龍吟 黃才 丁凱 張克楠 杜文志 夏奕 趙巖松

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

我國(guó)空間站工程任務(wù)的第1步，是由若干獨(dú)立飛行器(包括天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙、夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙、神舟載人飛船、天舟貨運(yùn)飛船)通過(guò)運(yùn)載火箭發(fā)射入軌，并經(jīng)歷若干次變軌，飛行至交會(huì)對(duì)接軌道后，通過(guò)各種交會(huì)對(duì)接敏感器、相對(duì)測(cè)量及通信的手段，作為交會(huì)對(duì)接姿態(tài)軌道控制的輸入，并最終完成交會(huì)對(duì)接任務(wù)形成組合體構(gòu)型[1]。已經(jīng)在交會(huì)對(duì)接軌道正常飛行并等待來(lái)訪飛行器完成交會(huì)對(duì)接任務(wù)的飛行器，稱為目標(biāo)飛行器?？臻g站工程任務(wù)中，目標(biāo)飛行器一般為天和核心艙或其組合體。經(jīng)歷發(fā)射入軌、遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段的若干次變軌后進(jìn)入交會(huì)對(duì)接軌道，尋找目標(biāo)飛行器并完成交會(huì)對(duì)接任務(wù)的飛行器，稱為追蹤飛行器。追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器在飛行過(guò)程中除了各自作為獨(dú)立飛行器的對(duì)地或?qū)μ鞙y(cè)控鏈路外，還需要建立星間鏈路，通過(guò)星間鏈路實(shí)現(xiàn)兩者的信息交互，為順利完成交會(huì)對(duì)接任務(wù)提供重要保障。追蹤飛行器至目標(biāo)飛行器的星間鏈路稱為前向鏈路，目標(biāo)飛行器至追蹤飛行器的鏈路稱為返向鏈路。僅支持前向或者后向交會(huì)對(duì)接的任務(wù)為普通交會(huì)對(duì)接任務(wù)，同時(shí)支持前向、后向及徑向交會(huì)對(duì)接的任務(wù)為復(fù)雜交會(huì)對(duì)接任務(wù)。

文獻(xiàn)[2]中描述了“國(guó)際空間站”(ISS)與來(lái)訪飛行器之間的星間鏈路設(shè)計(jì)，通過(guò)基于特高頻(UHF)的CPFSK調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收，支持傳輸1.024 kbit/s遙控和6.4 kbit/s遙測(cè)數(shù)據(jù)，支持的最大傳輸距離為7 km，具備簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是傳輸帶寬受限，無(wú)法滿足大數(shù)據(jù)量的星間鏈路傳輸需求，同時(shí)傳輸距離受限和缺乏抗干擾能力。文獻(xiàn)[3]中介紹了神舟八號(hào)載人飛船與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器之間的星間鏈路，采用S頻段通信，同時(shí)通過(guò)采用抗干擾能力強(qiáng)、保密性能優(yōu)的直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接過(guò)程中的雙向通信，前向、返向有效數(shù)據(jù)帶寬分別達(dá)到2.04 kbit/s和20.4 kbit/s，通信距離分別為7 km和77 km。相對(duì)于ISS的UHF星間鏈路，該星間鏈路具備傳輸帶寬高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在前向鏈路帶寬和工作模式受限的缺點(diǎn)，僅支持前向及后向交會(huì)對(duì)接模式，無(wú)法適應(yīng)徑向交會(huì)對(duì)接模式下追蹤飛行器對(duì)地及對(duì)天鏈路視場(chǎng)受限的工況。文獻(xiàn)[4]中提出了基于微波雷達(dá)和微波應(yīng)答機(jī)的用于月球軌道交會(huì)對(duì)接的星間鏈路方案，前向、返向鏈路帶寬分別達(dá)到1 kbit/s和4 kbit/s。該方案具備依托任意一個(gè)航天器實(shí)現(xiàn)天地代傳的優(yōu)點(diǎn)，但是缺少抗干擾能力和通信距離方面的設(shè)計(jì)和描述，同樣受限于傳輸鏈路帶寬。文獻(xiàn)[5]中提出的星間鏈路方案主要用于導(dǎo)航星座的在軌服務(wù)，無(wú)法直接應(yīng)用于交會(huì)對(duì)接任務(wù)。文獻(xiàn)[6-7]中提出了一種雙工作模式的空空通信機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，從單機(jī)層面為支持交會(huì)對(duì)接的星間鏈路提供參考，但是缺乏系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

