论文部分内容阅读
【摘要】 基于中继卫星的天基测控系统在我国载人航天测控系统中扮演越来越重要的角色，本文从天基测控体系的优势入手，介绍了基于中继卫星的天基测控体系工作原理，并对天基测控终端的组成及关键技术进行了研究，给出了天基测控终端的组成原理框图及与中继卫星一天内可建立通信链路的情况。
【关键词】 天基测控 载人航天
一、引言
在我国载人航天任务中，由“天链“系列中继卫星构成的天基测控网的应用极大地提升了航天测控网的覆盖范围，从根本上弥补了地基测控通信覆盖率低的问题。天基测控所使用的Ka/S频段的数传/测控信道，具有通信频带宽、返向链路容量大的特点，有效地保证了交会对接、太空授课等各类在轨试验活动的顺利执行。在我国后续的空间站及空间实验室任务中，载人航天系列发射任务更加频繁，航天员在轨时间更长，进行的各类在轨操作与科学实验更多，对测控网的高速数传、多目标测控等技术要求也更高，因此天基测控在后续载人航天任务中的应用将更加广泛。
二、基于中继卫星的天基测控体系的优势
天基测控系统主要包括数据中继卫星系统和导航卫星系统等天基系统，本文仅讨论基于数据中继卫星系统的天基测控在载人航天中的相关应用及发展。
数据中继卫星系统是在地球同步轨道上布设专用的数据中继卫星，通过与其它卫星建立星间链路通信，完成前、返向数据的转发和中继，与地面站建立起通信链路。理论上，只要在地球同步轨道上布设三颗相互夹角为120°的数据中继卫星，即可以实现对全球低轨道空间飞行器100%的轨道覆盖。但是对我国而言，这必须有一个地面站建立在国外，实现起来非常困难。如果在地球同步轨道上布设两颗数据中继卫星，即可实现80%～92%的轨道覆盖，这可以满足载人航天任务的轨道覆盖要求。因此，采用数据中继卫星为平台，建设我国星座组网的载人航天天基测控通信系统，是解决我国载人航天测控通信问题的有效途径。
载人航天任务增加天基测控手段，可带来如下所述的优点。1）高测控覆盖率。通过加装中继用户终端，可利用中继卫星实现对载人航天器的大范围测控，延长测控弧段，大大提高测控覆盖率；2）高数据传输实时性。利用中继卫星，载人航天器的大量载荷数据可及时回传到国内，改变以前卫星过境回传数据的历史，卫星观测数据回传时效性有了质的飞跃，卫星应用效能得到显著提升；3）大幅度提高测控数传可靠性。中继卫星系统和地基测控系统相互备份、相互补充，可以明显提高测控数传的可靠性，降低了测控风险；4）多目标同时测控。在交会对接和未来空间站任务中，需要对目标飞行器和追踪飞行器2个或多个目标进行同时测控。
三、基于中继卫星的天基测控体系工作原理
数据中继卫星系统，由“天链“系列中继卫星、地面测控站和载人航天器中继终端设备组成。中继卫星地面站将发往载人航天器的相关遥控指令和上注数据等信息，调制到S/Ka频段链路上，发往中继卫星，再由中继卫星转发给载人航天器；载人航天器将要传给地面的遥测信息和应急话音等数据，先经S/Ka频段星间链路发往中继卫星，再由中继卫星将相关信息转发至地面中继测控站，并行相关解调、解扰、译码处理。
中继卫星天基测控系统工作原理如图l所示。
四、天基测控终端的组成及关键技术
载人航天器天继测控终端是安装在载人航天器上的测控终端设备，完成信号的接收和转发，通过总线接口、RS422接口与载人航天器的指令分系统、数管分系统、遥测分系统相连接，完成对载人航天器的测控和数据传输功能。用于满足地面测控网视距范围外的测控通信，以延长测控时间、实施空间快速响应任务和应急情况下对载人航天器的监视和控制，并且为用户卫星提供多种速率遥控遥测服务。
4.1天基测控终端的组成及功能
载人航天器天基测控终端主要由中继测控终端、高频电缆、测控天线组成，其组成原理框图如图2所示。
