載人航天器測控與通信分系統安全工作模式設計

丁凱 夏奕 張克楠 龍吟

(1 西華師范大學 電子信息工程學院，四川南充 637001)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

以前的測控通信分系統設計較為簡單，僅由固定天線和硬件設備組成，沒有軟件或軟件規模小，設備接通電源即可工作，不區分初始狀態和工作狀態，不用專門設計安全工作模式。近些年，隨著數字信號處理器(DSP)、單片機、FPGA的廣泛應用，特別是隨著鏈路速率提高，高增益天線應用越來越多，測控與通信分系統設備的工作模式越來越復雜，例如現在廣泛應用的中繼終端[4]，其中繼天線就存在跟蹤模式、命令模式、等待模式等多種工作模式。在跟蹤模式下，根據跟蹤中繼衛星時采用的數據種類不同，又分為全球導航衛星系統(GNSS)數據跟蹤和軌道數據跟蹤等模式；依據控制模式不同又分為自動跟蹤和程序跟蹤。在各種跟蹤模式下，還需要提前指定所跟蹤的中繼衛星，一旦在跟蹤過程中出現掉電等異常現象，想要中繼天線恢復到斷電前的跟蹤狀態，需要數管分系統重新發送多條程控指令來指定跟蹤模式以及需要跟蹤的中繼衛星，在緊急情況下，數管分系統設備不能接收地面上行飛行程序，無法重新發出相關指令，鏈路沒法自動恢復，往往會耽誤航天器的故障處置時機，嚴重時造成航天器失效。因此，研究航天器測控與通信分系統的安全工作模式，提高鏈路自主恢復的能力顯得尤為重要。

目前，對于載人航天器測控與通信分系統安全工作模式的研究不多，文獻[1]中提出了數管分系統根據制導、導航與控制(GNC)的工作模式自主接通應答機對天(III象限)天線的方案，但是該方案過于復雜，不利于故障的及時處置，需要進行改進。文獻[5-7]中提出了采用寬波束中繼天線提供應急支持的方案，也提到了為對地(I象限)和對天(III象限)天線方案提供測控支持，但未對具體實現方案進行研究，對系統設計指導意義有限。針對窄波束中繼Ka頻段鏈路[8-11]，現有的研究和工程應用都集中在正常跟蹤模式設計，并未考慮緊急情況下中繼鏈路的恢復方案。本文從分系統的全鏈路狀態出發，提出了基于S頻段測控及導航信號接收鏈路全向覆蓋，寬波束中繼鏈路自主組陣，窄波束中繼天線自主跟蹤的測控與通信安全工作模式，可確保任何情況下測控通信鏈路都能夠正確建立，特別是在載人航天器出現異常掉電又恢復后，測控與通信分系統能夠自主恢復天地鏈路，確保載人航天器安全工作。

1 測控與通信分系統安全工作模式設計

1.1 測控與通信分系統組成

為了便于描述清楚信息流及天地接口，本文從天地和星間鏈路的角度介紹載人航天器測控與通信分系統(見圖1)。測控與通信分系統通常包括S頻段測控鏈路、S頻段數傳鏈路、導航信號接收鏈路、寬波束中繼S頻段鏈路、窄波束中繼S頻段鏈路、中繼Ka頻段鏈路、空-空通信鏈路及信標鏈路，通過這些鏈路可以實現地面對載人航天器的跟蹤測軌、數據傳輸、遙控遙測和圖像話音功能。

圖1 測控與通信分系統組成

通常S頻段測控鏈路上行遙控、下行工程遙測數據及轉發測距音；S頻段數傳鏈路下行圖像和數管遙測數據；導航信號接收鏈路接收導航衛星信號，進行定位解算，將定位數據發送給各個用戶；寬/窄波束中繼S頻段鏈路上行遙控、下行工程遙測，窄波束中繼S頻段鏈路還包括轉發前向、返向測距偽碼；中繼Ka頻段鏈路接收前向遙控、圖像、話音數據，發送返向數管遙測數據、圖像話音數據、有效載荷試驗數據等。空-空通信鏈路是鄰近航天器之間的通信鏈路，可以進行數據交互，在衛星之間也叫星間鏈路。部分航天器還配套通信網[12]進行網絡數據傳輸，數據類型包括遙測、圖像話音、有效載荷及計算機網絡數據，通信網既可以與地面系統形成一體化網絡，又可以在組合體飛行時與其他航天器組成局域網通信。信標鏈路為載人飛船等具有返回功能的航天器特有鏈路，為返回艙落地后的搜救提供信標信號。

