張 偉，劉 軍，陳少伍，金文馬，蘇 犇

(1.西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043；2.宇航動力學(xué)國家重點實驗室，西安 710043；3.浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，浙江 杭州 310027；4.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；5.北京航天飛行控制中心，北京 100094)

0 引 言

近10年以來，我國初步建成了全球布站的深空測控網(wǎng)，在探月工程和首次火星探測任務(wù)中發(fā)揮了重要作用[1]。深空測控任務(wù)的特點是傳輸時延大、信號電平弱、多普勒動態(tài)大、測控通信信號中斷頻繁[2]。首次火星探測任務(wù)中，探測器與地面測控設(shè)備之間的距離最遠(yuǎn)達(dá)到4×108km，雙向光行時長達(dá)44 min[3-4]，對于如此之長的光行時，地面測控設(shè)備如果發(fā)生故障導(dǎo)致測控鏈路中斷，按照以往的測控模式，重新建立雙向鏈路的時間代價將長達(dá)數(shù)十分鐘，在近火制動、進入下降著陸(Entry,Descent,and Landing,EDL)等重要測控弧段甚至是不可接受的。

針對這一問題，需要改變依靠下行信號狀態(tài)確認(rèn)后再進行上行信號流程推進的近地捕獲模式，建立上下行解耦合的深空捕獲模式[4]。在此基礎(chǔ)上，深空測控設(shè)備才能縮減應(yīng)急發(fā)令需要的捕獲時間，實現(xiàn)測控鏈路異常中斷時的快速響應(yīng)。

火星探測的測控距離之遠(yuǎn)在我國尚屬首次，國內(nèi)未查詢到長時延條件下測控應(yīng)急處置的相關(guān)文獻(xiàn)，國外航天機構(gòu)深空任務(wù)設(shè)計及組織模式相關(guān)文獻(xiàn)較多[5-15]，但其捕獲流程設(shè)計及應(yīng)急處置方法未見公開資料。本文將對首次火星探測任務(wù)中的光行時及其對測控的影響進行分析，對近地衛(wèi)星及深空航天器的捕獲模式進行介紹，據(jù)此分析深空長時延條件下測控鏈路應(yīng)急處置方法并評估其實施效果。

1 首次火星探測任務(wù)光行時分析

火星是地球的近鄰，是我國行星探測任務(wù)的首個探測目標(biāo)。根據(jù)首次火星探測任務(wù)設(shè)計，器地單向傳輸時延最長約為22.2 min。根據(jù)測定軌計算，首次火星探測任務(wù)器地距離及傳輸時延如圖1所示。

圖1 我國首次火星探測任務(wù)器地距離及傳輸時延

光行時的增加對航天器的測控帶來了顯著影響：一是同一時刻地面站和航天器發(fā)射和接收的上下行信號存在很長的時延差；二是按照傳統(tǒng)捕獲方式捕獲時間過長。

探測器和深空站收發(fā)信號時延如圖2所示。設(shè)當(dāng)前時刻為t，地面站收信號光行時為τ1，發(fā)信號光行時為τ2，t時刻地面站接收的下行信號由探測器在t-τ1時刻探測器發(fā)送；t時刻深空站發(fā)送上行信號，t+τ2時刻探測器接收到上行信號。設(shè)當(dāng)前時刻為t，探測器收信號光行時為τ4，發(fā)信號光行時為τ3，t-τ4時刻地面站發(fā)送上行信號，并在t時刻由探測器收到；t時刻探測器發(fā)送下行信號，t+τ3時刻地面站接收到下行信號。

圖2 探測器和深空站收發(fā)信號示意圖

器地單向光行時較大時，地面站收發(fā)信號的延遲非常大，如果按照傳統(tǒng)的捕獲流程，載波雙向捕獲和距離捕獲需多次器地往返，由此導(dǎo)致捕獲時間將包含多個器地光行時，需要設(shè)計新的捕獲流程將上行與下行信號解耦合，不再用下行信號判斷執(zhí)行情況后驅(qū)動上行信號完成捕獲流程，從而降低捕獲時間。

