基于中繼衛星的載人航天天基測控體系研究

柳海濤 張偉

【摘要】 基于中繼衛星的天基測控系統在我國載人航天測控系統中扮演越來越重要的角色，本文從天基測控體系的優勢入手，介紹了基于中繼衛星的天基測控體系工作原理，并對天基測控終端的組成及關鍵技術進行了研究，給出了天基測控終端的組成原理框圖及與中繼衛星一天內可建立通信鏈路的情況。

【關鍵詞】 天基測控 載人航天

一、引言

在我國載人航天任務中，由“天鏈“系列中繼衛星構成的天基測控網的應用極大地提升了航天測控網的覆蓋范圍，從根本上彌補了地基測控通信覆蓋率低的問題。天基測控所使用的Ka/S頻段的數傳/測控信道，具有通信頻帶寬、返向鏈路容量大的特點，有效地保證了交會對接、太空授課等各類在軌試驗活動的順利執行。在我國后續的空間站及空間實驗室任務中，載人航天系列發射任務更加頻繁，航天員在軌時間更長，進行的各類在軌操作與科學實驗更多，對測控網的高速數傳、多目標測控等技術要求也更高，因此天基測控在后續載人航天任務中的應用將更加廣泛。

二、基于中繼衛星的天基測控體系的優勢

天基測控系統主要包括數據中繼衛星系統和導航衛星系統等天基系統，本文僅討論基于數據中繼衛星系統的天基測控在載人航天中的相關應用及發展。

數據中繼衛星系統是在地球同步軌道上布設專用的數據中繼衛星，通過與其它衛星建立星間鏈路通信，完成前、返向數據的轉發和中繼，與地面站建立起通信鏈路。理論上，只要在地球同步軌道上布設三顆相互夾角為120°的數據中繼衛星，即可以實現對全球低軌道空間飛行器100%的軌道覆蓋。但是對我國而言，這必須有一個地面站建立在國外，實現起來非常困難。如果在地球同步軌道上布設兩顆數據中繼衛星，即可實現80%～92%的軌道覆蓋，這可以滿足載人航天任務的軌道覆蓋要求。因此，采用數據中繼衛星為平臺，建設我國星座組網的載人航天天基測控通信系統，是解決我國載人航天測控通信問題的有效途徑。

載人航天任務增加天基測控手段，可帶來如下所述的優點。1）高測控覆蓋率。通過加裝中繼用戶終端，可利用中繼衛星實現對載人航天器的大范圍測控，延長測控弧段，大大提高測控覆蓋率；2）高數據傳輸實時性。利用中繼衛星，載人航天器的大量載荷數據可及時回傳到國內，改變以前衛星過境回傳數據的歷史，衛星觀測數據回傳時效性有了質的飛躍，衛星應用效能得到顯著提升；3）大幅度提高測控數傳可靠性。中繼衛星系統和地基測控系統相互備份、相互補充，可以明顯提高測控數傳的可靠性，降低了測控風險；4）多目標同時測控。在交會對接和未來空間站任務中，需要對目標飛行器和追蹤飛行器2個或多個目標進行同時測控。

三、基于中繼衛星的天基測控體系工作原理

數據中繼衛星系統，由“天鏈“系列中繼衛星、地面測控站和載人航天器中繼終端設備組成。中繼衛星地面站將發往載人航天器的相關遙控指令和上注數據等信息，調制到S/Ka頻段鏈路上，發往中繼衛星，再由中繼衛星轉發給載人航天器；載人航天器將要傳給地面的遙測信息和應急話音等數據，先經S/Ka頻段星間鏈路發往中繼衛星，再由中繼衛星將相關信息轉發至地面中繼測控站，并行相關解調、解擾、譯碼處理。

