載人航天逃逸安控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王志生, 李 瑭, 湯 達(dá)

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所, 北京 100094)

1 引言

在載人航天任務(wù)中,保障航天員生命安全是地面逃逸安控系統(tǒng)的首要任務(wù)。運(yùn)載火箭上升段,當(dāng)火箭故障危及航天員生命時(shí),地面逃逸安控系統(tǒng)需對(duì)飛船實(shí)施逃逸控制,確保航天員在遇到緊急情況下能夠安全快速地脫離危險(xiǎn)區(qū)域,必要時(shí)擇機(jī)對(duì)火箭實(shí)施安全控制,這要求地面逃逸安控系統(tǒng)做到遙控指令不漏發(fā)、不誤發(fā)。以往載人飛行任務(wù)中,通過(guò)首、航區(qū)S 頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)(Unified S-band,USB)同時(shí)向火箭和飛船發(fā)送飛船逃逸指令,通過(guò)首區(qū)安控設(shè)備,采用脈沖編碼-相移鍵控-調(diào)頻(PCM-PSK-FM)體制向火箭發(fā)送火箭安控指令,圓滿完成了多次載人發(fā)射任務(wù)。

隨著使用頻度的增加,PCM-PSK-FM 體制逐漸暴露出指令選擇余地小、安全保密性低等不足。USB 設(shè)備采用上下行相干技術(shù)體制,信號(hào)的捕獲及丟失重捕用時(shí)較多,從以往USB 設(shè)備執(zhí)行任務(wù)情況看,S 頻段信號(hào)易受火箭分離動(dòng)作影響而出現(xiàn)短時(shí)失鎖,將影響逃逸指令發(fā)送的可靠性[1]。

隨著中國(guó)空間站工程的深入發(fā)展,后續(xù)將以年均2 發(fā)的頻率實(shí)施載人飛船的發(fā)射,對(duì)逃逸安控系統(tǒng)的可靠性、安全性提出了更高的要求。針對(duì)中國(guó)載人航天原逃逸安控系統(tǒng)的不足,本文提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,將火箭接收逃逸指令的通道和接收安控指令的通道進(jìn)行一體化體制換代,升級(jí)為多音組合編碼調(diào)頻體制,即主字母體制;同時(shí)對(duì)箭上、地面逃逸安控設(shè)備進(jìn)行一體化設(shè)計(jì);此外繼續(xù)保留USB設(shè)備向飛船發(fā)送逃逸指令的通道[2]。

2 原系統(tǒng)局限性分析

以往載人航天飛行任務(wù)中,飛船逃逸及火箭安控受限于工作體制,逐漸暴露出一些局限性。

2.1 逃逸體制

逃逸指令通過(guò)首、航區(qū)的USB 設(shè)備發(fā)送,這是基于前期的技術(shù)水平、工程經(jīng)驗(yàn)和進(jìn)度要求等諸多因素綜合考慮確定的,在歷次任務(wù)聯(lián)調(diào)、聯(lián)試和對(duì)接試驗(yàn)中驗(yàn)證了該方案的實(shí)用性。但受限于調(diào)制/解調(diào)體制、信號(hào)工作頻段的特性,在飛行任務(wù)使用過(guò)程中存在以下風(fēng)險(xiǎn):

1) 信號(hào)體制決定可用性受限。USB 設(shè)備采用多級(jí)相干調(diào)制/解調(diào)體制,完成對(duì)載波的跟蹤、鎖定、雙捕,具備可靠發(fā)送逃逸指令的條件。在目標(biāo)大動(dòng)態(tài)、信道余量低、人工干預(yù)等情況下,捕獲和解調(diào)全過(guò)程最長(zhǎng)約數(shù)十秒,制約了逃逸指令發(fā)送的實(shí)時(shí)性。特別是在級(jí)間分離、拋整流罩、天線干涉區(qū)等射頻鏈路不穩(wěn)定的情況下,天地間鏈路有可能出現(xiàn)反復(fù)重捕而不具備發(fā)令條件,逃逸指令發(fā)送通道的可用性大大降低。