2 深空任務(wù)的捕獲時間考量

2.1 近地衛(wèi)星捕獲時間

在常規(guī)模式下，地面測控設(shè)備任務(wù)弧段開始時，首先完成角度捕獲鎖定衛(wèi)星下行信號，接著啟動掃描；上行載波經(jīng)過單向光行時抵達(dá)衛(wèi)星，衛(wèi)星完成載波鎖定；載波相干轉(zhuǎn)發(fā)返回地面，地面測控設(shè)備通過隨掃判決或星鎖信息判定雙捕，控制上行掃描回零；下行信號隨掃回零后，載波雙向捕獲完成。雙捕完成后，再依次發(fā)送測距音，完成距離捕獲。雙向捕獲和距離捕獲均完成，將外測數(shù)據(jù)發(fā)送至任務(wù)中心，加調(diào)遙控副載波，具備指令發(fā)令條件，系統(tǒng)捕獲完成。一般情況下，系統(tǒng)捕獲完成后向衛(wèi)星發(fā)送上行遙控指令及注入數(shù)據(jù)；緊急情況下可以去掉距捕流程。近地衛(wèi)星捕獲原理流程見圖3。

圖3 近地衛(wèi)星捕獲流程示意圖

傳統(tǒng)雙捕子流程包含1個雙向光行時，距捕子流程包含7個側(cè)音對應(yīng)的7個雙向光行時，地面站系統(tǒng)捕獲時間的計算公式如下：

t近地系統(tǒng)捕獲=t角捕+t雙捕+2t光行時+t距捕+

14t光行時+t送數(shù)+t加調(diào)遙控。

(1)

地球軌道衛(wèi)星一般距離為4×104km，16個光行時占用系統(tǒng)捕獲時間約為2 s，地球軌道衛(wèi)星的系統(tǒng)捕獲時間一般為20 s左右，因此光行時占系統(tǒng)捕獲總時間的比例較小，可忽略光行時影響。

2.2 深空探測器捕獲時間

深空探測器捕獲模式包括常規(guī)模式和為深空模式，具體系統(tǒng)捕獲方式為常規(guī)掃描、常規(guī)預(yù)置、深空掃描、深空預(yù)置四種。在以往月球探測任務(wù)中，深空站主要使用常規(guī)掃描捕獲方式；首次火星探測任務(wù)中深空測控設(shè)備主要使用深空預(yù)置捕獲方式，應(yīng)急情況下，可根據(jù)需要采用深空掃描捕獲方式。

在深空預(yù)置模式時，考慮光行時影響，深空站在任務(wù)開始后，分別同時開始下行與上行工作，鎖定探測器下行信號后向任務(wù)中心送出遙測數(shù)據(jù)，發(fā)送含上行多普勒頻率預(yù)置(考慮光行時影響)的上行載波，載波保持一定時長滿足探測器鎖定上行載波的要求后發(fā)送測距音，測距音按照預(yù)定時間間隔依次發(fā)送；測距音發(fā)送完成后，加調(diào)遙控，經(jīng)過單向光行時，上行載波抵達(dá)探測器，載波保持的時長使探測器能夠可靠鎖定上行載波；此后測距音按照時間間隔依次到來，探測器對測距音依次相干轉(zhuǎn)發(fā)，再經(jīng)過器地空間傳輸，地面先后接收到探測器下傳的遙測信息(包含探測器上行信號鎖定情況)和測距音，任務(wù)中心完成探測器上行鏈路鎖定狀態(tài)判斷后，向深空站發(fā)送“航天器上行鏈路狀態(tài)”信息；深空站依據(jù)上行鏈路和下行鏈路的鎖定情況完成雙捕判決，距捕完成后將外測數(shù)據(jù)發(fā)送至任務(wù)中心，至此系統(tǒng)捕獲完成。

