航天器測控與通信分系統(tǒng)自主健康管理方法

龍吟 黎峰一 黃才 孫斌 張克楠 丁凱 劉寧波

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2 航天恒星科技有限公司,北京 100095)

測控與通信分系統(tǒng)作為航天器的關(guān)鍵平臺分系統(tǒng),負(fù)責(zé)配合地面測控通信系統(tǒng)完成航天器的跟蹤測軌和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),航天器的遙控指令及數(shù)據(jù)注入接收任務(wù),以及遙測數(shù)據(jù)的采集、處理及傳輸任務(wù)。對于載人航天器,還負(fù)責(zé)圖像、話音的采集處理任務(wù)和配合目標(biāo)飛行器完成交會對接相對測量及通信任務(wù)。針對航天器在軌長期自主飛行的需求,測控與通信分系統(tǒng)有必要實現(xiàn)自主健康管理,保證飛行任務(wù)的順利執(zhí)行。

測控與通信分系統(tǒng)的自主健康管理方法包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層3個層面。物理層用于提升分系統(tǒng)的空間環(huán)境適應(yīng)能力;數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)測控鏈路的自主維護(hù)功能;應(yīng)用層實現(xiàn)較為復(fù)雜的自主健康管理任務(wù)以適應(yīng)各種特殊工況。文獻(xiàn)[1-3]中提出了一種面向航天的高可靠FPGA設(shè)計架構(gòu),通過采用三模冗余和回讀刷新的設(shè)計提升靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)FPGA在軌工作的可靠性。文獻(xiàn)[4-6]中提出了基于“看門狗”的設(shè)計方法,支持在軌單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致程序異常的自主檢測及恢復(fù)。上述方法僅從物理層面開展自主健康管理設(shè)計,提升分系統(tǒng)的空間環(huán)境適應(yīng)性,缺乏數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的設(shè)計,自主健康管理功能具有一定的局限性。文獻(xiàn)[7]中提出一種基于中央終端裝置(CTU)的專項健康管理和基于數(shù)據(jù)處理單元(DPU)的自主健康管理系統(tǒng),分別通過雙遠(yuǎn)置終端單元(DRTU)硬通道和遠(yuǎn)程終端(RT)軟通道采集和存儲用戶的遙測參數(shù),并進(jìn)行分析和處理,實現(xiàn)自主健康管理。文獻(xiàn)[8]中提出一種以數(shù)管分系統(tǒng)的系統(tǒng)管理單元(SMU)為核心的自主健康管理系統(tǒng),分別通過硬通道和軟通道實現(xiàn)用戶遙測參數(shù)的采集、存儲、分析和處理,最終實現(xiàn)自主健康管理。文獻(xiàn)[9]中提出了一種基于包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和航天器接口業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的自主健康管理方法,設(shè)計了分層的通用軟件架構(gòu),該方法依賴于衛(wèi)星管理單元(SMU)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)接口單元(SDIU),采用專用設(shè)備進(jìn)行集中式管理。上述方法均采用集中式自主健康管理的方法,基本實現(xiàn)了重大安全事件的自主處置,具有通用化、拓展性強(qiáng)的優(yōu)點,但是對系統(tǒng)架構(gòu)提出較高要求。①負(fù)責(zé)自主健康管理的設(shè)備是系統(tǒng)的核心和單點,方法對核心設(shè)備的計算、存儲資源和設(shè)備自身可靠性的要求較高,至少需要進(jìn)行健康管理設(shè)備本身及對外接口的雙備份或三備份的設(shè)計,增加設(shè)備本身及系統(tǒng)的復(fù)雜度,降低系統(tǒng)可靠性。②方法要求所有被監(jiān)視的設(shè)備具備1553B總線接口并且遵循健康維護(hù)協(xié)議,對分系統(tǒng)設(shè)備及整器總線資源要求較高,不適用于所有航天器。③方法缺少分層設(shè)計,自主健康管理覆蓋范圍有所局限。文獻(xiàn)[10]中提出一種在軌自主健康管理系統(tǒng)的分層體系結(jié)構(gòu),分別從基礎(chǔ)服務(wù)層和自主健康管理服務(wù)層設(shè)計,完成自主健康管理的任務(wù)。該方法提出分層設(shè)計的思想,但是需要為每個分系統(tǒng)配置一個控制器,實現(xiàn)分系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控,并且需要為整個航天器配置一個核心處理單元(CPU),負(fù)責(zé)與各個分系統(tǒng)控制器進(jìn)行交互,增加系統(tǒng)復(fù)雜度并降低可靠性。綜上,已有的測控與通信分系統(tǒng)的自主健康管理方法,從物理層、通用化、可擴(kuò)展性層面開展設(shè)計并取得了成果,主要適用于資源配置相對較高的航天器及其典型工況。針對通用航天器及其特殊工況,上述方法存在以下不足。①缺乏分層設(shè)計,側(cè)重于物理層的自主健康管理,缺乏數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層的設(shè)計,自主健康管理范圍較少,功能有所局限,缺少鏈路自主維護(hù),掉電恢復(fù)、交會對接和出艙通信等特殊工況的適應(yīng)能力。②采用集中式1553B總線式設(shè)計,雖然具備通用和易擴(kuò)展的優(yōu)點,但是也帶來系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜和不具備普適性的缺點。

