我國載人航天器測控與通信技術發展

陳曉光 易予生 丁凱

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

載人航天器測控與通信技術包括測控技術及數據傳輸技術兩部分。載人航天器入軌后，由器上測控與通信分系統和地面站系統、中繼衛星系統一起，共同建立器地無線測控、測量及對地數據傳輸、中繼數據傳輸通信鏈路，完成對載人航天器狀態采集、軌道測量、運行控制、載荷數據下傳地面等功能。載人航天器測控與通信系統是航天器在軌與地面溝通和數據傳輸通信的重要生命線，為載人航天器在軌正常工作提供各項信道保障條件[1-2]。

近年來，隨著微電子、軟件無線電等技術的發展，涌現了大量應用于測控與通信領域的新技術、新產品、新思路，呈現出一些新變化、新趨勢[3-5]。本文在梳理和總結我國載人飛船、貨運飛船、空間站測控與通信技術發展現狀的基礎上，結合測控與通信技術的發展歷程，總結提煉了載人航天器測控、導航、數傳、星間等方面的發展趨勢。最后，歸納并給出了未來載人航天器對測控與通信技術的需求，以及測控與通信技術未來發展的重點方向和關鍵技術。

1 測控與通信技術發展現狀

載人航天測控與通信的主要任務是在天基中繼衛星、導航星座、陸基測控站和海基測控船支持下，完成載人航天器(載人飛船、貨運飛船、空間站)的跟蹤測軌、遙測遙控、中繼通信、高速數傳、圖像通信、話音通信、交會對接通信、出艙活動通信等功能，見圖1。

圖1 載人航天器測控與通信系統Fig.1 Manned spacecraft TT&C communications system

由圖1可知：通過對地測控與通信鏈路，實現天地遙測、遙控、話音數據的上下行傳輸；通過中繼鏈路，實現天基遙測和指令數據、圖像、話音、試驗數據、延時數據、平臺狀態信息的傳輸；通過我國北斗(BD)星座，實現定位和測速；通過遙控指令系統，完成整器指令分發與執行；通過空空通信鏈路，實現目標飛行器、追蹤飛行器之間的指令、遙測、定位數據及遙操作圖像數據的傳輸；通過出艙通信鏈路及艙內外無線通信鏈路，實現航天員與空間站之間的話音及遙測數據傳輸。

1.1 地基測控系統

載人航天器地基測控系統主要采用統一S頻段測控體制。如圖2所示，統一S頻段測控集跟蹤、測距、測速、遙測、遙控等功能于一體,設備簡單,可靠性高,測量精度適中,已在我國載人航天器中得到廣泛應用。

(1)載波調制體制。統一S頻段測控采用頻分復用調制體制,每個基帶信號先調制到自身的副載波上,幾個已調副載波合并之后,再對主載波進行角度調制。一般來說，地(海)面站上/下行載波都采用調相體制(PM/PM)，航天器上的測控與通信設備采用相參工作體制；或者，地面站采用上行載波調頻,下行載波調相體制(FM/PM),航天器上的測控與通信設備采用非相參體制。

(2)測距、測速體制。純側音測距體制或偽隨機碼(PN碼)測距體制,或音碼混合體制。采用側音測距時,最高側音用來保精度，低側音用來解距離模糊。測速采用連續播雙程相干多普勒測速技術，載波同步后從載波或偽碼中提取出多普勒頻移進行測速。

(3)遙控遙測體制。對上行遙控副載波進行脈沖編碼(PCM)/相移鍵控(PSK)調制，或PCM/多頻移鍵控(MFSK)調制，或PCM/幅移鍵控(ASK)調制等。編碼遙測采用對下行遙測副載波進行PCM/PSK調制,或PCM/差分相移鍵控(DPSK)調制。話音、數據、圖像對通信副載波進行PSK或DPSK調制。

