張志強 陳剛 梁中堅 李佳寧 武超

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2航天恒星科技有限公司,北京 100086)

空間天文衛(wèi)星的觀測對象一般是宇宙中遙遠的天體目標(biāo),其姿態(tài)模式通常是慣性空間定向、對日定向、慢旋巡天等,基本不采用對地定向姿態(tài)。這與一般對地觀測衛(wèi)星有較大不同,對測控提出了新的要求,衛(wèi)星測控分系統(tǒng)的設(shè)計具有一些獨特的特點。

硬X射線調(diào)制望遠鏡(HXMT)衛(wèi)星測控分系統(tǒng)針對天文衛(wèi)星使用上的特點,重點開展了非對地定向姿態(tài)下的統(tǒng)一S頻段(USB)測控設(shè)計、全球定位系統(tǒng)(GPS)持續(xù)定位設(shè)計以及載荷連續(xù)高精度時間保證設(shè)計,為衛(wèi)星系統(tǒng)可靠運行和有效載荷觀測任務(wù)的高質(zhì)量完成提供了有力支持。

本文主要介紹空間任意姿態(tài)指向下的HXMT衛(wèi)星測控分系統(tǒng)的設(shè)計與驗證,針對系統(tǒng)設(shè)計中的難點提出了解決途徑,并通過地面試驗及在軌飛行驗證了方法的有效性,可為后續(xù)非對地定向空間科學(xué)衛(wèi)星測控設(shè)計提供參考。

1 測控分系統(tǒng)設(shè)計

1.1 任務(wù)難點

HXMT衛(wèi)星測控分系統(tǒng)任務(wù)的主要特點和設(shè)計難點體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)整星主要采用巡天觀測、定點觀測、小天區(qū)觀測、伽馬暴觀測4種觀測模式,通過3種衛(wèi)星姿態(tài)實現(xiàn)上述觀測模式。巡天觀測模式衛(wèi)星姿態(tài)為衛(wèi)星指向太陽,整星繞對日軸慢旋;定點觀測模式和伽馬暴觀測模式為慣性空間定向姿態(tài),且慣性指向范圍覆蓋全天球任意方向。小天區(qū)觀測模式與慣性空間定向模式相似,只不過定點觀測的觀測目標(biāo)為慣性空間某一張角區(qū)域。這幾種模式下,衛(wèi)星星體可能以任意指向?qū)Φ?沒有固定對地面,保證衛(wèi)星可靠測控是常規(guī)測控任務(wù)的一個主要難點。

(2)衛(wèi)星沒有固定對地面,除了影響USB測控設(shè)計,對星載GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)計同樣帶來很大困難。在沒有固定對天面的情況下,要保證對衛(wèi)星實時、精確、連續(xù)的定位和授時,就必須設(shè)計一種全空間可見的星載GPS接收系統(tǒng),使得衛(wèi)星在任意姿態(tài)下都可以滿足對GPS衛(wèi)星的捕獲需求。

(3)衛(wèi)星有效載荷觀測光子接收數(shù)量及到達時間,對平臺提供的時間精度要求高,載荷的時間精度直接影響其觀測成果。為保證其時間精度,平臺測控分系統(tǒng)需要為載荷提供連續(xù)、高精度校時和守時基準(zhǔn)。

1.2 系統(tǒng)配置

HXMT衛(wèi)星測控分系統(tǒng)由USB測控子系統(tǒng)、GPS子系統(tǒng)和高穩(wěn)時間源子系統(tǒng)3部分組成,如圖1所示。與一般對地定向衛(wèi)星的測控分系統(tǒng)相比,主要的不同體現(xiàn)在以下兩個方面:①GPS子系統(tǒng)首次采用了雙天線射頻合路接收方案,實現(xiàn)全空間任意姿態(tài)的可用;②USB測控方案選擇的兩組天線的安裝軸線呈一定夾角,以便使兩組天線的干涉區(qū)形成互補,進而獲得更好的空間覆蓋。

