載人飛船回收著陸搜救系統優化設計

龍吟 黃才 孫斌

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

載人飛船完成在軌交會對接及飛行任務后，首先完成組合體分離，進入單獨飛行模式，接下來依次完成軌道艙返回艙分離、制動、推進艙返回艙分離，從再入點進入大氣層，實施半升力式或者彈道式的返回控制和回收程序。正常情況下，著陸搜救系統[1-2]通過地面測控站及光學設備跟蹤和測量返回艙返回后的著陸軌跡，預估著陸點位置。救援直升機、救援越野車提前奔赴落點區域，等待返回艙著陸并實施救援。上述回收著陸手段，存在以下不足。①僅適用于正常返回工況，返回落點精度基本符合地面的預估位置，有利于地面快速開展搜救工作。但是，如果載人飛船在軌發生密封艙失壓等緊急故障，航天員將執行快速撤離和自主應急返回，由于落區的變更，依據正常返回星下點布置的地面測控站和光學設備失去作用，并且自主應急返回的落區信息復雜及落點精度較差，對地面實時獲取返回艙位置信息和開展快速搜救提出挑戰。②前彈道式返回和后彈道式返回的落點精度在航向和橫向上較半升力式返回顯著惡化。③返回再入過程中，除去40～80 km高度的黑障區外，在測控弧段內，地面測控站對返回艙進行實時測控，地面測控站通過返向遙測獲取返回艙的位置信息。但是，由于落區地形、地面測控站天線仰角的限制，返回艙一般在距離地面1 km以上高度處應答機鏈路中斷，因此地面測控站無法精確獲取后續的返回艙落點位置信息。④考慮落區的風速較高的工況，在航天員未采取手動切斷主傘的情況下，主傘會借助風力帶動返回艙快速移動，返回艙著陸后的落點存在實時變化的可能性。⑤返回艙如果落到海上，會隨著洋流運動，因此存在位置不確定性[3-6]，為搜救增加難度。

對國內外返回式航天器的應急搜救方法[7-8]調研可知：俄羅斯聯盟號飛船配置了基于121.5 MHz及243 MHz的著陸搜救信標機，著陸后通過發送基于121.5 MHz及243 MHz載頻的模擬信標信號，讓配置信標接收機的地面搜救系統實現定向及定位。該方法簡單可靠，具備一定的著陸搜救能力，但是定位精度較差，搜索范圍僅有25 km左右，并且無法傳送語音信號。美國阿波羅載人飛船返回艙配置了基于全球導航定位系統(GNSS)的導航接收機和基于國際搜索和救援衛星系統(COSPAS-SARSAT)的國際救援示位標[9]，通過周期性地向COSPAS-SARSAT星座發送攜帶GPS定位信息的信標信號，實現搜索救援。該方法具備支持全球搜救和定位精度高的優點，但是發送信標信號間隔較大(約50 s)，不適合緊急情況下的實時定位，并且依賴GPS導航定位信號和無法傳送語音信號。我國實踐十號返回式衛星配置了基于243 MHz載頻的著陸搜尋信標機，實時發送1 kHz的信標信號實現定位。該方法同樣具備定位精度差和搜索范圍小的缺點。我國嫦娥五號月球探測器配置了基于406 MHz的國際救援示位標，周期性地向COSPAS-SARSAT星座發送信標信號，通過多普勒定位的方法實現快速定位和搜救。該方法具備支持全球搜救的優點，但是定位精度不高，不適合緊急情況下的實時定位，并且無法傳送語音信號。隨著北斗二號、北斗三號的組網建成，基于北斗系統的自主定位和短報文功能[10]已經逐步應用于在軌航天器，而在載人飛船著陸搜救領域的應用尚未見相關報道。神舟八號至神舟十一號載人飛船配置了國際救援示位標、著陸搜尋信標機、銥衛星手機、超短波通信機、閃光燈和海水染色劑組成的著陸搜救系統。該系統具備正常返回時的快速回收能力和在軌應急返回時的全球搜救能力，支持空中搜救、地面搜救和海上搜救任務。但是，從發展的角度考慮，存在以下局限性。①超短波通信機工作在甚高頻(VHF)，用于實現上升段及返回段的關鍵遙測及話音通信。VHF干擾信號嚴重，在實際飛行任務中容易出現鏈路干擾導致的通信中斷。②國際救援示位標采用112 bit長度的短碼國家位置協議，定位精度較低，最優為3.7 km，有待進一步提升。③沒有引入北斗短報文，缺少全球搜救任務的備份手段。④無論是國際救援示位標還是著陸搜尋信標機，都是單向發射器，無信息交互功能。