基于此,本文提出一種分布式的航天器測控與通信分系統(tǒng)自主健康管理方法,分別從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計,實現(xiàn)自主健康管理。

1 需求分析

根據(jù)航天器長期在軌飛行的各種任務(wù)場景和特殊工況,總結(jié)出通用航天器的測控與通信分系統(tǒng)要具備以下自主健康管理功能。①正常測控弧段內(nèi),測控與通信分系統(tǒng)和地基測控站及中繼衛(wèi)星全程穩(wěn)定建立鏈路,分系統(tǒng)的射頻接收機(jī)如果出現(xiàn)長時間未同步地面上行信號,要具備自主重新建鏈的功能。②測控與通信分系統(tǒng)要全程通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)完成實時正確的位置及速度解算,如果分系統(tǒng)的導(dǎo)航接收機(jī)長時間未完成定位解算時,要具備自動重啟定位解算的功能。③分系統(tǒng)要適應(yīng)整器臨時掉電的異常工況,支持整器掉電恢復(fù)后通信鏈路的自主恢復(fù)。另外,針對載人航天器,還要增加以下2項功能,即:①支持交會對接過程中星間鏈路發(fā)射功率隨相對距離的自適應(yīng)切換,這樣既節(jié)省功耗,又提升鏈路可靠性;②支持出艙通信過程中的通信鏈路的發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)整,這樣既節(jié)省功耗,又消除遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。

針對以上分析,自主健康管理方法應(yīng)具備以下性能。①采用分布式設(shè)計,分系統(tǒng)各類關(guān)鍵單機(jī)均具備自主健康管理功能,彼此之間的健康管理沒有耦合,無專用自主健康管理設(shè)備,無系統(tǒng)單點,提升系統(tǒng)可靠性。②具備較強(qiáng)的空間環(huán)境適應(yīng)性,消除單粒子翻轉(zhuǎn)對分系統(tǒng)功能的影響。③采用分層式設(shè)計,分別從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層開展設(shè)計,從不同層面提升分系統(tǒng)的自主健康管理功能,增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

2 自主健康管理方法

本文提出一種基于分層結(jié)構(gòu)的分布式航天器測控與通信分系統(tǒng)自主健康管理方法(見圖1),分別從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計,實現(xiàn)自主健康管理。