USB子系統(tǒng)負責(zé)提供對地測控通道,完成遙測、遙控和測距功能。GPS子系統(tǒng)為衛(wèi)星提供連續(xù)高精度測量數(shù)據(jù),適應(yīng)衛(wèi)星非對地定向姿態(tài)下,持續(xù)提供衛(wèi)星實時在軌位置、速度信息。高穩(wěn)時間源子系統(tǒng)為有效載荷提供6路高穩(wěn)定度5 MHz正弦信號,為數(shù)管分系統(tǒng)提供40 k Hz時鐘信號。

圖1 測控分系統(tǒng)框圖Fig.1 TT&C scheme diagram

2 主要技術(shù)難點解決方案

根據(jù)任務(wù)難點分析,測控分系統(tǒng)的主要技術(shù)難點解決方案包括無固定對地面的USB測控方案設(shè)計和星載全空間可見的GPS接收系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 無固定對地面的USB測控方案設(shè)計

1)綜合考慮性能、成本和在軌操控便利性的USB測控折中設(shè)計

測控方案的選取不但要滿足全空間覆蓋的需求,也要考慮地面測控系統(tǒng)的可實施性、系統(tǒng)的可靠性等多方面因素[1]?；谝陨纤悸烽_展了USB測控設(shè)計的多方案比較。

方案一采用一般近地衛(wèi)星USB測控常用的單頻點雙天線同旋組陣方案,實現(xiàn)近全向覆蓋。通常在兩天線的腰帶區(qū)不可避免出現(xiàn)較大的干涉區(qū),存在一定概率的不可測控風(fēng)險。為解決此問題,可配置另兩副天線同旋組陣對應(yīng)一臺同頻的應(yīng)答機,并通過安裝布局將兩組天線的干涉區(qū)形成互補,從而減少測控的不可見區(qū)域。此方案星上配置比較簡單,在軌操作也相對比較簡單,可實施性較好[2]。

方案二通過天線反旋組陣方式解決干涉區(qū)問題。這種方案腰帶干涉區(qū)比同旋組陣有優(yōu)勢,但這種方案會面臨地面需要預(yù)先計算過站時使用的旋向,并且有可能需要一次過境中切換地面站天線旋向的情況。未來長期在軌的操作比較復(fù)雜,不利于星地測控系統(tǒng)的整體可靠性,因此不建議采用[3]。

方案三采用天線不組陣,通過增加接收機和發(fā)射機的數(shù)量、天線收發(fā)分開,并設(shè)置雙工作頻點的方式實現(xiàn)接收通道的熱備份和發(fā)射通道的冷備份。利用此方案可實現(xiàn)測控接收和發(fā)射的全空間覆蓋,－5 dBi覆蓋率達到近100%。但需要4臺應(yīng)答機、2臺多工器、2臺合成器,且4臺接收機和兩臺發(fā)射機同時工作,需要星上的成本和功耗代價較大。

綜合比較上面3種方案,對性能、操作簡便性和成本代價采取折中,確定選用方案一。兩臺同頻應(yīng)答機分別對應(yīng)一組同旋組陣天線,通過互相彌補干涉區(qū)形成全空間測控覆蓋。

2)USB測控天線全向覆蓋設(shè)計

測控天線的觀測特性與天線選型、天線布局、天線組陣形式都有著密切的關(guān)系,在明確了同旋組陣方案的基礎(chǔ)上,單元天線的選擇和布局也會對測控性能產(chǎn)生較大的影響。

在單元天線選擇方面,主要考察了USB測控天線較常用的四臂螺旋天線和錐柱螺旋天線的同旋組陣模式。由于四臂天線對星體比較敏感,要求架設(shè)高度較高,衛(wèi)星星體布局無法滿足,因此單元天線選擇錐柱螺旋天線。

