深空探測網自動化運行管理研究

柯 影，李大鵬，曹 燦，章鵬飛，劉仲博，杜 星

(中國人民解放軍63769部隊，陜西 西安 710043)

0 引言

經過十余年的發展，我國深空網已經初具規模，今后深空設備還將進一步擴展。由于深空任務的特殊性，其對測控設備的功能、使用模式與其他航天器任務有較大差別，使用地基測控網現有模式管理深空測控網，不能滿足深空任務的測控需求，也無法滿足深空設備的管理要求。另一方面，隨著航天力量的不斷發展，要求最大限度整合地基測控站、數據接收站、空間目標監視設備等各類地面站資源，按照各類資源互聯互通、整合融合、協調發展的原則建設天地基資源管理中心。深空網作為地面資源的一類，也應納入地面資源進行統一管理。

目前我國深空測控網信息化管理中存在諸多技術瓶頸，一方面深空測控網信息化管理水平較低，各專業域分散管理，缺乏必要的信息融合和集成，缺少各專業信息的互聯互通，嚴重制約了深空網綜合管理水平和綜合測控能力建設；另一方面，深空網運行自動化水平不高，管理過程存在諸多人工參與環節，嚴重影響了深空網支持效率和響應速度。為解決深空測控網信息化管理中的技術建設瓶頸問題，迫切需要研究深空測控網自動化運行關鍵技術。本文針對目前深空測控網自動化運行中存在的不足，從接口控制文件入手，統籌任務中心與深空探測設備，研究深空設備自動化運行流程和深空測控設備自動化運行關鍵技術研究，提出一種可行的自動化運行方案并對其關鍵技術進行分析研究。

1 深空測控網

1.1 功能與特點

深空測控網是負責對深空航天器進行跟蹤測量、遙測和遙控的專用地面測控網，其特點是配備有高精度大口徑拋物面天線(或者高精度的天線陣列)、大功率發射機、高靈敏度接收系統以及高精度高穩定度的時間和頻率系統，能夠完成對深空航天器的測控任務[1]。

深空測控網的主要技術特點如下：① 使用大口徑天線或者高精度的天線陣接收無線電信號；② 無線電信號路徑傳播時間長；③ 通常采用多種體制的跟蹤測軌策略。

1.2 國外深空測控網

美國深空網規模龐大、設施完備，配備大口徑拋物面天線、高靈敏度接收系統、信號處理中心和通信系統，可以對深空任務全天時不間斷測控，測控技術成熟，任務成功率高，在深空探測領域處于絕對領先地位[2]。

美國深空測控網負責16副天線(直徑為26～70 m)的測控調度，為美國航空航天局及其他機構的地球軌道航天器和深空探測器提供跟蹤、導航和數據傳輸服務。自1958年成立至今，深空測控網已為150個任務提供服務，目前在持續4個月的調度計劃中為大約20顆航天器分配測控資源。

歐空局(ESA)深空網從2000年開始建立，目前已建成3個深空站，將能夠為行星際任務提供連續覆蓋。ESA早期的深空任務依靠ESTRACK網及NASA深空站的支持，隨著深空站在全球范圍的建立，ESA將逐步擺脫對NASA深空網的依賴。

1.3 國內深空網建設情況

中國科學院已經建成了主要用于天文測量的VLBI網(CVN)，借助VLBI網與航天測控網的聯合，圓滿完成了“嫦娥一號”“嫦娥二號”的測定軌任務。VLBI網是深空測軌系統的一個分系統，目前由上海25 m、北京50 m、昆明40 m和烏魯木齊25 m的4臺射電天文望遠鏡，以及上海數據處理中心組成，分辨率相當于口徑為3 000多千米的巨大的綜合望遠鏡[3]。

2 深空網運行流程

接口控制文件對深空測控設備工作計劃和配置有關的運管類信息交換內容，包括設備使用申請、設備使用響應、干涉測量參數配置文件、設備工作參數配置文件等文件進行了規定，各執行單位的運行管理關系如圖1所示。

