通信衛星測控分系統在軌運行綜合分析與改進

吳雨翔 王鳳春 安維剛 梅迪 楊凌軒

(1 中國空間技術研究院, 北京 100094) (2 空間電子信息技術研究院, 西安 710100)

通信衛星測控分系統在軌運行綜合分析與改進

吳雨翔1王鳳春1安維剛2梅迪1楊凌軒1

(1 中國空間技術研究院, 北京 100094) (2 空間電子信息技術研究院, 西安 710100)

截至目前，我國已成功研制并發射了數十顆通信衛星，部分衛星已圓滿完成其既定的工程任務目標。文章總結了通信衛星測控分系統總體設計的關鍵性和可靠性等特點，對某通信衛星測控分系統關鍵單機的工作時間、異常次數等在軌運行數據進行統計，并逐一分析典型異常現象，針對產生異常問題的原因，提出了加強電路設計、調整器件參數、更換能力較強器件等改進方案。此研究結果可為我國后續衛星測控分系統總體可靠性設計提供參考。

通信衛星；跟蹤、遙測、遙控；在軌運行；設計改進

1 引言

經過幾十年的發展，我國已成功發射了數十顆通信衛星。這些衛星先后應用于我國廣播、電視、通信等領域，為國民經濟建設發揮了巨大作用。部分通信衛星已成功地完成了其設計任務，進入超期服役階段或完成離軌處置。衛星測控分系統是通信衛星的重要組成部分，地面站通過測控分系統實現對衛星的控制、監視與測軌工作，分系統正常工作是衛星在軌穩定運行的關鍵要素之一。為此，對已完成工程任務的通信衛星測控分系統在軌性能進行全面分析，總結經驗，將對后續通信衛星長壽命、高可靠的發展具有重要意義。

本文簡述了通信衛星測控分系統總體設計狀態，以某顆具有代表性的、已離軌的通信衛星的在軌運行數據為基礎，分析了測控分系統的在軌運行情況，對典型在軌異常提出改進措施，并給出更改措施在后續通信衛星中的在軌驗證結果。

2 通信衛星測控分系統概述

通信衛星測控分系統是對衛星進行跟蹤、遙測、遙控的專用電子系統，由星載測控分系統和地面測控網兩部分組成。通信衛星星載測控分系統由跟蹤、遙測、遙控3個子系統構成，實現的功能包括：提供下行信標信號，由地面測控網完成對衛星的捕獲、跟蹤，以及測角、測速任務；采集、處理、發送衛星工程參數，由地面測控網實現對衛星工作狀態的監測；接收地面測控網發送的指令或數據信息，對衛星進行指令控制，完成特定的衛星操作，實現工程任務目標；接收、轉發地面測控網發送的測距信號，與地面測控網配合，實現對衛星的測距功能[1-2]。

我國通信衛星普遍采用統一微波測控系統，即用一個微波信道在其頻帶內復合調制多種信號，以頻分復用的多路信號傳輸方式，完成對衛星的跟蹤、遙測、遙控等功能。典型的通信衛星測控分系統由全向遙控天線、輸入分路濾波器、應答機、遙控設備、遙測設備、高低電平開關、低功率放大器、高功率放大器、輸出多工器、天線切換開關、全向遙測天線、定向天線組成。其原理框圖如圖1所示[3]。

圖1 通信衛星星載測控分系統原理框圖

通信衛星在軌運行過程中，測控分系統接收通道工作在全向狀態，保證衛星姿態異常時上行指令正常工作。測控分系統發射通道設置兩種工作模式：全向模式和定向模式。衛星定點前，以及衛星定點后姿態異常情況下，測控分系統工作在全向模式，測控分系統使用高功率放大器，由全向發射天線輻射測控信號，以保證下行測控信號準全向空間的覆蓋范圍。衛星定點后的長期在軌運行期間，有效載荷使用高功率放大器發射通信業務信號，測控分系統使用低功率放大器，由高增益的定向發射天線輻射測控信號。全向模式和定向模式的切換，由地面測控網發送指令，通過控制高低電平開關和測控切換開關的方式實現。

通信衛星測控分系統的關鍵單機包括應答機、遙測設備、遙控設備、高功率放大器、低功率放大器。應答機完成上行測控信號解調、下行測控信號調制，同時完成測距信號轉發功能。遙控設備完成遙控指令或數據的接收、解調、譯碼和輸出。遙測設備完成各類遙測信號的采集、編碼、組幀、調制。高功率放大器、低功率放大器完成遙測信號的放大。為保證衛星的可靠運行，關鍵單機均有備份。各單機的備份情況如表1所示。

