基于銥星的南極高空氣球測控系統設計及實現

黃宛寧,趙志恒,郝 勇,張泰華

(1.中國科學院空天信息創新研究院，北京 100094; 2.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 100094)

0 引言

南極地區因為其獨特的地理位置，具有極晝和極地渦旋的特殊氣候條件。在極晝期開展高空科學氣球飛行，避免了晝夜溫度交變帶來的高度變化和浮力損失，使用零壓氣球就可實現定高飛行；而極地渦旋是指在極地上空某些高度存在的持續氣流環流，風向穩定在緯向，高空氣球可利用極地渦旋長時間環繞南極洲飛行，既可以對地觀測冰面特征，研究南極物質平衡變化，又可以對天進行空間科學的天文觀測，為空間天文衛星的發展積累數據和進行技術迭代。

NASA在南極麥克默多站開展了三十多年的高空氣球發放活動[1]，在空間科學研究領域取得了豐碩的成果，并且保持了每年3～4次的南極高空氣球發放頻率，很多大型空間科學計劃均采用了南極高空氣球飛行進行前期驗證；日本昭和站也有多次高空氣球飛行試驗記錄。我國尚未在南極開展高空氣球發放活動。在國內第38次南極科考活動中，中科院空天院有望依托國家重點研發計劃的“三極環境與氣候變化重大科學問題預研究”需求，首次開展南極高空氣球發放的嘗試，通過高空氣球攜帶的對地觀測相機，拍攝南極的冰蓋/冰架/海冰等的冰面特征，如冰面融池或冰裂隙等，驗證星基平臺獲取的冰蓋/冰架/冰川、海冰等南極關鍵環境要素產品，為揭示南極物質平衡變化、海-陸-氣相互作用過程及對海平面上升的影響等研究提供平流層長航時觀測數據。

由于是首次在南極開展高空氣球試驗，缺乏南極高空氣球回收的經驗，首先考慮的是載荷數據的實時回傳，不考慮吊艙落地之后回收數據的方案，南極地區尚未建設大型的固定地面測控接收站，目前我國的四個南極科考站相距較遠，而且分布不均，保障條件也有較大差別，無法保障整個高空球飛行過程中的數據回傳，所以首要考慮衛星通信手段，下面對衛星通信的需求進行分析。

1 南極地區衛星通信手段調研

為了追尋極渦存在的高度和緯度范圍，觀察時空演變規律，為南極大氣環流提供原位觀測數據，為后續大型南極科考高空氣球試驗積累數據，本次飛行試驗的另一個科學目標就是選取適合的發放緯度和平飛高度，利用大氣環流盡可能實現1圈以上的繞極飛行，通過長時間的對地觀測，獲取大量有效數據。

項目組根據2018～2019年選取的三天ECMWF再分析風場數據，模擬出了這三天發放高空氣球的飛行軌跡(如圖1上圖所示)，其中平飛高度設計在35 km，可以看到2018年12月15日和2019年1月1日這兩次都實現了1圈以上的繞極飛行，可以看到飛行軌跡的最南邊已經進入了南緯80度以內，所以對本次高空氣球試驗提出的基本數傳需求為能夠提供南緯80度以內極圈的衛星通信覆蓋。NASA在2004年開展的CREAM項目是一次典型的繞極飛行試驗(圖1下)，一共飛行3圈，最終飛行軌跡達到了南緯85度左右。

圖1 典型繞極飛行軌跡

根據此需求，項目組對國內外主要的移動衛星通信系統進行了調研，結果如表1所示。

表1 主流通信衛星系統能力對比

從表1看出，有可能滿足南極飛行的衛星通信手段為銥星，海事衛星和TDRS中繼衛星。

從圖2可以看出，海事衛星通信系統最大覆蓋范圍為南緯73度左右。上圖為典型的地球同步軌道通信衛星的波束覆蓋示意圖，由于地球曲率的影響，一般無法覆蓋到兩極的高緯度地區，即使寬帶通信衛星能夠覆蓋到，也因為仰角過低，需要配備高增益的大型地面天線[2]。這樣的設施可以用于南極永久科考站的通信保障，但對于高空氣球飛行來說，顯然無法承受過重的載荷。日本科考隊員在南極昭和站使用海事衛星進行測控通信[2]，但當時使用的速率僅為9.6 kbps，而且由于昭和站緯度較低(不到南緯70度)，并不能表明海事衛星在南緯80度區域也可以正常使用。NASA多次在南極麥克默多站發放[1]，銥星短報文/語音通信設備，以及pilot終端為測控系統的標準配置，有一些飛行試驗安裝了TDRS中繼衛星通信終端。我國自主的中繼通信衛星為天鏈一號，目前主要目標是為了支撐航天任務，尚不能對高緯度極地地區提供通信服務。