圖1 計劃類文件流程

在深空測控中，干涉測量中心作為運行主用的干涉測量信號處理系統。網管中心進行資源調度、遠程監控和測控網管理[4]。

自動運行采用工作計劃驅動模式，相比常規USB設備自動運行在工作計劃格式、任務場景、任務流程等方面更加復雜[5]，結合深空任務長弧段多目標的特點，滿足任務中參數與狀態切換的要求，并根據不同目標的上下行測控數傳與VLBI的不同需求來動態配置任務場景與任務流程，深空自動運行與常規USB自動運行的異同如表1所示[6]。

表1 深空自動運行與常規USB自動運行的異同

3 深空設備自動運行流程設計

3.1 深空任務自動運行流程設計

3.1.1 設備預熱

設備預熱不在自動運行的控制內，由人工完成。在設備預熱已完成的情況下，才能正常執行自動運行。

設備使用時，首先需要加電，一般情況下，在任務前1 h系統加電預熱。如果流程中要用到速調管，需提前15 min加輔電并液冷。時頻設備處于常加電狀態，不能斷電。監控服務器和數據庫服務器正常運行[7]。

由于低溫接收機從常溫到低溫工作制冷時間較長(大約2 h),所以要比系統其他設備至少提前2 h開機。正常情況下，S低溫接收組件溫度達到12 K左右，X低溫接收組件溫度達到11 K左右，即可開始工作[8]。

3.1.2 計劃解析

監控分系統讀取最近的一個測控計劃，判斷當前時間是否已到各個典型時間點，運行相應場景中對應的系統流程下典型時間點的子流程[9]如圖2所示。

圖2 測控計劃運行流程

① 系統監控收到網管中心發送“設備工作參數配置文件”，解析計劃文件。

② 解析“設備工作參數”生成工作計劃、流程調度和參數配置文件。

③ 刪除當前創建的所有計劃和參數更改文件，當前正在執行的計劃，既不刪除，也不更改(與傳統站處理方式略不同)。

④ 工作計劃文件包含參數：任務準備時間、任務開始時間、任務結束時間。文件存在于監控服務器本地。

⑤ 流程調度和參數配置文件包含參數：開上行載波時間、關上行載波時間、狀態參數生效時間、遙測參數配置生效開始時間、數傳參數配置生效開始時間、上行狀態所有參數、遙測狀態參數、數傳狀態參數。下行數據接收開始時間、下行數據接收結束時間。文件存在于監控服務器本地。

⑥ 上行狀態參數(除狀態參數生效時間)、遙測狀態所有參數(除遙測參數配置生效開始時間)、數傳狀態所有參數(除數傳參數配置生效開始時間)，這些參數監控以時間符合驅動,根據各自生效時間，用單元控制命令方式下發給基帶進行參數設置。其中部分參數,如測速方式、測速體制等，需要與數傳或遙測狀態里的“是否與上行相關”聯動，會關聯下發系統參數控制命令。

⑦ 上行點頻有關的加擾控制、系統捕獲方式、多普勒預置方式、是否頻率掃描、下行點頻有關的測速體制、是否多普勒預報、多普勒預報方式、地面傳輸方式以及下行點頻相關的參數連帶本地參數宏中所有參數及與點頻信息相關的配置宏(設備本地配置的)最終合為一個任務宏。

3.1.3 自動化運行流程

① 服務端啟動自動化。

② 檢索工作計劃，取當前最近的任務開始時間的計劃作為驅動自動化運行的工作計劃。

③ 加載工作計劃，等待任務準備開始時間。

④ 到達任務準備時間后，讀取流程調度和參數配置文件，根據計劃中的目標信息(上行點頻、下行點頻和任務參數)，讀取本地參數宏，并將設備工作參數文件中規定的任務參數填充到讀取的本地參數宏中；再根據點頻信息讀取配置宏，最終生成任務宏。