前向的处理过程为：接收来自中继星转发的前向遥控、测距扩频信号，传送到中继S终端射频接收模块，射频接收模块对信号进行滤波、低噪声放大、下变频、中频滤波、中频信号放大和AGC控制。输出中频信号送到基带信号处理模块，AD采样后在数字基带内完成捕获、跟踪、比特同步，最终解调、译码出遥控PCM码流，码型变换后送遥控单元，同时恢复测距伪码；返向的处理过程为：接收遥测PCM信号后送基带模块，经过对遥测数据组帧、RS编码、加扰处理后进行卷积编码，上行没有锁定时，采用本地产生的长码进行直接序列扩频，上行锁定后采用恢复的上行测距伪码进行扩频，成形滤波之后，经过射频通道进行载波调制、滤波放大后，经天线送中继星。
4.2天基测控终端的关键技术研究
天基测控终端的研制突破了多项关键技术，解决了多项技术难点。以下对其采用的关键技术进行说明：
4.2.1宽波束中继测控天线的“车轮状”波束赋形技术
天基测控终端作为载人飞行器和中继卫星通信的设备，其目的是为了延长测控通信时间，测控弧段主要为境外测控。所以要求中继测控天线的增益覆盖范围为，全方位面且具有一定角度的俯仰角，类似于“车轮状”赋形波束。
为了达到“车轮状”这种特定的波束覆盖，中继测控天线在选取传统的双绕背射螺旋天线的基础上，进行了电性能重新设计，主要在螺旋天线传统的辐射模式的基础上，进行了波束赋形设计，使天线的工作状态为法向模和轴向模结合，产生了特殊的“车轮状”赋形波束。
采用此种天线方向图，在星体能满足天线视场条件下，大部分通信覆盖区域有效地避开地基通信的覆盖区域，同时合理运用螺旋天线方向图仰角调整的方法，在不损失链路增益的情况下有效地增加了天基测控终端在地基通信以外的覆盖区域。不仅满足了载人飞行器与中继卫星的通信时间的要求，还大大提高了单轨最长测控时间、每天总测控时间、测控覆盖率及传输时效性。图3为载人航天器与中继卫星之间可视时间和可视区域的STK软件仿真情况说明，红线为建立通信链路的区域。从仿真结果可以看出，在载人航天飞行器正常姿态情况下，每天与任意一颗中继卫星的测控时间均大幅延长，载人飞行器的天基测控能力显著提升。 4.2.2大多普勒范围直接序列扩频信号的高灵敏度快捕跟踪技术
由于天基测控的信号传输距离与地基测控模式相比要远很多，中继卫星到载人航天器之间的距离达4万公里而不是用户星到地面站的几百到几千公里；另外中继卫星受功耗的限制，对载人航天器的发射EIRP较地面站也小许多，并且中继星在转发用户星与地面站之间的测控信号时，转发器噪声进一步污染了有用信息。因此，天基测控模式下天基测控终端的链路预算与地基测控模式相比，要紧张很多。例如，在S频段下采用简单的全向天线，要求天基测控终端解调门限电平优于-124dBm。同时，中继星和载人航天器之间的相对运动造成多普勒频率变化范围大的特点，需要考虑在-90kHz～90kHz的多普勒变化范围内实现快速捕获。中继测控低信噪比、大多普勒变化范围的特点，要求接收机实现直接序列扩频信号的高灵敏度快速捕获跟踪，此技术是天基测控终端研制过程中最为关键的技术。使用基于FFT的并行频率搜索捕获算法完成载波和伪码的快速捕获。通过延长相干积分时间，获取到较高的处理增益，满足高灵敏度捕获的目的；另外，中继遥控伪码码长较短，故采用时域滑动搜索，频域上通过FFT实现并行搜索的方案，一次FFT运算可以实现-90kHz～90kHz的多普勒变化范围内的搜索，而且能够得到多普勒频率的精确估计。在捕获的伪码相位预测值和伪多普勒频率预测值的基础上进行伪码相位跟踪、载波跟踪和数据位的跟踪。上行遥控信号的数据位和伪码周期不相参，为适应数据位与伪码周期非相参时直扩信号的跟踪，上行跟踪与位同步解调模块采用位同步环、码跟踪环和载波跟踪环并行工作。码跟踪环采用由积分清除器、码鉴相器、环路滤波器等组成的数字延迟锁相环（DDLL）。采用载波辅助方法来消除大部分的码多普勒频率，这样可以降低伪码相位跟踪环的阶数，简化伪码相位跟踪环设计。所以采用二阶跟踪环路即可跟踪高动态信号。载波跟踪环在跟踪载波变化的同时向码跟踪环提供一个载波辅助量用以校正由于多普勒效应引起的码率变化。
