載人飛船回收著陸搜救系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

龍吟 黃才 孫斌

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

載人飛船完成在軌交會對接及飛行任務(wù)后，首先完成組合體分離，進入單獨飛行模式，接下來依次完成軌道艙返回艙分離、制動、推進艙返回艙分離，從再入點進入大氣層，實施半升力式或者彈道式的返回控制和回收程序。正常情況下，著陸搜救系統(tǒng)[1-2]通過地面測控站及光學(xué)設(shè)備跟蹤和測量返回艙返回后的著陸軌跡，預(yù)估著陸點位置。救援直升機、救援越野車提前奔赴落點區(qū)域，等待返回艙著陸并實施救援。上述回收著陸手段，存在以下不足。①僅適用于正常返回工況，返回落點精度基本符合地面的預(yù)估位置，有利于地面快速開展搜救工作。但是，如果載人飛船在軌發(fā)生密封艙失壓等緊急故障，航天員將執(zhí)行快速撤離和自主應(yīng)急返回，由于落區(qū)的變更，依據(jù)正常返回星下點布置的地面測控站和光學(xué)設(shè)備失去作用，并且自主應(yīng)急返回的落區(qū)信息復(fù)雜及落點精度較差，對地面實時獲取返回艙位置信息和開展快速搜救提出挑戰(zhàn)。②前彈道式返回和后彈道式返回的落點精度在航向和橫向上較半升力式返回顯著惡化。③返回再入過程中，除去40～80 km高度的黑障區(qū)外，在測控弧段內(nèi)，地面測控站對返回艙進行實時測控，地面測控站通過返向遙測獲取返回艙的位置信息。但是，由于落區(qū)地形、地面測控站天線仰角的限制，返回艙一般在距離地面1 km以上高度處應(yīng)答機鏈路中斷，因此地面測控站無法精確獲取后續(xù)的返回艙落點位置信息。④考慮落區(qū)的風(fēng)速較高的工況，在航天員未采取手動切斷主傘的情況下，主傘會借助風(fēng)力帶動返回艙快速移動，返回艙著陸后的落點存在實時變化的可能性。⑤返回艙如果落到海上，會隨著洋流運動，因此存在位置不確定性[3-6]，為搜救增加難度。

對國內(nèi)外返回式航天器的應(yīng)急搜救方法[7-8]調(diào)研可知：俄羅斯聯(lián)盟號飛船配置了基于121.5 MHz及243 MHz的著陸搜救信標(biāo)機，著陸后通過發(fā)送基于121.5 MHz及243 MHz載頻的模擬信標(biāo)信號，讓配置信標(biāo)接收機的地面搜救系統(tǒng)實現(xiàn)定向及定位。該方法簡單可靠，具備一定的著陸搜救能力，但是定位精度較差，搜索范圍僅有25 km左右，并且無法傳送語音信號。美國阿波羅載人飛船返回艙配置了基于全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GNSS)的導(dǎo)航接收機和基于國際搜索和救援衛(wèi)星系統(tǒng)(COSPAS-SARSAT)的國際救援示位標(biāo)[9]，通過周期性地向COSPAS-SARSAT星座發(fā)送攜帶GPS定位信息的信標(biāo)信號，實現(xiàn)搜索救援。該方法具備支持全球搜救和定位精度高的優(yōu)點，但是發(fā)送信標(biāo)信號間隔較大(約50 s)，不適合緊急情況下的實時定位，并且依賴GPS導(dǎo)航定位信號和無法傳送語音信號。我國實踐十號返回式衛(wèi)星配置了基于243 MHz載頻的著陸搜尋信標(biāo)機，實時發(fā)送1 kHz的信標(biāo)信號實現(xiàn)定位。該方法同樣具備定位精度差和搜索范圍小的缺點。我國嫦娥五號月球探測器配置了基于406 MHz的國際救援示位標(biāo)，周期性地向COSPAS-SARSAT星座發(fā)送信標(biāo)信號，通過多普勒定位的方法實現(xiàn)快速定位和搜救。該方法具備支持全球搜救的優(yōu)點，但是定位精度不高，不適合緊急情況下的實時定位，并且無法傳送語音信號。隨著北斗二號、北斗三號的組網(wǎng)建成，基于北斗系統(tǒng)的自主定位和短報文功能[10]已經(jīng)逐步應(yīng)用于在軌航天器，而在載人飛船著陸搜救領(lǐng)域的應(yīng)用尚未見相關(guān)報道。神舟八號至神舟十一號載人飛船配置了國際救援示位標(biāo)、著陸搜尋信標(biāo)機、銥衛(wèi)星手機、超短波通信機、閃光燈和海水染色劑組成的著陸搜救系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備正常返回時的快速回收能力和在軌應(yīng)急返回時的全球搜救能力，支持空中搜救、地面搜救和海上搜救任務(wù)。但是，從發(fā)展的角度考慮，存在以下局限性。①超短波通信機工作在甚高頻(VHF)，用于實現(xiàn)上升段及返回段的關(guān)鍵遙測及話音通信。VHF干擾信號嚴(yán)重，在實際飛行任務(wù)中容易出現(xiàn)鏈路干擾導(dǎo)致的通信中斷。②國際救援示位標(biāo)采用112 bit長度的短碼國家位置協(xié)議，定位精度較低，最優(yōu)為3.7 km，有待進一步提升。③沒有引入北斗短報文，缺少全球搜救任務(wù)的備份手段。④無論是國際救援示位標(biāo)還是著陸搜尋信標(biāo)機，都是單向發(fā)射器，無信息交互功能。

