孫斯亮　劉葉盛　于硯　張睿

摘要：我國航天領(lǐng)域發(fā)展迅速，使安全遙控的覆蓋范圍要求不斷擴(kuò)大，利用地基實(shí)施安全遙控的覆蓋范圍的局限性日益突出。本文介紹了國內(nèi)外安全遙控應(yīng)用現(xiàn)狀，對依托中繼衛(wèi)星系統(tǒng)提高安全遙控的覆蓋范圍，開展新型安全遙控技術(shù)進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：新型安全遙控應(yīng)用技術(shù)；中繼衛(wèi)星；探究

中圖分類號：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0066-02

火箭飛行試驗(yàn)中，由于動(dòng)力系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)或制導(dǎo)系統(tǒng)工作不正常，會(huì)使火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)推力變大或箭體偏航、滾動(dòng)，出現(xiàn)斷裂等嚴(yán)重故障。為了保證靶場及航區(qū)內(nèi)廠礦企業(yè)、工程設(shè)施、軍事設(shè)施和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，以及不使故障火箭誤入他國領(lǐng)土或領(lǐng)海內(nèi)，需要有一套安全控制系統(tǒng)，發(fā)出安全遙控指令控制火箭自毀。本文主要討論系統(tǒng)中安全遙控實(shí)施方式。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中一般采用地面遙控技術(shù)，地面遙控是由地面站發(fā)送前向安全遙控指令，箭載安全遙控設(shè)備接收安全遙控指令并譯碼執(zhí)行，其存在安全遙控覆蓋范圍小的局限性。近年來，我國飛行器發(fā)展迅速，安全遙控的覆蓋范圍需求不斷擴(kuò)大，利用靶場安全遙控站實(shí)施安全遙控的局限性日益突出。因此，發(fā)展基于中繼衛(wèi)星的箭載安全遙控技術(shù)已成為安全遙控系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方向。

1 安全遙控現(xiàn)狀分析

1.1 國內(nèi)情況

1.1.1 地基安全遙控

我國地面安全遙控是目前火箭實(shí)施安全控制的主要手段。安全遙控系統(tǒng)利用外測、遙測信息進(jìn)行安全判斷，通過地面雷達(dá)站遙控發(fā)送指令，由箭載終端接收指令，實(shí)施炸毀任務(wù)。安全遙控系統(tǒng)是發(fā)射場的重要組成部分，其信息源包括遙測參數(shù)和外測參數(shù)兩部分。外測設(shè)備冗余較多包括單脈沖測量、連續(xù)波測試以及光學(xué)測量等信息源，結(jié)合遙測參數(shù)，經(jīng)過綜合判別，得到高可靠性的判決結(jié)果，并基于安全遙控雷達(dá)站，直接發(fā)送安全遙控指令至箭載終端，從而完成安全遙控任務(wù)。

1.1.2 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)利用同步衛(wèi)星和地面終端站，可對各類中、低軌飛行器進(jìn)行高覆蓋率測控和數(shù)據(jù)中繼，它具有跟蹤測軌和數(shù)據(jù)中繼兩個(gè)功能，是一種先進(jìn)的天基測控系統(tǒng)。通過中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)可有效地解決靶場遠(yuǎn)距離測控通信保障的技術(shù)難題，有效提高測控覆蓋范圍。單顆中繼衛(wèi)星對低軌航天器的覆蓋率不低于50%，兩顆中繼衛(wèi)星能基本覆蓋整個(gè)中、低軌道，如用3顆中繼衛(wèi)星，則可以實(shí)現(xiàn)對200～12000千米高度范圍內(nèi)所有航天器的連續(xù)跟蹤和數(shù)據(jù)通信。我國已發(fā)射的中繼衛(wèi)星覆蓋范圍及功能全面，可支持多類用戶各種使用需求。

1.1.3 新型安全遙控技術(shù)的應(yīng)用

通過各類中繼終端的不斷研究和應(yīng)用，天基測控系統(tǒng)應(yīng)用將會(huì)向更廣更深層次和多樣化方向發(fā)展。運(yùn)載火箭通過加裝中繼用戶終端，可利用中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對火箭和衛(wèi)星的大范圍測控，延長測控弧段，大大提高測控覆蓋率。運(yùn)載火箭天基箭載終端設(shè)備包括天基測控設(shè)備以及上面級測控中繼單元等，目前國內(nèi)基于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的前向數(shù)據(jù)鏈路還僅限于遙測方面，尚無安全遙控方面技術(shù)成果與產(chǎn)品。

1.2 國外安全遙控

國外方面，安全遙控技術(shù)-天基安全遙控早在2003年已經(jīng)開展了相關(guān)的研制驗(yàn)證工作，并已取得了階段性成功。課題研究了基于NASA的跟蹤與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）是否滿足獲取軌道跟蹤數(shù)據(jù)、處理安全遙控指令以及傳輸一些其他數(shù)據(jù)等靶場安全性方面的任務(wù)要求。目的是減少發(fā)射中心地基測控站布站需求，同時(shí)提高傳輸碼速率和發(fā)射系統(tǒng)的靈活性。

