劉適 黃曉峰 毛志毅 強(qiáng)暉萍 凌閩河 李福 李長(zhǎng)生 李曉光

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100)

(3上海航天電子有限公司，上海 201800)

在月球背面開展近距離現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，具有顯著的工程意義和科學(xué)價(jià)值[1]。在20世紀(jì)60-70年代，蘇聯(lián)和美國相繼實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸探測(cè)，但著陸點(diǎn)均位于月球正面。1968年，F(xiàn)arquhar提出了在地月系L2點(diǎn)附近的Halo軌道上設(shè)置中繼衛(wèi)星用于支持載人月球背面探測(cè)的設(shè)想，可為月球背面探測(cè)提供連續(xù)中繼弧段覆蓋。由于缺乏中繼通信技術(shù)、工程實(shí)現(xiàn)難度大等原因，未能工程實(shí)現(xiàn)[1-3]。

由于地月系L2點(diǎn)實(shí)施中繼的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)以來，以NASA為代表的航天機(jī)構(gòu)開展了一系列相關(guān)研究工作[4-6]。嫦娥四號(hào)探測(cè)任務(wù)也選擇地月系L2的Halo軌道作為“鵲橋”中繼衛(wèi)星任務(wù)軌道。由于月球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期相同，其背面對(duì)地面站恒不可見。對(duì)于嫦娥四號(hào)著陸器與巡視器任務(wù)，首要解決的問題是月面探測(cè)器著陸月球背面后與地面站間連續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

本文結(jié)合嫦娥四號(hào)著陸器任務(wù)特點(diǎn)，對(duì)測(cè)控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，針對(duì)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)提出了解決途徑，并通過地面試驗(yàn)和在軌應(yīng)用情況驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性，可為后續(xù)的深空探測(cè)任務(wù)測(cè)控通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 測(cè)控通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 任務(wù)概述

嫦娥四號(hào)任務(wù)由著陸器、巡視器和中繼衛(wèi)星組成。中繼衛(wèi)星進(jìn)入地月系L2平動(dòng)點(diǎn)軌道正常工作后，著陸器和巡視器以組合體形式一同發(fā)射，并于落月后進(jìn)行分離。著陸器自動(dòng)力下降開始受到月球遮擋，其上行遙控和下行遙測(cè)、載荷數(shù)據(jù)需要通過中繼鏈路轉(zhuǎn)發(fā)。嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星在地月L2平動(dòng)點(diǎn)附近的軌道上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)月球背面的兩器連續(xù)可見，提供不間斷中繼通信弧段覆蓋。L2點(diǎn)、月球、地球空間位置關(guān)系見圖1。

圖1 嫦娥四號(hào)中繼弧段示意圖

嫦娥四號(hào)著陸器任務(wù)過程包括：發(fā)射段、地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段、動(dòng)力下降段、月面工作段5個(gè)部分[7]。在前3個(gè)階段，測(cè)控通信系統(tǒng)通過直接對(duì)地鏈路完成測(cè)控任務(wù)(見圖2)。后兩個(gè)任務(wù)階段在月球背面執(zhí)行，需要中繼衛(wèi)星為其提供中繼轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，配合完成相關(guān)探測(cè)任務(wù)。

圖2 嫦娥四號(hào)測(cè)控通信鏈路示意圖

其中，地面站至著陸器的鏈路為上行鏈路；著陸器至地面站的鏈路稱為下行鏈路；中繼衛(wèi)星至著陸器的鏈路為前向鏈路；著陸器至中繼衛(wèi)星的鏈路為返向鏈路。

1.2 測(cè)控通信系統(tǒng)配置方案

嫦娥四號(hào)著陸器測(cè)控通信系統(tǒng)由S頻段測(cè)控子系統(tǒng)、X頻段測(cè)控通信子系統(tǒng)和超高頻(UHF)頻段月面器間通信子系統(tǒng)3部分組成，如圖3所示。其中，S頻段測(cè)控子系統(tǒng)與地面測(cè)控系統(tǒng)配合完成發(fā)射段及地月轉(zhuǎn)移初期的測(cè)控功能；X頻段測(cè)控通信子系統(tǒng)與地面測(cè)控系統(tǒng)配合完成地月轉(zhuǎn)移段、環(huán)月段測(cè)控功能，與中繼衛(wèi)星配合完成中繼通信功能；UHF頻段月面通信子系統(tǒng)用于提供與巡視器間單向通信鏈路。