2) 天線波束決定可用性受限。載人飛行任務(wù)中,運(yùn)載火箭飛行過(guò)程中逃逸控制本質(zhì)上是異常情況下的應(yīng)急處置。USB 設(shè)備天線波束較窄,當(dāng)火箭飛行出現(xiàn)異常情況時(shí),飛行軌跡無(wú)法預(yù)知,USB 設(shè)備容易丟失目標(biāo),導(dǎo)致鏈路中斷,逃逸指令無(wú)法及時(shí)發(fā)送[3]。

2.2 安控體制

安控系統(tǒng)采用PCM-PSK-FM 體制,是基于20世紀(jì)70 年代中國(guó)技術(shù)條件、器件水平、人員保密意識(shí)等方面因素綜合確定的。隨著使用頻度的增加,該體制在安全保密、抗干擾等方面逐漸暴露出以下不足:

1) 安全保密性低?，F(xiàn)有安控指令碼中只有部分碼元隨任務(wù)變化,因此PCM-PSK-FM 體制的指令集合中樣本數(shù)量極其有限,一旦工作頻點(diǎn)和調(diào)制方式被破譯,在數(shù)分鐘的時(shí)間內(nèi)就可至少遍歷一次碼元,導(dǎo)致容易受到人為攻擊。

2) 指令選擇余地小。各類飛行任務(wù)共用PCM-PSK-FM 體制碼庫(kù),每次至少使用2 條指令(預(yù)令和動(dòng)令),且不能在后續(xù)任務(wù)中重復(fù)使用。因此指令集合中可選用的指令條數(shù)越來(lái)越少,隨著航天發(fā)射任務(wù)密度越來(lái)越高,該問(wèn)題越加突出。

3) 抗干擾能力差。PCM-PSK-FM 調(diào)制體制中安控信號(hào)的頻譜能量比較集中,很容易受到同頻段內(nèi)的雜波干擾,包括自然干擾和人為干擾等,從而導(dǎo)致發(fā)生漏指令現(xiàn)象,降低了飛行任務(wù)中安控指令發(fā)送的可靠性[4]。

3 主字母體制及其特點(diǎn)

主字母體制在20 世紀(jì)70 年代末由NASA 提出,為進(jìn)一步提高安全控制的可靠性,在新發(fā)射場(chǎng)建設(shè)中,參照美國(guó)主字母安全遙控體制,提出了一種改進(jìn)型主字母安全遙控體制,即多音組合編碼調(diào)頻體制。該體制采用15 單音選4 組成1 個(gè)字母,可定義1365 個(gè)字母,從中選擇若干個(gè)字母組成1 條指令。該體制適合載人航天飛行中對(duì)逃逸安控系統(tǒng)高可靠性的要求,具有以下優(yōu)點(diǎn):

1) 發(fā)令通道準(zhǔn)全程可用。主字母調(diào)制方式是一種非相干的復(fù)合指令調(diào)制方式,箭上接收機(jī)捕獲簡(jiǎn)單,捕獲、解碼時(shí)間為10-1秒級(jí),即使鏈路中斷亦可立即完成重捕,實(shí)時(shí)性高,首、航區(qū)設(shè)備搭接可實(shí)現(xiàn)全程覆蓋。

2) 應(yīng)對(duì)異常能力強(qiáng)。地面設(shè)備工作于P 波段,發(fā)射天線波束為寬波束,遠(yuǎn)優(yōu)于USB 設(shè)備波束寬度,應(yīng)對(duì)火箭異常飛行情況能力強(qiáng),跟蹤穩(wěn)定度高,漏指令概率極低。

3) 安全性高。每條指令由若干字母組成,每個(gè)字母由若干單音合成,組合形成了海量指令集,難以在有限時(shí)間內(nèi)被惡意遍歷,誤指令概率極低。指令集合中可用指令數(shù)據(jù)海量,安全保密性進(jìn)一步提高。

