張 強(qiáng)， 裴 胤， 王小輝， 祝樹(shù)生

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心 北京 100076)

引 言

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)TDRSS(Tracking and Data Relay Satellite System)是利用同步衛(wèi)星和地面終端站，對(duì)中、低軌飛行器進(jìn)行高覆蓋率測(cè)控和數(shù)據(jù)中繼的測(cè)控通信系統(tǒng)，它具有跟蹤測(cè)軌和數(shù)據(jù)中繼兩個(gè)功能，是一種先進(jìn)的天基測(cè)控系統(tǒng)?；谥欣^衛(wèi)星的天基測(cè)控技術(shù)為新型運(yùn)載火箭的遙測(cè)遙控和數(shù)據(jù)通信提供了先進(jìn)技術(shù)途徑，不僅從根本上解決了地基測(cè)控通信覆蓋率低的問(wèn)題，還解決了高速數(shù)傳和多目標(biāo)測(cè)控通信等技術(shù)難題。

航天任務(wù)仿真是進(jìn)行航天任務(wù)分析與設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段。作為航天任務(wù)仿真軟件的代表，STK(Satellite Tool Kit)具備可視化程度高、軟件模塊功能完善、模型精確可靠、使用方便等特點(diǎn)。利用STK中經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的仿真模型可以快速、有效地構(gòu)建航天任務(wù)仿真系統(tǒng)。本文利用STK軟件建立了某運(yùn)載火箭天基測(cè)控系統(tǒng)仿真模型，對(duì)多條飛行軌跡的中繼星天基測(cè)控系統(tǒng)通信覆蓋范圍進(jìn)行了仿真，為天基測(cè)控方案的總體評(píng)估、無(wú)線測(cè)控通信鏈路分析、測(cè)控覆蓋率分析等提供了參考。

1 中繼星天基測(cè)控技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著中繼衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)箭載的中繼用戶終端解決火箭與地面站之間各種信號(hào)的傳輸，對(duì)地面站發(fā)射的遙控指令、任務(wù)信息和其他數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)等，是實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信及測(cè)控任務(wù)的一種較理想通信手段。

天基測(cè)控系統(tǒng)的箭載終端可以采用Ka頻段傳輸中高碼速率數(shù)據(jù)，為高清晰度圖像數(shù)據(jù)和大量載荷數(shù)據(jù)的傳輸提供了可能，擴(kuò)大了測(cè)控系統(tǒng)的作用范圍，縮小了測(cè)控盲區(qū);而在中低速數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)控任務(wù)中，則可采用S頻段箭載終端。與傳統(tǒng)的測(cè)控手段相比，中繼星天基測(cè)控技術(shù)具有較高的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)[1]。

中繼衛(wèi)星天基測(cè)控方案還具有以下優(yōu)勢(shì):

①將中繼星用戶終端安裝在火箭平臺(tái)上，通過(guò)中繼星轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)有效地解決了靶場(chǎng)遠(yuǎn)距離測(cè)控通信保障的技術(shù)難題，提高了對(duì)火箭的測(cè)控覆蓋率。

②中繼星作為發(fā)射場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像信息的傳輸手段，解決了控制信息的遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題，提供了較高的可靠性和安全性保障。

③火箭在飛行過(guò)程中可以實(shí)時(shí)獲得地面指揮中心傳來(lái)的控制信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行任務(wù)調(diào)整，提高了任務(wù)靈活度。

2 中繼星天基測(cè)控系統(tǒng)的總體描述

中繼衛(wèi)星天基測(cè)控系統(tǒng)由中繼衛(wèi)星、中繼星地面系統(tǒng)和若干用戶終端設(shè)備組成[2]，它主要實(shí)現(xiàn)兩大功能:一是對(duì)運(yùn)載火箭進(jìn)行跟蹤、遙測(cè)與遙控;二是數(shù)據(jù)中繼。

2.1 中繼星天基測(cè)控系統(tǒng)的工作原理

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，一般由2～3顆地球同步衛(wèi)星、相應(yīng)的地面應(yīng)用系統(tǒng)和用戶終端組成[3]。運(yùn)載火箭要傳給地面的遙測(cè)數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)，先經(jīng)S頻段和Ku/Ka頻段星間鏈路發(fā)向中繼衛(wèi)星，中繼衛(wèi)星再以Ku/Ka頻段將其轉(zhuǎn)發(fā)到地面終端站，并在終端站進(jìn)行射頻解調(diào)與譯碼處理。視頻信號(hào)以原始格式通過(guò)通信衛(wèi)星鏈路或其他寬帶鏈路送到地面用戶終端或有效載荷控制中心。地面要發(fā)往運(yùn)載火箭的指令、話音、數(shù)據(jù)和電視等信息，先在地面終端匯集，調(diào)制到Ku/Ka頻段鏈路上，發(fā)向中繼衛(wèi)星，再由中繼衛(wèi)星發(fā)給運(yùn)載火箭。地面站—中繼衛(wèi)星—運(yùn)載火箭的通信鏈路稱為前向鏈路(上行鏈路)，運(yùn)載火箭—中繼衛(wèi)星—地面站的通信鏈路稱為返向鏈路(下行鏈路)[4]。