表1 測控分系統關鍵單機備份情況

3 通信衛星測控分系統在軌運行分析

以下測控分系統在軌運行分析的數據，來源于我國20世紀90年代末研制的某地球靜止軌道通信衛星，該衛星采用東方紅三號衛星平臺，設計壽命8年，實際在軌運行超過12年[4]。其測控分系統原理也如圖1所示。

3.1典型測控分系統在軌運行分析

該衛星在軌運行期間各分系統發生異常占總異常次數的比例分別為：電源分系統約11%、控制分系統23%、測控分系統14%、轉發器分系統49%、地面系統不當操作造成的異常11%。其中，15%的異常問題為在超設計壽命期內發生。各個分系統及地面操作造成的整星在軌異常分類及比例如圖2所示，其中測控分系統在軌異常占整星異常的14%。

測控分系統隨整星經歷了主動段、轉移軌道、在軌測試、在軌運行、軌位調整、離軌等衛星全壽命周期的各個階段。整星在軌運行期間，星載測控分系統圓滿地完成了各項測控任務，未發生影響衛星安全及用戶使用的重大異常事件。[5]

圖2 在軌異常情況統計

該衛星測控分系統關鍵單機包括應答機、遙測設備、遙控設備、高功率放大器、低功率放大器。應答機在衛星發射前即雙機熱備份工作，應答機A、B均曾出現在軌異常，但最終沒有出現影響衛星安全及用戶使用的重大異常。低功率放大器在衛星定點后開機，雙路熱備份工作，開機兩個月后一路失效，衛星在軌兩年11個月另一路失效。高功率放大器在衛星發射前開機，完成主動段、轉移軌道段測控任務。其后，衛星測控分系統發射通道轉為定向模式。低功率放大器發生在軌故障后，測控分系統重新切換為全向模式，以高功率放大器完成其后的測控任務。測控分系統主要單機在軌工作時間、設計壽命如表2所示。完成8年(70 080 h)設計壽命按100%完成任務計算，則超設計壽命期累積統計在軌工作時間見表2。

表2 測控分系統關鍵單機在軌工作時間

該衛星測控分系統9次在軌異常中，8次出現在設計壽命期內，1次出現在超設計壽命期內。隨著時間的推移，分系統異常逐漸增多，然后趨于平穩。由表3、圖3關鍵單機在軌逐年發生的異常情況可知，雖然與時間有一定關系，各單機的異常現象仍然是隨機出現的。

表3 測控分系統關鍵單機在軌異常情況

圖3 測控分系統關鍵單機在軌異常情況百分比

3.2典型異常現象分析

分析多個通信衛星測控分系統在軌數據，各個衛星遙測設備、遙控設備、高功率放大器均在軌運行良好，在軌異常集中出現于應答機、低功率放大器等單機，以上測控分系統在軌運行數據分析也反映出這一點。

3.2.1 低功率放大器在軌失效

按照通信衛星測控分系統總體設計，衛星定點后測控分系統發射通道工作在定向狀態，通過低功率放大器放大應答機輸出的微波信號。以上測控分系統在軌運行數據分析中，低功率放大器主份和備份先后在軌失效，致使測控分系統發射通道長期使用有效載荷高功率放大器，被動占用并削減了衛星有效載荷頻帶資源。

該低功率放大器采用砷化鎵金屬半導體場效應晶體管進行功率放大，此類器件存在靜電損傷的失效模式。當場效應管由于電壓浪涌、電路自激或接地不良而受到電沖擊，可造成漏電流增加、擊穿電壓降低，進而形成導電溝道，導致突然燒毀失效。

在衛星運行過程中，空間帶電粒子與衛星相互作用可引起凈電荷積累，進而形成靜電電位，累積到一定程度最終發生靜電放電現象。衛星靜電放電可引發電氣開關異常、潛在的材料損壞和元器件失效，從而縮短衛星的工作壽命并影響其可靠性。試驗數據表明，場效應管失效是由于衛星在軌運行中靜電積累造成的，采用抗靜電能力不足的器件導致了低功率放大器的在軌失效。

3.2.2 應答機在軌異常

通信衛星測控分系統采用統一微波測控體制應答機，具備完全的遙控解調及副載波輸出、遙測副載波調制及測距功能。遙控指令、遙測參數、電源部分、上行測控信號輸入、下行測控信號輸出設備相互獨立。