針對載人飛船正常返回及應(yīng)急返回的工況和需求，本文提出基于COSPAS-SARSAT的國際救援示位標(biāo)、著陸搜尋信標(biāo)機、北斗短報文收發(fā)終端、銥衛(wèi)星手機及海水染色劑和回收閃光燈的載人飛船回收著陸搜救系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備全球高精度實時快速定位搜救和系統(tǒng)可靠性高的優(yōu)點，部分設(shè)計已經(jīng)成功應(yīng)用于神舟十二號至神舟十四號載人飛船陸地及海上回收場的對接試驗、神舟載人飛船的回收任務(wù)，同時在開展后續(xù)系統(tǒng)的升級論證工作。

1 回收著陸搜救系統(tǒng)設(shè)計

神舟八號載人飛船回收著陸搜救系統(tǒng)如圖1所示；本文提出的新回收著陸搜救系統(tǒng)如圖2所示，包括國際救援示位標(biāo)、著陸搜尋信標(biāo)機、北斗短報文收發(fā)終端、銥衛(wèi)星手機、天線及天線網(wǎng)絡(luò)等。

圖1 神舟八號回收著陸搜救系統(tǒng)Fig.1 Shenzhou-8 search and rescue system for recovery and landing

圖2 新回收著陸搜救系統(tǒng)Fig.2 New search and rescue system for recovery and landing

新著陸搜救系統(tǒng)對統(tǒng)一S頻段(USB)應(yīng)答機的下行鏈路進行擴容，帶寬從16 kbit/s擴展到64 kbit/s，具備下行32 kbit/s話音數(shù)據(jù)的能力，覆蓋超短波通信機的功能。取消超短波通信機及超短波天線配套，避免VHF干擾嚴(yán)重易導(dǎo)致鏈路失鎖的問題。

為了解決應(yīng)急著陸工況下搜救部隊需要快速獲取載人飛船精確落點位置的問題，配備國際救援示位標(biāo)和導(dǎo)航接收機。返回艙著陸后，國際救援示位標(biāo)發(fā)射406.028 MHz的脈沖信標(biāo)(簡稱406信標(biāo))，國際救援衛(wèi)星可以通過解出信標(biāo)中包含的經(jīng)度、緯度位置信息對返回艙定位，經(jīng)度、緯度位置信息由星載導(dǎo)航接收機通過解算北斗、GPS、GLONASS導(dǎo)航信號獲取，同時也能根據(jù)信標(biāo)的未調(diào)制數(shù)據(jù)載波部分的多普勒頻移完成返回艙定位。相對于神舟八號～神舟十一號載人飛船，為進一步提升國際救援示位標(biāo)發(fā)送的位置精度，將國際救援示位標(biāo)的傳輸協(xié)議由短碼格式更改為長碼格式，定位精度由3.7 km提高到80 m。