4.2.3直接序列扩频信号的抗多址干扰技术
干扰的存在影响系统的整体性能，同时恶化了系统的同步性能、解调和测量性能，使检测概率降低、虚警概率升高、平均捕获时间变长、失锁概率增加、误码率变大、测量误差加大等。由于扩频码的非理想互相关性，码分多址系统中总是存在码间干扰问题，即强的信号会影响弱信号的捕获和跟踪。天基测控终端采用周期为1023的Gold码作为扩频码，码序列的自相关峰和互相关峰的比值理论上只有1023/65，因此，码间干扰现象较严重，功率较强的干扰信号将造成信号通道的误捕和误跟。如何既保证捕获灵敏度，又允许干扰信号和有用信号有较大功率差，是天基测控终端需解决的另外一项关键技术。在天基测控终端的研制中，采用根据信号强度自适应改变检测判决门限的恒虚警门限方法；利用伪码的相关特性以及联合判决检测误锁等新的思路和方法，可有效控制使得码间干扰引起的误捕或误锁，实现优良的码间干扰抑制能力。
五、结束语
天基测控是我国载人航天测控体系的主要发展方向，随着空间站和空间实验室任务的实施，载人航天将迎来新的发展高潮，必将带动与之相关的天基测控技术的飞速发展。今后在中继链路设计与分析、遥控遥测数据高码速率传输、抗干扰抗截获能力提高等方面是天基测控体系研究的重点。基于中继卫星的天基测控体系的有效应用不但能够减少地面测控站和远洋测量船的使用数量，而且能够弥补地面覆盖盲区，降低地面任务费用，提高测控和通信能力，将来必将有更广阔的发展。
参 考 文 献
[1] 王家胜. 我国数据中继卫星系统发展建议，航天器工程，2011
[2] 李艳华，卢满宏，天基测控系统应用发展趋势探讨，飞行器测控学报，2012
【关键词】 天基测控 载人航天
一、引言
在我国载人航天任务中，由“天链“系列中继卫星构成的天基测控网的应用极大地提升了航天测控网的覆盖范围，从根本上弥补了地基测控通信覆盖率低的问题。天基测控所使用的Ka/S频段的数传/测控信道，具有通信频带宽、返向链路容量大的特点，有效地保证了交会对接、太空授课等各类在轨试验活动的顺利执行。在我国后续的空间站及空间实验室任务中，载人航天系列发射任务更加频繁，航天员在轨时间更长，进行的各类在轨操作与科学实验更多，对测控网的高速数传、多目标测控等技术要求也更高，因此天基测控在后续载人航天任务中的应用将更加广泛。
二、基于中继卫星的天基测控体系的优势
天基测控系统主要包括数据中继卫星系统和导航卫星系统等天基系统，本文仅讨论基于数据中继卫星系统的天基测控在载人航天中的相关应用及发展。
数据中继卫星系统是在地球同步轨道上布设专用的数据中继卫星，通过与其它卫星建立星间链路通信，完成前、返向数据的转发和中继，与地面站建立起通信链路。理论上，只要在地球同步轨道上布设三颗相互夹角为120°的数据中继卫星，即可以实现对全球低轨道空间飞行器100%的轨道覆盖。但是对我国而言，这必须有一个地面站建立在国外，实现起来非常困难。如果在地球同步轨道上布设两颗数据中继卫星，即可实现80%～92%的轨道覆盖，这可以满足载人航天任务的轨道覆盖要求。因此，采用数据中继卫星为平台，建设我国星座组网的载人航天天基测控通信系统，是解决我国载人航天测控通信问题的有效途径。