以上測控分系統在軌運行數據分析中，應答機A在軌運行5年后出現遙測參數異常跳變現象，在軌6年1個月后再次出現遙測參數異常跳變現象，并出現上行測控失鎖、不能正常接收上行指令、測距信號現象，最終在軌失效，導致測控分系統關鍵單機損失備份設備。

應答機由測控接收部分和測控發射部分組成，其中測控接收部分是一個二次變頻接收機，其主要功能是接收、解調并放大測距信號，接收、解調、放大上行遙控信號，將解調出的遙控信號送往衛星上遙控設備，解調出的測距信號送往測控發射部分。測控接收機主要組成部分包括：低噪聲放大器、下變頻器、中頻放大器、混頻器、解調輸出電路、濾波器、AGC放大電路和頻差變換電路等。其原理框圖如圖4所示[6]。

注：AGC為自動增益控制，使放大電路的增益自動地隨信號強度而調整的自動控制。 圖4 應答機接收部分原理框圖

對該產品的同類產品進行的試驗表明：應答機A在軌運行的中后期，其接收機鑒頻解調電路中的元器件老化，性能參數畸變，導致產生的雜波使鑒頻器工作在不正常狀態，整機鑒頻特性發生很大變化。試驗現象表現為：遙測參數不能反映上行測控信號的工作狀態，鑒頻電路作用失效，不能進行正常接收測距信號和遙控信號。

以上測控分系統在軌運行數據分析中，應答機B出現4次在軌輸出異常，隨著單機殼溫的降低，輸出信號功率減小。為提高應答機工作溫度，開啟應答機附近的加熱器，以空間輻射的方式對其增溫。隨著溫度的升高，應答機B發射機恢復正常工作。應答機B在軌運行的中后期，其發射機中的三極管性能參數發生較大變化，電路對溫度條件要求升高。當應答機工作環境溫度不能滿足需求時，導致故障發生。在后續衛星研制中，修改應答機發射機倍頻鏈方案后，電路穩定性、一致性較好，未再發生類似現象。

3.2.3 應答機測距開關跳變

通信衛星測控分系統應答機接收地面發送的測距音信號，在接收機中解調成測距副載波信號，然后送至發射機，在發射機中對下行載波調制，最終向地面站發送。應答機中設置電子開關，用于控制測距信號從接收機到發射機的傳輸路徑。一般情況下，測距開關處于連接狀態，方便地面站隨時進行測距操作。

以上測控分系統在軌運行數據分析中，出現測控分系統應答機A、B測距轉發開關同時跳變。由于測控開關狀態可由地面站通過遙控指令恢復為正常狀態，且該異常跳變沒有對測控分系統乃至整星造成任何不良影響，因此異常處理過程中僅按操作流程發送相關遙控指令，恢復正常工作狀態。

測控分系統應答機測距轉發開關由遙控指令控制，指令接口電路以及遙測狀態接口電路示意圖如圖5所示。

以上電路設計，在CMOS觸發器R、S輸入端對地電阻兩端并接濾波電容，指標設計范圍根據實際電路調試情況選取。但實際產品中，并沒有裝配預先設計的濾波電容。因此，指令輸入端存在短時強脈沖的情況下，可干擾以上電路的正常工作，造成輸出端電平異常翻轉。

測距通、斷指令從指令輸入端進入應答機，經過分壓電阻后，將信號分別送至CMOS觸發器R和S輸入端口，觸發器Q端控制后端的電子開關，同時作為應答機測距開關狀態遙測輸出。遙控指令為脈沖形式，其脈沖幅度約為12 V，寬度約為100 ms。CMOS觸發器的作用是將指令脈沖變為控制開關的高低電平，使得電子開關保持開或斷的狀態。為驗證應答機受干擾情況摸清指令脈沖干擾門限，分別調整脈沖寬度和幅度，進行了以下兩項試驗：

第一項試驗中，維持脈沖寬度為100 ms不變，調節脈沖的幅度，測試可導致CMOS觸發器輸出翻轉的最小指令脈沖幅度。測試結果說明，干擾脈沖寬度約為100 ms，幅度高于6.3 V時，即可使測距轉發開關指令電路異常翻轉。

第二項試驗在第一項基礎上進行。試驗中，維持脈沖幅度6.3 V，調節脈沖的寬度，測試可導致CMOS觸發器輸出翻轉的最小指令脈沖寬度。測試結果說明，當干擾脈沖幅度高于6.3 V時，且寬度大于1.4 μs，即可使測距轉發開關指令電路異常翻轉。

