月球與深空任務(wù)測量船雙捕策略研究①

黃 磊，沈 俊，程 承，陳少伍，李 贊

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100)

0 引言

航天測量船因其良好的機(jī)動(dòng)性能，可作為陸基測控站的有效補(bǔ)充和能力延伸，主要用于運(yùn)載火箭入 軌段測量，衛(wèi)星測控以及飛船測控通信[1]，在我國東射向、東南射向航天發(fā)射任務(wù)中起到了至關(guān)重要的 作用。在海南文昌發(fā)射場投入使用后，為了完成后續(xù)載人空間站工程、探月三期工程的發(fā)射段測控，在 合適點(diǎn)位布設(shè)測量船更是成為了測控方案設(shè)計(jì)和任務(wù)實(shí)施的必備之選。 船載測控設(shè)備主要包括脈沖雷達(dá)設(shè)備、箭遙數(shù)據(jù)接收設(shè)備、統(tǒng)一測控設(shè)備等。其中，統(tǒng)一測控設(shè)備 將與目標(biāo)探測器測控應(yīng)答機(jī)相配合，利用統(tǒng)一載波測控體制，通過雙向頻率捕獲完成雙捕，建立上下行 相干測控信道。應(yīng)答機(jī)將接收、解調(diào)上行遙控信號(hào)，接收、解調(diào)并調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)測距信號(hào)，完成遙測信號(hào)的 調(diào)制及發(fā)送[2]，從而與統(tǒng)一測控設(shè)備相配合完成對(duì)探測器的測控任務(wù)。在航天任務(wù)的發(fā)射及早期軌道段， 由于有應(yīng)急指令發(fā)送以及定初軌的迫切需求，因此能否快速、穩(wěn)定、可靠地完成測量船對(duì)目標(biāo)探測器的 雙捕直接關(guān)系到任務(wù)的成敗。 在我國已經(jīng)發(fā)射的各類航天器中，大多數(shù)采用 S頻段測控(也有一部分采用 C頻段測控) ，因頻段 較低，發(fā)射段多普勒頻率變化范圍較小，可以確保在較短時(shí)間內(nèi)完成掃頻和雙捕。然而，從探月工程三 期嫦娥五號(hào)任務(wù)開始(實(shí)際發(fā)射時(shí)間將晚于首次火星探測任務(wù)) ，發(fā)射段將采用 X頻段，頻率約 8GHz， 是 S頻段頻率的 4倍，因此，按照傳統(tǒng)掃頻的模式進(jìn)行雙捕所需的時(shí)間將是原先的 4倍，這將無法滿足 星箭分離前完成遙控指令發(fā)送的需求，因此需優(yōu)化捕獲策略來減少雙捕時(shí)間。此外，在后續(xù)深空探測任 務(wù)中，為提高捕獲靈敏度，將采用數(shù)字應(yīng)答機(jī)，而數(shù)字鎖相環(huán)通常采用多速率結(jié)構(gòu)，經(jīng)過多級(jí)濾波降采 樣處理會(huì)導(dǎo)致不可忽略的環(huán)路時(shí)延，從而對(duì)輸入信號(hào)突變的適應(yīng)能力減弱，在傳統(tǒng)掃描方式下存在失鎖 的情況，為此需要研究適應(yīng)高靈敏度數(shù)字應(yīng)答機(jī)的雙捕策略。 本文第 1章介紹了常規(guī)地球衛(wèi)星任務(wù)測量船雙捕過程，第 2章對(duì)月球與深空任務(wù)的雙捕需求進(jìn)行了 分析，第 3章給出了針對(duì)月球與深空模擬應(yīng)答機(jī)的捕獲策略，第 4章給出了針對(duì)月球與深空數(shù)字應(yīng)答機(jī) 的捕獲策略，第 5章是結(jié)論。文中提到的策略在相關(guān)型號(hào)的天地測控對(duì)接試驗(yàn)中得到了充分驗(yàn)證，并將 在今年下半年的嫦娥五號(hào)及火星探測任務(wù)中得到實(shí)際應(yīng)用。