圖1 自主健康管理方法分層設(shè)計Fig.1 Layered design of autonomous health management method

物理層分別從“看門狗”和回讀重配置2個方面開展設(shè)計,使具備軟件配置項的設(shè)備提升抵抗單粒子翻轉(zhuǎn)的性能,提升分系統(tǒng)的空間環(huán)境適應(yīng)性。數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)基于射頻鏈路的自主監(jiān)測設(shè)計,負(fù)責(zé)正常測控弧段內(nèi)的射頻鏈路的實時監(jiān)測,并針對單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的鏈路失鎖進(jìn)行實時處置,支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層的射頻鏈路自主維護(hù),通過實時監(jiān)視和維護(hù)射頻鏈路狀態(tài),具備解決特殊工況下回讀刷新等物理層設(shè)計無法維護(hù)射頻鏈路的問題,進(jìn)一步提升了自主健康管理的覆蓋范圍和系統(tǒng)可靠性。應(yīng)用層分別完成導(dǎo)航接收機(jī)自主健康監(jiān)測、航天器掉電恢復(fù)后自主建鏈、不同任務(wù)場景下發(fā)射機(jī)自動功率控制的設(shè)計,分別實現(xiàn)導(dǎo)航接收機(jī)的定位解算功能實時監(jiān)視和重啟,航天器異常掉電恢復(fù)后的射頻鏈路快速恢復(fù),交會對接過程中射頻鏈路發(fā)射功率根據(jù)相對距離的自適應(yīng)調(diào)整,以及出艙通信過程中為消除遠(yuǎn)近效應(yīng)的出艙服發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)整。相對之前的方法,本文方法能提升多任務(wù)場景的自主健康維護(hù)能力,以及整器異常掉電再恢復(fù)的特殊工況的適應(yīng)能力,進(jìn)一步提升自主健康管理的覆蓋范圍和可靠性。本文方法采用分布式設(shè)計,所有的自主健康管理均在分系統(tǒng)內(nèi)部完成,對分系統(tǒng)設(shè)備沒有1553B總線接口及通信協(xié)議的要求,設(shè)備之間沒有耦合性,能簡化系統(tǒng)設(shè)計和提升系統(tǒng)可靠性。

2.1 物理層設(shè)計

物理層設(shè)計采用已有的設(shè)計方法,即三模冗余、“看門狗”和回讀重配置。

針對SRAM型FPGA存在加載程序偶發(fā)失敗風(fēng)險的問題,通過“看門狗”設(shè)計保證SRAM型FPGA上電加載的可靠性。SRAM型FPGA加電配置成功后開始運行程序,從輸入/輸出接口引出一個周期信號,利用外部硬件“看門狗”來實現(xiàn)FPGA的配置監(jiān)控。當(dāng)FPGA配置失敗時,由于程序沒有運行,“看門狗”芯片沒有及時獲得“喂狗”信號,周期性地發(fā)出重配置信號提供給FPGA,直到FPGA配置成功。

針對SRAM型FPGA抗輻照性能較差,在空間環(huán)境中容易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)事件特性。通過在設(shè)備內(nèi)部增加一塊反熔絲型FPGA實現(xiàn)對SRAM型FPGA的回讀重配置。對SRAM型FPGA進(jìn)行回讀比對,即讀取可編程只讀存儲器(PROM)中的配置數(shù)據(jù),同時向SRAM型FPGA發(fā)送回讀指令讀取回讀數(shù)據(jù),將這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行一一比對,如果比對出錯,則重加載SRAM型FPGA。