圖3 嫦娥四號(hào)著陸器測(cè)控通信系統(tǒng)框圖

1.3 工作模式設(shè)計(jì)

1)S頻段測(cè)控子系統(tǒng)

S頻段天線A與S頻段天線B均為收發(fā)共用天線，兩天線接收到的上行信號(hào)經(jīng)S頻段微波網(wǎng)絡(luò)合路后，輸出至S頻段應(yīng)答機(jī)接收機(jī)。下行信號(hào)由S頻段應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)調(diào)制產(chǎn)生，經(jīng)S頻段微波網(wǎng)絡(luò)選路后，通過S頻段天線A和S頻段天線B向外輻射。其中，應(yīng)答機(jī)的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)工作頻率相干，上下行信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)比為221/240。

2)X頻段測(cè)控通信子系統(tǒng)

著陸器X頻段測(cè)控通信系統(tǒng)采用設(shè)備分時(shí)工作設(shè)計(jì)思路，在確保測(cè)控、中繼鏈路滿足任務(wù)功能需求的前提下，最大程度精簡(jiǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)配置。其中，X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)接收機(jī)分時(shí)復(fù)用為測(cè)控上行和中繼前向信號(hào)接收設(shè)備。由于中繼返向鏈路無測(cè)定軌需求，故未使用測(cè)控應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)(采用統(tǒng)一載波調(diào)制)，而是使用數(shù)傳調(diào)制器(采用抑制載波調(diào)制)產(chǎn)生返向信號(hào)，提高信道容量。

X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)1A和1B接收機(jī)工作在上行頻點(diǎn)1(f1)，X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)2A和2B接收機(jī)工作在上行頻點(diǎn)2(f2)。應(yīng)答機(jī)的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)工作頻率相干，上下行信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)比為749/880。其中，應(yīng)答機(jī)1A和2B為主份通道，2A和1B為備份通道。

X頻段接收天線和發(fā)射天線為全向天線。著陸器的測(cè)控上行和中繼前向信號(hào)的接收均通過全向天線完成，測(cè)控下行信號(hào)通過全向天線發(fā)射，中繼返向信號(hào)根據(jù)任務(wù)需要可以通過全向天線、X頻段中增益天線或定向天線進(jìn)行發(fā)射。

動(dòng)力下降前(不含環(huán)月中繼鏈路測(cè)試過程)，4臺(tái)X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)接收機(jī)加電，應(yīng)答機(jī)1A、2B發(fā)射機(jī)、對(duì)應(yīng)固態(tài)放大器及全向發(fā)射天線工作。地面站對(duì)下行雙頻點(diǎn)同時(shí)接收，無論1A或2B對(duì)地有利，地面均可同時(shí)接收兩個(gè)頻點(diǎn)的測(cè)控信號(hào)，擇優(yōu)處理。當(dāng)接收天線A有效波束覆蓋地面站時(shí)，使用應(yīng)答機(jī)1A接收機(jī)接收上行信號(hào)；反之使用應(yīng)答機(jī)2B接收機(jī)。

環(huán)月中繼鏈路測(cè)試過程中，根據(jù)著陸器對(duì)地指向關(guān)系，選擇應(yīng)答機(jī)1A或2B接收測(cè)控上行信號(hào)，另一臺(tái)應(yīng)答機(jī)用于接收中繼前向信號(hào)。對(duì)地面應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)與固放發(fā)送測(cè)控下行信號(hào)。背地面應(yīng)答機(jī)發(fā)射與固放關(guān)機(jī)，數(shù)傳調(diào)制器A或數(shù)傳調(diào)制器B、對(duì)應(yīng)固態(tài)放大器及全向發(fā)射天線工作，發(fā)送返向信號(hào)。

