目標飛行器測控與通信分系統

王乃雯,石云墀

(上海航天電子技術研究所,上海 201109)

0 引言

作為交會對接任務的關鍵系統之一,目標飛行器測控與通信分系統完成目標飛行器各飛行階段的跟蹤測軌、雙向話音通信,以及圖像傳輸,數據傳輸,各設備的遙測、遙控任務,并與飛船配合完成交會對接相對測量和通信任務。本文介紹了我國目標飛行器測控與通信分系統的功能、構成、性能與特點,可靠性設計。

1 分系統組成與功能

目標飛行器測控與通信分系統主要由USB、S波段數傳、遙測、遙控、話音、圖像、高速通信、空空通信、天線、衛星定位和中繼等子系統組成。測控與通信分系統主要功能有：

a)能配合地面站對目標飛行器進行跟蹤、測軌;

b)可利用衛星導航系統獲取導航定位參數,能直接向追蹤飛行器傳輸數據;

c)實現遙控、轉發數據注入及數據組幀與傳輸;

d)為目標飛行器提供低速及高速雙向通話;

e)為目標飛行器提供高質量雙向視頻服務;

f)通過S波段數傳系統,為目標飛行器提供平臺遙測和中低速視頻服務;

g)可在艙內、艙外攝像;

h)為目標飛行器提供頻率基準;

i)為目標飛行器提供高速數傳,支持中繼Ka波段鏈路的前反向傳輸;

j)交會對接段配合運輸飛船完成交會測量任務;

k)交會對接段與運輸飛船建立直接鏈路進行雙向通信;

l)組合體飛行段對組合體的跟蹤測量與通信。

2 性能與特點

2.1 USB子系統

USB子系統主要包括USB應答機a/b、USB天線網路、USB發射天線、USB接收天線等。為保證可靠性,共配置異頻應答機2臺,雙機熱備份模式工作,USB子系統組成如圖1所示。

圖1 USB子系統組成Fig.1 USBtranspandor subsystem

除傳統的跟蹤、測距和測速外,USB應答機還傳輸上行遙控、上行話音和下行工程遙測信號。USB應答機采用相干轉發方式,即上行遙控、測距音、話音副載波調制在一個載波上,應答機接收到上行信號后,進行解調,將遙控、話音副載波送相應終端處理,上行載波按一定比率變頻成下行載波,同時對遙測、測距音等副載波進行調制并發射出。應答機的工作模式見表1。

USB網絡完成2臺應答機對天線的組陣控制和共用隔離。

表1 USB應答機工作模式Tab.1 Operation modeof USB transpandor

2.2 S波段數傳子系統

S波段數傳子系統由S波段數傳機2臺,以及數傳接口、數傳天線網絡與數傳天線等組成,2臺數傳機冷備份工作,數傳接口內部雙機冷備份,S波段數傳子系統如圖2所示。

S波段數傳機采用四相差分相移鍵控(DQPSK)調制方式。其中：Q支路下傳來自高速數據復接器的數據,I支路傳輸兩路圖像及伴音。調制后信號經數傳天線網絡連接到S波段數傳天線。S波段數傳機a、b共用S波段數傳天線,通過天線網絡進行切換。數傳接口接收來自圖像設備及高速數據復接器的數據,同步后送數傳機。

圖2 S波段數傳子系統Fig.2 S-band data transmission subsystem

2.3 遙測子系統

遙測子系統在實驗艙配置遙測調制器1臺,采集數管,制導、導航與控制(GNC)及遙控解調器的數字量遙測數據,復接、組幀工程遙測數據,將組幀后的數據進行DBPSK調制,分別送2臺USB應答機,同時將未調制的工程遙測幀送空空通信接口和中繼S終端。遙測調制器內部采用雙機熱備份。