對于多數衛星，測控鏈路不一定包括上述全部鏈路。確保航天器安全工作必需的鏈路，主要包括S頻段測控鏈路、導航衛星信號接收鏈路和寬波束中繼鏈路，大部分中低軌航天器均作為標配。近年來，越來越多的航天器也配套了提供天地間高速傳輸的窄波束中繼Ka頻段鏈路。S頻段數傳鏈路、空-空通信鏈路及通信網不是航天器在軌安全所必需的，在航天器緊急狀態下這些鏈路不是優先考慮的鏈路。為確保測控與通信分系統的安全工作，應優先保障S頻段測控、導航信號接收、寬波束中繼鏈路的安全；對于載人航天器等有特殊需求的航天器，為了提供緊急情況下的圖像話音傳輸，便于故障處置，也應該考慮和設計窄波束中繼鏈路的安全工作模式。

1.2 S頻段測控鏈路安全工作模式

S頻段測控鏈路通常由應答機[13]、天線網絡和寬波束固定天線組成，天線網絡將布局在III象限(對天)和I象限(對地)的天線進行合路和分路后接入應答機，使寬波束測控天線組成準全向天線工作，以應對各種突發情況造成的異常姿態。

通常，S頻段測控鏈路結構如圖2所示，III象限天線和I象限天線固定組陣工作，由于中間有天線網絡，這種工作模式對應答機的接收靈敏度和發射功率要求較高，需要保持足夠余量。在鏈路余量有限的情況下，為了節省功耗，降低發射功率，載人航天器也將應答機天線網絡設計為圖3的模式，采用單天線工作模式和組陣工作模式相結合的方式。正常工作時，微波開關僅選擇I象限天線(圖3中接收天線a端口和發射天線a端口)即可完成正常的測控任務，此時信號不需要經過功分器和合路器，插損較小，可保證足夠的鏈路余量；但出現姿態翻滾時，為了確保任意姿態均可測控，需要將I象限和III象限天線組陣工作，此時消耗鏈路余量來確保應急狀態的測控覆蓋，這就需要在姿態異常時數管分系統能夠自動發送微波開關切換指令控制天線網絡組陣工作[1]，或者通過地面上行指令進行切換。

隨著移動互聯網的興起和普及，微信、QQ已經成為人們生活中必不可少的一部分，班級群里的聊天內容和聊天方式也發生了很大變化。

圖2 S頻段測控鏈路結構

圖3 可切換的天線網絡

從載人航天器的安全性考慮，S頻段鏈路作為確保航天器安全工作的最低保障，I象限和III象限天線建議長期保持組陣工作模式，在方案設計階段應設計有足夠的鏈路余量，應答機的接收機、遙控單元和遙測單元永遠保持開機狀態，確保任意情況均能夠上行遙控指令。應答機的發射機可在必要時臨時關機，但建議常態下保持開機，并盡可能避免關機，確保在突發緊急情況下能夠將遙測信號發送至地面。應答機的發射機開關機電路不能選用光耦或者其他不能斷電保持接通狀態的電路，防止載人航天器在異常掉電又恢復后不能自動恢復開機發送遙測信號。作為載人航天器最基本的測控鏈路，建議S頻段測控鏈路的正常工作模式和安全工作模式應該保持一致，不要設置過多的狀態切換。S頻段測控鏈路是載人航天器與地面建立聯系的保底鏈路，工作模式越簡單，載人航天器越可靠。

1.3 寬波束中繼鏈路安全工作模式

隨著我國中繼衛星系統的發展，目前在軌服役的中繼衛星已經達到5顆，有力地提高了載人航天器的測控覆蓋率，目前寬波束中繼鏈路[6-7]已經成為載人航天器的標配測控鏈路。與S頻段測控鏈路類似，由寬波束中繼S頻段終端、寬波束射頻收發組件和布局在III象限和I象限的收/發天線組成(見圖4)，寬波束中繼S頻段終端處于常加電狀態，接收機和發射機均不關機。射頻收發組件可以根據需要開機或者關機，射頻收發組件關機時，寬波束中繼鏈路的天線處于單天線工作模式，僅有III象限天線完成中繼衛星信號的接收和發送，射頻收發組件開機后，可以通過I象限天線接收和發送信號，天線組陣工作。