4) 抗寬帶干擾能力強(qiáng)。主字母體制指令碼較短,碼速低,占用帶寬窄,信噪比高,抗寬帶干擾能力強(qiáng),不易受到自然或人為攻擊[5-6]。

4 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 原系統(tǒng)工作模式

逃逸安控指令發(fā)送邏輯為先逃逸、后安控。原逃逸安控系統(tǒng)中,逃逸控制鏈路中包括以下要素:指令發(fā)起方為任務(wù)中心逃逸臺(tái),上行設(shè)備為首、航區(qū)USB 設(shè)備;飛船接收設(shè)備為S 頻段應(yīng)答機(jī),火箭接收設(shè)備為逃逸指令接收機(jī)。飛船或火箭成功接收指令后均可通知箭上逃逸執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施飛船逃逸。安控指令由任務(wù)中心安控臺(tái)發(fā)起,經(jīng)由首區(qū)安控設(shè)備發(fā)送至火箭安控指令接收機(jī)。具體指令發(fā)送流程如圖1 所示[7-8]。

圖1 原系統(tǒng)指令發(fā)送流程[7-8]Fig.1 Instruction sending process of the old system[7-8]

4.2 一體化逃逸安控系統(tǒng)工作模式

空間站階段,逃逸指令仍由火箭和飛船同時(shí)接收?；鸺右?、安控指令升級(jí)為主字母體制發(fā)送,逃逸和安控本質(zhì)上屬于服從嚴(yán)格時(shí)序要求的遙控指令,因此,箭上、地面設(shè)備可以相應(yīng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。相比原系統(tǒng),主要從以下方面開(kāi)展逃逸安控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作:

1) 取消箭上原有的USB 體制逃逸指令接收機(jī),對(duì)火箭逃逸指令接收機(jī)和安控指令接收機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),合并為逃逸安控指令接收機(jī),并升級(jí)為主字母體制。

2) 對(duì)首區(qū)PCM-PSK-FM 體制安控設(shè)備進(jìn)行主字母體制改造,具備采用2 個(gè)點(diǎn)頻按照不同任務(wù)弧段發(fā)令的能力;航區(qū)新建2 臺(tái)逃逸設(shè)備,具備主字母體制指令發(fā)送功能;首、航區(qū)設(shè)備搭接共同完成運(yùn)載火箭上升段全程逃逸指令的發(fā)送任務(wù)。

3) 對(duì)任務(wù)中心逃逸臺(tái)、安控臺(tái)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),合并為逃逸安控臺(tái),同時(shí)負(fù)責(zé)逃逸指令和安控指令的發(fā)令任務(wù),并遵循先逃逸后安控的原則。

4) 飛船逃逸指令維持USB 通道發(fā)送方式,與火箭主字母體制逃逸指令發(fā)送通道互為備份,飛船上合作目標(biāo)和地面USB 設(shè)備無(wú)需額外調(diào)整。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的一體化逃逸安控系統(tǒng)的指令發(fā)送流程如圖2 所示。其中,經(jīng)由主字母體制逃逸安控設(shè)備發(fā)令的支持能力顯著優(yōu)于原USB 通道和PCM-PSK-FM 通道。

圖2 一體化逃逸安控系統(tǒng)指令發(fā)送流程Fig.2 Instruction sending process of the new system

5 工作模式對(duì)比分析

一體化逃逸安控系統(tǒng)在系統(tǒng)工作層面和設(shè)備組成層面均得到了顯著優(yōu)化。

5.1 系統(tǒng)工作層面

系統(tǒng)工作層面,逃逸控制的冗余度、逃逸指令的覆蓋性以及安控指令的可靠性、安全性均得到顯著優(yōu)化。

1) 逃逸控制冗余度高。一體化逃逸安控系統(tǒng)逃逸指令可以通過(guò)USB、主字母2 種完全不同的信道和不同的體制發(fā)送,全方位提高了指令發(fā)送的可靠性。

