胡經(jīng)民 張妍 王東 李萬利

摘? 要：航天測控通信系統(tǒng)是航天測控系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文以通信、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)為重點，研究航天器測控系統(tǒng)如何在發(fā)射場復(fù)雜電磁環(huán)境中提升抗干擾能力。首先論述了航天測控通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，隨后分析了現(xiàn)行航天通信系統(tǒng)的抗干擾能力，然后介紹了 航天測控系統(tǒng)的電磁干擾來源及為提升電磁兼容性的3個發(fā)展階段，之后介紹了航天測控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)及電磁兼容性的應(yīng)用，最后針對航天測控系統(tǒng)之間的電磁兼容性提升、航天測控內(nèi)部電磁兼容性提升、抑制環(huán)境電磁干擾3個方面提出航天器測控系統(tǒng)的抗干擾能力提升方案。

關(guān)鍵詞：航天測控系統(tǒng) 通信 抗干擾? 提升研究

中圖分類號：V44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（a）-0004-03

Research on the Improvement of Anti-Jamming Capability of Spacecraft

HU Jingmin ZHANG Yan WANG Dong? LI Wanli

（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing， 100076 China）

Abstract： Aerospace TT & C communication system is the key of aerospace TT & C system. This paper focuses on the communication and data transmission system， and studies how the spacecraft measurement and control system improves the anti-jamming ability in the complex electromagnetic environment of the launch site. Firstly， this paper discusses the current situation and development trend of aerospace measurement and control communication system， then analyzes the anti-interference ability of current aerospace communication system， and then introduces the electromagnetic interference sources of aerospace TT & C system and three development stages to improve electromagnetic compatibility. Then， the anti-jamming technology and the application of electromagnetic compatibility of aerospace TT & C system are introduced. Finally， aiming at the improvement of electromagnetic compatibility between aerospace TT & C systems， the improvement of internal electromagnetic compatibility of aerospace TT & C， the anti-interference ability improvement scheme of spacecraft TT & C system is proposed from three aspects of restraining environmental electromagnetic interference.

Key Words： Aerospace TT&C system; Communication; Anti-jamming; Promotion research

人們的探索領(lǐng)域隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已延伸到廣闊的宇宙空間，航天技術(shù)得到了空前的提升，發(fā)展航天事業(yè)不僅能為人類現(xiàn)今的生活帶來便利，且對整個人類具有深遠影響。比如，航天器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，氣象航天器、航天飛機、通信航天器、空間站等在幫助人類探索宇宙奧秘的同時也使人類的生活發(fā)生了空前的變化。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、軌道控制系統(tǒng)、測控系統(tǒng)及其他的專用系統(tǒng)共同組成了航天器系統(tǒng)[1]。

航天器測控系統(tǒng)由跟蹤測量系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、計算系統(tǒng)、時間統(tǒng)一系統(tǒng)、顯示記錄系統(tǒng)及通信、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)共同組成。每個系統(tǒng)都有其特定功能。共同完成跟蹤航天器、測量參數(shù)、檢測姿態(tài)、提供時標、顯示數(shù)據(jù)、通信信息等功能。

靶場用于發(fā)射航天器，靶場為遠離干擾，通常選擇遠離電磁環(huán)境復(fù)雜的人口密集地區(qū)，但隨著我國通信技術(shù)的突飛猛進及航天事業(yè)的發(fā)展，近年來航天發(fā)射任務(wù)日益增加，發(fā)射數(shù)目增多，發(fā)射周期縮短，發(fā)射頻率變快，測控系統(tǒng)所受干擾越來越大，航天器測控系統(tǒng)的抗干擾能力亟需提升。本文將以遙測系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)及通信、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)為重點，研究航天器測控系統(tǒng)如何在發(fā)射場復(fù)雜電磁環(huán)境中提升抗干擾能力。

1? 航天器測控通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

從世界范圍看，航天器測控通信系統(tǒng)主要經(jīng)歷了4個階段。

20世紀50年代，這一階段測控系統(tǒng)的特點為各子系統(tǒng)獨立制造，是航天測控通信系統(tǒng)各設(shè)備獨立發(fā)展階段。其缺點是設(shè)備較多、可靠性較低、操作較復(fù)雜、成本也較高。