2.4 遙控子系統

遙控子系統由遙控解調器、遙控指令譯碼單元a(實驗艙)、b(資源艙)等組成。其中：遙控解調器實現指令譯碼、指令分配和數據注入校驗、分配;遙控指令譯碼單元a、b完成指令譯碼和分配。遙控指令可通過USB信道、中繼S波段信道、中繼Ka波段信道傳輸,在交會對接階段還可通過空空通信機轉發至目標飛行器。為避免接收不同通道的遙控信號的沖突,遙控解調器在同時接收到多個通道遙控信號時,按優先級選擇來自不同信道的遙控指令。遙控子系統如圖3所示。

圖3 遙控設備Fig.3 Remotecontrol subsystem

由于目標飛行器指令數量較載人航天工程一期增加較多,為增大指令空間、加大指令編碼間碼距,同時盡可能避免測試碼表和任務碼表的重疊,遙控編碼方式采用24位編碼,編碼后的碼距可達3～4。為提高設備可靠性,遙控直接指令識別和校驗功能采用全硬件方式實現。同時為便于遙控設備地面測試,遙控設備內部設計有碼表2套,即任務碼表和測試碼表,可適應不同的測試狀態。

2.5 話音子系統

話音子系統由話音處理器1臺、頭戴送受話器3個和話音環回插頭(無人時使用)2個組成。形成天地話音回路2條：一是USB信道與S波段數傳信道構成的低速天地話音鏈路,另一是中繼Ka波段前向與中繼Ka波段反向信道構成的天地高速話音鏈路。話音子系統如圖4所示。

圖4 話音子系統Fig.4 Audio subsystem

目標飛行器話音通信子系統低速話音鏈路使用低速先進多帶激勵(AMBE)編碼算法(碼速率8 kb/s),這是一種能在較低速率時提供較高語音質量的語音壓縮算法,同時還具較高的對背景噪聲和信道差錯容錯的能力。與載人航天一期使用的自適應差分脈沖調制(ADPCM)算法相比,碼速率降低了50%,話音質量略有提升。高速話音鏈路使用高速高質量的先進音頻編碼(AAC)編碼算法(128 kb/s),能提供天線語音通話和高保真音樂傳輸。

實驗艙內配頭戴送受話器插座6個,分別用于供3個航天員的任務通話接入和3個專用話接入。頭戴送受話器將接收的各航天員話音送話音處理器進行編碼,同時接收話音處理器送出的解碼話音,頭戴送受話器的頻率響應性能較寬(150～15 000 Hz)。話音通信子系統支持多個通信送受話器,不同天地通信信道、兩種編碼體制,可通過優選器或手動選擇話音質量較好的通道。

低速上行USB話音、低速下行數管話音、高速上下行中繼話音均為時分復用信號,各含有數字話音2路,通過USB上行信號、S波段數傳信道Q支路、Ka波段中繼前反向信道進行傳輸。低速下行圖像伴音、高速下行圖像伴音為單路數字話音,經圖像子系統與數字圖像復/分接后由S波段數傳信道I支路、Ka波段中繼前反向信道進行傳輸。

高、低速話音通道均設有密話功能,啟用密話時會在話音幀的特定位置填充話音密鑰。由話音設備內部專用加解密模塊對話音加解密。話音設備明密工作狀態可通過遙控指令進行切換,切為密態后下行話音將被加密。上行信號明密狀態由話音處理器自動識別,根據上行信號的內容決定是否送加解密模塊進行解密處理。

目標飛行器自主運行期間,話音環回插頭將上行話音的音頻信號環回地面,完成話音子系統的自檢。在需要進行天地通話時,用頭戴送受話器替代話音環回插頭進行通話。

2.6 圖像子系統

圖像子系統由艙內攝像機2臺、艙外攝像機1臺、太陽翼攝像機1臺、視頻處理器1臺、視頻編碼器1臺和視頻切換器1臺等組成。構成天地圖像通路2條,一路為S波段數傳機中低速反向圖像通路,實現中低質量下行圖像傳輸,一路為中繼終端前反向圖像回路,實現高速高質量的圖像上下行傳輸。圖像子系統如圖5所示。