為了有效利用北斗短報文服務(wù)資源，增加配備北斗短報文收發(fā)終端及短報文收發(fā)天線，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的基于北斗短報文的搜救信息發(fā)送。相比已有的國內(nèi)外搜救系統(tǒng)，增加了備份搜救手段，提升了系統(tǒng)可靠性。相比國際救援示位標(biāo)和著陸搜尋信標(biāo)機僅能作為單向發(fā)射器，北斗短報文收發(fā)終端提供了信息交互功能。

為了解決國際救援示位標(biāo)和北斗短報文收發(fā)終端無法語音通信的問題，沿用著陸搜尋信標(biāo)機、話音處理器和銥衛(wèi)星手機。著陸搜尋通信機除發(fā)送超短波信標(biāo)用于搜救團隊的超短波定向儀接收定位外，還可以與搜救團隊進行調(diào)幅(AM)體制的半雙工通話。航天員通過銥衛(wèi)星手機實現(xiàn)出艙和不出艙的全球范圍內(nèi)的全雙工數(shù)字語音通信。另外，作為國際救援示位標(biāo)、著陸搜尋信標(biāo)機和北斗短報文收發(fā)終端等無線電標(biāo)位的輔助標(biāo)位手段，沿用配置閃光燈和海水染色劑。無線電標(biāo)位主要用于遠(yuǎn)距離搜索定位；輔助標(biāo)位手段用于近距離目視搜索定位。

為了實現(xiàn)無線電標(biāo)位的無線信號收發(fā)，配備各種信標(biāo)天線。同時，配置天線網(wǎng)絡(luò)，通過微波重力開關(guān)自主選擇位置最優(yōu)的天線實現(xiàn)各種信標(biāo)信號的收發(fā)。

1.1 取消超短波通信機及天線配套

傳統(tǒng)的著陸搜救系統(tǒng)配套超短波通信機及天線，工作在上升段及返回段，完成以下任務(wù)。①接收總線廣播的GNSS絕對定位數(shù)據(jù)下傳到地面，作為返回段的輔助測軌手段。②負(fù)責(zé)傳輸8 kbit/s的數(shù)字話音。③下行關(guān)鍵遙測參數(shù)。④將話音數(shù)據(jù)發(fā)送給黑匣子存儲。

傳統(tǒng)USB應(yīng)答機的下行帶寬僅有16 kbit/s，全部用于傳輸遙測參數(shù)。新USB應(yīng)答機進行了擴容設(shè)計，返向帶寬從16 kbit/s增加至64 kbit/s，其中16 kbit/s仍然用于傳輸遙測參數(shù)，32 kbit/s用于傳輸雙路16 kbit/s的數(shù)字話音，并且話音效果優(yōu)于超短波通信機。話音設(shè)備將32 kbit/s話音數(shù)據(jù)發(fā)送給遙測設(shè)備，遙測設(shè)備將話音數(shù)據(jù)和遙測參數(shù)進行組幀，再通過擴容后的USB應(yīng)答機下行。同時，遙測設(shè)備在返回段將32 kbit/s數(shù)字話音發(fā)送給黑匣子存儲。綜上所述，新回收著陸搜救系統(tǒng)具備下行話音并在返回段發(fā)送給黑匣子存儲的能力，原有的超短波通信機通信需求已被完全覆蓋，并且USB應(yīng)答機分為A機和B機的獨立2套設(shè)備，提升了系統(tǒng)可靠性。因此，為減少整船資源占用，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，取消超短波通信機和超短波天線配套。