20世紀60年代，出現(xiàn)了航天測控系統(tǒng)歷史上的里程碑技術(shù)，即統(tǒng)一載波系統(tǒng)。在統(tǒng)一載波系統(tǒng)出現(xiàn)之前，測控系統(tǒng)處于獨立發(fā)展階段，設(shè)備間不僅獨立制造，而且各自使用不同頻率，需要不同的收發(fā)信機和跟蹤系統(tǒng)為之配套，導(dǎo)致各設(shè)備之前互相干擾，測控系統(tǒng)設(shè)備多、可靠性低。20世紀60年代中期，出現(xiàn)了跟蹤、遙控、測距等設(shè)備只用一個上行波、一個下行波解決測控中全部問題的方法，這樣多個設(shè)備便可使用一套收發(fā)設(shè)備和跟蹤系統(tǒng)，大大減少設(shè)備量。1966年美國阿波羅登月工程就是統(tǒng)一載波系統(tǒng)的經(jīng)典應(yīng)用[2]。

20世紀70年代，航天器在空間中需要進行持續(xù)的測控，所以對測控通信網(wǎng)的要求也有所提高，由此形成了陸?；鶞y控通信網(wǎng)。

20世紀80年代，陸?；鶞y控通信網(wǎng)進一步發(fā)展成為天基測控通信網(wǎng)，提高了空間覆蓋率，充分發(fā)揮各位置測控通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，不斷提升航天測控通信系統(tǒng)的整體性、準確性及實時性。

2? 現(xiàn)行航天測控通信系統(tǒng)抗干擾能力分析

統(tǒng)一載波測控系統(tǒng)采用統(tǒng)一共用信道和一套天線完成對航天器的多種測控，相較于分散獨立的無線電通信系統(tǒng)，在電磁兼容、經(jīng)濟性能及管理方面都具有顯著優(yōu)勢，簡化了地面設(shè)備，所以在出現(xiàn)以來一直是航天器測控系統(tǒng)的主要制式，得到了廣泛的應(yīng)用[3]。分立的基帶信號和基帶設(shè)備實質(zhì)上是分頻系統(tǒng)的混合系統(tǒng)，抗干擾能力較差[4]。

在統(tǒng)一載波時需要將各基帶設(shè)備的副載波加以調(diào)整，在調(diào)制過程中必然會產(chǎn)生多副載波相互干擾，交調(diào)干擾控制在合理范圍，整個測控系統(tǒng)才能正常工作。減少交調(diào)干擾常用的方法是提高調(diào)制器解調(diào)器的線性，降低由于調(diào)制固有的非線性特征而使副載波產(chǎn)生高次諧波，從而減少各副載波之間的組合波干擾。另外一種更簡單的方法是將遙控、測距等測控工作分開，但這樣一來測控系統(tǒng)各設(shè)備很難同時工作，不利于對航天器連續(xù)跟蹤測量，大大降低了效率。

3? 航天測控系統(tǒng)的電磁干擾及電磁兼容性

航天測控系統(tǒng)是非常復(fù)雜及精密的電子系統(tǒng)，受到干擾后會大大降低其測控準確性及效率性。為緩解干擾對航天測控系統(tǒng)的影響，必須提高航天測控系統(tǒng)的電磁兼容能力。

電磁干擾是指由于自然干擾源或人為干擾源等，使涉及電磁波變換的電子設(shè)備的運行質(zhì)量下降。形成電磁干擾的過程如圖1所示。

從電磁干擾過程分析，防止電磁干擾可從3個方面入手：抑制干擾源;切斷干擾傳播途徑;加強電子設(shè)備自身抗電磁干擾能力。下文將主要從第三個方面即加強設(shè)備抗干擾能力入手。

航天測控系統(tǒng)受到干擾的來源眾多，但需要在干擾環(huán)境中保持高度的準確性，所以提高航天器測控系統(tǒng)的抗干擾能力對于整個航天事業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

4? 航天測控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)及電磁兼容性的應(yīng)用

為提高航天器測控系統(tǒng)的抗干擾能力，提高其準確性和可靠性，同時保證其及時性，通?？梢赃\用硬件抗干擾技術(shù)及軟件抗干擾技術(shù)來實現(xiàn)。

4.1 硬件抗干擾技術(shù)

4.1.1 靜電放電保護

靜電放電保護即對電纜、鍵盤及金屬框架是容易產(chǎn)生靜電放電的部位，采取屏蔽、安裝濾波器、接地保護、減小電路板回路面積等措施。

4.1.2 屏蔽技術(shù)

屏蔽技術(shù)指運用金屬隔離的原理，切斷被隔離部分的耦合通道，以控制一個區(qū)域地電磁波對另一個區(qū)域的感應(yīng)和輻射。被隔離部分可以是干擾源，也可以是需要屏蔽的測試儀器。

屏蔽技術(shù)的類型主要有電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽。其重點是根據(jù)不同的屏蔽對象選擇不同的屏蔽材料、屏蔽體厚度、縫隙及開口等。

4.2 軟件抗干擾技術(shù)