動(dòng)力下降過程中，X頻段應(yīng)答機(jī)發(fā)射機(jī)均處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。由于著陸器機(jī)動(dòng)范圍較大，中繼衛(wèi)星交替出現(xiàn)在接收天線A或B的有效波束內(nèi)，示意見圖4。中繼衛(wèi)星采用兩套前向信號(hào)生成通道同時(shí)加電的模式，兩通道分別工作在f1和f2頻點(diǎn)，根據(jù)著陸器與中繼衛(wèi)星相對(duì)姿態(tài)關(guān)系交替鎖定X頻段應(yīng)答機(jī)1A或2B的接收機(jī)，以實(shí)現(xiàn)前向鏈路實(shí)時(shí)可用；著陸器數(shù)傳調(diào)制器A和B通道工作在不同頻點(diǎn)，通過不同天線發(fā)射，以避免在中繼衛(wèi)星接收端出現(xiàn)同頻干擾。中繼衛(wèi)星采用兩套返向信號(hào)接收、解調(diào)設(shè)備同時(shí)工作的模式，一旦接收到對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)返向信號(hào)立即轉(zhuǎn)發(fā)地面。動(dòng)力下降初期，著陸器通過兩付全向天線發(fā)送返向信號(hào)，形成異頻全空間覆蓋，保證返向鏈路實(shí)時(shí)可用。

當(dāng)距月面約6 km時(shí)，著陸器相對(duì)中繼衛(wèi)星姿態(tài)較為穩(wěn)定后，數(shù)傳調(diào)制器A切換至中增益天線傳輸動(dòng)力下降圖像，同時(shí)通過發(fā)射天線A發(fā)送數(shù)傳調(diào)制器B產(chǎn)生的返向信號(hào)以傳輸整器遙測(cè)。中增益天線可支持返向碼速率為50 kbit/s(編碼后)，遠(yuǎn)高于全向天線信道的1.4 kbit/s(編碼后)，可更為高效回傳圖像數(shù)據(jù)。返向鏈路信道編碼方式為卷積(7,1/2)和RS(255,223)級(jí)聯(lián)碼。

落月后，著陸器關(guān)閉X頻段應(yīng)答機(jī)1B和2B的接收機(jī)，通過接收天線A接收前向信號(hào)，并建立定向天線(數(shù)傳調(diào)制器A工作)返向鏈路。該鏈路標(biāo)稱碼速率為280.899 kbit/s(編碼后)，并預(yù)留555.556 kbit/s(編碼后)碼速率作為試驗(yàn)速率。巡視器與著陸器分離過程中，返向數(shù)據(jù)主要通過UHF頻段器間通信鏈路以200 kbit/s碼速率傳輸，相對(duì)于利用其自身X頻段返向鏈路可節(jié)省兩器分離時(shí)間4 h以上。

由于數(shù)傳調(diào)制器B與巡視器返向頻點(diǎn)相同，落月后，當(dāng)巡視器返向鏈路工作時(shí)，著陸器數(shù)傳調(diào)制器B僅作為著陸器備份鏈路使用。當(dāng)著陸器數(shù)傳調(diào)制器A出現(xiàn)故障時(shí), 著陸器啟動(dòng)備份鏈路，巡視器返向數(shù)據(jù)可以通過UHF頻段器間通信鏈路經(jīng)過著陸器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。最惡劣情況下，兩器對(duì)巡視器X頻段返向頻點(diǎn)分時(shí)復(fù)用。

圖4 嫦娥四號(hào)著陸器動(dòng)力下降示意圖

3)UHF頻段月面器間通信子系統(tǒng)

UHF頻段接收機(jī)由指令控制，根據(jù)任務(wù)需求開機(jī)，接收、解調(diào)巡視器發(fā)送的月面器間通信信號(hào)，并送數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)處理，復(fù)接到著陸器返向數(shù)據(jù)流中，經(jīng)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)地面。根據(jù)兩器相對(duì)距離等因素，UHF頻段開關(guān)網(wǎng)絡(luò)工作在低插損模式或高插損模式下，確保UHF頻段接收機(jī)入口電平處于可接收的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。

2 技術(shù)難點(diǎn)及針對(duì)性設(shè)計(jì)