1 常規(guī)地球衛(wèi)星任務(wù)測量船雙捕過程

雙捕指采用鎖相相參解調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)體制的跟蹤測量系統(tǒng)的上、下行頻率捕獲、鎖定過程。常規(guī)地球衛(wèi)星 測量船雙捕的過程與地面測控站雙捕的過程相類似，具體過程如下[3]： 1)測控天線根據(jù)任務(wù)中心發(fā)送的引導(dǎo)數(shù)據(jù)指向測控目標(biāo)，并正確接收到目標(biāo)衛(wèi)星的遙測信號(hào)。 2)地面站/ 船測控基帶設(shè)備輸出上行單載波信號(hào)，以合適的功率通過天線發(fā)射，并按照約定的掃描 參數(shù)(主要包括掃描速率和掃描范圍)來進(jìn)行掃描。 3)星上測控應(yīng)答機(jī)收到上行掃頻信號(hào)后，完成星上鎖定，并進(jìn)行隨掃，該隨掃過程會(huì)導(dǎo)致地面站/ 船原非相干狀態(tài)下接收的遙測信號(hào)失鎖[4]。 4)地面站/ 船測控基帶載波環(huán)路重新捕獲應(yīng)答機(jī)的隨掃信號(hào)，通過鎖定后的隨掃波形與發(fā)射的隨掃 波形相比較來進(jìn)行下行信號(hào)的隨掃判決(也可通過隨掃斜率判決法判決[5]) 。 5)完成隨掃判決后，測控基帶停止掃描并回零。 需要說明的是，以上過程針對(duì)的是傳統(tǒng)的統(tǒng)一載波系統(tǒng)應(yīng)答機(jī)，如USB應(yīng)答機(jī)、UCB應(yīng)答機(jī)等， 對(duì)于非相干擴(kuò)頻體制應(yīng)答機(jī)的雙捕不采用“掃描+隨掃”方式。此外，在常規(guī)地球衛(wèi)星的雙捕過程中，掃描的起點(diǎn)和回零的終點(diǎn)均為頻率零點(diǎn)。掃描速率的典型值為15kHz/s，掃描范圍的典型值為±115k Hz ，掃 描方式為圖1所示的三角波。因此掃描一個(gè)周期的時(shí)間為115kHz×4/15kHz/s=30.7s，即最多需要半3分鐘即可完成雙捕。 在完成雙捕后，將啟動(dòng)輪發(fā)側(cè)音的測距捕獲流程，并按任務(wù)中心要求加調(diào)遙控副載波，發(fā)送遙控指 令分鐘即可完成雙捕。 在完成雙捕后，將啟動(dòng)輪發(fā)側(cè)音的測距捕獲流程，并按任務(wù)中心要求加調(diào)遙控副載波，發(fā)送遙控指令。

圖1 常規(guī)地球衛(wèi)星任務(wù)中地面測控站/ 船三角波掃頻示意圖

2 月球與深空任務(wù)雙捕需求分析

我國的月球探測任務(wù)按照“繞、落、回”三步走的戰(zhàn)略實(shí)施[6]，探月工程一期嫦娥一號(hào)任務(wù)采用的是S 頻段測控；探月工程二期嫦娥二號(hào)任務(wù)中進(jìn)行了 X頻段試驗(yàn)[7]，隨后在嫦娥三號(hào)任務(wù)中正式使用 X頻段 測控(發(fā)射和早期軌道段依然使用 S頻段) ；探月工程三期嫦娥五號(hào)任務(wù)中，將首次全程采用 X頻段， 星上應(yīng)答機(jī)為模擬應(yīng)答機(jī)。首次火星探測任務(wù)中[8]，也將全程使用 X頻段測控，星上應(yīng)答機(jī)為數(shù)字應(yīng)答 機(jī)，應(yīng)答機(jī)捕獲門限由月球任務(wù)的125dBm提高到150dBm。 不論是月球任務(wù)還是深空任務(wù)，對(duì)測量船統(tǒng)一測控設(shè)備的雙捕需求依然是快速、穩(wěn)定、可靠。針對(duì) 嫦娥一號(hào)、二號(hào)和三號(hào)任務(wù)，通過采用與常規(guī)地球衛(wèi)星任務(wù)相同的雙捕策略可以迅速完成雙捕。然而， 針對(duì)嫦娥五號(hào)及火星任務(wù)，X頻段掃描范圍的典型值從 S頻段的±115kHz提高到±460kHz ，采用傳統(tǒng)方 法掃描時(shí)間將是原來的 4倍，達(dá)到 2分鐘。而測量船的一個(gè)跟蹤任務(wù)弧段往往僅有 56分鐘，在這期間 可能還要完成星箭分離前上行指令的發(fā)送以及星箭分離后對(duì)探測器的測控，因此需要開展捕獲策略分析， 將雙捕時(shí)間壓縮到 1分鐘以內(nèi)，把更多的測控時(shí)間留給指令發(fā)送和指令執(zhí)行情況判斷。