圖2為回讀重配置流程。

圖2 回讀重配置流程Fig.2 Flow of read back reconfiguration

2.2 數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計

為提升鏈路的可靠性,測控與通信分系統(tǒng)的射頻接收機(jī)通常具備卷積、里德-所羅門(RS)、低密度奇偶校驗碼(LDPC)等譯碼功能,這些功能大多采用基于FPGA的知識產(chǎn)權(quán)核(IPC)設(shè)計實現(xiàn),并且部分IPC占用了FPGA的塊隨機(jī)存儲器(Block RAM)資源。雖然SRAM型FPGA配置了反熔絲FPGA實現(xiàn)程序加載和配置區(qū)動態(tài)刷新,從一定程度上避免了單粒子翻轉(zhuǎn)對設(shè)備的影響。Block RAM模塊在SRAM型FPGA中運行時實際使用了配置存儲區(qū)的RAM位,當(dāng)對配置存儲區(qū)的RAM位重配置時,會干擾這些模塊的正常工作,所以配置區(qū)動態(tài)刷新處理回避了Block RAM模塊占用的資源。配置區(qū)動態(tài)刷新只對SRAM型FPGA的查找表(非隨機(jī)存取存儲器(RAM)占用)及布線資源對應(yīng)的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。另外,由于FPGA的資源有限和降額設(shè)計要求,只能對FPGA部分關(guān)鍵參數(shù)的Block RAM資源進(jìn)行三模冗余設(shè)計,無法對占據(jù)資源較多的IPC進(jìn)行三模冗余設(shè)計。即使采用大容量資源的FPGA對IPC進(jìn)行三模冗余,單粒子翻轉(zhuǎn)累加效應(yīng)仍然有概率導(dǎo)致IPC功能失效,無法從根本上消除單粒子翻轉(zhuǎn)的影響。目前已有的針對射頻鏈路的自主健康管理方法,是從三模冗余、“看門狗”設(shè)計和回讀重配置的物理層開展設(shè)計,沒有考慮占用Block RAM資源的IPC被單粒子打翻的風(fēng)險及應(yīng)對措施,因此,射頻接收機(jī)存在由于FPGA內(nèi)部的IPC被單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的設(shè)備異常工作的風(fēng)險。

為了消除上述風(fēng)險,本文設(shè)計一種基于射頻鏈路自主健康監(jiān)測和管理的方法,在數(shù)據(jù)鏈路層上實時監(jiān)視射頻鏈路同步情況和處置導(dǎo)致鏈路異常的突發(fā)事件。通過在實現(xiàn)復(fù)雜射頻鏈路通信功能的SRAM型FPGA和反熔絲型的FPGA的外圍配置單片機(jī),并通過外圍單片機(jī)間隔1h對射頻接收機(jī)的鎖定狀態(tài)(包括載波鎖定標(biāo)志、遙控偽碼鎖定標(biāo)志、位同步狀態(tài)標(biāo)志及卷積編碼同步狀態(tài)標(biāo)志,正常同步狀態(tài)為1,失步為0)進(jìn)行持續(xù)1min監(jiān)測,1min內(nèi)采集120次(500ms采集1次),出現(xiàn)不小于90次4個遙測狀態(tài)不全為1,單片機(jī)給配置及動態(tài)刷新FPGA發(fā)送“基帶邏輯配置FPGA復(fù)位指令”實現(xiàn)對調(diào)制解調(diào)FPGA的全局配置(即程序重載),見圖3。如果在軌單粒子翻轉(zhuǎn)造成前向信號處理模塊異常,并進(jìn)一步導(dǎo)致鏈路失鎖時,實現(xiàn)產(chǎn)品可自行恢復(fù)正常的功能,提升產(chǎn)品的在軌抗單粒子能力。

圖3 射頻鏈路自主健康管理流程Fig.3 Flow of autonomous health management for RF link

2.3 應(yīng)用層設(shè)計

2.3.1 導(dǎo)航接收機(jī)自主健康監(jiān)測和管理

導(dǎo)航接收機(jī)作為關(guān)鍵單機(jī),負(fù)責(zé)實現(xiàn)航天器的跟蹤、測軌、絕對定位和相對定位,為保證導(dǎo)航接收機(jī)的長期在軌健康工作,需要對其工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)視,并對異常工作狀態(tài)進(jìn)行識別和自主處置。因此,除了依靠物理層的軟件“看門狗”設(shè)計和數(shù)據(jù)鏈路層的射頻鏈路自主健康監(jiān)測設(shè)計,還需要對應(yīng)用層的關(guān)鍵功能及性能指標(biāo)進(jìn)行識別和處置。