本文提出一種支持復(fù)雜交會(huì)對(duì)接任務(wù)的星間鏈路設(shè)計(jì)，首先對(duì)復(fù)雜交會(huì)對(duì)接任務(wù)中追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器之間的星間鏈路進(jìn)行需求分析，根據(jù)需求分析結(jié)果對(duì)星間鏈路完成物理層、鏈路層和應(yīng)用層設(shè)計(jì)，并且從通信距離、抗干擾能力、鏈路帶寬和支持多種交會(huì)對(duì)接模式等方面進(jìn)行優(yōu)化，最后用在軌飛行任務(wù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 需求分析

本節(jié)對(duì)支持復(fù)雜交會(huì)對(duì)接任務(wù)的星間鏈路的需求進(jìn)行梳理，主要從代傳數(shù)據(jù)、相對(duì)測(cè)量、自主控制和雙向通話4個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.1 代傳數(shù)據(jù)的需求

追蹤飛行器從發(fā)射到完成交會(huì)對(duì)接任務(wù)，按照飛行階段劃分，依次經(jīng)歷發(fā)射段、遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段、近距離導(dǎo)引段、平移靠攏段、交會(huì)對(duì)接段和組合體段。在發(fā)射段和遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段，追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器的相對(duì)距離及軌道相位差距較大，不在同一地面站和中繼衛(wèi)星的測(cè)控弧段內(nèi)，兩者作為獨(dú)立飛行器完成各自的測(cè)控通信任務(wù)。在近距離導(dǎo)引段、平移靠攏段和交會(huì)對(duì)接段，追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器的相對(duì)距離變小，軌道相位逐步逼近，兩者之間通過(guò)星間鏈路完成信息交互。在組合體段，追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器通過(guò)對(duì)接總線完成信息交互。追蹤飛行器通過(guò)星間鏈路將自身數(shù)據(jù)發(fā)送至目標(biāo)飛行器，目標(biāo)飛行器通過(guò)天基或者地基測(cè)控鏈路代傳追蹤飛行器的數(shù)據(jù)。其中，ISS代傳追蹤飛行器的數(shù)據(jù)主要為1.024 kbit/s的遙控和6.4 kbit/s的遙測(cè)數(shù)據(jù)，代傳數(shù)據(jù)容量小。天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器代傳神舟八號(hào)載人飛船的數(shù)據(jù)主要為前向的2.04 kbit/s遙控?cái)?shù)據(jù)和返向20.4 kbit/s的關(guān)鍵遙測(cè)等數(shù)據(jù)，代傳數(shù)據(jù)容量也較小。在空間站任務(wù)階段的追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器需要同時(shí)適應(yīng)前向、后向、徑向3種對(duì)接方式。其中，對(duì)于徑向?qū)臃绞?，追蹤飛行器由于姿態(tài)從3軸對(duì)地正飛變?yōu)楦┭?0°,并且受到目標(biāo)飛行器對(duì)中繼衛(wèi)星波束的遮擋，測(cè)控覆蓋率嚴(yán)重下降。為了保障雙目標(biāo)跟蹤期間及徑向交會(huì)對(duì)接期間追蹤飛行器的測(cè)控鏈路可靠性和測(cè)控覆蓋率，要求目標(biāo)飛行器具備代傳追蹤飛行器的高帶寬前向、返向數(shù)據(jù)的能力，具體包括代傳追蹤飛行器的前向遙控、返向遙測(cè)及圖像話音的多媒體數(shù)據(jù)。相對(duì)于ISS及神舟八號(hào)任務(wù)期間的代傳數(shù)據(jù)需求，本文提出的代傳數(shù)據(jù)需求具有高帶寬的特點(diǎn)。

1.2 相對(duì)測(cè)量的需求

相對(duì)測(cè)量信息是保證交會(huì)對(duì)接任務(wù)正常完成的必備條件，包括位置信息和軌道姿態(tài)信息。目標(biāo)飛行器通過(guò)星間鏈路將自身位置信息發(fā)送給追蹤飛行器，追蹤飛行器根據(jù)自身位置信息和目標(biāo)飛行器位置信息，按照相對(duì)定位算法實(shí)時(shí)計(jì)算出相對(duì)位置的最優(yōu)解，為控制相對(duì)定位飛行過(guò)程提供輸入。同時(shí)，目標(biāo)飛行器通過(guò)星間鏈路將自身軌道姿態(tài)信息發(fā)送給追蹤飛行器，追蹤飛行器根據(jù)目標(biāo)飛行器的軌道六根數(shù)、姿態(tài)角、姿態(tài)角速度、飛行段標(biāo)志完成自身飛行策略的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)交會(huì)對(duì)接。