3 針對(duì)月球與深空模擬應(yīng)答機(jī)的捕獲策略

3.1 模擬應(yīng)答機(jī)特性

從嫦娥一號(hào)任務(wù)直至嫦娥五號(hào)任務(wù)，均以模擬應(yīng)答機(jī)為主，鎖相環(huán)為二階環(huán)路，需要通過掃頻的模 式來完成雙捕。

下面以嫦娥五號(hào)軌道器為例，給出 X頻段應(yīng)答機(jī)典型技術(shù)指標(biāo)，見表1所示。需要注意 的是按照 CCSDS標(biāo)準(zhǔn)[9]，月球探測器屬于 A類航天器(距離地球高度小于 200萬公里) ，X頻段接收機(jī) 靜態(tài)頻率不確定性優(yōu)于±200kHz即可，表 1中的指標(biāo)達(dá)到了優(yōu)于±100kHz 。

表1 嫦娥五號(hào)軌道器應(yīng)答機(jī)技術(shù)指標(biāo)

3.2 捕獲策略

在嫦娥五號(hào)任務(wù)中，為了兼顧連續(xù) 3天每天5條彈道的測控要求，在最惡略情況下，星箭分離前僅有190s的跟蹤弧段，而這190s中包括70s的火箭調(diào)姿。為滿足分離時(shí)刻探測器的對(duì)日指向，目前的調(diào)姿策略將使火箭的俯仰角劇烈變化，存在測控天線失捕的風(fēng)險(xiǎn)，因此可用測控弧段為190s70s=120s。 而在這剩余的120s中，測量船不但要完成雙捕，還將完成2條指令的發(fā)送，并利用遙測數(shù)據(jù)監(jiān)視指令執(zhí)行情況。按照前期任務(wù)經(jīng)驗(yàn)，任務(wù)中心通過調(diào)度完成1條指令上注和遙測判別至少需要 30s時(shí)間，因此2條指令的發(fā)送和執(zhí)行情況判別一共需要1分鐘。也就是說，測量船必須能夠在1分鐘內(nèi)完成雙捕。 為了完成這一目標(biāo)，可以采用減少掃描范圍和增加掃描速率兩種方法。為了減少掃描范圍，可以采用多普勒預(yù)置，以探測器進(jìn)站時(shí)刻的多普勒理論值補(bǔ)償后作為多普勒預(yù)設(shè)值，例如若測量船跟蹤開始時(shí)對(duì)探測器的徑向多普勒為200kHz ，則在測控基帶中設(shè)置多普勒預(yù)置量200kHz ，并以該數(shù)值作為掃描的 起點(diǎn)和終點(diǎn)。在多普勒預(yù)置的前提下，考慮到接收機(jī)靜態(tài)頻率不確定性優(yōu)于±100kHz ，因此掃描范圍可以設(shè)置為±200kHz(考慮到應(yīng)答機(jī)鎖相環(huán)路的滯后效應(yīng)以及捕獲過程中的多普勒變化，預(yù)留100kHz余 量) 。這樣，在掃描速率不變的情況下，掃描整個(gè)周期的時(shí)間為200kHz×4/15kHz/s=53s。為了防止拐點(diǎn)處掃描方向跳變引起的失鎖隱患，可以在每個(gè)掃描拐點(diǎn)處停頓1s。按照上述方式，可以在1分鐘內(nèi)完成雙捕，從而滿足任務(wù)要求。因?yàn)椴捎昧硕嗥绽疹A(yù)置，測量船測控基帶送出的雙向多普勒測量數(shù)據(jù)必 須要進(jìn)行修正，修正公式為：

fdreal=fd-fdpredict·ρ

(1)

式中，fd為基帶送出的雙向多普勒，fdpredict為多普勒預(yù)置值，ρ為轉(zhuǎn)發(fā)比(X頻段為880/ 749)，fdreal為實(shí)際雙向多普勒。fdreal在經(jīng)過船姿船搖修正后用于測定軌。