針對載人飛船正常返回及應急返回的工況和需求，本文提出基于COSPAS-SARSAT的國際救援示位標、著陸搜尋信標機、北斗短報文收發終端、銥衛星手機及海水染色劑和回收閃光燈的載人飛船回收著陸搜救系統。該系統具備全球高精度實時快速定位搜救和系統可靠性高的優點，部分設計已經成功應用于神舟十二號至神舟十四號載人飛船陸地及海上回收場的對接試驗、神舟載人飛船的回收任務，同時在開展后續系統的升級論證工作。

1 回收著陸搜救系統設計

神舟八號載人飛船回收著陸搜救系統如圖1所示；本文提出的新回收著陸搜救系統如圖2所示，包括國際救援示位標、著陸搜尋信標機、北斗短報文收發終端、銥衛星手機、天線及天線網絡等。

圖1 神舟八號回收著陸搜救系統Fig.1 Shenzhou-8 search and rescue system for recovery and landing

圖2 新回收著陸搜救系統Fig.2 New search and rescue system for recovery and landing

新著陸搜救系統對統一S頻段(USB)應答機的下行鏈路進行擴容，帶寬從16 kbit/s擴展到64 kbit/s，具備下行32 kbit/s話音數據的能力，覆蓋超短波通信機的功能。取消超短波通信機及超短波天線配套，避免VHF干擾嚴重易導致鏈路失鎖的問題。

為了解決應急著陸工況下搜救部隊需要快速獲取載人飛船精確落點位置的問題，配備國際救援示位標和導航接收機。返回艙著陸后，國際救援示位標發射406.028 MHz的脈沖信標(簡稱406信標)，國際救援衛星可以通過解出信標中包含的經度、緯度位置信息對返回艙定位，經度、緯度位置信息由星載導航接收機通過解算北斗、GPS、GLONASS導航信號獲取，同時也能根據信標的未調制數據載波部分的多普勒頻移完成返回艙定位。相對于神舟八號～神舟十一號載人飛船，為進一步提升國際救援示位標發送的位置精度，將國際救援示位標的傳輸協議由短碼格式更改為長碼格式，定位精度由3.7 km提高到80 m。

為了有效利用北斗短報文服務資源，增加配備北斗短報文收發終端及短報文收發天線，實現全球范圍內的基于北斗短報文的搜救信息發送。相比已有的國內外搜救系統，增加了備份搜救手段，提升了系統可靠性。相比國際救援示位標和著陸搜尋信標機僅能作為單向發射器，北斗短報文收發終端提供了信息交互功能。

為了解決國際救援示位標和北斗短報文收發終端無法語音通信的問題，沿用著陸搜尋信標機、話音處理器和銥衛星手機。著陸搜尋通信機除發送超短波信標用于搜救團隊的超短波定向儀接收定位外，還可以與搜救團隊進行調幅(AM)體制的半雙工通話。航天員通過銥衛星手機實現出艙和不出艙的全球范圍內的全雙工數字語音通信。另外，作為國際救援示位標、著陸搜尋信標機和北斗短報文收發終端等無線電標位的輔助標位手段，沿用配置閃光燈和海水染色劑。無線電標位主要用于遠距離搜索定位；輔助標位手段用于近距離目視搜索定位。

為了實現無線電標位的無線信號收發，配備各種信標天線。同時，配置天線網絡，通過微波重力開關自主選擇位置最優的天線實現各種信標信號的收發。

1.1 取消超短波通信機及天線配套

傳統的著陸搜救系統配套超短波通信機及天線，工作在上升段及返回段，完成以下任務。①接收總線廣播的GNSS絕對定位數據下傳到地面，作為返回段的輔助測軌手段。②負責傳輸8 kbit/s的數字話音。③下行關鍵遙測參數。④將話音數據發送給黑匣子存儲。

傳統USB應答機的下行帶寬僅有16 kbit/s，全部用于傳輸遙測參數。新USB應答機進行了擴容設計，返向帶寬從16 kbit/s增加至64 kbit/s，其中16 kbit/s仍然用于傳輸遙測參數，32 kbit/s用于傳輸雙路16 kbit/s的數字話音，并且話音效果優于超短波通信機。話音設備將32 kbit/s話音數據發送給遙測設備，遙測設備將話音數據和遙測參數進行組幀，再通過擴容后的USB應答機下行。同時，遙測設備在返回段將32 kbit/s數字話音發送給黑匣子存儲。綜上所述，新回收著陸搜救系統具備下行話音并在返回段發送給黑匣子存儲的能力，原有的超短波通信機通信需求已被完全覆蓋，并且USB應答機分為A機和B機的獨立2套設備，提升了系統可靠性。因此，為減少整船資源占用，優化系統設計，取消超短波通信機和超短波天線配套。