圖2 海事衛星第四代L波段覆蓋圖

綜合以上需求和調研信息，選用銥星9602短報文通信終端作為測控通信信道，選用銥星的pilot終端作為數據傳輸的主要通道[3-4]。

銥星9602短報文終端模塊重量30克，平均功率1.0 W，運行溫度 -40℃～+85℃；采用間隔短電文形式傳送雙向數據，電文長度270～340 bytes，平均時延1分鐘，(10～180 S不等)，收發頻率1 610.0～1 626.5 MHz(分時)，價格低廉，性能適中。

銥星 Pilot 終端是銥星全球寬帶的通訊終端，性能穩定可靠，可提供寬帶數據和高質量語音，包括南北極全球覆蓋；數據速率最高可達雙向134 kbps，唯一的缺點是天線尺寸較大，且重量達到了12.5 kg，但對于高空氣球飛行系統尚可接受。

圖3 銥星pilot終端

2 總體方案設計

根據通信設備的接口特點和傳輸要求，總體方案設計如下。

球載測控與數傳方案如圖4所示，主控處理器主要負責GNSS定位信息的接收和遙測數據發送以及執行切割器切割指令，遙測遙控的數據通道主要是通過銥星的9602模塊，以短報文的方式傳輸。考慮到定位信息每幀的數據量很少(GPGGA每幀數據為74字節左右)，可以利用銥星pilot終端的網絡通道做一路備用的遙測遙控傳輸。使用串口轉網絡設備，將主控處理器與工業交換機相連，通過銥星pilot終端連接上網，主控處理器就可以通過udp協議與地面端軟件進行通信了[5]。

圖4 系統總體方案

圖5 使用9602的點對點通信測控信道

圖6 使用pilot終端基于IP的測控信道

高空氣球搭載的有效載荷采用C/S架構工作，在氣球端設計為服務器，直接與銥星pilot終端連接，地面遠程控制端軟件為客戶端，需要通過公網遠程連接上氣球端載荷服務器。銥星pilot終端可以提供靜態公網IP，通過端口映射到達載荷的端口，但銥星pilot終端的連接有一個約束條件，必須是白名單之內的IP地址才能夠跟銥星終端上的設備監理連接。所以地面控制端需要有一個公網IP，加入到銥星pilot終端的白名單中。通過租用云服務器，得到公網IP，把地面控制軟件安裝在云服務器上，然后使用任何一臺可以上網的電腦，遠程登錄云服務器桌面，打開地面控制軟件，就可以完成跟銥星pilot終端連接。建立連接完成后，可以進行載荷相機的操作，軟件設計采用的是指令觸發拍照，單幅圖像傳輸的模式。使用云服務器獲得公網IP的方案有兩個優點：1)實現非常方便，成本較低，無需租用寬帶專線；2)方便多人協作，不同地點均可登陸，適合外場飛行試驗測試及監控[6]。

圖7 載荷相機數據傳輸方案

3 硬件選型

3.1 電路主要硬件選型

主控制器選用STM32F103RCT6芯片，該芯片為32位基于ARM核心的微控制器，具有豐富的通信接口，包括USB、CAN、定時器、ADC等，本設計中主要用到3路UART和1路IO輸出，芯片封裝為LQFP64，具有256 kflash，溫度范圍-40～85℃。

GNSS接收模塊選用ublox MAX-8C，靈敏度高達-166 dBm，經濟高效，低功耗，具有卓越的防欺騙和抗干擾性能，支持高度信息為50 km，可以滿足35 km高空氣球飛行需求。

3.2 串口服務器

串口服務器選用有人公司的USR-N510，實現RS232/485/422轉以太網雙向透傳功能，它最大的優點是不但可以把串口數據轉換為局域網的IP地址，通過TCP或者UDP協議發送，還可以通過有人云服務器中轉，實現與公網上遠端設備的數據交互。 本設計中采用UDP模式，串口服務器將串口設備的數據UDP發送給指定的IP網絡設備，串口服務器同時監聽端口，將所有接收的數據轉發給串口設備[7]。

3.3 相機選型

根據對地觀測的科學需求，要想看清楚冰面融池或冰裂隙，至少需要達到2 m@35 km的分辨率。考慮到有效載荷重量限制和成本，無需追求過高的分辨率，接口需求為IP網絡接口，支持TCP/UDP傳輸，綜合以上因素，選用相機參數如下。