2.1 無間斷中繼通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)力下降階段開始，嫦娥四號(hào)著陸器對(duì)地恒不可見，為確保探測(cè)任務(wù)安全、可靠開展，測(cè)控通信系統(tǒng)需提供不間斷的中繼通信鏈路保障，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。著陸器通過異頻半空間組陣的方案，實(shí)現(xiàn)全時(shí)可用的全功能測(cè)控功能，及中繼前向遙控、返向遙測(cè)鏈路，為在軌飛控任務(wù)提供了穩(wěn)定、可靠的通道。此外，結(jié)合任務(wù)過程，通過全向天線、中增益天線和定向天線的組合、切換，對(duì)返向鏈路信道容量進(jìn)行充分利用。

2.1.1 天線覆蓋性設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

1)天線覆蓋性設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)著陸器全空間測(cè)控與中繼通信能力，需要X頻段全向收發(fā)天線組陣全空間覆蓋，這與天線的增益方向圖特性、布局與組陣形式相關(guān)。

(1)單元天線設(shè)計(jì)。重點(diǎn)關(guān)注了單元天線自身增益方向圖特性，以及在整器遮擋情況的影響。通過仿真和實(shí)測(cè)結(jié)合的手段，最終選擇頂饋雙線圓錐螺旋方案，實(shí)現(xiàn)了電軸方向±90°范圍內(nèi)98%空間范圍內(nèi)優(yōu)于-5 dBi(見圖5)。

圖5 嫦娥四號(hào)著陸器X頻段全向天線(X頻段接收天線A)

(2)天線布局設(shè)計(jì)。嫦娥四號(hào)著陸器外表面狀態(tài)較為復(fù)雜，X頻段無線電信號(hào)波長(zhǎng)較短，繞射能力較弱。同時(shí)受限于運(yùn)載包絡(luò)，天線可選擇的安裝空間受限。經(jīng)仿真優(yōu)化，天線選擇對(duì)稱并傾斜45°的安裝方式。天線不超過探測(cè)器原有包絡(luò)，且將天線半空間波束范圍內(nèi)器體遮擋的影響降至最低(見圖6)。

圖6 嫦娥四號(hào)著陸器X頻段全向天線布局示意圖

(3)組陣方式設(shè)計(jì)。嫦娥四號(hào)著陸器X頻段全向天線采用異頻組陣方案，避免了天線組陣間同頻信號(hào)合路、分路造成的方向圖腰部干涉問題(見圖7)[8]。

2)天線覆蓋性驗(yàn)證情況

為驗(yàn)證天線覆蓋設(shè)計(jì)的正確性，嫦娥四號(hào)著陸器天線正樣產(chǎn)品進(jìn)行了全尺寸輻射模型器緊縮場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的正確性(見圖8)。測(cè)試結(jié)果表明，在全空間范圍內(nèi)，天線增益優(yōu)于-7 dBi(98%空間范圍)，優(yōu)于-3 dBi(90%空間范圍)。

圖7 不同全向天線組陣后天線增益方向圖

圖8 嫦娥四號(hào)著陸器輻射模型器緊縮場(chǎng)測(cè)試

2.1.2 異頻組陣工作模式設(shè)計(jì)

根據(jù)第1.3節(jié)描述，不同頻率的測(cè)控上行或中繼前向信號(hào)通過不同的X頻段接收天線為測(cè)控通信系統(tǒng)接收，信號(hào)經(jīng)多工器濾波選路后輸入至對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)接收機(jī)。相對(duì)于分路方案可以節(jié)省鏈路插損約2 dB；相對(duì)于開關(guān)選路，保證了器載雙接收機(jī)間實(shí)時(shí)熱備份，系統(tǒng)可靠性更高；不同頻率的測(cè)控下行或中繼返向信號(hào)經(jīng)開關(guān)選路，通過不同的X頻段發(fā)射天線向外輻射，進(jìn)一步降低鏈路內(nèi)無源插損。

2.2 高靈敏度前向接收與解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于中繼衛(wèi)星與兩器的最遠(yuǎn)通信距離約8萬千米，中繼衛(wèi)星前向有效全向輻射功率(EIRP)能力受限，且著陸器僅能通過全向天線接收前向信號(hào)，著陸器需具備高靈敏度前向信號(hào)接收、解調(diào)能力。

1)高靈敏度前向通道設(shè)計(jì)