1.2 國際救援示位標(biāo)更改為長碼格式

COSPAS-SARSAT是由加拿大、法國、美國和蘇聯(lián)聯(lián)合開發(fā)的全球性搜救衛(wèi)星系統(tǒng)。該系統(tǒng)最初使用至少4顆低高度(850～1000 km)極軌衛(wèi)星，星下點經(jīng)過同一地區(qū)的最長時間間隔為0.5 h。隨著搭載搜救載荷的低軌衛(wèi)星入網(wǎng)，比如北斗系統(tǒng)搭載的6個衛(wèi)星搜救載荷符合全球中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)空間段標(biāo)準(zhǔn)要求，COSPAS-SARSAT實現(xiàn)了全球?qū)崟r覆蓋。工作系統(tǒng)見圖3[8]，信標(biāo)發(fā)出的報警信號都可以被該系統(tǒng)衛(wèi)星上的接收機收到，然后再中繼到地區(qū)用戶終端，對信號進行處理后確定信標(biāo)的位置。該報警信號及其位置數(shù)據(jù)再經(jīng)過任務(wù)控制中心，或者直接送到有關(guān)的搜救機構(gòu)，直接開展救助工作。

注：PLB為個人定位信標(biāo)；EPIRB為應(yīng)急無線電示位標(biāo)；ELT為應(yīng)急定位發(fā)射器；RCC為搜救控制中心；MCC為任務(wù)控制中心；LUT為本地用戶終端。圖3 國際救援示位標(biāo)工作系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of international rescue position indicator

國際救援示位標(biāo)組成如圖4所示，劃分為溫度補償晶體振蕩器、鎖相調(diào)相頻率源、功率放大器、微處理機控制電路、電源電路。晶振的參考信號送入鎖相環(huán)路進行鎖相倍頻，鎖相環(huán)的輸出信號送入相位調(diào)制器，將規(guī)定的報文信息調(diào)制在406 MHz的載波上，再通過功率放大器將該信號放大經(jīng)隔離器后輸出。

圖4 國際救援示位標(biāo)組成Fig.4 Comosition of international rescue position indicator

國際救援示位標(biāo)具備2種工作模式，分別是基于GNSS的工作模式和基于多普勒定位原理的工作模式。在基于GNSS的工作模式中，國際救援示位標(biāo)實時接收導(dǎo)航接收機解算的經(jīng)度和緯度的位置信息，并按照國際標(biāo)準(zhǔn)搜救的長碼格式進行組包，按照國際搜救的標(biāo)準(zhǔn)頻點和調(diào)制方式完成信息調(diào)制放大后，經(jīng)過發(fā)射天線發(fā)送給COSPAS-SARSAT搜救衛(wèi)星。短碼和長碼格式分別如表1和表2所示。傳統(tǒng)的搜救系統(tǒng)采用了短碼格式，短碼格式的59～71 bit表示緯度信息的度和分，72～85 bit表示經(jīng)度信息的度和分，定位精度為分。本文設(shè)計的新系統(tǒng)采用長碼格式，37～85 bit表示緯度信息的度、分和秒，107～132 bit表示經(jīng)度信息的度、分和秒，定位精度為秒。數(shù)據(jù)幀格式從112 bit增加至144 bit，定位精度分辨率由2′提高為4″，即由3.7 km提高到80 m，因此定位精度大大提高。

表2 長碼格式的數(shù)據(jù)域Table 2 Long code data field

1.3 新增北斗短報文收發(fā)終端

為進一步提升系統(tǒng)可靠性，利用已經(jīng)建成的全球北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，以及提供的短報文服務(wù)功能，在載人飛船上增加1套北斗短報文通信子系統(tǒng)，在其他無線電信標(biāo)手段均不可用的極端情況下，為載人飛船提供一條獨立的通信鏈路，用于搜救信號的傳遞。