在天線布局方面,USB測控天線采用寬帶收發(fā)共用天線,共4副,兩兩組陣。從互相彌補干涉區(qū)的角度,優(yōu)選方案應(yīng)該是天線分別布置在衛(wèi)星的±Z方向和與Z軸垂直的±X方向。但由于衛(wèi)星載荷布局和遮陽板的存在,限制了天線在±X方向的布局。結(jié)合整星布局,將另一組天線布置在±Z方向傾斜25°,兩組天線均為左旋同旋組陣方式形成近全空間覆蓋,既有利于斜裝天線組獲得良好的增益覆蓋,也可起到彌補另一組天線干涉區(qū)的作用。

在軌使用時,對于上行鏈路,4副天線同時接收;對于下行鏈路,只有一組組陣的雙天線同時發(fā)射,天線布局見圖2(a),天線視場見圖2(b)。

圖2 USB天線布局及視場示意圖Fig.2 USB antena layout and field of view

在緊縮場內(nèi)利用衛(wèi)星的輻射模型(RM)星對天線裝星后的增益覆蓋進行了測試。結(jié)果表明:測控天線裝星狀態(tài)下,方向圖增益全空間近99%范圍優(yōu)于－18 dBi,滿足全空間近97%范圍優(yōu)于－18 dBi的設(shè)計需求,天線的增益覆蓋情況見表1。

表1 USB天線增益覆蓋輻射模型星測試結(jié)果Table 1 Result of USB antena gain test in RM

2.2 星載全空間可見的GPS接收系統(tǒng)設(shè)計

一般情況下,對地定向衛(wèi)星的GPS接收天線安裝在衛(wèi)星對天面,來自上半空間的導(dǎo)航星信號不會被遮擋,GPS接收機較容易捕獲跟蹤到4顆及以上的GPS衛(wèi)星完成實時的定位。但是這種方案無法適用于像HXMT衛(wèi)星這樣沒有固定對天面的衛(wèi)星,若仍采用只固定安裝一副天線的設(shè)計,則必然在某些慣性定向姿態(tài)下,GPS天線被地球遮擋,無法保持定位,也就不能滿足衛(wèi)星實時、精確、連續(xù)的定位和授時需求。因此,必須設(shè)計一種全空間可見的星載GPS接收系統(tǒng),使得衛(wèi)星在任意姿態(tài)下都可以滿足對GPS衛(wèi)星的捕獲需求。

在HXMT衛(wèi)星設(shè)計中,采用了雙天線射頻合路方式實現(xiàn)GPS接收系統(tǒng)的全空間可見。在衛(wèi)星±Z方向上各安裝一副GPS天線,分別接收各自半空間的導(dǎo)航星信號,實現(xiàn)全空間的覆蓋,天線視場示意見圖3。兩天線接收到的射頻信號經(jīng)前置放大和射頻合路后送GPS接收機完成定位。由于合路會造成至少3 dB的功率損失,為了保證到接收機入口處的功率足夠,在合路前增加了前置低噪聲放大器且盡量靠近GPS天線,以保證信號鏈路的可靠性。

圖3 GPS天線視場示意圖Fig.3 Sketch of GPS antenna layout and field of view

由于采用射頻合路方案,來自兩個天線的兩路信號不可避免的會存在一定干擾,對定位精度的影響以及導(dǎo)航星的預(yù)報是影響接收系統(tǒng)性能的兩個關(guān)鍵問題。

1)射頻合路對定位精度的影響分析

HXMT衛(wèi)星的GPS接收系統(tǒng)是采用偽距測量定位的方式,使用L1頻段的C/A碼,碼長只有1023 bit,碼周期為1 ms,易于捕獲。C/A碼的碼片寬度較大,HXMT衛(wèi)星的GPS接收機中使用的通道相關(guān)器在單天線條件下,通過軟件解算可以實現(xiàn)的碼片對齊誤差指標(biāo)要求優(yōu)于1/20 chip,則其測距的誤差可等效為優(yōu)于14.7 m[4]。

由于采用兩副天線在射頻進行合路的方案,兩副天線可以收到同一顆GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號,這樣一副天線會從主向收到直達信號,另一副天線會用天線后瓣接收到同一信號,這就相當(dāng)于是直達信號的一路多徑干擾信號。必須考慮這種情況下,對GPS接收系統(tǒng)性能的影響。文獻[5]給出了導(dǎo)航信號從不同角度進入對定位精度的影響。下面分3種典型情況進行分析。