ISS的交會(huì)對(duì)接任務(wù)期間，以及神舟八號(hào)至神舟十一號(hào)載人飛船的交會(huì)對(duì)接任務(wù)期間，采用GPS系統(tǒng)為主、格洛納斯(GLONASS)系統(tǒng)為輔的相對(duì)測(cè)量手段。相對(duì)于ISS及神舟八號(hào)，本文考慮到北斗二號(hào)、三號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)景，為了提升交會(huì)對(duì)接任務(wù)的自主性和安全性，后續(xù)交會(huì)對(duì)接任務(wù)應(yīng)當(dāng)會(huì)采用以北斗系統(tǒng)為主的相對(duì)測(cè)量手段，因此本文設(shè)計(jì)的星間鏈路在支持GPS系統(tǒng)相對(duì)測(cè)量的基礎(chǔ)上同時(shí)支持北斗系統(tǒng)的相對(duì)測(cè)量。

1.3 自主控制的需求

追蹤飛行器根據(jù)自身狀態(tài)，按照條件令的判據(jù)進(jìn)行自主計(jì)算，得出對(duì)目標(biāo)飛行器的控制信息，并通過(guò)星間鏈路發(fā)送給目標(biāo)飛行器。自主控制信息包括相對(duì)導(dǎo)航敏感器根據(jù)相對(duì)導(dǎo)航距離及相對(duì)位置角度信息識(shí)別出來(lái)的工作模式切換，對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲、鎖緊完成的信息，交會(huì)對(duì)接過(guò)程中平移靠攏時(shí)目標(biāo)飛行器的太陽(yáng)翼?？匦畔?，組合體對(duì)接完成后的起控信息，以及組合體分離的分離開(kāi)始信息。

ISS的交會(huì)對(duì)接任務(wù)期間，以及神舟八號(hào)至神舟十一號(hào)載人飛船的交會(huì)對(duì)接任務(wù)期間，采用地面控制為主、飛行器自主控制為輔的策略。為了提升交會(huì)對(duì)接任務(wù)的自主性和可靠性，工程總體提出后續(xù)交會(huì)對(duì)接任務(wù)采用自主控制為主、地面控制為輔的策略，因此要求星間鏈路支持自主控制數(shù)據(jù)的傳輸及應(yīng)用層上面的自主控制策略的實(shí)現(xiàn)。

1.4 雙向通話的需求

目標(biāo)飛行器和追蹤飛行器雙向通話的需求包含2種工況。①目標(biāo)飛行器和追蹤飛行器均為有人狀態(tài)，在交會(huì)對(duì)接過(guò)程中，目標(biāo)飛行器內(nèi)的航天員和追蹤飛行器內(nèi)的航天員通過(guò)星間鏈路完成雙向通話。②目標(biāo)飛行器為無(wú)人狀態(tài)，追蹤飛行器為有人狀態(tài)，在交會(huì)對(duì)接過(guò)程中，地面通過(guò)地基或天基測(cè)控站主要跟蹤目標(biāo)飛行器，并且通過(guò)測(cè)控鏈路完成與目標(biāo)飛行器的雙向通話。同時(shí)，目標(biāo)飛行器通過(guò)星間鏈路實(shí)現(xiàn)地面與追蹤飛行器的雙向通話。

在神舟八號(hào)至神舟十一號(hào)載人飛船的交會(huì)對(duì)接任務(wù)期間，目標(biāo)飛行器為天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器和天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室，只有1個(gè)前向?qū)涌?，同一時(shí)刻最多對(duì)接1艘載人飛船，因此不存在雙向通話的需求?？臻g站任務(wù)階段，天和核心艙共有1個(gè)前向?qū)涌凇?個(gè)徑向?qū)涌凇?個(gè)后向?qū)涌诤?個(gè)側(cè)向?？靠?，支持同一時(shí)刻對(duì)接2艘載人飛船，存在追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器同時(shí)有人并雙向通話的需求。

1.5 小結(jié)

對(duì)上述分析歸納，支持空間站交會(huì)對(duì)接任務(wù)的星間鏈路需求包括代傳數(shù)據(jù)、相對(duì)測(cè)量、自主控制和支持雙向通話，詳見(jiàn)表1。

表1 支持空間站交會(huì)對(duì)接任務(wù)的星間鏈路需求

2 星間鏈路設(shè)計(jì)

針對(duì)上文的需求分析結(jié)果，制定星間鏈路的網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)模型，按照分層模型的設(shè)計(jì)思想分別從物理層、鏈路層和應(yīng)用層開(kāi)展設(shè)計(jì)。