北斗短報文通信子系統(tǒng)采用北斗三號短報文服務(wù)(區(qū)域+全球)作為通信信道，為載人飛船提供覆蓋全球的搜救位置信息下行，以及地面與航天員之間的雙向應(yīng)急通信數(shù)據(jù)傳輸支持。它具備遙測通信模式、待機通信模式及航天員通信模式。北斗短報文通信子系統(tǒng)在軌處于長開機狀態(tài)，周期循環(huán)地判別外部輸入條件，并根據(jù)判別結(jié)果工作在遙測通信模式、待機通信模式或者航天員通信模式。設(shè)備上電默認(rèn)為遙測通信模式。在遙測通信模式時，通過1553B總線接收載人飛船上的關(guān)鍵遙測信息，并通過短報文入站鏈路發(fā)送至地面；當(dāng)從1553B收到航天員手持終端上輸入的消息時，自動轉(zhuǎn)為航天員通信模式，在該模式下只發(fā)送來自航天員的消息，并且在航天員消息發(fā)送完成前忽略從總線接收到的關(guān)鍵遙測數(shù)據(jù)，航天員消息發(fā)送完成后自動轉(zhuǎn)入遙測通信模式；當(dāng)長期未收到載人飛船上的關(guān)鍵遙測及航天員手持終端的消息時，自動轉(zhuǎn)為待機通信模式，在這種模式下將自身定位解算獲得的位置、速度及時間信息發(fā)送至地面。圖5和圖6分別為北斗短報文收發(fā)終端的組成和工作流程。

圖5 北斗短報文收發(fā)終端組成Fig.5 Composition of BD short message transceiver terminal

1.4 載人飛船天線及天線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)，新系統(tǒng)的天線和天線網(wǎng)絡(luò)減少了1副超短波天線，增加了2副北斗短報文收發(fā)天線和1個重力水平開關(guān)?？紤]到新增北斗短報文收發(fā)終端，為了同時滿足北斗短報文業(yè)務(wù)的發(fā)送及接收頻點，采用雙極化天線設(shè)計，發(fā)送采用左旋圓極化，接收采用右旋圓極化。同時，為了滿足返回艙著陸后各種姿態(tài)，以及北斗短報文天線對北斗星座的可視性，分別在返回艙壁和大底各設(shè)計1副雙極化北斗短報文收發(fā)天線。通過重力水平開關(guān)，自主選擇視場較好的1副天線進行通信。

新系統(tǒng)配置2副406發(fā)射天線，2副243收發(fā)天線(243 MHz搜救頻率收發(fā)天線)，2副銥衛(wèi)星天線，2副導(dǎo)航接收天線，2副北斗短報文天線和2臺返回艙天線網(wǎng)絡(luò)。2副406發(fā)射天線分別布局在返回艙的側(cè)壁和大底。2副243收發(fā)天線分別布局在返回艙的頭部和大底。2副北斗短報文天線分別布局在返回艙的側(cè)壁和大底。2副銥衛(wèi)星天線分別布局在返回艙的側(cè)壁和大底。2副導(dǎo)航接收天線分別布局在返回艙的I象限和III象限。406發(fā)射天線、243收發(fā)天線、銥衛(wèi)星天線、北斗短報文天線均采用備份設(shè)計，并且布局位置實現(xiàn)高低冗余，提升系統(tǒng)的可靠性。2副天線網(wǎng)絡(luò)分別是VHF天線網(wǎng)絡(luò)和GNSS天線網(wǎng)絡(luò)。VHF天線網(wǎng)絡(luò)通過重力水平開關(guān)，實現(xiàn)406發(fā)射天線a，b和243收發(fā)天線a，b的位置擇優(yōu)選擇。GNSS天線網(wǎng)絡(luò)通過重力水平開關(guān)，自動選擇導(dǎo)航接收天線a，b，以及北斗短報文天線a，b中位置較高的一副工作。

載人飛船返回艙天線網(wǎng)絡(luò)是天線和收發(fā)信機之間的一個高頻通道，在飛船的主動段、軌道運行段、返回段及返回艙著陸后，把發(fā)射機發(fā)射的通信、測控、定位及求救信號通過此網(wǎng)絡(luò)傳送給指定的天線，再把從天線接收的信號傳送給指定的接收機。返回艙天線及天線網(wǎng)絡(luò)組成見圖7。載人飛船回收著陸搜救系統(tǒng)的各子系統(tǒng)協(xié)同工作流程見圖8。

圖7 返回艙天線及天線網(wǎng)絡(luò)組成Fig.7 Antenna and antenna network of re-entry module

圖8 回收著陸搜救系統(tǒng)工作流程Fig.8 Workflow of search and rescue system for recovery and landing