圖4 寬波束中繼S頻段鏈路

由于射頻收發組件工作需要消耗較大的功率，大部分載人航天器的能源系統不能長期支持I象限和III象限天線的組陣工作，因此寬波束中繼鏈路需要區分正常工作模式和安全工作模式。正常情況下僅寬波束中繼S頻段終端工作，使用III象限天線發射和接收信號，可以完成正常狀態的測控工作，同時也不浪費過多的能源；緊急情況下航天器姿態發生翻滾時，僅有III象限天線不能應對異常狀態下的測控需求，要進入安全工作模式，需要射頻收發組件開機工作，將I象限天線的信號接收回來或發送出去，完成I象限和III象限天線的組陣工作。上述2種工作模式的結合，可以在正常情況下節省功耗，緊急情況下能夠盡最大能力提供測控支持，完成載人航天器的應急處置。

既然有2種工作模式，就涉及到如何完成2種模式的切換。安全工作模式進入正常工作模式比較簡單，可以通過地面實時上行指令，也可以上行飛行程序定時開關機。較難操作的是出現姿態翻滾或其他緊急情況后如何自動進入安全工作模式，這就需要數管分系統能夠根據載人航天器的飛行模式進行判斷，一旦發現載人航天器的姿態數據出現異常，則自動發送程控指令將寬波束射頻收發組件開機。為確保安全，在載人航天器能源允許的情況下，建議將射頻收發組件常開機，I象限和III象限天線組陣工作的模式作為正常工作模式，實現2種模式的二合一，確保載人航天器安全。

1.4 導航信號接收鏈路安全工作模式

隨著我國“北斗”系統全球組網的實現，越來越多的中低軌航天器上配套了導航衛星信號接收機(簡稱為“導航接收機”)，通常可以兼容GPS、“北斗”及“格洛納斯”(GLONASS)系統的衛星信號，可實現高精度自主測定軌。導航接收機的工作模式較為單一，開機即工作，天線通常配置在載人航天器的III象限，導航接收機的設計要點是開關機電路需要采用磁保持繼電器，確保載人航天器異常掉電恢復后導航接收機能夠在無地面干預的情況下恢復工作，并盡力定位，對外提供定位信息。導航接收機的定位信息需要能夠通過多條鏈路同時下傳，包括S頻段測控鏈路、寬波束中繼鏈路及窄波束中繼鏈路，確保地面能夠第一時間獲取天上的自主測定軌信息。

為了能夠應對載人航天器姿態異常情況下導航接收機的定位問題，目前已有載人航天器開始模仿S頻段測控鏈路，在III象限和I象限同時配置導航信號接收天線，通過天線網絡組成準全向天線(如圖5所示)，以適應任意姿態下的導航信號接收和定位。這種方案需要多配置1副天線和1個前置放大器，在安裝位置和發射質量指標有余量的情況下，可以按照該方案配置。

圖5 導航信號接收鏈路

1.5 窄波束中繼鏈路安全工作模式

窄波束中繼測控鏈路[8-11]主要為載人航天器提供高速的前向、返向通信鏈路，提供高速遙測數據、圖像和話音數據下行，高速遙控注入數據、圖像和話音數據上行，窄波束中繼鏈路的建立和保持，能夠完整支持載人航天器的天地通信和測控，是S頻段鏈路和寬波束中繼鏈路的備份測控鏈路和主份通信鏈路，若在緊急情況下能夠保持鏈路，在異常中斷后能夠自主恢復鏈路，將會對于航天器緊急情況下故障處置提供便利條件。

由于窄波束中繼鏈路速率較高，因此采用高增益天線，正常情況下需要終端中繼天線按照預定計劃指向中繼衛星建立通信鏈路[10-11]，載人航天器上的中繼天線為了正確指向中繼衛星，需要從平臺獲取航天器的位置信息和姿態信息，同時需要地面上注中繼衛星的軌道信息和飛行程序，指定什么時間跟蹤哪個中繼衛星。載人航天器發生意外進入緊急狀態時，如果天地間沒有其他測控鏈路，數管分系統將無法獲知現在及后續的跟蹤計劃，無法給中繼終端發出跟蹤哪顆中繼衛星的指令，也就無法建立中繼鏈路，不能給載人航天器應急處置提供通信鏈路支持。有的載人航天器為了應對緊急情況下地面無法及時上注飛行程序的風險，采取加長上注跟蹤計劃周期的方案，這種方案雖然可以解決天地失聯時終端中繼天線自動按照原計劃跟蹤中繼衛星的問題，但若出現緊急情況而臨時增加中繼衛星時，終端中繼天線將不能及時調整跟蹤計劃，從而導致不能及時指向臨時增加的中繼衛星，延誤故障處置時機，嚴重時導致載人航天器永久失效。為解決該問題，本文提出一種中繼天線自主跟蹤方法，作為窄波束中繼鏈路在緊急情況下的一種跟蹤方式，可以在緊急情況下由數管分系統自動給窄波束終端加電，并發送自主跟蹤指令，讓窄波束中繼終端進入自主跟蹤模式(安全工作模式)，自動搜索中繼衛星建立鏈路，為載人航天器搶救提供測試通信鏈路支持。

