嫦娥四號任務中繼通信鏈路地面測試驗證及數據處理

權爽 張靜 馬千里 劉奇 陳思豪 何曉宇

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

嫦娥四號首次實現了探測器在月球背面軟著陸和巡視勘察[1-3]，月球與地球站中繼通信鏈路是嫦娥四號任務的關鍵組成部分[4-6]。在探測器研制階段，中繼通信鏈路地面測試驗證是探測器系統級測試的重要環節，同時也是我國航天器測試領域的全新課題。在制定測試方案時，需要滿足探測器整器研制各階段測試和試驗任務需求，適應各種測試模式下的中繼鏈路信息流配置，滿足探測器月球背面著陸和巡視探測任務模擬飛行測試中的數據實時性和連續性要求，并對測試過程中產生的中繼鏈路數據的正確性和完整性進行驗證。上述需求沒有成熟型號經驗以供參考，在制定測試方案時需要站在系統級及大系統間測試驗證的角度進行充分考慮和全新設計。

本文針對月球中繼通信鏈路地面測試驗證需求，提出了系統級地面測試方案，并結合嫦娥四號綜合測試實踐，對測試流程、測試模式、測試系統實現、測試數據處理等進行總結，其成果對后續月球與深空探測器研制任務具有借鑒意義。

1 月球中繼通信鏈路概述

嫦娥四號任務采用了月球背面著陸器、巡視器和地月L2點軌道中繼衛星之間的數據再生轉發中繼通信方案[4]。通信鏈路包含器-星中繼鏈路、星-地通信鏈路和器間通信鏈路，如圖1所示。

(1)器-星中繼鏈路：著陸器自動力下降段開始與中繼衛星建立X頻段中繼鏈路；巡視器落月后開始工作，與中繼衛星建立X頻段中繼鏈路。

(2)星-地通信鏈路：中繼衛星通過S頻段測控鏈路完成自身遙測、遙控和測定軌任務，以及兩器前向數據的接收；并通過S頻段和X頻段數傳鏈路傳輸自身遙測、探測數據和轉發的兩器返向數據。

(3)器間通信鏈路：巡視器與著陸器之間的單向UHF頻段通信鏈路，用于巡視器返向數據的轉發，與巡視器自身返向鏈路形成功能備份。

其中器-星中繼鏈路和器間通信鏈路參數見表1，共包含5條鏈路、7個頻點、12種碼速率、4種數據幀長以及多種數據格式和數據內容。在地面測試階段，需要對上述通信鏈路的功能、指標和接口進行充分驗證。

注：f1、f2為著陸器X頻段中繼前向鏈路頻點；f3、f4為巡視器X頻段中繼前向鏈路頻點；f5、f6為著陸器和巡視器X頻段中繼返向鏈路頻點；fUHF為UHF頻段器間通信鏈路頻點。

2 中繼通信鏈路地面測試任務

2.1 測試任務特點

嫦娥四號中繼通信鏈路驗證工作包含初樣階段、正樣階段和在軌階段。其中正樣階段驗證工作在整器系統級地面測試期間開展，目的是最終確定飛行產品的功能、性能符合性，并對系統在軌工作程序進行地面1∶1驗證[4]。測試內容包括中繼通信鏈路各項功能、性能指標驗證，以及任務過程模擬飛行(模飛)測試。測試任務具有如下特點。

(1)測試流程環節多。隨探測器和中繼衛星研制流程推進，在多個測試階段針對中繼通信鏈路安排不同的測試項目，達到特定的驗證目的，逐層遞進，最終實現系統級功能全面驗證。

(2)測試模式多。測試流程中各階段的測試狀態不同，采取不同的測試模式，配合相應的測試鏈路設置、地面設備配置、測試數據處理過程等。

(3)測試信息流復雜。包含多種信息來源和信息路徑，在不同測試模式下，信息傳輸路徑也有所不同，要求地面測試系統具備多路信息流并行處理能力和數據格式自動識別能力，確保復雜任務過程模飛測試中數據接收的實時性、連續性和完整性。