圖2 載人航天器統一S頻段測控系統Fig.2 USB TT&C system of manned spacecraft

1.2 天基測控系統

中繼衛星系統作為天基測控通信網，能夠有效擴大中、低軌道飛行器測控、通信覆蓋范圍；中繼終端設備利用我國第2代數據中繼衛星系統支持，完成天地雙向高速數據傳輸[6]。中繼天線終端主要實現功能包括：捕獲并跟蹤中繼衛星信標信號；在中繼衛星的可視弧段通過中繼信道向地面傳輸數據；在中繼衛星的可視弧段通過中繼信道接收地面上行數據；完成規定的前向和返向信道數據處理；進行偽碼測距[7-8]。

天鏈中繼衛星系統利用地球同步軌道上的2～3顆中繼衛星實現對載人航天器的跟蹤、測控、通信甚至導航[9]，如圖3所示。體制上采用擴頻測控體制，同時還有高數據率數傳體制。采用PCM、偏移四相相移鍵控(OQPSK)及PCM、碼分多址(CDMA)、二相相移鍵控(BPSK)數據傳輸體制，跟蹤導航統一采用單通道單脈沖測角、偽碼測距的單站定軌體制,并利用星本體測控數據提高用戶的跟蹤導航精度,采用I，Q雙通道調制,I路傳送短PN碼，Q路傳送長PN碼，短碼引導長碼捕獲來解決無模糊測距和快速捕獲問題。

圖3 載人航天器天基測控系統Fig.3 Space-based TT&C system of manned spacecraft

2008年9月，神舟七號載人飛船首次使用天鏈一號01星進行天基測控和跟蹤，傳回的視頻圖像清晰，話音質量好，數據可靠，成功實現了我國天基信息傳輸的重大突破；2011年10月，天鏈一號01星和02星形成的雙星系統，圓滿完成神舟八號飛船和天宮一號目標飛行器的交會對接任務，極大地擴展了可數傳和測控的軌道弧段，并首次實現同一波束內雙目標的捕獲跟蹤和中繼數傳；2012年6月，神舟九號載人飛船發射升空，3名航天員成功完成與天宮一號的自動和手動對接任務，并進駐天宮一號，實現了多項首創。在軌13天中，大量數據、圖像、音頻、電郵及神舟-天宮組合體的測控等信息，通過中繼衛星系統高質量地傳到地面指控中心，為此次任務的圓滿完成提供了有力的保障。

1.3 導航定位系統

載人航天器目前可同時處理我國BD二代衛星定位系統、GPS和格洛納斯(GLONASS)衛星定位系統信號，并使用BD+GPS、GPS+GLONASS進行兼容定位，實現了全部BD和GPS衛星正常跟蹤，在進行絕對定位解算前，優先選擇BD導航衛星觀測量。設備內部對導航處理板進行熱備份，BD-GPS導航板采用BD+GPS兼容方式，處理BD衛星B1、B3頻點和GPS衛星L1頻點信號；全球導航定位系統(GNSS)導航板采用GPS+GLONASS兼容方式，處理GPS衛星L1和GLONASS衛星L1信號。系統框圖如圖4所示。

圖4 載人航天器定位系統Fig.4 Positioning system of manned spacecraft

在交會對接和撤離階段，追蹤飛行器BD-GPS兼容機通過空空通信設備獲取目標飛行器原始測量數據，經過差分解算計算出2個飛行器間的相對位置和相對速度。絕對定位精度(3軸，1σ)不大于15 m，絕對測速精度(3軸，1σ)不大于0.25 m/s。相對測量模式分為載波固定解、雙差偽距、位置差分3種。

1.4 空空通信系統

空空通信子系統實現與來訪飛行器間的數據交換，同時滿足目標飛行器(天宮一號、天宮二號、天和核心艙)對追蹤飛行器(載人飛船、貨運飛船、光學艙)交會對接通信支持。在交會對接段與來訪飛行器的空空通信設備建立雙向空空通信鏈路，并實現手控遙操作任務。空空通信機根據距離遠近具備大、小功率切換功能。

