)間。應(yīng)急處置和緊急情況捕獲流程在深空任務(wù)中使用還需要對(duì)可靠性進(jìn)行實(shí)測(cè)。

3 深空任務(wù)應(yīng)急處置實(shí)例

首次火星探測(cè)任務(wù)應(yīng)急處置的場(chǎng)景主要有兩個(gè)，一是探測(cè)器多組收發(fā)天線之間的正常切換，二是由探測(cè)器或地面測(cè)控設(shè)備異常導(dǎo)致的測(cè)控鏈路中斷。為了驗(yàn)證應(yīng)急處置捕獲流程的可靠性，模擬地面測(cè)控設(shè)備故障，對(duì)應(yīng)急處置流程進(jìn)行了實(shí)測(cè)。

3.1 應(yīng)急處置案例

深空測(cè)控設(shè)備分機(jī)多為雙機(jī)熱備份，當(dāng)單機(jī)發(fā)生故障時(shí)，切換為熱備份，切換后啟動(dòng)應(yīng)急處置捕獲流程。發(fā)射機(jī)速調(diào)管故障是深空站的常見故障，本文以發(fā)射機(jī)速調(diào)管故障為例對(duì)地面測(cè)控設(shè)備故障應(yīng)急處置流程進(jìn)行說(shuō)明，如圖6所示。

圖6 發(fā)射機(jī)速調(diào)管故障應(yīng)急處置協(xié)同工作流程

當(dāng)深空站將故障定位到發(fā)射機(jī)速調(diào)管后，調(diào)度報(bào)告任務(wù)中心并同步按照故障預(yù)案進(jìn)行處置，速調(diào)管為熱備份單機(jī)，因此需要去激勵(lì)并切換上行信道鏈路為備份速調(diào)管鏈路；隨后基帶信號(hào)輸出，并通過(guò)備份上行鏈路將信號(hào)發(fā)出，待信號(hào)功率平穩(wěn)后啟動(dòng)應(yīng)急處置捕獲流程，上行捕獲流程結(jié)束后調(diào)度報(bào)告。此時(shí)應(yīng)急處置完成，可正常開展遙控指令發(fā)送工作。此后深空站可擇機(jī)開展故障速調(diào)管的處置，排除故障。

3.2 故障應(yīng)急處置測(cè)試驗(yàn)證

深空站模擬發(fā)射機(jī)速調(diào)管故障進(jìn)行了應(yīng)急處置和緊急情況處置的過(guò)程演練，并在首次火星探測(cè)任務(wù)中開展了實(shí)際應(yīng)用，處置時(shí)間和成功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表2，其中處置時(shí)間是對(duì)多次處置結(jié)果取算術(shù)平均。

表2 應(yīng)急處置時(shí)間及成功率

通過(guò)故障模擬演練和任務(wù)實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果可以看出，在長(zhǎng)光行時(shí)條件下深空測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)急處置時(shí)，任務(wù)中不能發(fā)送遙控指令和注入數(shù)據(jù)的時(shí)間為故障處置時(shí)間和上行捕獲流程時(shí)間，不含光行時(shí)和下行捕獲流程所用時(shí)間。統(tǒng)計(jì)成功率表明，應(yīng)急處置流程和緊急情況下的處置流程完成捕獲的可靠性很高，可以在深空任務(wù)中使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

深空探測(cè)任務(wù)中的長(zhǎng)光行時(shí)條件造成測(cè)控通信鏈路正常捕獲時(shí)間大幅增加，給測(cè)控通信鏈路異常中斷的應(yīng)急處置帶來(lái)了難以接受的時(shí)間開銷。在深空測(cè)控設(shè)備的捕獲模式中分離上行與下行，放寬任務(wù)的確定性要求換取快速響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急處置需求，通過(guò)深空測(cè)控設(shè)備故障處置案例的模擬測(cè)試和在首次火星探測(cè)任務(wù)中的應(yīng)用測(cè)試證實(shí)了該方法的可用性。在保證工程可靠性的條件下縮短捕獲時(shí)間，在未來(lái)深空探測(cè)更長(zhǎng)光行時(shí)條件下實(shí)施可靠且靈活的應(yīng)急處置是后續(xù)工作中需要不斷探索且必須實(shí)現(xiàn)的使命任務(wù)。