從提升抗干擾能力和徑向交會(huì)過(guò)程期間支持目標(biāo)飛行器對(duì)追蹤飛行器代傳高帶寬數(shù)據(jù)的角度出發(fā)設(shè)計(jì)物理層，包括星間鏈路的工作頻率、調(diào)制方法和擴(kuò)頻/非擴(kuò)頻體制，使星間鏈路不僅具備向下兼容性，支持以往前向及后向交會(huì)對(duì)接任務(wù)，還滿足徑向交會(huì)對(duì)接任務(wù)的代傳需求。同時(shí)，在前向、后向交會(huì)對(duì)接任務(wù)及徑向交會(huì)對(duì)接任務(wù)的遠(yuǎn)距離相對(duì)飛行期間，采用擴(kuò)頻體制設(shè)計(jì)有效提升星間鏈路的抗干擾能力，適應(yīng)地面及空間干擾信號(hào)日益增強(qiáng)的工作環(huán)境。

鏈路層規(guī)定了星間鏈路的傳輸幀結(jié)構(gòu)和信道糾錯(cuò)編碼。一方面，采用通用化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)適用于各種用戶數(shù)據(jù)的通用化傳輸幀結(jié)構(gòu)；另一方面，從抗干擾的角度出發(fā)，采用里德-所羅門(RS)編碼，從鏈路層角度進(jìn)一步提升星間鏈路的抗干擾能力。

應(yīng)用層分別對(duì)各種用戶數(shù)據(jù)的傳輸幀協(xié)議和自主控制策略開(kāi)展設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)任務(wù)需求，對(duì)交會(huì)對(duì)接任務(wù)期間的所有用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并詳細(xì)設(shè)計(jì)所有用戶數(shù)據(jù)的應(yīng)用層傳輸協(xié)議。為減少地面干預(yù)，提升交會(huì)對(duì)接任務(wù)的自主性，實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接過(guò)程自主可控，設(shè)計(jì)應(yīng)用層的若干自主控制策略?；谛情g鏈路傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)，追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器對(duì)數(shù)據(jù)按照自主控制算法進(jìn)行分析和計(jì)算，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，完成相應(yīng)任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)全自主交會(huì)對(duì)接任務(wù)。星間鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

注：在目標(biāo)飛行器發(fā)送信息中，A1為絕對(duì)定位數(shù)據(jù)，A2為控制關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)，A3為任務(wù)話音，A4為代傳遙控注入數(shù)據(jù)；在追蹤飛行器發(fā)送信息中，B1為自主控制數(shù)據(jù)，B2為代傳高帶寬遙測(cè)及多媒體數(shù)據(jù)，B3為任務(wù)話音，B4為通過(guò)工程遙測(cè)代傳對(duì)接段關(guān)鍵遙測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1 物理層設(shè)計(jì)

追蹤飛行器配置2臺(tái)空空通信機(jī)[8-11]、2副空空通信天線和1個(gè)空空通信接口，空空通信接口內(nèi)部雙機(jī)熱備份。目標(biāo)飛行器配置2臺(tái)空空通信機(jī)、1個(gè)空空通信接口、2副空空通信天線(布局在前向、徑向?qū)涌诟浇?，前向與徑向交會(huì)對(duì)接使用此天線)、2個(gè)空空前置放大器、2副空空支架天線(布局在后向?qū)涌诟浇笙蚪粫?huì)對(duì)接使用此天線)?？湛胀ㄐ艡C(jī)完成基帶信號(hào)處理及節(jié)點(diǎn)艙空空射頻信號(hào)的放大，空空前置放大器完成資源艙空空射頻信號(hào)的放大。目標(biāo)飛行器空空通信天線切換指令僅影響射頻接收通道；目標(biāo)飛行器空空通信機(jī)與空空前置放大器的固態(tài)放大器具備獨(dú)立開(kāi)關(guān)的能力。星間鏈路的物理層可分為接收通道和發(fā)射通道兩大功能部分，結(jié)構(gòu)上各單元獨(dú)立處理。為了保證射頻模塊的正常工作，設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮接收、發(fā)射通道的隔離度和發(fā)射與接收模塊的電磁兼容問(wèn)題。接收通道和發(fā)射通道都設(shè)計(jì)有單獨(dú)的本振單元，以防止信號(hào)間的串?dāng)_；同時(shí)，它們的射頻信號(hào)采用了帶外濾波設(shè)計(jì)。另外，射頻模塊對(duì)接收通道和發(fā)射通道在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)物理上的隔離。星間鏈路物理層組成見(jiàn)圖2。