導(dǎo)航接收機(jī)組成及信息流見圖4,包含2個數(shù)字信號處理(DSP)軟件配置項(導(dǎo)航信息處理軟件和接口軟件),以及3個FPGA軟件配置項(導(dǎo)航信息處理相關(guān)器FPGA軟件、導(dǎo)航信息處理控制器FPGA軟件和接口FPGA軟件)。導(dǎo)航信息處理軟件的主要功能是接收射頻前端提供的中頻信號,完成GPS L1和北斗B1頻點的信號解調(diào)/解擴(kuò)處理,獲得導(dǎo)航電文和原始觀測數(shù)據(jù),解算出航天器的絕對位置、速度、時間,并將絕對定位結(jié)果發(fā)送到接口板中。接口軟件的主要功能是負(fù)責(zé)與接口FPGA通信交互。導(dǎo)航信息處理板相關(guān)器FPGA軟件主要完成北斗、GPS導(dǎo)航信號的數(shù)字下變頻、去偽碼和相關(guān)累加功能,同時完成航天器快速捕獲功能。導(dǎo)航信息處理控制器FPGA軟件主要完成導(dǎo)航信息處理板相關(guān)器FPGA程序的加載、回讀、更新,以及時鐘頻率合成和時間同步的功能。接口FPGA軟件主要完成與對外各用戶的接口通信,以及對內(nèi)與導(dǎo)航信息處理板通信和片上其他邏輯等工作。導(dǎo)航接收機(jī)自主健康管理流程見圖5。

注:GNC為制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制。圖4 導(dǎo)航接收機(jī)組成及信息流Fig.4 Navigation receiver composition and information

圖5 導(dǎo)航接收機(jī)自主健康管理流程Fig.5 Flow of autonomous health management for navigation receiver

針對中低軌航天器,全球?qū)Ш叫亲母采w率為100%,導(dǎo)航接收機(jī)理論上可以完成全程定位解算。目前,已有的自主健康管理方法缺少對導(dǎo)航接收機(jī)的自主健康管理設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容?；诖?本文設(shè)計導(dǎo)航接收機(jī)的非定位時間作為應(yīng)用層的關(guān)鍵指標(biāo)判據(jù),監(jiān)視及處置措施如下。①如果持續(xù)10min不定位,則復(fù)位FPGA,重配所有硬件設(shè)備(包含相關(guān)器FPGA),重新設(shè)置通道,清空所有星歷,重置本地時鐘(時間間隔計數(shù)器(TIC)不歸零);②若持續(xù)20min不定位(復(fù)位FPGA后持續(xù)10min不定位),則進(jìn)行DSP軟件系統(tǒng)初始化,重配所有硬件設(shè)備(包含相關(guān)器FPGA),重新設(shè)置通道,重新初始化系統(tǒng)變量(包含清空所有星歷,重置本地時鐘(TIC不歸零)等;③連續(xù)非定位時間超過30min,進(jìn)行DSP軟件復(fù)位,導(dǎo)航信息處理軟件完成程序重新加載,TIC歸零。

2.3.2 航天器掉電恢復(fù)后自主建鏈方法

在航天器正常在軌飛行過程中,其天地通信鏈路包括統(tǒng)一S頻段(USB)應(yīng)答機(jī)鏈路、S頻段數(shù)傳鏈路2種直接對地鏈路,以及窄波束中繼鏈路、寬波束中繼鏈路2種天基鏈路。其中,USB應(yīng)答機(jī)鏈路通過USB應(yīng)答機(jī)、USB天線網(wǎng)絡(luò)和安裝在航天器一象限和三象限的S頻段接收及發(fā)送天線與地面建立雙向通信鏈路。S頻段數(shù)傳鏈路通過S頻段數(shù)傳機(jī)、數(shù)傳天線網(wǎng)絡(luò)和安裝在航天器一象限和三象限的數(shù)傳天線與地面建立返向通信鏈路。寬波束中繼鏈路通過寬波束中繼S終端、射頻收發(fā)組件和分布在航天器一象限和三象限的寬波束S頻段接收及發(fā)射天線完成與中繼衛(wèi)星建立雙向通信鏈路。目前已有的航天器自主健康管理方法缺少對航天器異常掉電再恢復(fù)的特殊工況設(shè)計,存在該工況下航天器無法自主恢復(fù)鏈路的風(fēng)險。為保證航天器一次母線掉電恢復(fù)后測控鏈路的正?；謴?fù),本文采用以下設(shè)計方法,過程見圖6。