(1)當(dāng)直達信號是從天線的0°方向垂直進入時(即某一個天線的軸向方向),則多徑干擾信號是從另一副天線的180°方向進入(即另一副天線的軸向反方向),由圖4可以看出主向天線增益α0約為5.5 d B,反方向天線增益α1約為－30 d B,將強度換算為幅度大小進行比值(不以dB形式表達),則此時射頻合路帶來的定位最大誤差限為×293.3＝±0.041 m(d為碼相關(guān)長度),這個誤差遠小于前面提到的GPS接收機采用單天線時的14.7 m的正常誤差,所以這種情況下可以認為采用射頻合路接收的方案和采用單天線時的方案在測距結(jié)果上沒有區(qū)別。

圖4 GPS天線方向圖Fig.4 Radiation pattern of GPS antenna

(2)當(dāng)直達信號從一副天線的75°進入,干擾信號從另一副天線的105°進入時,用同樣的方法,可以得出此時射頻合路帶來的最大誤差限為ε0max＝×293.3＝±7.35 m,此時與采用單天線時的14.7 m的正常誤差相比已經(jīng)比較接近,在這種情況下采用射頻合路接收的方案會比采用單天線時的性能指標(biāo)略微差一些,但對于HXMT衛(wèi)星提出的50 m的定位精度還是可以滿足的。

(3)最惡劣的情況是當(dāng)一顆GPS衛(wèi)星出現(xiàn)在兩副天線的垂直平分線上時,即兩路信號從天線的90°和－90°方向進入,此時可以近似認為α0＝α1,則此時射頻合路帶來的定位最大誤差限為ε0max＝×293.3＝±146.65 m,這遠大于采用單天線時14.7 m的正常誤差。也就是說,當(dāng)這樣的一顆GPS星的信號參與到解算時,會出現(xiàn)較大的誤差,通常會認為出現(xiàn)了錯誤或者故障。這種情況在應(yīng)用中應(yīng)該采取措施予以剔除。

圖5給出了射頻合路帶來的定位誤差與前后瓣增益差的關(guān)系,當(dāng)增益差小于5 d B時,測距誤差將超過50 m。圖6是單個剖面的前后瓣增益差,由圖6中可以看出,當(dāng)信號從天線軸向約85°到95°范圍進入時,增益差將小于5 dB,進而會造成定位精度超差。因此在設(shè)計中應(yīng)對導(dǎo)航星進行優(yōu)選,將此范圍的GPS導(dǎo)航星剔除,不引入定位解算。因此對原GPS軟件中導(dǎo)航星預(yù)報和優(yōu)選算法進行改造。

圖5 射頻合路帶來的定位誤差與前后瓣增益差關(guān)系圖Fig.5 Relation of the positioning error to the difference between gain of front-lobe and back-lobe

圖6 GPS天線前后瓣增益之差Fig.6 Difference between gain of front-lobe and back-lobe

2)導(dǎo)航星的預(yù)報與共視星的剔除

由前文分析可知,為了保證采用雙天線合路接收方案時的定位速度和定位精度,應(yīng)改變一般對地定位衛(wèi)星GPS接收機的導(dǎo)航星預(yù)報方案,并考慮雙天線共視星的剔除。

(1)導(dǎo)航星預(yù)報。在一般對地三軸穩(wěn)定的衛(wèi)星應(yīng)用GPS時,GPS天線安裝在衛(wèi)星－Z面(沖天面),GPS導(dǎo)航星的可視范圍為去除地球遮擋錐形角的其余天球范圍,考慮到GPS接收天線性能,GPS導(dǎo)航星可用范圍為:以衛(wèi)星－Z軸指向為0°角,則在±85°范圍內(nèi)導(dǎo)航星為可用星,因此導(dǎo)航星預(yù)報的任務(wù)是預(yù)報30 s后,衛(wèi)星－Z軸指向為0°±85°范圍內(nèi)的導(dǎo)航星。