圖2 星間鏈路物理層組成

追蹤飛行器至目標(biāo)飛行器的空空鏈路可工作在擴(kuò)頻模式和非擴(kuò)頻模式，由追蹤飛行器的空空通信機(jī)切換通信模式，目標(biāo)飛行器的空空通信機(jī)自適應(yīng)追蹤飛行器切換。目標(biāo)飛行器至追蹤飛行器的空空鏈路只工作在擴(kuò)頻模式。其中，擴(kuò)頻工作模式應(yīng)用于前向及后向交會(huì)對(duì)接過(guò)程，非擴(kuò)頻工作模式應(yīng)用于徑向交會(huì)對(duì)接過(guò)程。這種雙工作模式的設(shè)計(jì)，既能提升遠(yuǎn)距離飛行期間星間鏈路的抗干擾能力，又能支持徑向交會(huì)對(duì)接的近距離階段，滿足目標(biāo)飛行器代傳追蹤飛行器的高帶寬數(shù)據(jù)的需求。星間鏈路根據(jù)擴(kuò)頻模式和功率模式來(lái)調(diào)整發(fā)射功率，包含擴(kuò)頻大功率、擴(kuò)頻小功率、非擴(kuò)頻大功率和非擴(kuò)頻小功率4種模式,見(jiàn)圖3。

圖3 星間鏈路發(fā)射功率模式

星間鏈路工作在S頻段，前向鏈路支持BPSK和QPSK調(diào)制方式，返向鏈路支持BPSK調(diào)制方式。擴(kuò)頻通信模式下，采用碼分多址進(jìn)行信號(hào)區(qū)分，空空通信機(jī)a與b采用不同的GOLD碼，且互為熱備份；追蹤飛行器至目標(biāo)飛行器的星間鏈路在非擴(kuò)頻通信模式下，追蹤飛行器僅1臺(tái)空空通信機(jī)固態(tài)放大器開(kāi)機(jī)，另外1臺(tái)空空通信機(jī)固態(tài)放大器關(guān)機(jī)，可作為冷備份設(shè)備。星間前向鏈路和返向鏈路的物理層原理分別見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 星間前向鏈路物理層原理

注：AD為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換；NCO為數(shù)控振蕩器；FIR為有限脈沖響應(yīng)；PN為偽隨機(jī)碼。

同一個(gè)飛行器的2副空空通信天線采用不同的極化方式區(qū)分，空空通信天線a極化方式為左旋圓極化，空空通信天線b為右旋圓極化，兩者之間采用極化隔離設(shè)計(jì)。目標(biāo)飛行器和追蹤飛行器的空空通信機(jī)和空空通信天線均可配對(duì)使用。每個(gè)空空通信接口能同時(shí)接收空空通信機(jī)a和空空通信機(jī)b的數(shù)據(jù)和狀態(tài)遙測(cè)參數(shù)，根據(jù)接收到的遙測(cè)參數(shù)及數(shù)據(jù)幀同步字判斷空空通信機(jī)a和b的工作狀態(tài)是否正常。若均為正常狀態(tài)，優(yōu)先選擇把空空通信機(jī)a的數(shù)據(jù)送往用戶。星間鏈路物理層設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 星間鏈路物理層設(shè)計(jì)

2.2 鏈路層設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)信道的抗干擾能力，空空通信機(jī)采用RS編碼對(duì)信道傳輸?shù)恼`碼進(jìn)行控制,幀頭不參與編碼。目標(biāo)飛行器至追蹤飛行器的空空數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)幀長(zhǎng)為6×64 bit，其中：幀頭長(zhǎng)12 bit；數(shù)據(jù)6×48 bit；采用RS(62，48)校驗(yàn)碼，每個(gè)符號(hào)6 bit。每組數(shù)據(jù)含48個(gè)符號(hào)、14個(gè)校驗(yàn)符，能夠檢測(cè)不大于14個(gè)錯(cuò)誤的符號(hào)，可糾正6個(gè)符號(hào)錯(cuò)誤。星間鏈路的RS編碼后鏈路層傳輸幀格式如表3所示，目標(biāo)飛行器至追蹤飛行器的鏈路層傳輸幀如表4所示，追蹤飛行器至目標(biāo)飛行器的鏈路層傳輸幀如表5所示。I支路、Q支路和話音數(shù)據(jù)為碼流，只有1種幀頭；控制關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)、自主控制數(shù)據(jù)和對(duì)接段關(guān)鍵遙測(cè)數(shù)據(jù)，單幀數(shù)據(jù)需要拆分成2幀空空數(shù)據(jù)幀傳輸，分別設(shè)計(jì)起始幀和結(jié)束幀2種幀頭；定位數(shù)據(jù)和遙控?cái)?shù)據(jù)的單幀數(shù)據(jù)需要拆分成大于2幀的空空數(shù)據(jù)幀傳輸，分別設(shè)計(jì)起始幀、中間幀和結(jié)束幀3種幀頭。