1.2 國際救援示位標更改為長碼格式

COSPAS-SARSAT是由加拿大、法國、美國和蘇聯聯合開發的全球性搜救衛星系統。該系統最初使用至少4顆低高度(850～1000 km)極軌衛星，星下點經過同一地區的最長時間間隔為0.5 h。隨著搭載搜救載荷的低軌衛星入網，比如北斗系統搭載的6個衛星搜救載荷符合全球中軌衛星搜救系統空間段標準要求，COSPAS-SARSAT實現了全球實時覆蓋。工作系統見圖3[8]，信標發出的報警信號都可以被該系統衛星上的接收機收到，然后再中繼到地區用戶終端，對信號進行處理后確定信標的位置。該報警信號及其位置數據再經過任務控制中心，或者直接送到有關的搜救機構，直接開展救助工作。

注：PLB為個人定位信標；EPIRB為應急無線電示位標；ELT為應急定位發射器；RCC為搜救控制中心；MCC為任務控制中心；LUT為本地用戶終端。圖3 國際救援示位標工作系統Fig.3 Schematic diagram of international rescue position indicator

國際救援示位標組成如圖4所示，劃分為溫度補償晶體振蕩器、鎖相調相頻率源、功率放大器、微處理機控制電路、電源電路。晶振的參考信號送入鎖相環路進行鎖相倍頻，鎖相環的輸出信號送入相位調制器，將規定的報文信息調制在406 MHz的載波上，再通過功率放大器將該信號放大經隔離器后輸出。

圖4 國際救援示位標組成Fig.4 Comosition of international rescue position indicator

國際救援示位標具備2種工作模式，分別是基于GNSS的工作模式和基于多普勒定位原理的工作模式。在基于GNSS的工作模式中，國際救援示位標實時接收導航接收機解算的經度和緯度的位置信息，并按照國際標準搜救的長碼格式進行組包，按照國際搜救的標準頻點和調制方式完成信息調制放大后，經過發射天線發送給COSPAS-SARSAT搜救衛星。短碼和長碼格式分別如表1和表2所示。傳統的搜救系統采用了短碼格式，短碼格式的59～71 bit表示緯度信息的度和分，72～85 bit表示經度信息的度和分，定位精度為分。本文設計的新系統采用長碼格式，37～85 bit表示緯度信息的度、分和秒，107～132 bit表示經度信息的度、分和秒，定位精度為秒。數據幀格式從112 bit增加至144 bit，定位精度分辨率由2′提高為4″，即由3.7 km提高到80 m，因此定位精度大大提高。

表2 長碼格式的數據域Table 2 Long code data field

1.3 新增北斗短報文收發終端

為進一步提升系統可靠性，利用已經建成的全球北斗導航系統，以及提供的短報文服務功能，在載人飛船上增加1套北斗短報文通信子系統，在其他無線電信標手段均不可用的極端情況下，為載人飛船提供一條獨立的通信鏈路，用于搜救信號的傳遞。

北斗短報文通信子系統采用北斗三號短報文服務(區域+全球)作為通信信道，為載人飛船提供覆蓋全球的搜救位置信息下行，以及地面與航天員之間的雙向應急通信數據傳輸支持。它具備遙測通信模式、待機通信模式及航天員通信模式。北斗短報文通信子系統在軌處于長開機狀態，周期循環地判別外部輸入條件，并根據判別結果工作在遙測通信模式、待機通信模式或者航天員通信模式。設備上電默認為遙測通信模式。在遙測通信模式時，通過1553B總線接收載人飛船上的關鍵遙測信息，并通過短報文入站鏈路發送至地面；當從1553B收到航天員手持終端上輸入的消息時，自動轉為航天員通信模式，在該模式下只發送來自航天員的消息，并且在航天員消息發送完成前忽略從總線接收到的關鍵遙測數據，航天員消息發送完成后自動轉入遙測通信模式；當長期未收到載人飛船上的關鍵遙測及航天員手持終端的消息時，自動轉為待機通信模式，在這種模式下將自身定位解算獲得的位置、速度及時間信息發送至地面。圖5和圖6分別為北斗短報文收發終端的組成和工作流程。

圖5 北斗短報文收發終端組成Fig.5 Composition of BD short message transceiver terminal

1.4 載人飛船天線及天線網絡設計

相對于傳統系統，新系統的天線和天線網絡減少了1副超短波天線，增加了2副北斗短報文收發天線和1個重力水平開關。考慮到新增北斗短報文收發終端，為了同時滿足北斗短報文業務的發送及接收頻點，采用雙極化天線設計，發送采用左旋圓極化，接收采用右旋圓極化。同時，為了滿足返回艙著陸后各種姿態，以及北斗短報文天線對北斗星座的可視性，分別在返回艙壁和大底各設計1副雙極化北斗短報文收發天線。通過重力水平開關，自主選擇視場較好的1副天線進行通信。