中繼衛(wèi)星天基測(cè)控系統(tǒng)工作原理如圖1所示。中繼衛(wèi)星的用戶終端安裝在運(yùn)載火箭上，作為外部信號(hào)與火箭內(nèi)部設(shè)備直接的接口設(shè)備，它通過(guò)中繼衛(wèi)星與地面站建立前、返向鏈路，完成信號(hào)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)總線接口與運(yùn)載火箭的指令分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分系統(tǒng)、遙測(cè)分系統(tǒng)相連接，完成對(duì)運(yùn)載火箭的測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸功能[5]。

圖1 中繼衛(wèi)星天基測(cè)控系統(tǒng)工作原理

2.2 系統(tǒng)功能

中繼星天基測(cè)控系統(tǒng)主要完成以下功能[6，7]:

①將箭上遙測(cè)信息通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星下傳至地面;

②將箭上關(guān)鍵點(diǎn)的圖像信息通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星下傳至地面;

③將地面安控信息通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星上傳至箭上;

④將地面遙控指令通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星上傳至箭上;

⑤利用導(dǎo)航信息進(jìn)行飛行軌跡測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果下傳至地面。

3 箭載天基測(cè)控終端組成

箭載天基測(cè)控終端為安裝在運(yùn)載火箭上的測(cè)控設(shè)備，主要由S頻段寬波束天線、Ka頻段有源相控陣天線、射頻前端、收發(fā)信機(jī)、數(shù)據(jù)處理器和電纜網(wǎng)等組成，如圖2所示。

圖2 箭載天基測(cè)控終端組成

3.1 數(shù)據(jù)處理器

數(shù)據(jù)處理器的主要功能如下:

①通過(guò)高速總線與箭上控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。接收控制系統(tǒng)的信息，編碼后進(jìn)行組幀并發(fā)送給Ka頻段有源相控陣天線，同時(shí)對(duì)上行的遙控指令進(jìn)行解算，發(fā)送至控制系統(tǒng);

②通過(guò)高可靠總線與箭上安控系統(tǒng)進(jìn)行雙向信息傳輸。接收安控系統(tǒng)的狀態(tài)信息，編碼后進(jìn)行組幀并發(fā)送給Ka頻段有源相控陣天線，同時(shí)接收上行的安控指令，解算后發(fā)送給箭上安控系統(tǒng);

③通過(guò)高速總線接收測(cè)量系統(tǒng)的遙測(cè)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后組幀，并發(fā)送給Ka頻段有源相控陣天線;

④根據(jù)控制信息和導(dǎo)航信息進(jìn)行飛行軌道計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果組幀后發(fā)送給收發(fā)信機(jī)。

3.2 收發(fā)信機(jī)

收發(fā)信機(jī)的主要功能如下:

①接收數(shù)據(jù)處理器發(fā)送來(lái)的各種飛行測(cè)量數(shù)據(jù)，完成從基帶信號(hào)到中頻模擬信號(hào)的處理，發(fā)送給射頻前端;

②接收射頻前端處理后的中頻信號(hào)，完成中頻信號(hào)到基帶信號(hào)的處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器。

3.3 射頻前端

射頻前端的主要功能如下:

①接收收發(fā)信機(jī)發(fā)送來(lái)的中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、濾波后調(diào)制成S波段射頻信號(hào)發(fā)送給天線;②接收天線傳入的中繼星信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大、二次混頻及放大變頻至中頻，輸出給收發(fā)信機(jī)。

3.4 S頻段寬波束天線

S頻段寬波束天線的主要功能如下:

①接收中繼衛(wèi)星上傳的遙控、安控指令信息，將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)，發(fā)送給射頻前端;②接收射頻前端傳送來(lái)的飛行測(cè)量信息，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁信號(hào)，發(fā)送給中繼衛(wèi)星。

3.5 Ka頻段有源相控陣天線

Ka頻段有源相控陣天線的主要功能如下:接收數(shù)據(jù)處理器處理完成的基帶信號(hào)，將基帶信號(hào)上變頻至射頻，然后利用相控陣天線的發(fā)射模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、功率分配、空間波束合成，再將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁信號(hào)發(fā)送給中繼衛(wèi)星。