注：CMOS為互補金屬氧化物半導體的縮寫，是大規模集成電路可讀寫芯片。圖5 應答機測距遙控、遙測接口電路示意圖

4 設計改進與在軌驗證

通信衛星測控分系統應答機、低功率放大器在軌異常，主要體現為對空間環境認識不足、抗干擾設計不充分。

衛星在真空環境中發生的放電現象包括真空放電、微放電、表面靜電充放電等。地球同步軌道高度的等離子體的平均電子溫度為2.4 keV，平均質子溫度10 keV，中性分子極少，這個軌道高度是航天器表面充放電的多發區域。靜電放電有熱二次擊穿、介質擊穿、表面擊穿等多種方式，可使太陽電池、電子器件和光學敏感器件的性能下降或損傷[7]。

對于低功率放大器在軌失效，后續衛星采取了多種手段提高產品抗靜電能力。主要措施包括：采用抗靜電能力較強的場效應管，提高低功率放大器抗靜電能力；加強低功率放大器靜電瀉放電路的設計，使低功率放大器中不產生靜電積累；與測控分系統相連接的天線噴涂導電漆，使分系統各個部件之間不致產生過高的電位差；整星裝配過程中，確保低功率放大器接地樁接地良好，以及機殼接地良好；生產研制和產品運輸過程中，嚴格做好靜電防護工作。這些措施有效地提高了低功率放大器抗靜電放電的能力，其后連續數顆通信衛星裝載的十余臺低功率放大器均在軌工作良好，沒有再出現類似異常現象。

應答機測距開關跳變體現為指令接口受干擾，也就是抗干擾設計不充分。航天器干擾現象包含三個要素：干擾源、敏感設備、傳播途徑，切斷三者之間的聯系即可有效地抑制干擾現象。為了提高應答機測距轉發開關指令電路抗干擾能力，需要對其元器件參數進行調整：將R1、R2、R3、R4的電阻值調高為原有電阻值的3倍，在C1*的基礎上增加串聯一個相同的電容且也與R2并聯，C2*按照C1*相同方式處理。

調整后，對于脈沖寬度為100 ms的干擾脈沖，幅度門限與調整前相比有較小提高；對于脈沖幅度為100 ms的干擾脈沖，寬度門限與調整前相比有大幅度提高。由于干擾脈沖多表現為大幅度、窄脈寬的形式，以上調整可有效地防止應答機測距轉發開關受干擾。采用以上接口電路的應答機已在軌運行并工作良好，沒有再出現測距開關異常跳變。

5 結術語

典型通信衛星測控分系統在軌運行數據說明：測控分系統總體設計合理，可以在衛星全生命周期內，與地面測控網相配合完成各項測控任務；關鍵單機備份方案得到驗證，通過合理的設備切換，確保在衛星設計壽命中，測控分系統不發生影響衛星安全及用戶使用的重大異常事件；部分單機出現在軌異常，主要是由于對空間環境認識不足、抗干擾設計不充分，這在后續衛星研制中已進行更改，并得以驗證。

根據通信衛星測控分系統全生命周期性能分析，總結測控分系統設計的成功和不足之處，可作為后續衛星測控分系統優化設計的技術支撐與基礎，為衛星工程系統頂層設計提供可靠的依據。

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Tan Weichi，Hu Jingang. Spacecraft systems engineering[M].Beijing：China Science and Technology Press，2009 (in Chinese)

(編輯：李多)

Analysis and Improvement of Communications Satellite TT&C Subsystem On-board Performance

WU Yuxiang1WANG Fengchun1AN Weigang2MEI Di1YANG Lingxuan1

(1 China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

(2 Academy of Space Electronic Information Technology, Xi’an 710100, China)

More than dozens of Chinese communications satellites have been launched. Some of them have achieved their operational objectives. The reliability and importance verified by the orbit data of some communications satellite are depicted in the paper. From the view of working life and abnormal times of critical products the paper puts forward the design improvements including strengthening circuit design,adjusting device parameters and using high grade device, and makes the analysis of typical abnormals one by one.The conclusion of the study can provide reference for the TT&C(tracking,telemetry and command) subsystem reliability design of satellites in the future.

communications satellite; TT&C; on-board performance; design improvement

2014-01-06；

：2014-03-21

國家重大航天工程

吳雨翔，男，高級工程師，從事通信衛星測控技術研究工作。Email：615857824@qq.com。

V443

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.015