圖6 航天器掉電恢復(fù)后自主建鏈過程Fig.6 Process of autonomous chain building after spacecraft power outage recovery

(1)USB應(yīng)答機(jī)、S頻段數(shù)傳機(jī)、寬波束中繼S終端、射頻收發(fā)組件的一次電源,采用直接掛在一次母線或通過繼電器掛在一次母線,并且上述設(shè)備入軌后保持長期開機(jī)狀態(tài)。在航天器異常掉電恢復(fù)后,上述設(shè)備能夠立即恢復(fù)開機(jī)工作狀態(tài)。

(2)USB天線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)傳天線網(wǎng)絡(luò)均設(shè)計為一象限和三象限同時接通的狀態(tài),或者通過繼電器設(shè)置為一象限和三象限同時接通的狀態(tài)。在航天器異常掉電恢復(fù)后,天線網(wǎng)絡(luò)能保證一象限和三象限天線立即同時接通。

(3)S頻段接收及發(fā)射天線、數(shù)傳天線、寬波束S頻段接收及發(fā)射天線,均設(shè)計為準(zhǔn)全向天線,保證在一象限和三象限天線接通時刻無論航天器處于何種姿態(tài)均可以和地面或中繼衛(wèi)星快速建立鏈路。

窄波束中繼鏈路不同于前面3種低帶寬的寬波束鏈路,是一種基于Ka頻段和S頻段的依靠伺服中繼天線或者相控陣天線對中繼衛(wèi)星精確跟蹤的高帶寬窄波束鏈路。窄波束中繼鏈路的正常建立,依賴于航天器和中繼衛(wèi)星之間的精確指向,而航天器對中繼衛(wèi)星的精確指向依賴于航天器的自身位置及姿態(tài)信息、中繼衛(wèi)星的位置信息和伺服跟蹤算法。在航天器跟蹤過程中發(fā)生異常掉電恢復(fù)事件,航天器失去對中繼衛(wèi)星的精確指向,導(dǎo)致窄波束中繼鏈路失鎖。為了讓窄波束中繼鏈路適應(yīng)航天器異常掉電后恢復(fù)的特殊工況,本文采用以下設(shè)計方法。

(1)窄波束中繼終端通過導(dǎo)航接收機(jī)提供的航天器位置信息和GNC分系統(tǒng)提供的航天器姿態(tài)信息,確認(rèn)航天器自身的伺服中繼天線或者相控陣天線的原始指向;通過地面上注的中繼衛(wèi)星軌道六根數(shù)確定中繼衛(wèi)星的位置信息;根據(jù)伺服中繼天線或者相控陣天線和中繼衛(wèi)星之間的相對位置關(guān)系,窄波束中繼終端驅(qū)動伺服中繼天線或者相控陣天線精確指向中繼衛(wèi)星,建立窄波束中繼前向、返向鏈路。

(2)航天器異常掉電恢復(fù)后,窄波束中繼終端首先獲取導(dǎo)航接收機(jī)提供的位置信息和GNC分系統(tǒng)提供的姿態(tài)信息,確定伺服中繼天線或者相控陣天線的初始位置。

(3)窄波束中繼終端依據(jù)導(dǎo)航接收機(jī)提供的位置信息,以及參與飛行任務(wù)中繼衛(wèi)星的先驗定點位置信息,確定航天器當(dāng)前窄波束跟蹤弧段所在的中繼衛(wèi)星。

(4)窄波束中繼終端根據(jù)自身位置信息和姿態(tài)信息,以及所確定的中繼衛(wèi)星的先驗位置信息,對中繼衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤嘗試。由于中繼衛(wèi)星的位置信息非實時測量,為先驗信息,精度不足,可能無法導(dǎo)引伺服中繼天線或者相控陣天線精確指向中繼衛(wèi)星。但是,伺服中繼天線兼容Ka頻段和S頻段,S頻段波束相對較寬,容易捕獲跟蹤,待窄波束S鏈路建立后,通過該鏈路上注中繼衛(wèi)星的精確實測軌道六根數(shù)可以進(jìn)一步實現(xiàn)窄波束Ka鏈路的恢復(fù)。另外,支持自跟蹤的窄波束中繼終端有較大概率通過先驗信息捕獲到中繼衛(wèi)星發(fā)射的信標(biāo)信號,然后進(jìn)一步根據(jù)信標(biāo)信號的功率強(qiáng)度進(jìn)行自跟蹤,最終建立窄波束中繼Ka前向、返向鏈路。