在雙天線組陣條件下,組陣后的天線方向圖形成一個近全向的天線方向圖,雙天線安裝在衛(wèi)星±Z面,根據(jù)任務(wù)要求,衛(wèi)星運行的姿態(tài)相對于地球可以認為是任意姿態(tài),因此,GPS導(dǎo)航星預(yù)報可以擴大預(yù)報范圍:以衛(wèi)星實時指向天頂?shù)姆较驗?°角,預(yù)報30 s后±100°范圍內(nèi)可見導(dǎo)航星。

(2)共視星剔除。在雙天線組陣條件下,組陣后的天線方向圖形成一個近全向的天線方向圖,但在兩個天線單元方向圖結(jié)合的腰帶部分,雙天線接收信號的多徑效應(yīng)干擾比較明顯,從該范圍接收到的導(dǎo)航星信號測量誤差較大。因此,在導(dǎo)航星測量數(shù)據(jù)使用時需要進行優(yōu)選,剔除該范圍內(nèi)的導(dǎo)航星。由2.2節(jié)的分析可得,當(dāng)導(dǎo)航星位于兩天線軸線的85°～95°范圍內(nèi)時,多徑效應(yīng)對定位精度的影響將超過50 m的指標(biāo)要求,因此將需剔除的共視星所在角度范圍確定為兩天線軸線的85°～95°。

3 設(shè)計驗證

3.1 USB測控鏈路穩(wěn)定性試驗驗證

衛(wèi)星USB測控天線采用同旋組陣,地面測控站有可能較長時間處于天線的組陣干涉區(qū)范圍內(nèi)。為了驗證對地USB測控天線組陣后對測控鏈路性能的影響,在RM星測試時利用緊縮場條件,通過轉(zhuǎn)動星體,測試在全鏈路工作模式下,USB測控失鎖情況。圖7是USB測控鏈路穩(wěn)定性試驗的示意圖。

試驗中,主要對安裝在±Z面的USB測控天線1a和USB測控天線1b的情況進行了試驗驗證。分別測試在轉(zhuǎn)臺俯仰軸設(shè)置90°、60°、30°、15°、10°、5°、0°情況下,方位軸由－100°轉(zhuǎn)到＋100°過程中,鏈路失鎖情況。

將上下行射頻信道信號調(diào)整到相當(dāng)于星地最大斜距情況,對于每個俯仰角度,轉(zhuǎn)臺均以0.05(°)/s的方位角速度進行試驗。盡可能模擬在軌飛行的最惡劣狀態(tài)。

試驗測試結(jié)果表明,當(dāng)衛(wèi)星與地面站連線矢量處于與兩天線軸向夾角均大于80°的范圍(兩天線組陣的腰帶區(qū))時,會存在個別小范圍的干涉凹區(qū),將導(dǎo)致測控鏈路短時失鎖,最惡劣情況單個切面出現(xiàn)5次失鎖,鏈路最大失鎖時間約9 s。單次失鎖時間、失鎖出現(xiàn)的頻率都處于衛(wèi)星在軌測控能夠接受的范圍內(nèi),也驗證了USB測控方案的可行性。

圖7 USB測控鏈路穩(wěn)定性試驗示意圖Fig.7 Sketch of USB TT&C link stability test

3.2 星載全空間可見的GPS接收系統(tǒng)驗證

為驗證雙天線射頻合路接收方案的可行性和定位連續(xù)性開展了外場試驗驗證。

GPS外場試驗是利用輻射模型星的星體結(jié)構(gòu)和星上實際GPS接收系統(tǒng),在露天空曠條件下去接收真實GPS衛(wèi)星信號,以此來驗證整個GPS接收系統(tǒng)的定位能力,如圖8(a)所示。需要說明的是,由于大氣和地面會對GPS信號造成衰減和折射散射,因此,在地面外場試驗的環(huán)境一般認為比衛(wèi)星真實在軌環(huán)境惡劣,所以整個系統(tǒng)在外場試驗可以正常工作是對方案可行的一個有力的證明。