注：通過嫦娥五號(hào)探測器型號(hào)部門仿真計(jì)算與試驗(yàn)分析，在實(shí)際任務(wù)中可以用 30k Hz / s的掃速進(jìn)行掃描，建議掃描 范圍為±300k Hz ，總掃描捕獲時(shí)間不變。

4 針對(duì)月球與深空數(shù)字應(yīng)答機(jī)的捕獲策略

4.1 數(shù)字應(yīng)答機(jī)特性

與模擬應(yīng)答機(jī)相比，數(shù)字應(yīng)答機(jī)可以做到更高的捕獲靈敏度。一般認(rèn)為，模擬應(yīng)答機(jī)的捕獲門限很難做到130dBm，而數(shù)字應(yīng)答機(jī)可以做到150dBm甚至更低[10]，歐空局為BepiCol ombo任務(wù)開發(fā)的X/Ka雙頻段深空應(yīng)答機(jī)的捕獲門限為150dBm，跟蹤門限為154dBm[11][12]。我國首次火星探測任務(wù)環(huán) 繞器使用的數(shù)字應(yīng)答機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見表2所示。

表2 首次火星探測任務(wù)環(huán)繞器應(yīng)答機(jī)技術(shù)指標(biāo)

為了滿足上述指標(biāo)要求，該數(shù)字應(yīng)答機(jī)載波捕獲跟蹤模塊基于 3階鎖相環(huán)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖見圖2所示。

圖2 應(yīng)答機(jī)數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

其三階環(huán)路濾波器實(shí)質(zhì)上為數(shù)字低通濾波器，通過將鑒相器輸出信號(hào)進(jìn)行零級(jí)、一級(jí)和二級(jí)積分， 積分相加后的輸出信號(hào)送給壓控振蕩器進(jìn)行頻率的誤差調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差三階以下特性的跟蹤。與模擬環(huán)相比，數(shù)字環(huán)設(shè)計(jì)和控制更加精確，可取得更好的跟蹤性能，但是為了獲得這一優(yōu)勢，數(shù)字環(huán)通常采取多速率結(jié)構(gòu)，經(jīng)過多級(jí)的濾波降采樣處理，存在不可忽略的環(huán)路時(shí)延(達(dá)ms級(jí)) ，對(duì)輸入信號(hào)突變的適應(yīng)能力減弱。 通過對(duì)接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在±100k Hz掃描范圍，5kHz/s掃速下，利用傳統(tǒng)三角波掃頻在起掃、過拐點(diǎn)、 停掃時(shí)，數(shù)字環(huán)因無法適應(yīng)0至5kHz或5kHz至0的掃速跳變，會(huì)出現(xiàn)載波失鎖現(xiàn)象。這正是因?yàn)榄h(huán)路時(shí)延的存在導(dǎo)致應(yīng)答機(jī)再生載波無法及時(shí)響應(yīng)輸入端的頻率突變，在再生載波頻率跟蹤上輸入載波頻率的變化之前，頻差造成的累計(jì)相差導(dǎo)致了鎖相環(huán)的失鎖。

4.2 捕獲策略

4.2.1 掃描方式下的捕獲策略

為了解決數(shù)字應(yīng)答機(jī)在起掃、過拐點(diǎn)、停掃時(shí)的失鎖問題，需要對(duì)上述關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行平滑處理，一般 采取的方法為將三角波掃頻的拐點(diǎn)附近進(jìn)行正弦函數(shù)平滑或二次函數(shù)平滑，圖3給出了利用正弦函數(shù)平 滑的示意圖，從圖中可以看出，為了獲得相同的捕獲范圍，平滑后的掃描時(shí)間將大于三角波掃描時(shí)間。

圖3 正弦波曲線拐點(diǎn)平滑掃描示意圖

從表2中可以看出，±100kHz最大捕獲范圍的前提條件是需要地面進(jìn)行多普勒補(bǔ)償，因此掃描的起 點(diǎn)和終點(diǎn)不是標(biāo)稱發(fā)射頻率，而是多普勒預(yù)置后的頻率。此外，考慮到接收機(jī)靜態(tài)頻率不確定性優(yōu)于100 kHz的指標(biāo)，在設(shè)計(jì)掃描范圍M的的時(shí)候，必須要將這100kHz包含在內(nèi)。此外，因測量船跟蹤弧段內(nèi) 的多普勒變化大概從 200kHz到200kHz ，為了確保捕獲后整個(gè)弧段應(yīng)答機(jī)不失鎖，需要 X頻段應(yīng)答機(jī) 跟蹤范圍優(yōu)于500kHz ，表 2中A機(jī)滿足要求，將在首次火星任務(wù)發(fā)射段使用。因?yàn)椴捎昧硕嗥绽昭a(bǔ)償， 需要用公式(1)進(jìn)行雙向多普勒測量量的修正。