(4)測試數據比對判讀要求高。要求對不同路徑接收的數據進行比對、判讀和分析[7]，充分驗證中繼鏈路數據轉發功能。

2.2 測試流程

中繼鏈路測試貫穿于探測器系統級測試全過程，包括著陸器和巡視器總裝廠電性能測試、兩器聯合測試、兩器一星聯試，以及兩器一星與大系統對接測試。分階段、有步驟地完成對中繼通信鏈路各項功能和指標的全面驗證。測試過程如圖2所示。

圖2 中繼通信鏈路地面測試過程

在著陸器和巡視器總裝廠測試中，分別對兩器測控數傳分系統X頻段中繼鏈路和UHF頻段器間通信鏈路進行測試。通過測試，檢查著陸器和巡視器各自器上設備的工作狀態。之后，進入兩器聯合測試階段，重點對器間UHF通信鏈路進行測試。中繼衛星完成總裝廠各階段測試后，與著陸器、巡視器共同開展兩器一星聯合測試，驗證探測器與中繼衛星之間中繼鏈路的各項功能、指標和接口。在中繼衛星和探測器出廠前，分別安排兩次兩器一星與大系統無線對接測試。

2.3 測試模式

根據探測器測試狀態的不同，測試模式包括著陸器單器測試模式、巡視器單器測試模式、兩器聯合測試模式和兩器一星聯合測試模式。在地面測試期間，兩器一星聯合測試模式最接近在軌真實工作狀態，在該模式下對中繼通信鏈路進行全面驗證。工作模式如圖3所示，中繼衛星測控上行信號由中繼衛星地面測試設備產生，中繼衛星下行遙測和數傳信號由中繼衛星地面測試設備接收。著陸器、巡視器與中繼衛星之間建立從動力下降至月面工作期間的中繼通信鏈路，模擬在軌真實工作狀態。著陸器、巡視器指令通過中繼衛星上行鏈路和中繼前向鏈路發送到器上；著陸器、巡視器數傳數據通過中繼返向鏈路和中繼衛星下行鏈路傳回地面。同時，巡視器通過器間通信鏈路將數據發送給著陸器，再經上述路徑轉發至地面。

3 地面測試系統和數據處理

3.1 地面測試系統

探測器地面測試系統由總控設備、測控數傳地面設備、供配電地面設備、GNC地面設備、推進地面設備、有效載荷地面設備等組成[8]。其中測控數傳地面設備和總控設備與中繼鏈路測試驗證密切相關，設備組成如圖4所示。

與嫦娥三號探測器地面測試系統不同的是，除著陸器和巡視器各自的遙控前端、遙測前端和數傳前端外，增加了中繼轉發遙控前端和中繼轉發數傳前端。前者負責將總控生成的中繼前向指令發送至中繼衛星地面測試系統，再經中繼衛星轉發給探測器；后者負責接收由中繼衛星地面測試系統接收并轉發來的探測器中繼返向鏈路數據，并將數據轉發給探測器總控和其他分系統地面設備。地面測試鏈路覆蓋表1中的5條中繼通信鏈路和7個中繼通信頻點，數據格式覆蓋表1中的12種碼速率和4種數據幀長。地面測試系統支持探測器單器測試、兩器聯合測試和兩器一星聯合測試模式，支持探測器正樣研制流程中各階段系統級測試任務。

3.2 測試數據處理

1)測試信息流

在兩器一星聯合測試模式下，探測器地面測試系統接收的中繼返向鏈路信息流包括著陸器、巡視器直接下傳到地面的中繼返向數據；著陸器、巡視器通過中繼衛星下傳到地面的中繼返向數據；巡視器直接下傳到地面的器間通信數據；巡視器通過著陸器及中繼衛星下傳到地面的器間通信數據等。