空空交會對接模式可分為自動交會對接、手動遙操作及徑向對接3種工作模式。自動交會對接和徑向交會對接模式時，雙向數據傳輸速率較低，空空通信采用擴頻方式進行通信，空空通信機a/b采用雙機熱備份方式工作。手控遙操作通信模式下，雙向數據傳輸速率較高，空空通信采用非擴頻方式進行通信，空空通信機a/b采用雙機發射冷備份方式工作。

1.5 出艙通信系統

在神舟七號飛船航天員出艙活動時，出艙通信子系統提供了超高頻(UHF)的無線通信功能，實現了無線狀態下出艙航天員與艙內航天員、出艙航天員與地面的雙向通話及生理遙測數據的傳輸。

空間站出艙通信方案在我國載人航天工程二期出艙方案基礎上，重點解決了航天員在艙外跨小區切換和功率的遠近效應問題。航天員在艙外活動時，通過在艙內配置出艙通信處理器、艙外配置的UHF收發天線與出艙航天服通信設備建立無線雙向鏈路，傳輸數據包括語音、遙測信息等，并實現對艙外活動100%的無線通信覆蓋，如圖5所示。

圖5 神舟七號和空間站航天員出艙Fig.5 Astronaut EVA in Shenzhou-7 and China Space Station

1.6 圖像話音系統

我國載人航天工程一期和二期的圖像話音設備采用了類似電路交換的設備進行切換，設備種類多，系統復雜，使用不便。鑒于地面因特網通信技術的發展，分組交換技術已經取代電路交換技術，具有切換時間快等很多突出優點，圖像話音數據可在因特網上傳輸、處理和交換，再考慮到航天員信息服務、顯示、空間站信息管理等需要，設計了高速通信網，傳輸圖像、話音、空間站信息、航天員辦公數據等中高速數據，另外還傳輸系統網綜合數據和艙間通信的數據，以作為系統網的備份。

載人空間站艙內、外攝像機采用集成化、網絡化的設計思想，將圖像(含伴音)采集、壓縮編碼及網絡通信功能集于一身，不需要為攝像機配置專門的圖像編碼及網絡通信接口設備。攝像機內部完成圖像模擬信號的模擬/數字(A/D)變換、編碼壓縮，形成數字圖像及伴音數據后，通過以太網通信模塊的以太網接口直接與通信網交換機連接，實現攝像機的網絡接入。

載人航天器話音通信采用集中式的話音處理方案，由話音處理器實現所有話音終端的接入、管理、通信等功能，完成天地會議通話、專用通話、出艙通信、艙內會議等多種模式的話音通信。中繼Ka頻段單址(KSA)信道、USB鏈路、數傳鏈路傳輸天地話音，互為備份。USB上、下行鏈路提供2條高級多帶激勵(AMBE)體制話音通路，包括1路任務話和1路專用話，合計32 kbit/s。中繼鏈路由于帶寬允許，提供3條高級語音編碼(AAC)體制的話音，包括1路任務話和2路專用話，合計576 kbit/s。

2 載人航天測控與通信技術發展特點

根據載人航天任務需求，載人航天器測控與通信系統的發展分為3個階段。第一階段為USB地基測控；第二階段為地基測控為主，天基測控為輔；第三階段為基于天基測控的天地一體化網絡通信，地基測控為輔。

第一階段，從神舟一號至神舟五號。從1992年載人航天工程立項至神舟五號載人飛船，測控與通信系統僅有地基測控，采用USB統一測控體制，同時包括天地話音通信、圖像傳輸、著落信標機等產品，本階段測控覆蓋率僅為16%。