⑤ 下發任務宏，宏執行完成后根據任務要求控制DTE/SLE加載任務。

⑥ 在每一個自動化開啟時，對設備進行校零，校零時控制系統設置偏饋校零環路，控制發送上行功率，待基帶信號鎖定后，控制基帶完成距離校零。

⑦ 設置系統為任務環路，標校設備去電。

⑧ 校零完成后，控制ACU為自動運行方式，加載星歷文件，并控制ACU任務開始(轉程引)。

⑨ 控制基帶加載預置文件(DPU、TT&C、DPD、DDT、DPD、OEM)。

⑩ 到達任務開始時間，控制SLE任務開始。

如果當前參數不是當前點頻，則下發上行點頻參數(火星階段未實現)上功率，如果上行功能(當前上行狀態中確定)中有測距，啟動深空系統捕獲；否則啟動雙捕；如果上行功能中有遙控，則捕獲完成后遙控加調，遙控工作期開始；捕獲流程見。

如果當前參數不是當前點頻，則下發下行點頻和測距狀態參數(火星階段未實現);

根據下行功能是否含測距(當前遙測或數傳狀態中，是否與上行相干)，決定是否外測存盤送數；根據下行功能(當前遙測或數傳狀態中確定),決定是否遙測或數傳送數。

根據當前任務代號和點頻，判斷下發至哪一個基帶設備；如果上行狀態中測距加調，下發上行狀態中的參數;修改上行功能，加上測距；如果初始狀態是去調，則啟動深空系統捕獲流程；

如果上行狀態中測距去調，下發上行狀態中的參數;修改上行功能，去掉測距,并不再發起重捕。

根據當前任務代號和點頻，判斷下發至哪一個基帶設備；如果是遙測相干轉遙測相干，下發遙測狀態參數；如果是遙測相干轉遙測非相干，下發遙測狀態參數，控制基帶為測控單向測速；【雙向光行時前應有上行狀態切換，控制上行功能去掉測距】；

如果是遙測非相干轉遙測相干，下發遙測狀態參數，控制基帶為測控雙向測速；【雙向光行時前應有上行狀態切換，如果上行狀態中有測距加調，則啟動深空系統捕獲流程】；

如果是遙測非相干轉遙測非相干，下發遙測狀態參數；

切換下行功能為遙測，根據上行功能決定下行功能是否含測距，根據是否與上行相關決定是否雙向或單向測速。

根據當前任務代號和點頻，判斷下發至哪一個基帶設備；

下發數傳狀態參數，不考慮相干的情況；切換下行功能為數傳。

根據當前任務代號和點頻，判斷下發至哪一個基帶設備；

如果非相干轉遙測相干，下發遙測狀態參數，控制基帶為測控雙向測速；【雙向光行時前應有上行狀態切換，如果上行狀態中有測距加調，則啟動深空系統捕獲流程】；切換下行功能，將數傳去掉(數傳送數保持)；

如果非相干轉遙測非相干，下發遙測狀態參數，控制基帶為測控單向測速；【雙向光行時前應有上行狀態切換，控制上行功能去掉測距】。

根據當前任務代號和點頻，判斷下發至哪一個基帶設備；

如果遙測非相干轉數傳非相干，下發數傳狀態參數，控制基帶為數傳單向測速【雙向光行時前應有上行狀態切換，控制上行功能去掉測距】；

如果遙測相干轉數傳非相干，下發數傳狀態參數，控制基帶為數傳單向測速；

切換下行功能，將遙測去掉(遙測送數保持)。

深空多普勒預置捕獲流程：控制基帶輸出載波，控制發送功率，則保持功率穩定并發出5 s后且在預置持續時間之后，如果上行功能含測距，開始距捕；如果上行功能含遙控，則遙控加調；

深空掃描捕獲流程：控制基帶輸出載波，去調副載波，控制發送功率，保持功率穩定并發出5 s后，控制基帶指定圈數掃描，等待隨掃或中心星鎖點亮時回零，雙捕完成后如果上行功能含遙控，則遙控加調；如果上行功能含測距，則開始距捕。