表3 星間鏈路的RS編碼后鏈路層傳輸幀格式

表4 目標(biāo)飛行器至追蹤飛行器的鏈路層傳輸幀

表5 追蹤飛行器至目標(biāo)飛行器的鏈路層傳輸幀

2.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

2.3.1 應(yīng)用層傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

應(yīng)用層傳輸協(xié)議是所有用戶數(shù)據(jù)在星間鏈路應(yīng)用層上的傳輸規(guī)范。根據(jù)傳輸方向，分為目標(biāo)飛行器至追蹤飛行器和追蹤飛行器至目標(biāo)飛行器的應(yīng)用層傳輸協(xié)議。目標(biāo)飛行器至追蹤飛行器的應(yīng)用層傳輸協(xié)議，包括絕對(duì)定位數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、遙控?cái)?shù)據(jù)和話音數(shù)據(jù)。追蹤飛行器至目標(biāo)飛行器的應(yīng)用層傳輸協(xié)議，包括自主控制數(shù)據(jù)、代傳I支路和Q支路數(shù)據(jù)、關(guān)鍵遙測(cè)數(shù)據(jù)及話音數(shù)據(jù)。

(1)目標(biāo)飛行器發(fā)送給追蹤飛行器的絕對(duì)定位數(shù)據(jù)。目標(biāo)飛行器導(dǎo)航定位接收機(jī)周期性生成全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)絕對(duì)定位數(shù)據(jù)，目標(biāo)飛行器將表4中的定位數(shù)據(jù)透明傳輸至追蹤飛行器，追蹤飛行器將導(dǎo)航定位接收機(jī)定位數(shù)據(jù)發(fā)送差分導(dǎo)航定位接收機(jī)完成相對(duì)定位解算。

(2)目標(biāo)飛行器發(fā)送給追蹤飛行器的控制數(shù)據(jù)。目標(biāo)飛行器制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)周期性生成1幀控制關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)，目標(biāo)飛行器將表4中的控制關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)透明傳輸至追蹤飛行器，追蹤飛行器通過(guò)星間鏈路接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)。

(3)目標(biāo)飛行器代傳追蹤飛行器的遙控?cái)?shù)據(jù)。對(duì)于地面上行并通過(guò)目標(biāo)飛行器轉(zhuǎn)發(fā)追蹤飛行器的遙控指令和注入數(shù)據(jù)，由星間鏈路發(fā)送至追蹤飛行器再由追蹤飛行器的遙控解調(diào)器譯碼后發(fā)送到各用戶執(zhí)行。目標(biāo)飛行器轉(zhuǎn)發(fā)追蹤飛行器的遙控指令或注入幀格式的流程，與直接從地面上行至追蹤飛行器一致。

(4)目標(biāo)飛行器和追蹤飛行器的雙向話音數(shù)據(jù)。追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器之間雙向透明傳輸話音數(shù)據(jù)。當(dāng)星間鏈路傳輸?shù)脑捯襞c地面上行的話音重合時(shí)，話音處理器混音后送航天員頭戴。

(5)追蹤飛行器發(fā)送給目標(biāo)飛行器自主控制數(shù)據(jù)。追蹤飛行器發(fā)送給目標(biāo)飛行器的對(duì)接狀態(tài)數(shù)據(jù)為追蹤飛行器制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)產(chǎn)生的自主控制數(shù)據(jù)，由追蹤飛行器按照注入格式打包發(fā)送至目標(biāo)飛行器。

(6)追蹤飛行器向目標(biāo)飛行器傳送I支路和Q支路數(shù)據(jù)。由于徑向?qū)訒r(shí)目標(biāo)飛行器艙體對(duì)追蹤飛行器測(cè)控鏈路存在遮擋，近距離(2個(gè)飛行器相對(duì)距離450 m內(nèi))時(shí)追蹤飛行器的遙測(cè)、圖像、話音數(shù)據(jù)通過(guò)目標(biāo)飛行器代傳下行。追蹤飛行器將I支路和Q支路數(shù)據(jù)透明傳輸至目標(biāo)飛行器。目標(biāo)飛行器接收后，通過(guò)中繼Ka頻段單址(KSA)鏈路下行地面。

(7)追蹤飛行器向目標(biāo)飛行器傳送對(duì)接關(guān)鍵遙測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)接過(guò)程中目標(biāo)飛行器?？仄陂g，目標(biāo)飛行器窄波束中繼鏈路可能存在中斷，徑向?qū)幽繕?biāo)飛行器艙體對(duì)追蹤飛行器測(cè)控鏈路存在遮擋，追蹤飛行器對(duì)接過(guò)程的故障處置所需的遙測(cè)參數(shù)通過(guò)星間鏈路發(fā)送目標(biāo)飛行器，由目標(biāo)飛行器通信鏈路下行地面。交會(huì)對(duì)接期間，追蹤飛行器將代傳關(guān)鍵遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)飛行器。