該研究經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：

第一階段：基于TDRSS系統(tǒng)的S頻段安全控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，搭載于F-15B完成飛行試驗(yàn)；

第二階段：對第一階段系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)與集成，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了Ku波段安全控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，Ku波段系統(tǒng)也搭載于F-15B完成了飛行試驗(yàn)；

第三階段：在之前的研究基礎(chǔ)上研發(fā)Ka頻段系統(tǒng)，并完成配套硬件設(shè)備小型化、輕量化設(shè)計(jì)。

在安全遙控信號體制方面，2000年起美國靶場司令委員會(huì)（Range Commander Council）安全小組（Range Safety Group）支持RS-38任務(wù)“增強(qiáng)型飛行終止系統(tǒng)（Enhanced Flignt Termination System）”研究，通過四個(gè)階段對地基安全遙控信號的各類體制進(jìn)行了大量研究及評估分析，但相關(guān)體制是否適合中繼傳輸未見相關(guān)報(bào)道。

1.3 新型安全遙控技術(shù)要求分析

目前我國安全遙控全部由地基安全遙控實(shí)現(xiàn)，存在安全遙控覆蓋范圍小的局限性。近年來，一些新概念裝備不斷提出并實(shí)施，使安全遙控的覆蓋范圍需求不斷擴(kuò)大，利用地基實(shí)施安全遙控的局限性日益突出。同時(shí)綜合國內(nèi)外安全遙控現(xiàn)狀可以看出，我國與國外在安全遙控技術(shù)特別是天基安全遙控技術(shù)上存在一定差距，發(fā)展基于中繼衛(wèi)星的箭載安全遙控技術(shù)已成為當(dāng)下迫在眉睫的任務(wù)之一。

2 新型安全遙控技術(shù)的探究

2.1 總體技術(shù)

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

從系統(tǒng)角度出發(fā)以現(xiàn)有地面站及中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為基礎(chǔ)的安全遙控系統(tǒng)架構(gòu)主要為：箭載終端向中繼衛(wèi)星發(fā)送安全遙控信息源，經(jīng)過綜合判決，在需要執(zhí)行安全遙控時(shí)，由中繼地面站發(fā)送指令給中繼衛(wèi)星，中繼衛(wèi)星將指令轉(zhuǎn)發(fā)至箭載終端，箭載終端解調(diào)、譯碼、執(zhí)行，完成安全遙控任務(wù)。該方案提高了安全遙控的實(shí)時(shí)性和領(lǐng)過度，但必須建立反向鏈路，即由箭載終端發(fā)送安全遙控信息源等信息，該鏈路可采用經(jīng)過驗(yàn)證的天基遙測技術(shù)。

2.1.2 中繼頻段

安全遙控頻段可在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的Ka頻段和S頻段中進(jìn)行選擇，考慮到安全遙控接收的全向性，Ka頻段必須采用具備波速掃描功能的相控陣天線，其具有增益高、作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但成本高、體積大。S頻段常規(guī)天線易實(shí)現(xiàn)全向接收，成本低，但增益低、作用距離近。

2.1.3 系統(tǒng)鏈路與傳輸延時(shí)

系統(tǒng)鏈路分析主要計(jì)算飛行器在返回的各階段起點(diǎn)、終點(diǎn)等關(guān)鍵時(shí)刻的鏈路參數(shù)，特別是計(jì)算最遠(yuǎn)距離時(shí)的最大衰減量，確保接收機(jī)信噪比在全過程滿足指標(biāo)要求。

根據(jù)安全遙控信號流程，建立安全遙控延時(shí)仿真計(jì)算模型。經(jīng)初步計(jì)算，傳輸延時(shí)時(shí)間為百毫秒級。

2.2 箭載終端

新型安全遙控頻段與現(xiàn)有地基頻段不會(huì)相同，對于箭載終端的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)采用兼容地基安全頻段的雙收模式，進(jìn)行天地一體化設(shè)計(jì)。同時(shí)還應(yīng)采用SIP（System in Package）封裝技術(shù)以實(shí)現(xiàn)小型化，最大程度地滿足各類安全遙控應(yīng)用需求。

3 結(jié)語

新型安全遙控技術(shù)是我國航天安全遙控的發(fā)展趨勢。本文通過對國內(nèi)外安全遙控技術(shù)對比以及國內(nèi)需求分析，認(rèn)識到我國發(fā)展新型安全遙控的必要性和迫切性。進(jìn)一步探究新型安全遙控的系統(tǒng)架構(gòu)、中繼頻段、加強(qiáng)系統(tǒng)鏈路、傳輸延時(shí)、箭載終端等方面研究，對于發(fā)展新型安全遙控技術(shù)有著積極的借鑒作用。

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