2.3.3 發(fā)射機(jī)自動功率控制方法

測控與通信分系統(tǒng)在交會對接的任務(wù)場景下,存在與目標(biāo)飛行器交互通信的需求;在出艙通信的任務(wù)場景中,存在與進(jìn)行出艙活動的航天員通信的需求。交會對接和出艙通信任務(wù)場景均涉及到航天器與目標(biāo)飛行器或者出艙活動航天員的相對位置變化,通信雙方的發(fā)射功率需要隨著相對距離的變化而自適應(yīng)調(diào)整,從而提高交會對接過程中通信鏈路的可靠性和安全性[11],以及降低出艙通信過程中多名航天員相對航天器出艙通信的遠(yuǎn)近效應(yīng)[12]。目前已有的方法缺少關(guān)于發(fā)射機(jī)的自動功率控制設(shè)計,為此,本文提出一種發(fā)射機(jī)自動功率控制方法,滿足含有交會對接和出艙通信任務(wù)應(yīng)用場景的航天器自主健康管理需求。

在交會對接過程中,航天器和目標(biāo)飛行器通過各自配置的空空通信機(jī)及空空通信天線建立支持交會對接任務(wù)的星間鏈路。測控與通信分系統(tǒng)利用接收目標(biāo)飛行器通過星間鏈路傳送的絕對定位信息,通過導(dǎo)航接收機(jī)完成相對定位解算,計算出實時的相對距離。空空通信機(jī)根據(jù)相對距離自主完成發(fā)射功率的換擋。

在出艙通信過程中,航天器通過出艙通信處理器及出艙通信天線與艙外航天員完成雙向通信。當(dāng)參加出艙活動的航天員超過1人時,存在多名航天員同時與出艙通信處理器通信的需求。由于不同航天員和航天器的相對距離不同,航天員到航天器的通信鏈路存在遠(yuǎn)近效應(yīng)[12],最終導(dǎo)致相對距離遠(yuǎn)的航天員無法與航天器建立正常通信鏈路。為了消除遠(yuǎn)近效應(yīng),出艙通信鏈路采用碼分多址(CDMA)的通信體制結(jié)合自動功率控制算法,不同航天員采用不同的擴(kuò)頻碼[13]。規(guī)定出艙通信處理器到航天員的通信鏈路為前向鏈路,航天員到出艙通信處理器的通信鏈路為返向鏈路。首先,通過開環(huán)方式,根據(jù)前向鏈路的接收功率,確定航天員的初始發(fā)射功率;然后,將返向鏈路的實際信噪比和理論信噪比的差值作為閉環(huán)控制的輸入,動態(tài)調(diào)節(jié)航天員的發(fā)射功率,保證不同航天員的發(fā)射信號到達(dá)出艙通信處理器的入口電平一致,從而消除遠(yuǎn)近效應(yīng)。

交會對接和出艙通信的自動功率控制方法流程見圖7。

圖7 自動功率控制方法流程Fig.7 Flow of automatic power control method

3 試驗驗證

物理層的“看門狗”設(shè)計和回讀重配置為常規(guī)設(shè)計,已經(jīng)多次在軌飛行驗證,為成熟技術(shù)。應(yīng)用層的導(dǎo)航接收機(jī)自主健康監(jiān)測和管理設(shè)計,航天器掉電恢復(fù)后的自主建鏈設(shè)計,已經(jīng)應(yīng)用到神舟十二號及后續(xù)載人飛船,并經(jīng)過單機(jī)、分系統(tǒng)和整船測試驗證,實際飛行任務(wù)中未出現(xiàn)長期非定位的情況和整船異常掉電恢復(fù)的情況。其余設(shè)計具體驗證情況如下。