4 中繼星天基測(cè)控系統(tǒng)覆蓋率仿真

在仿真模型中，要求發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線具有強(qiáng)大的發(fā)射功率和較高的天線增益，要求接收機(jī)具有較高的靈敏度和極低的噪聲。在使用STK進(jìn)行仿真的過(guò)程中需注意兩個(gè)重要無(wú)線鏈路參數(shù)的設(shè)置:品質(zhì)因數(shù)G/T和等效全向輻射功率(EIRP)。G/T是一個(gè)表征中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收能力(接收系統(tǒng)靈敏度高低)的技術(shù)指標(biāo)。G為天線增益，T為系統(tǒng)噪聲性能。EIRP表征箭載遙測(cè)天線或衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射能力，是發(fā)射機(jī)發(fā)射功率與發(fā)射天線增益的乘積。

本文仿真中采用軌道數(shù)據(jù)文件“Ephemeris File Format(*.e)”來(lái)描述運(yùn)載火箭軌道數(shù)據(jù)信息，用“Attitude File Format(*.a)”來(lái)描述運(yùn)載火箭飛行過(guò)程的姿態(tài)信息。在*.e文件的編制過(guò)程中首先需要設(shè)定仿真環(huán)境的版本號(hào)，緊接著以代碼“BEGIN Ephemeris”通知 STK軌道文件開(kāi)始，用關(guān)鍵詞NumberOfEphemerisPoints描述運(yùn)載火箭位置點(diǎn)數(shù)目，用關(guān)鍵詞ScenarioEpoch描述仿真場(chǎng)景的起始時(shí)間，用關(guān)鍵詞InterpolationMethod描述差值方法，本文設(shè)置為拉格朗日Lagrange法，用關(guān)鍵詞InterpolationOrder描述插值階數(shù)，一般情況下一階即可滿足要求，用關(guān)鍵詞CoordinateSystem描述文件中數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系，本文采用地心慣性坐標(biāo)系J2000，用關(guān)鍵詞EphemerisTimePos定義文件中的數(shù)據(jù)內(nèi)容與組織格式。

軌道數(shù)據(jù)文件*.e編制如下:

Stk.v.5.0

BEGIN Ephemeris

NumberOfEphemerisPoints 21515

ScenarioEpoch 8 Mar 2013 04 04:00:00.000 UTCG InterpolationMethod Lagrange

InterpolationOrder 1

DistanceUnit meters

CentralBody Earth

CoordinateSystem J2000

EphemerisTimePos

XX XX XX XX(軌道數(shù)據(jù))

…

運(yùn)載火箭的偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)等姿態(tài)描述文件*.a采用AttitudeTimeYPRAngles格式，本文仿真中定義的姿態(tài)角為地心慣性坐標(biāo)系J2000按321(Z-Y-X)的次序旋轉(zhuǎn)到箭體坐標(biāo)系下的角度。

本文使用一個(gè)假設(shè)的高斯波束對(duì)運(yùn)載火箭上的天線進(jìn)行模擬，參數(shù)設(shè)置如下:天線類型:高斯型;天線頻率:XXHz;天線效率一般在50% ～70%之間，本文設(shè)為60%;天線直徑0.5m;波束寬度為19.44°;天線的安裝指向方位角變化范圍0°～360°，高度角范圍0°～90°。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求通信誤碼率小于10-6，在仿真時(shí)可以為中繼衛(wèi)星接收機(jī)增加通信約束，設(shè)置通信誤碼率門限。

本文利用STK軟件建立了某運(yùn)載火箭天基測(cè)控系統(tǒng)仿真模型，為天基測(cè)控方案的總體評(píng)估、無(wú)線測(cè)控通信鏈路分析、測(cè)控覆蓋率分析等奠定了基礎(chǔ)。天基測(cè)控系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

不同天線安裝指向?qū)\(yùn)載火箭與天鏈1號(hào)星之間的通信鏈路影響很大。通過(guò)對(duì)不同天線安裝指向的仿真分析，可以尋找到通信鏈路建立時(shí)間最長(zhǎng)的情況。通過(guò)STK中內(nèi)嵌的測(cè)控覆蓋率計(jì)算功能，可以對(duì)不同飛行軌跡的天基測(cè)控覆蓋率進(jìn)行計(jì)算，如圖4所示。通過(guò)仿真計(jì)算，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的天基測(cè)控方案在測(cè)控覆蓋率上滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 天基測(cè)控系統(tǒng)覆蓋率仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在STK仿真環(huán)境中創(chuàng)建了基于中繼衛(wèi)星的天基測(cè)控系統(tǒng)模型，包括天基測(cè)控地面站、運(yùn)載火箭、中繼衛(wèi)星等模型，并為相關(guān)對(duì)象分別添加了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)模型，設(shè)置了通信鏈路參數(shù)。通過(guò)STK仿真對(duì)多條飛行軌跡的中繼衛(wèi)星天基測(cè)控系統(tǒng)通信覆蓋范圍進(jìn)行了分析。分析表明，利用中繼衛(wèi)星天基測(cè)控系統(tǒng)完成運(yùn)載火箭測(cè)控任務(wù)在技術(shù)上可行。本文還對(duì)不同飛行軌跡的天基測(cè)控系統(tǒng)覆蓋率進(jìn)行了仿真分析。

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