载人航天任务增加天基测控手段，可带来如下所述的优点。1）高测控覆盖率。通过加装中继用户终端，可利用中继卫星实现对载人航天器的大范围测控，延长测控弧段，大大提高测控覆盖率；2）高数据传输实时性。利用中继卫星，载人航天器的大量载荷数据可及时回传到国内，改变以前卫星过境回传数据的历史，卫星观测数据回传时效性有了质的飞跃，卫星应用效能得到显著提升；3）大幅度提高测控数传可靠性。中继卫星系统和地基测控系统相互备份、相互补充，可以明显提高测控数传的可靠性，降低了测控风险；4）多目标同时测控。在交会对接和未来空间站任务中，需要对目标飞行器和追踪飞行器2个或多个目标进行同时测控。
三、基于中继卫星的天基测控体系工作原理
数据中继卫星系统，由“天链“系列中继卫星、地面测控站和载人航天器中继终端设备组成。中继卫星地面站将发往载人航天器的相关遥控指令和上注数据等信息，调制到S/Ka频段链路上，发往中继卫星，再由中继卫星转发给载人航天器；载人航天器将要传给地面的遥测信息和应急话音等数据，先经S/Ka频段星间链路发往中继卫星，再由中继卫星将相关信息转发至地面中继测控站，并行相关解调、解扰、译码处理。
中继卫星天基测控系统工作原理如图l所示。
四、天基测控终端的组成及关键技术
载人航天器天继测控终端是安装在载人航天器上的测控终端设备，完成信号的接收和转发，通过总线接口、RS422接口与载人航天器的指令分系统、数管分系统、遥测分系统相连接，完成对载人航天器的测控和数据传输功能。用于满足地面测控网视距范围外的测控通信，以延长测控时间、实施空间快速响应任务和应急情况下对载人航天器的监视和控制，并且为用户卫星提供多种速率遥控遥测服务。
4.1天基测控终端的组成及功能
载人航天器天基测控终端主要由中继测控终端、高频电缆、测控天线组成，其组成原理框图如图2所示。
前向的处理过程为：接收来自中继星转发的前向遥控、测距扩频信号，传送到中继S终端射频接收模块，射频接收模块对信号进行滤波、低噪声放大、下变频、中频滤波、中频信号放大和AGC控制。输出中频信号送到基带信号处理模块，AD采样后在数字基带内完成捕获、跟踪、比特同步，最终解调、译码出遥控PCM码流，码型变换后送遥控单元，同时恢复测距伪码；返向的处理过程为：接收遥测PCM信号后送基带模块，经过对遥测数据组帧、RS编码、加扰处理后进行卷积编码，上行没有锁定时，采用本地产生的长码进行直接序列扩频，上行锁定后采用恢复的上行测距伪码进行扩频，成形滤波之后，经过射频通道进行载波调制、滤波放大后，经天线送中继星。
4.2天基测控终端的关键技术研究
天基测控终端的研制突破了多项关键技术，解决了多项技术难点。以下对其采用的关键技术进行说明：
4.2.1宽波束中继测控天线的“车轮状”波束赋形技术
天基测控终端作为载人飞行器和中继卫星通信的设备，其目的是为了延长测控通信时间，测控弧段主要为境外测控。所以要求中继测控天线的增益覆盖范围为，全方位面且具有一定角度的俯仰角，类似于“车轮状”赋形波束。
为了达到“车轮状”这种特定的波束覆盖，中继测控天线在选取传统的双绕背射螺旋天线的基础上，进行了电性能重新设计，主要在螺旋天线传统的辐射模式的基础上，进行了波束赋形设计，使天线的工作状态为法向模和轴向模结合，产生了特殊的“车轮状”赋形波束。
采用此种天线方向图，在星体能满足天线视场条件下，大部分通信覆盖区域有效地避开地基通信的覆盖区域，同时合理运用螺旋天线方向图仰角调整的方法，在不损失链路增益的情况下有效地增加了天基测控终端在地基通信以外的覆盖区域。不仅满足了载人飞行器与中继卫星的通信时间的要求，还大大提高了单轨最长测控时间、每天总测控时间、测控覆盖率及传输时效性。图3为载人航天器与中继卫星之间可视时间和可视区域的STK软件仿真情况说明，红线为建立通信链路的区域。从仿真结果可以看出，在载人航天飞行器正常姿态情况下，每天与任意一颗中继卫星的测控时间均大幅延长，载人飞行器的天基测控能力显著提升。 4.2.2大多普勒范围直接序列扩频信号的高灵敏度快捕跟踪技术