在實際工作中，為保證遙控指令執(zhí)行的可靠性，避免一次捕獲不成功造成指令不執(zhí)行的不可逆影響，一般情況下需要在任務(wù)中心完成探測器上行鏈路鎖定狀態(tài)判斷或者深空站判斷雙捕后才開始發(fā)送遙控指令和注入數(shù)據(jù)。深空任務(wù)捕獲流程見圖4。

圖4 深空任務(wù)捕獲流程示意圖

深空雙捕子流程包含1個雙向光行時，距捕子流程不再包含光行時，深空站系統(tǒng)捕獲時間的計算公式如下：

t深空系統(tǒng)捕獲=t角捕+t雙捕+2t光行時+t距捕+t送數(shù)+t加調(diào)遙控。

(2)

深空捕獲模式改進雖然比傳統(tǒng)捕獲模式省去了7個雙向光行時的時間，但是僅僅1個雙向光行時導(dǎo)致的系統(tǒng)捕獲時間以器地距離4×108km計算就達(dá)到44.4 min。雖然深空微弱信號的鎖定比較耗時，但通常在數(shù)分鐘以內(nèi)，相比載波和測距音的鎖定用時，深空任務(wù)中光行時在系統(tǒng)捕獲時間中的占比較大。

2.3 應(yīng)急處置捕獲流程設(shè)計

在首次火星探測任務(wù)中，由于深空網(wǎng)全球布站使探測器可測控時間覆蓋率達(dá)到90%[1]，正常情況下，為保證遙控執(zhí)行的確定性，系統(tǒng)捕獲所耗費的數(shù)十分鐘開銷是可以接受的，但是如果發(fā)生測控鏈路中斷等異常，在問題排除后需盡快發(fā)送指令的情況，長達(dá)數(shù)十分鐘的捕獲時間開銷則難以承受，因此應(yīng)急處置捕獲流程需進一步縮短捕獲時間。

任務(wù)應(yīng)急處置捕獲流程見圖5。應(yīng)急處置捕獲時，深空測控設(shè)備在上行載波(含多普勒頻率預(yù)置)發(fā)出并保持一定時間后，依次發(fā)送上行測距音，隨后加調(diào)遙控，上行捕獲流程完成。此時上行信號雖未到達(dá)探測器，但已具備上行遙控發(fā)送能力，任務(wù)中心可正常發(fā)送遙控指令或注入數(shù)據(jù)。待雙向光行時后，探測器鎖定指示等工程遙測下傳到地面后，可確認(rèn)遙控指令接收及執(zhí)行情況。

圖5 深空任務(wù)應(yīng)急處置捕獲流程示意圖

應(yīng)急處置捕獲時間不再包含光行時，僅包含用于雙捕的預(yù)置保持時間和用于距捕的測距音發(fā)送時間，通常為數(shù)分鐘，此用時能夠保障深空任務(wù)應(yīng)急處置時的快速發(fā)令需求。深空站應(yīng)急處置捕獲時間的計算公式如下：

t應(yīng)急處置捕獲=t角捕+t雙捕+t距捕+t加調(diào)遙控。

(3)

緊急情況下，捕獲流程中可去掉距捕子流程，捕獲時間僅包含用于雙捕的預(yù)置保持時間，進一步保障了深空任務(wù)的快速發(fā)令需求。此時捕獲時間的計算公式如下：

t緊急情況捕獲=t角捕+t雙捕+t加調(diào)遙控。

(4)

2.4 不同捕獲流程的捕獲時間分析

綜上所述，對于不同捕獲流程，假定探測器距離4×108km，利用信道模擬器搭建環(huán)路，設(shè)置載波信噪比為30 dBHz(高于門限10 dB)，在此情況下仿真分析捕獲時間，結(jié)果見表1。