2.3.2 應(yīng)用層自主控制策略設(shè)計(jì)

應(yīng)用層自主控制策略是一個(gè)飛行器根據(jù)自身及通過(guò)星間鏈路接收到的另外一個(gè)飛行器的相關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)自主控制的策略。通過(guò)應(yīng)用層自主控制策略的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接過(guò)程中自主控制為主、地面控制為輔的目的。應(yīng)用層自主控制策略包括目標(biāo)飛行器前向和后向空空通信天線的切換策略、星間鏈路工作模式及發(fā)射功率的切換策略，以及激光雷達(dá)遠(yuǎn)近場(chǎng)的切換策略。

(1)目標(biāo)飛行器前向和后向空空通信天線切換策略(見(jiàn)圖6)。目標(biāo)飛行器分別在節(jié)點(diǎn)艙與資源艙配置1副天線，追蹤飛行器在前向交會(huì)和徑向交會(huì)或徑向繞飛過(guò)程中，在天和核心艙2副空空通信天線的交疊區(qū)進(jìn)行切換，切換指令由自主指令與地面遙控發(fā)出。目標(biāo)飛行器參考空空通信天線的布局和視場(chǎng)，根據(jù)追蹤飛行器飛行位置，當(dāng)θ>60°時(shí)，給出資源艙切換至節(jié)點(diǎn)艙天線標(biāo)志。其中，θ為目標(biāo)飛行器空空支架天線視場(chǎng)俯仰角，0°基準(zhǔn)為天線軸向，順時(shí)針?lè)较蚪嵌葹檎?，逆時(shí)針?lè)较蚪嵌葹樨?fù)。由節(jié)點(diǎn)艙天線切換至資源艙天線是由地面判斷發(fā)令切換。

注：θCV為追蹤飛行器天線視場(chǎng)俯仰角，0°基準(zhǔn)為天線軸向，順時(shí)針?lè)较蚪嵌葹檎鏁r(shí)針?lè)较蚪嵌葹樨?fù)。

(2)星間鏈路工作模式及發(fā)射功率切換策略(見(jiàn)圖7)。默認(rèn)情況下，前向、后向?qū)訉?duì)應(yīng)擴(kuò)頻模式，徑向?qū)訉?duì)應(yīng)非擴(kuò)頻模式，擴(kuò)頻模式和非擴(kuò)頻模式可通過(guò)地面注入設(shè)定。在擴(kuò)頻模式，2個(gè)飛行器相對(duì)距離小于300 m(質(zhì)心坐標(biāo)系相對(duì)距離)時(shí)，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)將切換至小功率置為有效，在接近段或撤離段且2個(gè)飛行器距離大于400 m時(shí)，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)將切換至大功率置為有效。在非擴(kuò)頻模式，2個(gè)飛行器相對(duì)距離小于80 m(對(duì)接口坐標(biāo)系相對(duì)距離)時(shí)，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)將切換至小功率置為有效，在接近段或撤離段且2個(gè)飛行器距離大于100 m時(shí)，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)將切換至大功率置為有效。

圖7 星間鏈路工作模式及發(fā)射功率切換策略

(3)激光雷達(dá)遠(yuǎn)近場(chǎng)切換策略。在交會(huì)對(duì)接過(guò)程中，激光雷達(dá)初始狀態(tài)為切換至遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)，當(dāng)2個(gè)飛行器對(duì)接口坐標(biāo)系相對(duì)距離小于68 m時(shí)，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)將切換至近場(chǎng)目標(biāo)；制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)進(jìn)入組合體?？亢?，將激光雷達(dá)初始化為近場(chǎng)目標(biāo)；當(dāng)執(zhí)行組合體撤離任務(wù)、追蹤飛行器飛行到相對(duì)目標(biāo)飛行器200 m時(shí)，置為切遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)。