像元數量：4 000(H)*3 000(V)

像元分辨率：0.33～10 m@35 km

視頻輸出：H.264

視頻幀頻：1～25 fps

圖片格式：JPEG

抓圖周期：指令觸發，不小于1 s

圖片大小：壓縮后不大于3 MB

4 球載軟件流程

軟件流程圖如圖8所示。處理器上電之后首先初始化串口和IO管腳，設置串口波特率為9 600 bps，等待接收串口1數據，接收一組完整的GPGGA語句。接收完畢后，并打開定時器1開始計時。將接收到的GPGGA定位信息通過AT+SBDWB指令寫入到9602終端，寫入成功后，發送信號查詢指令AT+CSQ，如果獲取的信號狀態信息大于1，說明信號尚可，可以發送，否則就循環等待信號變好。如果信號尚可，使用AT+SBDIX指令發送上星，則GPS定位信息的采集和發送工作已經完成。在本循環周期的余下部分可以查詢接收指令，如果收到指令則執行相應的動作。定時器1的溢出時間為28秒，定時器滿則本次循環周期結束，執行下一次循環。每次程序循環周期約為30秒。[8]

圖8 串口2數據發送軟件流程圖

圖9 串口1或3數據接收中斷處理流程

注意AT+SBWB指令為發送二進制數據指令，需要在寫入SBD終端的時候，在發送數據最后加上所寫入數據的兩字節校驗和。

異步串行通信接口都是以字節為單位進行通信的，也就是說每收到一個字節就會引發接收完成中斷，對于無線鏈路而言，很有可能出現信號質量不佳造成數據個別丟失的情況，對指令幀頭幀尾的判別帶來麻煩，所以在指令格式判別上必須謹慎設計。圖6所示的方法額外使用了一個定時器作為每幀結束的判別，如果隔固定時間(間隔大小根據波特率不同調整)沒有收到數據，則認為該幀傳輸完畢，開始判別該幀的有效性。我們傳輸的定位幀均是以GPGGA為起始，結尾為*hh,其中hh表示“”和“*”之間所有字符的按位異或值，如果幀頭和幀尾均正確，則認為這是一個有效定位幀，可以下傳，否則將丟棄，循環等待，直到獲取一個正確的定位幀。

使用銥星pilot終端進行遙測遙控數據通信時需要注意，因為數據傳輸也通過此通道傳輸，為了避免沖突造成數據丟失，可采用與載荷一樣的查詢模式。可通過地面軟件發送上行指令查詢幀，處理器收到查詢幀后通過串口3下傳定位信息。

5 通信測試

系統集成完畢之后，首先在北京開展通信測試。其中銥星pilot終端對測試環境要求較高，必須四周環境無遮擋才能達到較高的通信速率。首先確定銥星pilot終端狀態指示燈正常，信號強度滿格[9]。

一般情況下測試網絡的極限速度可以在兩端運行iperf工具，但考慮到高空氣球球載端沒有PC機，而且無人值守，所以采用了NetGraph來統計網卡端的網速和流量， NetGraph[10]提供了過去一小時的平均速率柱圖顯示。

圖10 NetGraph統計平均網速柱圖

持續測試了5分鐘時間，可以看到平均速率在15 kB/s以上，即120 kbps，符合預期，最大的平均值超過20 kB/s。

使用GPS星座模擬器模擬氣球球體運動軌跡變化，在室內輸出GPS模擬信號，測試地面監控軟件結果如圖11所示，上行指令均可以正常執行。

圖11 地面監控軟件測試圖

圖12為使用銥星pilot終端傳輸的載荷相機圖片，格式為JPG，大小為1.73 MB，傳輸時間約為16秒。經多次傳輸測試，銥星pilot傳輸圖片速率穩定在115～120 kbps之間。

圖12 傳輸圖像測試

6 結束語

文章根據第38次南極科考高空氣球飛行試驗的需求，設計了用于南極科考高空氣球系統的測控系統，采用了銥星短報文和IP數據的通信形式，實現了雙路冗余測控和100 kbps量級的載荷數據傳輸，在內陸的數據傳輸試驗達到了預期指標，考慮到南極的惡劣氣候條件，下一步需對系統進行環境適應性改造及測試，在內陸開展一次模擬飛行測試，以確保技術狀態可以可靠支撐第38次南極科考高空氣球飛行試驗。