表1 不同捕獲流程的捕獲時間

由此可見，傳統(tǒng)上下行耦合的捕獲模式帶來的光行時開銷已不適合深空場景，而深空捕獲模式中的雙向光行時在應(yīng)急處置或緊急情況需快速發(fā)送遙控指令時也難以接受，在此情況下應(yīng)急遙控指令發(fā)送不再等待雙向光行時進行雙捕判決，上行捕獲流程完成后即發(fā)送遙控指令可有效縮短應(yīng)急的響應(yīng)時間。應(yīng)急處置和緊急情況捕獲流程在深空任務(wù)中使用還需要對可靠性進行實測。

3 深空任務(wù)應(yīng)急處置實例

首次火星探測任務(wù)應(yīng)急處置的場景主要有兩個，一是探測器多組收發(fā)天線之間的正常切換，二是由探測器或地面測控設(shè)備異常導(dǎo)致的測控鏈路中斷。為了驗證應(yīng)急處置捕獲流程的可靠性，模擬地面測控設(shè)備故障，對應(yīng)急處置流程進行了實測。

3.1 應(yīng)急處置案例

深空測控設(shè)備分機多為雙機熱備份，當(dāng)單機發(fā)生故障時，切換為熱備份，切換后啟動應(yīng)急處置捕獲流程。發(fā)射機速調(diào)管故障是深空站的常見故障，本文以發(fā)射機速調(diào)管故障為例對地面測控設(shè)備故障應(yīng)急處置流程進行說明，如圖6所示。

圖6 發(fā)射機速調(diào)管故障應(yīng)急處置協(xié)同工作流程

當(dāng)深空站將故障定位到發(fā)射機速調(diào)管后，調(diào)度報告任務(wù)中心并同步按照故障預(yù)案進行處置，速調(diào)管為熱備份單機，因此需要去激勵并切換上行信道鏈路為備份速調(diào)管鏈路；隨后基帶信號輸出，并通過備份上行鏈路將信號發(fā)出，待信號功率平穩(wěn)后啟動應(yīng)急處置捕獲流程，上行捕獲流程結(jié)束后調(diào)度報告。此時應(yīng)急處置完成，可正常開展遙控指令發(fā)送工作。此后深空站可擇機開展故障速調(diào)管的處置，排除故障。

3.2 故障應(yīng)急處置測試驗證

深空站模擬發(fā)射機速調(diào)管故障進行了應(yīng)急處置和緊急情況處置的過程演練，并在首次火星探測任務(wù)中開展了實際應(yīng)用，處置時間和成功率統(tǒng)計結(jié)果詳見表2，其中處置時間是對多次處置結(jié)果取算術(shù)平均。

表2 應(yīng)急處置時間及成功率

通過故障模擬演練和任務(wù)實際應(yīng)用的結(jié)果可以看出，在長光行時條件下深空測控系統(tǒng)應(yīng)急處置時，任務(wù)中不能發(fā)送遙控指令和注入數(shù)據(jù)的時間為故障處置時間和上行捕獲流程時間，不含光行時和下行捕獲流程所用時間。統(tǒng)計成功率表明，應(yīng)急處置流程和緊急情況下的處置流程完成捕獲的可靠性很高，可以在深空任務(wù)中使用。

4 結(jié)束語

深空探測任務(wù)中的長光行時條件造成測控通信鏈路正常捕獲時間大幅增加，給測控通信鏈路異常中斷的應(yīng)急處置帶來了難以接受的時間開銷。在深空測控設(shè)備的捕獲模式中分離上行與下行，放寬任務(wù)的確定性要求換取快速響應(yīng)時間，實現(xiàn)應(yīng)急處置需求，通過深空測控設(shè)備故障處置案例的模擬測試和在首次火星探測任務(wù)中的應(yīng)用測試證實了該方法的可用性。在保證工程可靠性的條件下縮短捕獲時間，在未來深空探測更長光行時條件下實施可靠且靈活的應(yīng)急處置是后續(xù)工作中需要不斷探索且必須實現(xiàn)的使命任務(wù)。