3.2 VLBI干涉測量自動運行設計

3.2.1 設備預熱

設備預熱不在自動運行的控制內，由人工完成。設備預熱后，需保證監控分系統、干涉測量信道開機，大氣參數測量設備運行(時頻24 h開機不斷電，需要檢查工作是否正常，共視數據是否實時記錄)[11]。

3.2.2 自動運行流程

VLBI干涉測量自動化運行流程如圖3所示。

圖3 VLBI干涉測量自動化運行流程

① 任務準備開始時間到，系統監控向DTE發送加載任務命令，下發匹配的場景和參數宏，天伺饋開始測角送數。

② 控制大氣參數測量設備的天線工作方式為數引，此時小天線開始隨動。

③ 找到第一個觀測的射電星目標代號。如果觀測目標為航天器，則目標代號為“航天器”；如果觀測目標為射電星，則目標代號為“射電星”(VSI模式就是射電星，VSR模式要填具體的射電星名稱，例如0311+461)。

④ 下發第1個觀測目標匹配的VLBI宏。

⑤ 等待觀測預覽時間到，向基帶轉換與記錄設備發送預覽開始命令。預覽若干秒后，發送停止預覽命令。如果參數中模擬和子帶AGC增益為自動，將當前AGC增益記錄并保存，停止預覽時將AGC增益改為手動，將預覽時自動調整的AGC重新設置到基帶轉換與記錄設備中。如果參數中模擬和子帶AGC增益為手動，則不須做調整[12]。

⑥ 等待觀測開始時間到，向基帶轉換與記錄設備發送記錄開始命令。

⑦ 等待觀測結束時間到，向天伺饋發送任務結束。

⑧ 等待觀測結束時間到，向基帶轉換與記錄設備發送任務結束命令。

⑨ 繼續查找下一個觀測目標，向天線發送任務開始命令，天線開始切換到下一個觀測目標，重復以上步驟。

⑩ 直到最后一個觀測任務結束，開始生成環境參數測量數據和共視文件并通過FTP發送至任務中心。

4 深空測控設備自動化運行關鍵技術研究

4.1 伺饋分系統角度顯示

目前天伺饋分系統軸角編碼單元采用增量式，需要開機后進行轉動才能顯示出角度數據，同時人工判斷角度數據的正確性。經分析確認，增量式軸角編碼是由光柵尺式光電軸角編碼器制式決定的，目前不具備修改為絕對量式編碼的條件。因此在自動運行設計時需要增加天線轉動，判斷角度數據正確性的自動流程[13]。

4.2 速調管高功放自動開關機

速調管功放開機需要遵循加輔電、加高壓、上功率等一系列流程，關機采用相反流程，目前這些流程由人工操作完成。速調管高功放開關機已進行了自動運行流程設計。

4.3 自動運行與人工運行切換

深空任務的特點是弧段長，一個弧段內有狀態切換。因此在自動運行過程中，如需人工操作，可切換為人工，人工操作完之后再轉為自動運行。目前自動運行還不具備人工運行與自動運行的中斷后恢復的能力，需在設計中能夠具備自動運行與人工運行切換的能力。

5 結束語

為了適應后續多種類型深空探測任務，以及地面資源融合的新要求，深空測控網的體系結構、設備管理方式、數據接口規范等都需進行不斷深化改進，這是一個全新的、復雜的測控重任。本文研究從深空測控的需求出發，結合我國深空測控網管理的現狀，圍繞測控資源融合、運行管理自動化等建設需求，深入開展深空測控網資源調度模式和接口、深空測控任務狀態集中建立與深空測控設備集中監控等技術研究工作，提出的深空設備自動化運行流程，解決了深空測控任務比常規USB設備自動運行在工作計劃格式、任務場景、任務流程等方面差異問題；解決當前操作員在本地手工配置耗費時間較長且易出錯的問題，為進一步提高深空測控網信息化程度和運行效率，和未來深空測控網的高效管理奠定基礎。