中繼衛星天基測控系統工作原理如圖l所示。

四、天基測控終端的組成及關鍵技術

載人航天器天繼測控終端是安裝在載人航天器上的測控終端設備，完成信號的接收和轉發，通過總線接口、RS422接口與載人航天器的指令分系統、數管分系統、遙測分系統相連接，完成對載人航天器的測控和數據傳輸功能。用于滿足地面測控網視距范圍外的測控通信，以延長測控時間、實施空間快速響應任務和應急情況下對載人航天器的監視和控制，并且為用戶衛星提供多種速率遙控遙測服務。

4.1天基測控終端的組成及功能

載人航天器天基測控終端主要由中繼測控終端、高頻電纜、測控天線組成，其組成原理框圖如圖2所示。

前向的處理過程為：接收來自中繼星轉發的前向遙控、測距擴頻信號，傳送到中繼S終端射頻接收模塊，射頻接收模塊對信號進行濾波、低噪聲放大、下變頻、中頻濾波、中頻信號放大和AGC控制。輸出中頻信號送到基帶信號處理模塊，AD采樣后在數字基帶內完成捕獲、跟蹤、比特同步，最終解調、譯碼出遙控PCM碼流，碼型變換后送遙控單元，同時恢復測距偽碼；返向的處理過程為：接收遙測PCM信號后送基帶模塊，經過對遙測數據組幀、RS編碼、加擾處理后進行卷積編碼，上行沒有鎖定時，采用本地產生的長碼進行直接序列擴頻，上行鎖定后采用恢復的上行測距偽碼進行擴頻，成形濾波之后，經過射頻通道進行載波調制、濾波放大后，經天線送中繼星。

4.2天基測控終端的關鍵技術研究

天基測控終端的研制突破了多項關鍵技術，解決了多項技術難點。以下對其采用的關鍵技術進行說明：

4.2.1寬波束中繼測控天線的“車輪狀”波束賦形技術

天基測控終端作為載人飛行器和中繼衛星通信的設備，其目的是為了延長測控通信時間，測控弧段主要為境外測控。所以要求中繼測控天線的增益覆蓋范圍為，全方位面且具有一定角度的俯仰角，類似于“車輪狀”賦形波束。

為了達到“車輪狀”這種特定的波束覆蓋，中繼測控天線在選取傳統的雙繞背射螺旋天線的基礎上，進行了電性能重新設計，主要在螺旋天線傳統的輻射模式的基礎上，進行了波束賦形設計，使天線的工作狀態為法向模和軸向模結合，產生了特殊的“車輪狀”賦形波束。

采用此種天線方向圖，在星體能滿足天線視場條件下，大部分通信覆蓋區域有效地避開地基通信的覆蓋區域，同時合理運用螺旋天線方向圖仰角調整的方法，在不損失鏈路增益的情況下有效地增加了天基測控終端在地基通信以外的覆蓋區域。不僅滿足了載人飛行器與中繼衛星的通信時間的要求，還大大提高了單軌最長測控時間、每天總測控時間、測控覆蓋率及傳輸時效性。圖3為載人航天器與中繼衛星之間可視時間和可視區域的STK軟件仿真情況說明，紅線為建立通信鏈路的區域。從仿真結果可以看出，在載人航天飛行器正常姿態情況下，每天與任意一顆中繼衛星的測控時間均大幅延長，載人飛行器的天基測控能力顯著提升。