第二階段，從神舟六號至神舟十一號，以及天宮一號和天宮二號。從神舟六號開始搭載海事終端，神舟七號搭載我國第1套中繼終端，首次在國內實現了基于中繼衛星系統的天基測控，測控覆蓋率在神舟七號達到了44%。隨著我國中繼衛星系統的建設，在天宮二號時實現了3顆中繼衛星的覆蓋，測控覆蓋率達到了88%。

第三階段，從天舟一號至空間站建成，包括神舟十二號及后續載人飛船、天舟一號至后續貨運飛船、天和核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙及后續的光學實驗艙。從天舟一號開始，到空間站三艙，以及后續的光學實驗艙，測控與通信系統采用天地一體化網絡通信，并首次在國內實現了基于IP網絡的天地通信，實現天地話音、圖像和載荷數據的網絡傳輸，實現空間站三艙、天舟貨運飛船、光學實驗艙的在軌組網通信。表1總結了載人航天器測控與通信技術的發展特點。

表1 載人航天器測控與通信技術的發展特點Table 1 Development characteristics of manned spacecraft TT&C communications technology

(1)載人航天測控與通信系統的發展方向具有小型化、集成化、通用化、高性能的特點。

(2)導航接收機的從單頻到多頻，從以GPS為主份轉換為BD為主份。

(3)在對地數據傳輸通信方面，數據傳輸在數據率、傳輸頻段、設備集成度等方面均取得了較大的進展。速率由低向高、單通道向雙通道發展、分立單機向集成化發展、空間站中繼數傳達到1.2 Gbit/s。

(4)測控與通信系統為增加魯棒性，普遍采用了自主管理設計，當診斷出信道或基帶因空間環境影響出現故障時進行自主復位或斷電操作，使系統能夠快速、自主恢復，減少了地面人為干預，提升了效率。

(5)高速測控與通信、BD短報文、二代測控中繼終端、在無地面干預自主測控技術，均已在載人航天器中得到應用驗證。

3 載人航天測控與通信技術發展趨勢

為滿足載人航天發展新階段對測控與通信技術的需求，載人航天測控與通信技術有以下發展趨勢。

(1)批產化、通用化。通過測控通信產品的標準化、模塊化，以滿足測控通信產品狀態統一和批產化的需求。在批生產方面，需要由分立單機裝配方式向采用先進構架、集成統一單板和無纜化裝配方式轉換，如采用統一功能板，通過配備不同軟件來實現各種功能[10]。

(2)測控管理自主化、高效化。通過無依托自主測控、星間數據交互等有效測控手段，滿足大規模多航天器的高效測控管理需求。

(3)數字化、小型化。采用先進的數字技術降低成本，用軟件技術實現相關功能，借用先進的工業技術成果，使設備集成度更高、性價比更高、成本更低。

(4)通過推動以激光、Ka頻段高速數據傳輸為代表的先進技術應用，滿足提升通信性能的需求。

4 發展建議

在載人航天測控與通信技術發展趨勢牽引下，后續重點研究的幾項測控與通信領域關鍵技術如下。

(1)應答機抗干擾抗截獲技術。充分利用在研載人航天器，推進擴跳頻應答機在軌驗證，建立型譜。開展寬帶擴跳頻技術研究，提升抗干擾性能。

(2)導航接收機抗干擾技術。開展高精度抗干擾、干擾檢測等技術攻關。

(3)多模通用化測控終端設計技術。開展“技術狀態系列化，硬件平臺通用化，特殊模塊組合化”先進硬件技術研究工作，應用軟件無線電技術，形成多功能、多體制、通用化的多模測控終端工程化產品。

(4)一體化通信架構技術。開展先進通信系統架構研究，基于標準化、通用化通信接口及平臺處理模塊，實現具有可重構、智能化能力的批產化一體通信產品。

(5)新體制高速數傳技術。針對Q/Ka頻段開展16APSK/32APSK高階調制技術研究，實現自適應編碼調制(AMC)技術，完成在軌載人航天器與地面數據傳輸平均速率最大化。

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