3 在軌驗(yàn)證

3.1 神舟十二號(hào)載人飛船前向交會(huì)對(duì)接

神舟十二號(hào)載人飛船在軌完成與天和核心艙的前向交會(huì)對(duì)接，星間鏈路采用擴(kuò)頻模式通信，鏈路正常建立，基于星間鏈路的神舟十二號(hào)載人飛船與天和核心艙之間的雙向信息流正常運(yùn)行。交會(huì)對(duì)接期間，神舟十二號(hào)載人飛船空空通信機(jī)加電，建立與天和核心艙的星間鏈路，加電后至對(duì)接完成鎖緊完成期間同步指示和接收信號(hào)強(qiáng)度指示如圖8所示(北京時(shí)間2021年6月17日)。神舟十二號(hào)載人飛船與天和核心艙之間星間鏈路的前向鏈路建立的基線距離為42 km，返向鏈路建立的基線距離為143 km，優(yōu)于前向和返向通信距離分別為7 km與77 km的要求。在擴(kuò)頻模式，神舟十二號(hào)載人飛船與天和核心艙相對(duì)距離小于300 m(質(zhì)心坐標(biāo)系相對(duì)距離)時(shí)，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)將切換至小功率置為有效，兩者的工作模式均從擴(kuò)頻大功率切換為擴(kuò)頻小功率。在15：26，接收信號(hào)強(qiáng)度指示值由4.2 V變?yōu)?.7 V，表示天和核心艙的空空通信機(jī)根據(jù)相對(duì)距離變化自動(dòng)切換至小功率。同時(shí)，神舟十二號(hào)載人飛船空空通信機(jī)的發(fā)射功率遙測(cè)顯示，當(dāng)前工作模式從大功率切換為小功率。

圖8 星間鏈路同步指示和接收信號(hào)強(qiáng)度指示

3.2 神舟十三號(hào)載人飛船徑向交會(huì)對(duì)接

神舟十三號(hào)載人飛船在軌完成與天和核心艙的徑向交會(huì)對(duì)接，星間鏈路采用非擴(kuò)頻模式通信，鏈路正常建立，基于星間鏈路的神舟十三號(hào)載人飛船與天和核心艙之間的雙向信息流正常運(yùn)行。神舟十三號(hào)載人飛船與天和核心艙之間星間鏈路的前向鏈路建立的基線距離為40 km，返向鏈路建立的基線距離為127 km，優(yōu)于前向和返向通信距離分別為7 km與77 km的要求。期間，神舟十三號(hào)載人飛船空空通信機(jī)a切換至非擴(kuò)頻工作模式，與天和核心艙空空通信機(jī)a建立穩(wěn)定雙向鏈路。在非擴(kuò)頻模式，成功通過(guò)星間鏈路代傳768 kbit/s的圖像數(shù)據(jù)和768 kbit/s的遙測(cè)數(shù)據(jù)，代傳圖像見(jiàn)圖9。

圖9 徑向交會(huì)對(duì)接模式下的星間鏈路代傳圖像

在非擴(kuò)頻模式，神舟十三號(hào)載人飛船和天和核心艙的相對(duì)距離小于80 m(對(duì)接口坐標(biāo)系相對(duì)距離)時(shí)，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)將兩者的發(fā)射功率成功切換為小功率。

3.3 小結(jié)

對(duì)ISS、神舟八號(hào)載人飛船，以及應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的神舟十二號(hào)、十三號(hào)載人飛船的在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析比對(duì)，見(jiàn)表6。可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸帶寬高和支持徑向交會(huì)對(duì)接工作模式的優(yōu)點(diǎn)。

表6 星間鏈路在軌試驗(yàn)結(jié)果分析

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)交會(huì)對(duì)接任務(wù)中追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器的星間鏈路需求進(jìn)行分析，并根據(jù)需求完成星間鏈路的物理層、鏈路層和應(yīng)用層的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接過(guò)程中目標(biāo)飛行器代傳追蹤飛行器重要數(shù)據(jù)，解決追蹤飛行器由于姿態(tài)調(diào)整及視場(chǎng)遮擋導(dǎo)致的測(cè)控覆蓋率下降問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)追蹤飛行器根據(jù)目標(biāo)飛行器的絕對(duì)位置信息完成相對(duì)導(dǎo)航定位功能，為追蹤飛行器完成交會(huì)對(duì)接段飛行提供重要參考信息；通過(guò)星間鏈路實(shí)現(xiàn)2個(gè)飛行器對(duì)接過(guò)程中的自主控制，在地面不干預(yù)的情況下具備完成自主交會(huì)對(duì)接的能力，提升交會(huì)對(duì)接任務(wù)的可靠性。本文設(shè)計(jì)支持返向20.4 kbit/s、前向擴(kuò)頻模式下8.18 kbit/s和非擴(kuò)頻模式下4170 kbit/s的有效數(shù)據(jù)傳輸帶寬，支持前向7 km和返向77 km的穩(wěn)定通信距離，具備較強(qiáng)的抗干擾能力，設(shè)計(jì)成果已經(jīng)成功應(yīng)用于空間站任務(wù)。