由于天基测控的信号传输距离与地基测控模式相比要远很多，中继卫星到载人航天器之间的距离达4万公里而不是用户星到地面站的几百到几千公里；另外中继卫星受功耗的限制，对载人航天器的发射EIRP较地面站也小许多，并且中继星在转发用户星与地面站之间的测控信号时，转发器噪声进一步污染了有用信息。因此，天基测控模式下天基测控终端的链路预算与地基测控模式相比，要紧张很多。例如，在S频段下采用简单的全向天线，要求天基测控终端解调门限电平优于-124dBm。同时，中继星和载人航天器之间的相对运动造成多普勒频率变化范围大的特点，需要考虑在-90kHz～90kHz的多普勒变化范围内实现快速捕获。中继测控低信噪比、大多普勒变化范围的特点，要求接收机实现直接序列扩频信号的高灵敏度快速捕获跟踪，此技术是天基测控终端研制过程中最为关键的技术。使用基于FFT的并行频率搜索捕获算法完成载波和伪码的快速捕获。通过延长相干积分时间，获取到较高的处理增益，满足高灵敏度捕获的目的；另外，中继遥控伪码码长较短，故采用时域滑动搜索，频域上通过FFT实现并行搜索的方案，一次FFT运算可以实现-90kHz～90kHz的多普勒变化范围内的搜索，而且能够得到多普勒频率的精确估计。在捕获的伪码相位预测值和伪多普勒频率预测值的基础上进行伪码相位跟踪、载波跟踪和数据位的跟踪。上行遥控信号的数据位和伪码周期不相参，为适应数据位与伪码周期非相参时直扩信号的跟踪，上行跟踪与位同步解调模块采用位同步环、码跟踪环和载波跟踪环并行工作。码跟踪环采用由积分清除器、码鉴相器、环路滤波器等组成的数字延迟锁相环（DDLL）。采用载波辅助方法来消除大部分的码多普勒频率，这样可以降低伪码相位跟踪环的阶数，简化伪码相位跟踪环设计。所以采用二阶跟踪环路即可跟踪高动态信号。载波跟踪环在跟踪载波变化的同时向码跟踪环提供一个载波辅助量用以校正由于多普勒效应引起的码率变化。
4.2.3直接序列扩频信号的抗多址干扰技术
干扰的存在影响系统的整体性能，同时恶化了系统的同步性能、解调和测量性能，使检测概率降低、虚警概率升高、平均捕获时间变长、失锁概率增加、误码率变大、测量误差加大等。由于扩频码的非理想互相关性，码分多址系统中总是存在码间干扰问题，即强的信号会影响弱信号的捕获和跟踪。天基测控终端采用周期为1023的Gold码作为扩频码，码序列的自相关峰和互相关峰的比值理论上只有1023/65，因此，码间干扰现象较严重，功率较强的干扰信号将造成信号通道的误捕和误跟。如何既保证捕获灵敏度，又允许干扰信号和有用信号有较大功率差，是天基测控终端需解决的另外一项关键技术。在天基测控终端的研制中，采用根据信号强度自适应改变检测判决门限的恒虚警门限方法；利用伪码的相关特性以及联合判决检测误锁等新的思路和方法，可有效控制使得码间干扰引起的误捕或误锁，实现优良的码间干扰抑制能力。
五、结束语
天基测控是我国载人航天测控体系的主要发展方向，随着空间站和空间实验室任务的实施，载人航天将迎来新的发展高潮，必将带动与之相关的天基测控技术的飞速发展。今后在中继链路设计与分析、遥控遥测数据高码速率传输、抗干扰抗截获能力提高等方面是天基测控体系研究的重点。基于中继卫星的天基测控体系的有效应用不但能够减少地面测控站和远洋测量船的使用数量，而且能够弥补地面覆盖盲区，降低地面任务费用，提高测控和通信能力，将来必将有更广阔的发展。
参 考 文 献
[1] 王家胜. 我国数据中继卫星系统发展建议，航天器工程，2011
[2] 李艳华，卢满宏，天基测控系统应用发展趋势探讨，飞行器测控学报，2012