圖5 圖像子系統Fig.5 Video subsystem

圖像子系統設有攝像機通道5路,其中艙外攝像機1路,艙內攝像機2路,手持攝像機1路和太陽翼攝像機1路。為滿足任務攝像需要,艙外固定攝像機布局在實驗艙外柱段Ⅳ象限(偏Ⅰ象限20°),可完整拍攝交會對接過程。實驗艙外正Ⅲ象限安裝太陽翼攝像機,實驗艙內安裝艙內攝像機2臺,艙內攝像機b拍攝對接通道,艙內攝像機a拍攝液晶顯示器且安裝位置可調。配置視頻切換器1臺、視頻處理器1臺、視頻編碼器1臺,實現圖像的5路選2路切換。

圖像子系統采用基于MPEG-4(ISO/IEC DIS 14496-2)標準的圖像壓縮算法,根據不同鏈路選擇不同質量的壓縮算法。

視頻處理器對高速高質量圖像進行編碼,對接收的2路視頻模擬信號分別作A/D變換,編碼壓縮,并與話音處理器的1路192 kb/s的話音數據復接,形成3 840 kb/s的圖像及伴音數據流送高速通信處理器,經中繼Ka波段反向信道傳輸回地面。視頻處理器同時接收來自中繼前向信道的圖像及伴音信號1路,完成解碼、D/A變換后恢復為模擬視頻信號送儀表顯示器。與載人航天一期工程相比,其圖像碼速率更高,圖像更清晰,并提供了上行圖像通道。

視頻編碼器對低速中低質量圖像進行編碼,將接收的2路視頻模擬信號進行2路視頻模擬信號的A/D變換,編碼壓縮,同時與接收到的1路16 kb/s的話音數據復接,形成768 kb/s的圖像數據流送S波段數傳機,通過S波段數傳I支路下行傳輸。視頻編碼器為單/雙副圖像編碼器,可根據地面監視圖像的需要選擇單幅模式(736 kb/s圖像數據1路+16 kb/s話音數據1路)或雙幅模式(360 kb/s圖像數據2路+16 kb/s話音數據2路)輸出。

視頻切換器將艙外攝像機1臺、艙內攝像機2臺和手持攝像機的視頻模擬信號送儀表分系統的顯示器,由航天員自行選擇其中的視頻圖像進行監視。

2.7 高速通信子系統

高速通信子系統由高速通信處理器1臺等組成,是目標飛行器上下行高速數據的處理中樞。其中：上行信道處理模塊接收來自中繼終端的傳輸幀,進行同步識別、解隨機化,R-S譯碼,判別傳輸幀標識符后將遙控數據、儀表注入數據、話音和圖像數據由各自的輸出接口送指定用戶;下行信道處理模塊接收數管復接、生理遙測、圖像及伴音、話音、有效載荷、延時遙測等,動態調度傳輸幀,進行R-S編碼和編碼交織、隨機化、加同步字,形成統一數據流傳輸幀送中繼終端。處理器接口關系如圖6所示。

高速通信處理器采用基于CCSDS標準的先進高級在軌系統(AOS),碼速率高達144 Mb/s,并可根據實際需求進行速率切換;采用先進的虛擬信道調度策略,信道利用率大于98%,且可在軌切換各虛擬信道的優先級;為保證圖像與話音信號的連續流暢,通過合理的平滑算法對該兩路數據進行平滑處理,既保證了信道的延遲最小,又保證了平滑處理的可靠性;通過合理的調度與錯誤控制機制,使飛行器在某路信道發生故障后重新建立傳輸而損失的數據永遠小于1幀,既能確保信道連接的可靠性,又保證了空間應用數據最大化傳回地面。

2.8 空空通信子系統

空空通信子系統由空空通信機2臺、空空通信接口1個和空空通信天線2副組成,實現與載人飛船的雙向通信。2臺空空通信機通過空空通信接口與其他設備進行數據通信,每個空空通信機連接一個收發共用空空通信天線?？湛胀ㄐ抛酉到y框圖如圖7所示。