自主跟蹤模式包括以下3個步驟，如圖6所示。

圖6 窄波束中繼天線自主跟蹤中繼衛星流程

(1)正常模式下定期將中繼衛星軌道根數預置到中繼終端。通過注入數據方式，將現有中繼衛星的軌道根數注入中繼終端存儲，并定期更新，更新周期可以是1天、1周或者1個月，周期的選取取決于中繼衛星位置保持的周期及中繼終端軌道外推的能力，通常建議1天或者1周1次。需要注意的是，這里僅注入中繼衛星的軌道根數，不需要注入跟蹤中繼衛星的起止時間。

(2)中繼終端根據載人航天器提供的實時位置信息，計算載人航天器指向中繼衛星的角度，再根據角度是否落入指定范圍來選擇可跟蹤的中繼衛星進行跟蹤，若同時有多顆中繼衛星可跟蹤，則優先選擇距離近的進行跟蹤。

(3)中繼終端天線跟蹤到中繼衛星后，開始嘗試建立前向、返向鏈路，此時會遇到2種情況。①如果一定時間(如5 min)之內監測到前向鏈路鎖定，則維持當前跟蹤狀態，直到前向鏈路信號消失，在鏈路建立期間按計劃實施中繼衛星軌道根數的注入和更新。前向鏈路失鎖時，根據載人航天器平臺提供的位置信息，計算載人航天器是否還處在當前跟蹤的中繼衛星覆蓋區：如果已出當前中繼衛星覆蓋區，則轉為跟蹤下一顆中繼衛星；如果還在原中繼衛星覆蓋區，則監視前向鏈路不鎖定的時間，持續失鎖時間超過預設時間(如5 min)后轉為跟蹤下一顆中繼衛星。②如果一定時間(如5 min)內均未監測到前向鏈路鎖定，則轉為跟蹤下一顆中繼衛星。

通過中繼終端判讀前向鏈路建立情況，靈活判斷當前所跟蹤的中繼衛星是否在執行載人航天器的測控任務，這樣的優勢是：①可以在緊急情況下，不依賴地面上注中繼衛星跟蹤計劃；②可以避免中繼衛星任務臨時調整后中繼終端天線無法自主跟蹤到有效的中繼衛星的問題，可提高緊急情況下中繼終端天線自主跟蹤中繼衛星的效率。

1.6 各鏈路安全工作模式的關系

S頻段測控、導航信號接收、寬波束及窄波束中繼4條鏈路相互備份，互為補充。S頻段測控鏈路主要針對地面測控站設計，覆蓋率較低，對載人航天器的重大緊急故障處置支持能力有限，但工作模式簡單，功耗低，對載人航天器的約束最小，是載人航天器安全工作的保底鏈路。寬波束中繼鏈路可以彌補對地S頻段測控鏈路覆蓋率低的缺陷，但所需功耗較大，載人航天器可根據自身的能力靈活選擇工作模式。導航信號接收鏈路可完成自主定位，在其他下行鏈路配合下為地面提供精確的位置信息，也能為窄波束中繼鏈路的自主跟蹤提供位置信息，是其他鏈路的輔助手段。窄波束中繼鏈路功耗最大，模式最復雜，提供的天地鏈路速率也最高，其安全工作模式主要針對緊急情況下有特殊需求的載人航天器設計。對于大部分載人航天器的緊急故障處置和安全工作，S頻段測控和寬波束中繼鏈路已經可以完成，2條鏈路可以相互備份，建議各載人航天器作為標準配套進行設計，其余鏈路作為補充。

2 安全工作模式驗證

2.1 地面試驗驗證

針對S頻段測控、導航信號接收、寬波束及窄波束中繼4種鏈路的安全工作模式，在地面進行驗證。對于S頻段測控鏈路、寬波束中繼鏈路和導航信號接收鏈路，重點是開展艙體方向圖測試、艙體天線網絡測試，以及與地面測控通信系統天地對接試驗驗證。通過艙體方向圖和天線網絡測試，獲取了組陣模式的天線方向圖，滿足增益指標要求，能夠支持全新天線的工作模式。圖7給出了統一S頻段(USB)測控鏈路的艙體方向圖測試結果，可以看出：天線組陣模式能夠支持全向鏈路的工作。