4.2.2大多普勒范圍直接序列擴頻信號的高靈敏度快捕跟蹤技術

由于天基測控的信號傳輸距離與地基測控模式相比要遠很多，中繼衛星到載人航天器之間的距離達4萬公里而不是用戶星到地面站的幾百到幾千公里；另外中繼衛星受功耗的限制，對載人航天器的發射EIRP較地面站也小許多，并且中繼星在轉發用戶星與地面站之間的測控信號時，轉發器噪聲進一步污染了有用信息。因此，天基測控模式下天基測控終端的鏈路預算與地基測控模式相比，要緊張很多。例如，在S頻段下采用簡單的全向天線，要求天基測控終端解調門限電平優于-124dBm。同時，中繼星和載人航天器之間的相對運動造成多普勒頻率變化范圍大的特點，需要考慮在-90kHz～90kHz的多普勒變化范圍內實現快速捕獲。中繼測控低信噪比、大多普勒變化范圍的特點，要求接收機實現直接序列擴頻信號的高靈敏度快速捕獲跟蹤，此技術是天基測控終端研制過程中最為關鍵的技術。使用基于FFT的并行頻率搜索捕獲算法完成載波和偽碼的快速捕獲。通過延長相干積分時間，獲取到較高的處理增益，滿足高靈敏度捕獲的目的；另外，中繼遙控偽碼碼長較短，故采用時域滑動搜索，頻域上通過FFT實現并行搜索的方案，一次FFT運算可以實現-90kHz～90kHz的多普勒變化范圍內的搜索，而且能夠得到多普勒頻率的精確估計。在捕獲的偽碼相位預測值和偽多普勒頻率預測值的基礎上進行偽碼相位跟蹤、載波跟蹤和數據位的跟蹤。上行遙控信號的數據位和偽碼周期不相參，為適應數據位與偽碼周期非相參時直擴信號的跟蹤，上行跟蹤與位同步解調模塊采用位同步環、碼跟蹤環和載波跟蹤環并行工作。碼跟蹤環采用由積分清除器、碼鑒相器、環路濾波器等組成的數字延遲鎖相環（DDLL）。采用載波輔助方法來消除大部分的碼多普勒頻率，這樣可以降低偽碼相位跟蹤環的階數，簡化偽碼相位跟蹤環設計。所以采用二階跟蹤環路即可跟蹤高動態信號。載波跟蹤環在跟蹤載波變化的同時向碼跟蹤環提供一個載波輔助量用以校正由于多普勒效應引起的碼率變化。

4.2.3直接序列擴頻信號的抗多址干擾技術

干擾的存在影響系統的整體性能，同時惡化了系統的同步性能、解調和測量性能，使檢測概率降低、虛警概率升高、平均捕獲時間變長、失鎖概率增加、誤碼率變大、測量誤差加大等。由于擴頻碼的非理想互相關性，碼分多址系統中總是存在碼間干擾問題，即強的信號會影響弱信號的捕獲和跟蹤。天基測控終端采用周期為1023的Gold碼作為擴頻碼，碼序列的自相關峰和互相關峰的比值理論上只有1023/65，因此，碼間干擾現象較嚴重，功率較強的干擾信號將造成信號通道的誤捕和誤跟。如何既保證捕獲靈敏度，又允許干擾信號和有用信號有較大功率差，是天基測控終端需解決的另外一項關鍵技術。在天基測控終端的研制中，采用根據信號強度自適應改變檢測判決門限的恒虛警門限方法；利用偽碼的相關特性以及聯合判決檢測誤鎖等新的思路和方法，可有效控制使得碼間干擾引起的誤捕或誤鎖，實現優良的碼間干擾抑制能力。

五、結束語

天基測控是我國載人航天測控體系的主要發展方向，隨著空間站和空間實驗室任務的實施，載人航天將迎來新的發展高潮，必將帶動與之相關的天基測控技術的飛速發展。今后在中繼鏈路設計與分析、遙控遙測數據高碼速率傳輸、抗干擾抗截獲能力提高等方面是天基測控體系研究的重點。基于中繼衛星的天基測控體系的有效應用不但能夠減少地面測控站和遠洋測量船的使用數量，而且能夠彌補地面覆蓋盲區，降低地面任務費用，提高測控和通信能力，將來必將有更廣闊的發展。

參 考 文 獻

[1] 王家勝. 我國數據中繼衛星系統發展建議，航天器工程，2011

[2] 李艷華，盧滿宏，天基測控系統應用發展趨勢探討，飛行器測控學報，2012