新系統配置2副406發射天線，2副243收發天線(243 MHz搜救頻率收發天線)，2副銥衛星天線，2副導航接收天線，2副北斗短報文天線和2臺返回艙天線網絡。2副406發射天線分別布局在返回艙的側壁和大底。2副243收發天線分別布局在返回艙的頭部和大底。2副北斗短報文天線分別布局在返回艙的側壁和大底。2副銥衛星天線分別布局在返回艙的側壁和大底。2副導航接收天線分別布局在返回艙的I象限和III象限。406發射天線、243收發天線、銥衛星天線、北斗短報文天線均采用備份設計，并且布局位置實現高低冗余，提升系統的可靠性。2副天線網絡分別是VHF天線網絡和GNSS天線網絡。VHF天線網絡通過重力水平開關，實現406發射天線a，b和243收發天線a，b的位置擇優選擇。GNSS天線網絡通過重力水平開關，自動選擇導航接收天線a，b，以及北斗短報文天線a，b中位置較高的一副工作。

載人飛船返回艙天線網絡是天線和收發信機之間的一個高頻通道，在飛船的主動段、軌道運行段、返回段及返回艙著陸后，把發射機發射的通信、測控、定位及求救信號通過此網絡傳送給指定的天線，再把從天線接收的信號傳送給指定的接收機。返回艙天線及天線網絡組成見圖7。載人飛船回收著陸搜救系統的各子系統協同工作流程見圖8。

圖7 返回艙天線及天線網絡組成Fig.7 Antenna and antenna network of re-entry module

圖8 回收著陸搜救系統工作流程Fig.8 Workflow of search and rescue system for recovery and landing

1.5 小結

回收著陸搜救系統的主要設計指標包括定位時間、定位區域、發射周期、定位精度、語音通信、質量、功耗和可靠性。比較新舊回收著陸搜救系統的設計指標，如表3所示。新系統在配套數量、定位區域、定位精度、質量、功耗和可靠性方面更優，在定位時間、發射周期和語音通信能力上與傳統系統保持一致。

表3 回收著陸搜救系統指標比較Table 3 Index comparison of search and rescue system for recovery and landing

2 應用驗證

2016年11月18日14：40,中國搜救衛星任務控制中心接收到神舟十一號載人飛船406設備發出信標，多普勒定位及接收GPS數據均正常，采用接收GPS發送信號定位的落點位置為(112°42′E，42°28′N)。回收試驗隊通過測量，報告返回艙最終落點位置為(112°42′57.2″E，42°29′11.7″N)，與交通部提供的位置數據一致，經度誤差57.2″，緯度誤差1′11.7″。

2021年9月17日，神舟十二號載人飛船返回艙著陸，航天員手動脫傘，降落傘斷開，落地后傾斜狀態，見圖9。返回再入過程中，神舟十二號載人飛船243著陸搜尋信標機開機，空中分隊通過243定向接收儀收到243 MHz信標信號并穩定跟蹤。飛船載國際救援示位標開機，過境衛星接收國際救援示位標發射的406 MHz信號正常。飛船落地后最終呈II象限朝地水平著地狀態，落地后天線艙蓋被艙體壓住。大底243收發天線b、406發射天線b均正常展開，返回艙天線網絡通過重力水平開關自動選擇位于大底的406發射天線b和243收發天線b進行通信，飛船上著陸搜尋信標機和國際救援示位標設備均工作正常。地面搜救直升機/越野車/救援船根據位置信息趕赴返回落點現場。通過交通部反饋，2021年9月17日中國搜救衛星任務控制中心接收到神舟十二號載人飛船406設備發出信標，多普勒定位及接收GPS數據均正常，采用接收GPS發送信號定位的落點位置(100°04′26″E，41°37′46″N)，與回收試驗隊通過測量報告返回艙最終落點位置(100°04′28″，41°37′43″N)進行比對，位置數據基本一致，經度誤差2″，緯度誤差3″。

經過神舟十一號和神舟十二號載人飛船飛行任務驗證，對比2種回收著陸搜救系統的定位精度，新系統的經度和緯度定位精度分別提升約55.2″和1′8.7″，有利于地面搜救系統對返回艙精確定位，縮短救援時間。

3 結束語

本文提出一種載人飛船回收著陸搜救系統設計，由國際救援示位標、北斗短報文收發終端、著陸搜尋信標機、銥衛星手機、信標天線及天線網絡等組成，可實現對載人飛船的正常及自主應急返回模式的支持，用于陸上及海上的回收著陸搜救，并已通過神舟十二號～神舟十四號載人飛船著陸搜救任務驗證，定位精度高，可實現全球陸上及海上搜救，系統可靠性高。