試驗分兩個狀態(tài)進行,狀態(tài)一將星體結(jié)構(gòu)傾斜約30°放置,一側(cè)GPS天線傾斜對地,另一側(cè)GPS天線傾斜對天,如圖8(b)所示。狀態(tài)二將RM星體結(jié)構(gòu)水平放置,兩側(cè)GPS天線均與地面平行。每個狀態(tài)分別連續(xù)測試12 h,測試結(jié)果見表2。從中可以看出:試驗一定位精度比試驗二的定位精度更好,平均的可用星數(shù)更多,幾何精度因子(GDOP)值更小。這是因為狀態(tài)一結(jié)構(gòu)的傾斜相當(dāng)于減小了從對地面天線進入信號的概率和幅度,多數(shù)信號都是從對天面天線進入,這樣比從對地面進入獲得更大的增益,因此此時鏡像多徑的效應(yīng)對定位精度的影響較小。

圖8 GPS外場試驗Fig.8 GPS outfield test

表2 外場試驗結(jié)果Table 2 Result of outfield test

4 在軌應(yīng)用情況

在HXMT衛(wèi)星飛行任務(wù)過程中,測控分系統(tǒng)一直工作正常,性能指標(biāo)均滿足要求。圓滿完成了主動段、入軌段、在軌測試階段和應(yīng)用運行段截止當(dāng)前的測控任務(wù)和載荷時間支持任務(wù)。

1)USB測控全空間覆蓋

衛(wèi)星在軌飛行過程中,經(jīng)歷了巡天、定點觀測、小天區(qū)掃描觀測等多種姿態(tài)模式,在地面站可見弧段內(nèi),S頻段應(yīng)答機工作正常,全部遙控指令執(zhí)行正常,下行遙測解調(diào)正常,測定軌功能正常,在軌驗證了測控系統(tǒng)設(shè)備工作正確性及測控信號對地覆蓋性。存在極個別弧段單應(yīng)答機失鎖情況,與預(yù)期的信號干涉區(qū)相符。

2)GPS接收子系統(tǒng)全空間指向工作情況

衛(wèi)星入軌后,GPS接收機工作穩(wěn)定,在衛(wèi)星的全空間各種指向工作模式中,持續(xù)提供定位和秒脈沖數(shù)據(jù)。經(jīng)地面應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析,在軌飛行一年多的時間段內(nèi),僅出現(xiàn)過約10次非定位,接收機本身工作正常情況下單次非定位時間最長不超過10 min,有力支持了有效載荷的科學(xué)探測任務(wù)的順利實施。

5 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星測控分系統(tǒng)設(shè)計過程中,針對衛(wèi)星的測控任務(wù)特點,重點在分系統(tǒng)方案層面進行創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計,采用低軌衛(wèi)星成熟的USB應(yīng)答機及天線產(chǎn)品,以較低研制成本,簡單的在軌測控實施需求,實現(xiàn)了任意對地姿態(tài)條件下衛(wèi)星的可靠測控。采用射頻合路方式,實現(xiàn)了星載全空間可見的GPS接收系統(tǒng),并通過導(dǎo)航衛(wèi)星優(yōu)選剔除共視星,確保GPS定位精度和在軌連續(xù)可靠定位。采用GPS授時和高穩(wěn)定時間單元提供時鐘基準(zhǔn),兩種方式配合工作,滿足有效載荷對絕對時間精度的需求。后期開展了充分試驗驗證,通過測試、試驗,驗證了USB測控上下行鏈路的穩(wěn)定性,GPS子系統(tǒng)在射頻合路接收方案的可行性。本文的設(shè)計思路及測試結(jié)果,經(jīng)過在軌系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行得到了驗證,可以為后續(xù)空間科學(xué)衛(wèi)星及其他非對地定向衛(wèi)星的設(shè)計提供技術(shù)參考。

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