軟件抗干擾技術(shù)相較于硬件抗干擾技術(shù)其優(yōu)點是更為靈活，成本較低。軟件抗干擾技術(shù)根據(jù)不同的階段可分為在輸入或輸出通道、數(shù)據(jù)采集誤差軟件及程序執(zhí)行過程中3個階段的軟件抗干擾技術(shù)，主要方法有如下幾種[5]。

4.2.1 減小數(shù)據(jù)采集誤差

在傳感器和采集器之間距離較大，干擾信息較多時，采集到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理，一般處理方法有算術(shù)平均值法、比較取舍法及一階遞推數(shù)字濾波法。

4.2.2 數(shù)字濾波軟件技術(shù)

數(shù)字濾波軟件的使用需要與硬件濾波器結(jié)合使用，濾除不需要的波段，減少干擾信息，但需要在計算機中提前處理好濾波信息，確保濾波決策的可靠性，才能達到預(yù)計濾波效果。

4.2.3 使用監(jiān)控定時器

使用監(jiān)控定時器可以及時檢測到偏離預(yù)定路徑的測控系統(tǒng)并將其復(fù)位，從而保證測控系統(tǒng)的有序運行，保證其可靠性[6]。

5? 航天器測控系統(tǒng)的抗干擾能力提升方案

航天器測控系統(tǒng)在抗干擾提升方面應(yīng)將硬件抗干擾與軟件抗干擾相結(jié)合，從而使航天器測控系統(tǒng)更具可靠性與及時性。在航天測控系統(tǒng)內(nèi)部，存在系統(tǒng)之間、設(shè)備內(nèi)部、外在環(huán)境各方面的干擾，針對這種情況，有以下提升方案。

5.1 航天測控系統(tǒng)之間的電磁兼容性提升

5.1.1 按標準確定工作頻帶，注意信號設(shè)計

首先根據(jù)不同設(shè)備的具體情況確定工作頻帶，然后選擇合適的工作頻率的間隔，然后按需設(shè)計信號的功率、頻譜等。避免系統(tǒng)之間的交調(diào)干擾，提升測控系統(tǒng)準確性。

5.1.2 注意設(shè)備分布

設(shè)備的數(shù)量、距離、分布情況等都會影響電磁干擾的大小，要根據(jù)具體情況調(diào)整最合適的設(shè)備分布。

5.1.3 運用軟件仿真系統(tǒng)對干擾情況進行預(yù)測

運用計算機技術(shù)模擬接收與發(fā)射系統(tǒng)的傳播，在減少時間、經(jīng)濟成本的同時得出最佳抗干擾方案。

5.2 航天測控內(nèi)部電磁兼容性提升

每組航天測控系統(tǒng)內(nèi)部都有發(fā)射機和接收機，發(fā)射機及接收機抗干擾能力的提升是整個航天測控系統(tǒng)準確性的關(guān)鍵。

5.2.1 發(fā)射機的抗干擾能力提升

發(fā)射機的抗干擾能力提升可從信號設(shè)計、干擾屏蔽、靜電防護這幾個方面著手。

5.2.2 接收機抗干擾能力提升

接收機的抗干擾方案主要包括3種：一是防止保護過載，采用合適方法使接收通道的干擾從非線性效應(yīng)轉(zhuǎn)為線性化;二是鑒別干擾信號及應(yīng)對，利用信號和干擾的性質(zhì)與參數(shù)等區(qū)別，將干擾分離;三是干擾對消，例如可通過調(diào)整天線方向?qū)⒏蓴_抑制在一定范圍內(nèi)。

5.3 抑制環(huán)境電磁干擾

環(huán)境電磁干擾的類型有很多，如城市電磁干擾、雷電電磁干擾、靜電電磁干擾、黑障效應(yīng)等。針對不同的干擾環(huán)境，要采取不同的抑制措施?；舅悸窞樽R別環(huán)境干擾來源及性質(zhì)—研究抑制干擾方案—選取合適方案。

6? 結(jié)語

本文以通信、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)為重點，研究航天器測控系統(tǒng)如何在發(fā)射場復(fù)雜電磁環(huán)境中提升抗干擾能力。首先論述了航天測控通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，隨后分析了現(xiàn)行航天通信系統(tǒng)的抗干擾能力，然后分析了航天測控系統(tǒng)的電磁干擾來源及為提升電磁兼容性的3個發(fā)展階段，之后介紹了航天測控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)及電磁兼容性的應(yīng)用，最后針對航天測控系統(tǒng)之間的電磁兼容性提升、航天測控內(nèi)部電磁兼容性提升、抑制環(huán)境電磁干擾3個方面提航天器測控系統(tǒng)的抗干擾能力提升方案。

參考文獻

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[6] 張力.煤礦四旋翼飛行機器人測控系統(tǒng)研發(fā)[D].西安：西安科技大學(xué)，2020.