3.1 射頻鏈路自主健康監(jiān)測和管理驗證

寬波束中繼S終端增加自主健康監(jiān)測和管理功能,更改后的寬波束S頻段遙測總線接口軟件已在神舟十二號載人飛船寬波束中繼S終端電性件上進(jìn)行了更改驗證,驗證結(jié)果見表1。

表1 射頻鏈路自主健康管理驗證結(jié)果Table 1 Verification results of autonomous health management for RF link

3.2 交會對接自動功率切換驗證

神舟十二號載人飛船在軌完成與空間站核心艙的前向交會對接,空空通信采用擴(kuò)頻模式,星間鏈路正常建立,雙向信息流正常運行。交會對接期間,神舟十二號載人飛船空空通信機(jī)加電,建立與核心艙的空空通信鏈路,空空加電后至對接完成鎖緊,期間接收信號強(qiáng)度指示如表2所示(北京時間2021年6月17日)[11]。神舟十二號載人飛船與核心艙之間星間鏈路的返向鏈路建立的基線距離為143km,優(yōu)于通信距離為77km的要求。在擴(kuò)頻模式時,若神舟十二號載人飛船與核心艙相對距離小于300m(質(zhì)心坐標(biāo)系相對距離)時,GNC分系統(tǒng)將切換至小功率置為有效,神舟十二號載人飛船和核心艙的工作模式均從擴(kuò)頻大功率切換為擴(kuò)頻小功率,接收信號強(qiáng)度指示值在15:26由4.2V變?yōu)?.7V,表示核心艙的空空通信機(jī)根據(jù)相對距離變化自動切換至小功率。同時,神舟十二號載人飛船空空通信機(jī)的發(fā)射功率遙測顯示,當(dāng)前工作模式從大功率切換為小功率。

表2 空空通信機(jī)接收信號強(qiáng)度指示Table 2 RSSI of air to air communications equipment

3.3 出艙通信自動功率控制驗證

在出艙活動80m范圍內(nèi),距離最遠(yuǎn)與最近處的信號衰減約為18dB。通過步進(jìn)調(diào)整衰減器的衰減值模擬出艙航天員相對于出艙通信處理器的距離變化[13]。針對采用和不采用功率自動控制2種工作模式,分別進(jìn)行試驗。①設(shè)置可調(diào)衰減器為0dB,通過功率計測試出艙通信處理器的接收功率值。②按照1dB的步進(jìn)值增加可調(diào)衰減器的衰減值,并且記錄每次調(diào)整后出艙通信處理器的接收功率值,測試結(jié)果見表3。

表3 功率自動控制測試結(jié)果Table 3 Test results of automatic power control

經(jīng)過測試,未采用功率自動控制時,出艙通信處理器接收到的返向信號功率隨著鏈路衰減的變化而變化,波動范圍為-80.1～-97.1dBm,存在2名及以上航天員同時出艙活動由于遠(yuǎn)近效應(yīng)帶來通信鏈路異常的問題;采用功率自動控制時,出艙通信處理器接收到的返向信號功率始終維持在一個恒定值,約為-80dBm,有效地提高了多人出艙活動時的抗干擾能力,解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)。

4 結(jié)束語

測控與通信分系統(tǒng)的自主健康管理方法是提高當(dāng)前及未來航天器任務(wù)可靠性與安全性,以及降低任務(wù)的經(jīng)濟(jì)成本和人力成本的重要手段。本文提出的自主健康管理方法,有助于實現(xiàn)航天器測控與通信分系統(tǒng)在軌工作狀態(tài)的自主監(jiān)測和異常情況自主處理,并有助于提升整個航天器的可靠性和飛行任務(wù)的安全性。本文提出方法分別從分系統(tǒng)自身單機(jī)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計,保障自主健康管理,不依賴集中式專用設(shè)備實現(xiàn),提升了系統(tǒng)可靠性。后續(xù)將進(jìn)一步開展自主健康管理方法的分布式和集中式的融合架構(gòu)設(shè)計,進(jìn)一步提升自主健康管理方法的通用性和可靠性。