圖3 兩器一星聯合測試模式

圖4 探測器地面測試系統

表2列出了各種測試模式下的全部12路測試信息流。

表2 中繼返向和器間通信鏈路測試信息流

2)測試數據處理要求

為支持復雜任務過程模飛測試，測試數據處理需要滿足以下要求：

(1)多通道并行處理。同一個數據源產生的數據可能通過最多3條信息路徑下傳到地面，例如表2中的信息流D、F、K。因此要求地面測試系統具備多通道并行數據處理能力。

(2)數據格式自動識別。在模飛測試過程中，按照飛行程序需要經歷地月轉移、環月飛行、動力下降、月面工作等多個任務過程，測控數傳通道轉換頻繁，動作時間緊張，并且需要保證數據接收的連續性和完整性。因此要求地面測試系統能夠自動識別接收的數據格式，選擇相應的數據處理方法。

(3)支持數據比對判讀。對不同信息路徑下傳的數據進行比對和判讀，驗證中繼鏈路數據轉發功能。具備數據原碼比對和處理后的數據工程值比對兩種方式。

3)測試數據處理過程

根據以上要求，設計測試數據處理過程如圖5所示，包含以下步驟：

(1)判斷信息來源。通過數據包中的信息源標志區分數據來自著陸器數傳前端、巡視器數傳前端或中繼轉發數傳前端。

(2)判斷航天器標志。通過航天器標志區分所屬航天器，濾除中繼衛星數傳數據包，保留著陸器和巡視器數據包。

(3)判斷虛擬信道標志。通過虛擬信道標志判斷數據類型，區分著陸器長幀遙測源包、著陸器短幀遙測源包、巡視器遙測源包或巡視器幀遙測。

(4)數據幀長度校驗。判斷數據幀長度進行數據格式校驗。

(5)數據分類處理。根據上述流程判斷的信息內容和數據格式，選擇相應的數據處理方法，完成遙測參數提取、解析、顯示、歸檔和判讀。

4)測試數據比對判讀

通過比對不同信息路徑傳輸相同信源數據的一致性，可以有效驗證中繼鏈路數據轉發功能的正確性。例如在兩器一星聯合測試模式下，巡視器器間通信遙測源包數據可以直接由巡視器地面設備接收(信息流D)；也可以通過著陸器轉發后由著陸器地面設備接收(信息流F)；還可以經中繼衛星轉發后由中繼衛星地面設備接收，再轉發給巡視器地面設備做進一步處理(信息流K)，如圖6所示。經處理后，3路信息流有效數據格式和數據內容應完全相同，通過對數據幀原碼進行比對，并對處理后的遙測工程值進行比對和判讀，可以驗證中繼返向鏈路和器間通信鏈路的工作狀態。

圖5 測試數據處理過程

圖6 巡視器測試數據比對

表3分別給出了兩器聯合測試和兩器一星聯合測試模式下的數據比對判讀策略。在兩器一星聯合測試模式下，共有5組測試數據需要進行比對：

(1)著陸器長幀遙測源包：信息流A、H；

(2)著陸器短幀遙測源包：信息流B、I；

(3)巡視器遙測源包：信息流C、J；

(4)巡視器器間通信遙測源包：信息流D、F、K；

(5)巡視器器間通信幀遙測：信息流E、G、L。

表3 測試數據比對判讀策略

注：信息流代號“A～L”說明見表2；“-”表示信息流在該測試模式下不存在；相同符號的信息流用于該測試模式下的數據比對。

4 結束語

本文提出的中繼通信鏈路測試驗證方案應用于嫦娥四號探測器研制任務，支持完成了探測器正樣階段各項測試、試驗和發射工作。經驗證，中繼鏈路各項功能、性能指標符合設計要求，滿足在軌任務需求。探測器發射入軌后，著陸器在中繼衛星的支持下成功實現了月球背面軟著陸，著陸器和巡視器在月球背面成功開展了一系列探測活動，通過中繼鏈路將月球背面圖像和科學探測數據傳回地球。本文的研究成果對未來深空中繼通信系統的設計和研制具有一定參考價值。