1.5 小結(jié)

回收著陸搜救系統(tǒng)的主要設(shè)計指標(biāo)包括定位時間、定位區(qū)域、發(fā)射周期、定位精度、語音通信、質(zhì)量、功耗和可靠性。比較新舊回收著陸搜救系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)，如表3所示。新系統(tǒng)在配套數(shù)量、定位區(qū)域、定位精度、質(zhì)量、功耗和可靠性方面更優(yōu)，在定位時間、發(fā)射周期和語音通信能力上與傳統(tǒng)系統(tǒng)保持一致。

表3 回收著陸搜救系統(tǒng)指標(biāo)比較Table 3 Index comparison of search and rescue system for recovery and landing

2 應(yīng)用驗證

2016年11月18日14：40,中國搜救衛(wèi)星任務(wù)控制中心接收到神舟十一號載人飛船406設(shè)備發(fā)出信標(biāo)，多普勒定位及接收GPS數(shù)據(jù)均正常，采用接收GPS發(fā)送信號定位的落點位置為(112°42′E，42°28′N)。回收試驗隊通過測量，報告返回艙最終落點位置為(112°42′57.2″E，42°29′11.7″N)，與交通部提供的位置數(shù)據(jù)一致，經(jīng)度誤差57.2″，緯度誤差1′11.7″。

2021年9月17日，神舟十二號載人飛船返回艙著陸，航天員手動脫傘，降落傘斷開，落地后傾斜狀態(tài)，見圖9。返回再入過程中，神舟十二號載人飛船243著陸搜尋信標(biāo)機開機，空中分隊通過243定向接收儀收到243 MHz信標(biāo)信號并穩(wěn)定跟蹤。飛船載國際救援示位標(biāo)開機，過境衛(wèi)星接收國際救援示位標(biāo)發(fā)射的406 MHz信號正常。飛船落地后最終呈II象限朝地水平著地狀態(tài)，落地后天線艙蓋被艙體壓住。大底243收發(fā)天線b、406發(fā)射天線b均正常展開，返回艙天線網(wǎng)絡(luò)通過重力水平開關(guān)自動選擇位于大底的406發(fā)射天線b和243收發(fā)天線b進行通信，飛船上著陸搜尋信標(biāo)機和國際救援示位標(biāo)設(shè)備均工作正常。地面搜救直升機/越野車/救援船根據(jù)位置信息趕赴返回落點現(xiàn)場。通過交通部反饋，2021年9月17日中國搜救衛(wèi)星任務(wù)控制中心接收到神舟十二號載人飛船406設(shè)備發(fā)出信標(biāo)，多普勒定位及接收GPS數(shù)據(jù)均正常，采用接收GPS發(fā)送信號定位的落點位置(100°04′26″E，41°37′46″N)，與回收試驗隊通過測量報告返回艙最終落點位置(100°04′28″，41°37′43″N)進行比對，位置數(shù)據(jù)基本一致，經(jīng)度誤差2″，緯度誤差3″。

經(jīng)過神舟十一號和神舟十二號載人飛船飛行任務(wù)驗證，對比2種回收著陸搜救系統(tǒng)的定位精度，新系統(tǒng)的經(jīng)度和緯度定位精度分別提升約55.2″和1′8.7″，有利于地面搜救系統(tǒng)對返回艙精確定位，縮短救援時間。

3 結(jié)束語

本文提出一種載人飛船回收著陸搜救系統(tǒng)設(shè)計，由國際救援示位標(biāo)、北斗短報文收發(fā)終端、著陸搜尋信標(biāo)機、銥衛(wèi)星手機、信標(biāo)天線及天線網(wǎng)絡(luò)等組成，可實現(xiàn)對載人飛船的正常及自主應(yīng)急返回模式的支持，用于陸上及海上的回收著陸搜救，并已通過神舟十二號～神舟十四號載人飛船著陸搜救任務(wù)驗證，定位精度高，可實現(xiàn)全球陸上及海上搜救，系統(tǒng)可靠性高。