在交會對接段(100 km～0 m),目標飛行器與載人飛船的空空通信設備建立雙向空空直接鏈路。目標飛行器將GPS和GLONASS兼容機(GNSS)數據及工程遙測數據(含GNC姿態數據)發送至載人飛船,同時目標飛行器的空空通信機接收載人飛船轉發的遙控指令、注入數據,解調后將遙控數據幀送遙控解調器。

圖6 高速通信處理器接口關系Fig.6 AOS interface

圖7 空空通信子系統Fig.7 Space to space communication subsystem

空空通信機采用直接序列擴頻體制,a、b機的收發頻率相同,通過不同擴頻序列進行碼分多址;為提高信道容錯能力,采用R-S編解碼進行糾錯處理;中頻部分采用基于軟件無線電技術的數字化解擴解調方案,從中頻對模擬信號進行采樣數字化,之后所有處理均在數字域內完成,具有硬件平臺通用、調試簡單、受環境影響小的優點。

由于空空通信的通信距離為100 km～0 m,信號衰減變化大于100 dB。為防止因接收機飽和導致靈敏下降,空空通信機發射功率設計為兩檔,在不同距離內根據遙控指令進行切換。

2.9 天線子系統

天線子系統包括天線8副和天線網絡2個。其中：天線包括USB接收天線2副、USB發射天線2副、S波段數傳天線1副、GNSS接收天線1副、北斗二號(BD2)雙頻天線1副和中繼天線1副;天線網絡包括USB天線網絡和數傳天線網絡。

USB接收與發射天線實現USB應答機信號的接收與發射。在上升段及運行段姿態變化較大時,2副天線組陣工作,擴大信號覆蓋范圍;在運行段常僅用1副天線工作。由USB天線網絡實現天線的切換以及USB應答機a、b對信號的接收與發射。

S波段數傳天線實現對S波段數傳機信號的輻射。通過數傳天線網絡可在數傳天線與S波段數傳機a、b間切換。GNSS接收天線接收GNSS衛星信號,BD2雙頻天線接收BD2/GPS衛星信號。

空空通信天線a、b為收發共用天線,分別與各自的空空通信機相連,采用不同的旋向極化方式進一步提高2條空空通信信道間的隔離度。同時,該天線還具有增益高、方向寬的特點,最大方向角可達±72°。

3 可靠性設計與驗證

目標飛行器測控與通信分系統各單機研制始于2005年,至2011年天宮一號目標飛行器和神舟八號飛船發射,歷時7年。各單機的設計考慮了機、電、熱、抗輻照、電磁兼容(EMC)、元器件降額,以及安全性等多因素,采取了措施提高產品可靠性。對關鍵單機采用系統冗余備份,如USB應答機、遙測、遙控、空空通信設備的雙機熱備設計,S波段數傳機、高速通信處理器的雙機冷備份設計,話音、圖像設備的上下行多通道設計,均能在個別單機或通道發生故障時切換至其他單機或通道工作。

為驗證產品的可靠性,各單機設計完成后,均按規定經歷了振動、沖擊、加速度、熱循環、熱真空、真空放電、EMC、靜電放電敏感度(ESD)、綜合應力、拉偏、地面壓力、交變濕熱、老練等試驗,通過了所有鑒定試驗。試驗結果表明：產品可靠性設計合理,可滿足產品飛行環境要求。

4 結束語

隨著天宮一號目標飛行器的成功發射和與神舟八號飛船/天宮一號目標飛行器兩次交會對接的成功,目標飛行器測控與通信分系統圓滿完成了在軌測控通信任務。飛行結果顯示,軌道測量準確,遙控指令及時有效,艙內外圖像畫面清晰,話音清晰可懂,空空通信鏈路穩定,遙測數據采集正確圓滿。該分系統的研制成功,標志著我國載人航天工程取得了新的重大進步。