2) 逃逸指令覆蓋性好。建立USB 通道并具備發(fā)令條件的時(shí)間約數(shù)十秒,每次鏈路失鎖或正常上下高壓可能造成數(shù)十秒的空白段落。主字母體制信號(hào)接收捕獲時(shí)間為10-1秒級(jí),鏈路中斷后可迅速重捕,火箭逃逸指令接收將實(shí)現(xiàn)全程覆蓋。在系統(tǒng)層面可全程提供飛船、火箭2 種發(fā)令通道。此外,箭上接收機(jī)設(shè)計(jì)為雙點(diǎn)頻接收,整個(gè)上升段雙站復(fù)用,可靠性更高。新老模式下,逃逸指令發(fā)送的綜合覆蓋性對(duì)比如圖3 所示。

圖3 中,按照新體制升級(jí)改造后,首區(qū)逃逸安控設(shè)備具備雙點(diǎn)頻按弧段上行能力,分別與航區(qū)逃逸安控設(shè)備2 和設(shè)備3 搭接,實(shí)現(xiàn)向火箭發(fā)送逃逸、安控指令的雙重全程覆蓋。與老系統(tǒng)相比,USB 設(shè)備工作模式不變,即工作于f1 點(diǎn)頻的首區(qū)USB1 與航區(qū)USB3 搭接,工作于f2 點(diǎn)頻的首區(qū)USB2 與航區(qū)USB4 搭接,共同向飛船發(fā)送逃逸指令。

圖3 逃逸指令覆蓋性對(duì)比Fig.3 Comparison of coverage of the escape instruction

3) 安控指令可靠性、安全性高。一體化逃逸安控系統(tǒng)發(fā)送安控指令由PCM-PSK-FM 體制升級(jí)為主字母體制,抗寬帶干擾能力更強(qiáng),不易受到自然或人為攻擊。指令集合中可用指令數(shù)據(jù)海量,安全保密性進(jìn)一步提高。

5.2 設(shè)備組成層面

設(shè)備組成層面,箭上逃逸接收機(jī)、安控接收機(jī)以及地面任務(wù)中心的逃逸臺(tái)、安控臺(tái)均進(jìn)行了合一簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

1) 箭上逃逸、安控接收機(jī)合一。箭上只安裝逃逸安控指令接收機(jī),取消原有的USB 體制逃逸指令接收機(jī),節(jié)約了資源和運(yùn)載能力,同時(shí)減少了箭上必保設(shè)備,可靠性約束隨之降低。

2) 任務(wù)中心逃逸臺(tái)、安控臺(tái)合一。逃逸和安控本屬于同一性質(zhì)的2 個(gè)控制過(guò)程,將逃逸臺(tái)和安控臺(tái)合二為一,操作程序簡(jiǎn)化,接口關(guān)系清晰,確保指揮、操作、控制關(guān)系的暢通和實(shí)施的便捷,可靠性得到進(jìn)一步提高。

6 結(jié)論

本文從調(diào)制體制、工作模式和設(shè)備組成等方面,對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后逃逸安控系統(tǒng)與原系統(tǒng)進(jìn)行了全面分析比較。新的逃逸安控系統(tǒng)已在神舟十二號(hào)載人飛行任務(wù)中得到應(yīng)用,在設(shè)備改造、對(duì)接試驗(yàn)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試及飛行任務(wù)中達(dá)到了預(yù)期效果。結(jié)果表明:

1) 逃逸指令和安控指令的發(fā)送通道升級(jí)為主字母體制,有效解決了原體制發(fā)令通道可用性有限、存在丟目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)、安全保密性低、指令選擇余地小等不足。

2) 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的逃逸安控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了逃逸指令多手段、高可靠、全程覆蓋,提高了安控指令發(fā)送的可靠性、安全性。

3) 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的逃逸安控系統(tǒng)對(duì)箭上接收機(jī)、地面任務(wù)中心控制臺(tái)進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì),節(jié)省了資源,簡(jiǎn)化了任務(wù)實(shí)施過(guò)程中的操作程序和系統(tǒng)間的接口關(guān)系。