4.2.2 非掃描方式下的捕獲策略

針對(duì)數(shù)字應(yīng)答機(jī)的環(huán)路特性，也可以采用非掃描方式下的捕獲策略。例如，首次火星探測任務(wù)數(shù)字 應(yīng)答機(jī)的載波預(yù)估計(jì)模塊對(duì)其±100kHz捕獲帶內(nèi)的時(shí)域采樣點(diǎn)進(jìn)行FFT計(jì)算，通過取FFT的頻域樣點(diǎn) 結(jié)果中的能量峰值索引即可獲得上行載波多普勒頻偏的預(yù)估計(jì)值。可以在載波多普勒預(yù)置后直接向應(yīng)答 機(jī)發(fā)送上行載波而不進(jìn)行掃描，應(yīng)答機(jī)可以迅速完成 FFT分析并捕獲上行載波，進(jìn)而完成雙捕。在這種情況下，地面將通過解下行遙測中的應(yīng)答機(jī)鎖定指示狀態(tài)來確認(rèn)雙捕完成。美國測控系統(tǒng)判別雙捕的方 法也是通過判遙測中星鎖指示標(biāo)識(shí)來完成的，區(qū)別在于美國測控站通過固定波道遙測數(shù)據(jù)自行判斷星鎖， 我國測量船設(shè)備不解遙測，任務(wù)中心解遙測后會(huì)將星鎖指示信息發(fā)送給測量船設(shè)備。 測量船采用常數(shù)多普勒預(yù)置的方法，上行發(fā)射頻率為恒定值，通過對(duì)接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)首次火星探 測任務(wù)，測量船可以在10s以內(nèi)完成雙捕。實(shí)際上，更為精準(zhǔn)的方法是地面發(fā)射頻率采用斜坡函數(shù)文件[13]，通過事先的理論計(jì)算對(duì)多普勒進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，該方法較為復(fù)雜，雙捕之后的上行頻率不再是常值， 會(huì)增加雙向測速解算的復(fù)雜性。鑒于利用常數(shù)多普勒預(yù)置可以滿足測量船雙捕要求，實(shí)時(shí)補(bǔ)償多普勒的 方法必要性并不強(qiáng)，但會(huì)在任務(wù)的火星軌道捕獲階段使用。 使用非掃頻方式，同樣需要 X頻段應(yīng)答機(jī)跟蹤范圍優(yōu)于500kHz ，并利用公式(1)進(jìn)行雙向多普勒 測量量的修正。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)我國月球與深空探測器的測控需求和器上應(yīng)答機(jī)特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測量船雙向捕獲 策略，具體總結(jié)如下： 1)針對(duì)模擬應(yīng)答機(jī)，以探測器進(jìn)站時(shí)刻的多普勒理論值補(bǔ)償后作為多普勒預(yù)置值，并以該數(shù)值作 為掃描的起點(diǎn)和終點(diǎn)。在多普勒預(yù)置的前提下，考慮接收機(jī)靜態(tài)頻率不確定性和捕獲過程中的多普勒變 化范圍來設(shè)置掃描范圍，采用三角波掃描模式。測量船通過隨掃指示燈判斷星鎖并完成雙捕。 2)針對(duì)數(shù)字應(yīng)答機(jī)，優(yōu)先采用非掃頻模式，采用常數(shù)多普勒預(yù)置的方法，上行發(fā)射頻率為多普勒 補(bǔ)償后的恒定頻率值，通過解遙測數(shù)據(jù)中的星鎖指示標(biāo)識(shí)來完成雙捕。若采用掃頻模式，需要在策略 1)的基礎(chǔ)上，使用對(duì)起掃、過拐點(diǎn)、停掃等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行平滑處理的掃描模式，測量船通過隨掃指示燈判斷 星鎖并完成雙捕。 上述策略已經(jīng)在相關(guān)型號(hào)的天地測控對(duì)接試驗(yàn)中得到了充分驗(yàn)證，并將在后續(xù)任務(wù)中得到實(shí)際應(yīng)用。