圖7 USB測控鏈路天線方向圖

使用與上天狀態一致的產品與地面測控通信系統開展了天地對接試驗，S頻段鏈路、寬波束中繼鏈路天線按照組陣方式連接，通過試驗，證明了在全向組陣的模式下，分別在門限電平、中強電平及強電平模式下，各鏈路的誤碼率實測為0，滿足小于天地接口文件中小于10-6的要求；上行遙控指令進行遍歷測試，無漏指令；測速誤差3.24 cm/s,測距誤差10.2 m，滿足小于5 cm/s和小于15 m的指標要求。對接試驗結果表明：本文設計在不降低普通工作模式的誤碼率、測速及測距指標的基礎上，使各條測控鏈路的天線長期保持全向組陣的模式，既保證了正常狀態的測控性能，又提升了應急模式下的應急能力。

針對窄波束中繼鏈路的安全工作模式，使用地面模擬器開展地面仿真測試。地面全物理仿真試驗表明：在自主跟蹤模式下，中繼天線可自主尋星，在跟蹤上中繼衛星后可自主根據前向信號的鎖定情況判斷是否進行切換，跟蹤過程中跟蹤精度小于0.2°，優于0.4°的指標要求。因此，本文設計在不降低正常跟蹤方案跟蹤精度的基礎上，使中繼天線具備了自主尋星的功能，提高了應急情況下的故障處置能力。

2.2 在軌飛行驗證

上述的測控安全工作模式已經在“天舟”貨運飛船中得到應用。其中：S頻段測控鏈路安全工作模式和寬波束中繼鏈路安全工作模式已經在軌驗證，支持完成了貨運飛船與空間實驗室、空間站核心艙的交會對接任務。在組陣全向模式下，應答機鏈路的上行能夠不小于5 dB，返向余量不小3.1 dB。在組陣工作模式下，寬波束鏈路的前向余量大于5 dB，返向余量不小于3.2 dB。貨運飛船的USB和寬波束中繼S頻段鏈路天線長期保持I象限和III象限組陣工作模式，上行、下行鏈路均保持開機模式，工作穩定。導航信號接收鏈路的組陣模式也在新飛船的飛行試驗中進行了驗證，定位精度滿足小于15 m的指標要求。相比組陣和單天線工作模式之間切換的策略，在軌期間保持I象限和III象限天線組陣工作，減少了不必要的在軌操作，在保證正常模式下鏈路余量和定位精度的前提下，可靠保證了出現緊急情況時在任意姿態下對載人航天器的測控覆蓋和應急處置。

目前，配套窄波束中繼終端的載人航天器在軌飛行任務中，中繼終端一直工作在正常工作模式，在軌的前向鏈路余量不小于5 dB，返向鏈路余量不小于4.0 dB，鏈路穩定，有力保障了載人航天器的飛行任務。由于載人航天器工作穩定，用于應對緊急情況的自主跟蹤模式并未開展在軌試驗和應用，但作為安全工作模式，為載人航天器在軌應對緊急情況提供了安全保障措施。

3 結束語

本文根據載人航天器測控與通信分系統的特點，對其安全工作模式進行分析，設計了基于地面S頻段測控鏈路及導航接收鏈路全向覆蓋，寬波束中繼鏈路自主組陣，窄波束中繼天線自主跟蹤的測控與通信安全工作模式。該設計方案完全基于載人航天器測控與通信分系統產品的在軌自主處置，不需要地面測控通信系統進行特殊操作，可以應對載人航天器出現掉電后恢復供電，以及姿態失控等緊急情況下的故障處置。其中：S頻段測控鏈路、寬波束中繼鏈路及導航信號接收鏈路方案已經過軌驗證，有效支持了所配套載人航天器的飛行任務。窄波束中繼鏈路的自主跟蹤模式是針對天地失聯的緊急情況設計，僅在地面驗證，在后續的飛行任務中可以擇機開展在軌驗證。同時，后續可以結合中繼衛星的布局，對窄波束中繼鏈路的自主跟蹤模式進一步優化，將自主跟蹤模式拓展為一種正常的跟蹤模式，最終實現安全工作模式與正常工作模式二合一，提高窄波束中繼設備的自主工作能力，消除緊急情況不必要的模式切換，更好地為載人航天器的安全工作提供測控通信支持。