中繼衛(wèi)星的前向信號(hào)發(fā)射能力遠(yuǎn)低于地面站發(fā)射能力(兩者相差約50 dB)，根據(jù)鏈路分析，需要X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)在中繼前向信號(hào)電平為-128 dBm(信號(hào)總功率)時(shí)，保持穩(wěn)定鎖定，輸出遙控副載波信噪譜密度比優(yōu)于37 dBHz(調(diào)制度為0.95 rad)。遙控副載波由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)解調(diào)，遙控碼速率為125 bit/s。

X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)(見圖9)是前向信號(hào)高靈敏度接收、解調(diào)功能實(shí)現(xiàn)的核心設(shè)備之一。為滿足搭載要求，單臺(tái)應(yīng)答機(jī)質(zhì)量不超過2 kg，峰值功耗低于10 W，全工況捕獲門限優(yōu)于-128 dBm(多工器輸入端測(cè)量，頻偏±460 kHz，頻率變化率15 kHz/s)，輸出遙控副載波信噪譜密度比優(yōu)于37 dBHz。

圖9 嫦娥四號(hào)著陸器X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)

嫦娥四號(hào)著陸器前向電平要求遠(yuǎn)低于嫦娥三號(hào)著陸器月面階段X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)上行接收電平(最低電平約-110 dBm)。為提高著陸器前向通道接收靈敏度，采用了以下設(shè)計(jì)手段。

(1)確保測(cè)控通信系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備工作頻點(diǎn)保留足夠頻率間隔，在接收通道對(duì)帶外信號(hào)進(jìn)行濾波。并對(duì)發(fā)射通道在接收頻點(diǎn)的噪聲進(jìn)行抑制，收發(fā)通道采用獨(dú)立天線，并采用旋向隔離設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高隔離度。

(2)確保著陸器其他射頻設(shè)備工作頻點(diǎn)與前向鏈路頻率保留足夠間隔，并明確其在前向工作頻點(diǎn)處電平低于-128 dBm。

2)高靈敏度前向通道驗(yàn)證

根據(jù)測(cè)控通信系統(tǒng)內(nèi)收、發(fā)通道之間隔離度實(shí)測(cè)結(jié)果，在施加最大可能的發(fā)射通道影響的情況下，著陸器各接收通道在門限電平下遙控副載波信噪譜密度比優(yōu)于37 dBHz；測(cè)控通信設(shè)備與數(shù)據(jù)管理設(shè)備聯(lián)試結(jié)果表明，各前向接收通道遙控解調(diào)門限優(yōu)于-129 dBm；最終通過整器系統(tǒng)級(jí)電磁兼容測(cè)試驗(yàn)證了在各任務(wù)階段工作模式中，整器電磁特性可以滿足前向接收通道正常工作的需求。

2.3 高品質(zhì)返向調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于中繼通信距離遠(yuǎn)，著陸器返向EIRP能力受限，為保證返向信號(hào)正常接收與解調(diào)，著陸器需對(duì)返向信號(hào)調(diào)制質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

由于接收端環(huán)路濾波器的帶寬一般約為碼速率的1%。嫦娥四號(hào)著陸器返向最低碼速率為1.4 kbit/s(編碼后)，中繼衛(wèi)星接收解調(diào)設(shè)備的鑒相環(huán)路帶寬需要小于14 Hz。故在著陸器數(shù)傳調(diào)制器設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中重點(diǎn)關(guān)注了返向信號(hào)載波近端10 Hz附近的相位噪聲。

對(duì)于一個(gè)特定的相移鍵控系統(tǒng)，本振的寄生調(diào)相應(yīng)小于相移鍵控最小相位步進(jìn)的十分之一[9]。對(duì)于BPSK調(diào)制系統(tǒng)應(yīng)小于18°，綜合考慮解調(diào)需求和單機(jī)可實(shí)現(xiàn)性，返向信號(hào)偏離載頻10 Hz～1 MHz范圍內(nèi)，相位噪聲應(yīng)優(yōu)于表1所示。

表1 載波相位噪聲要求

經(jīng)工作溫度范圍內(nèi)溫度臺(tái)階試驗(yàn)結(jié)果表明，著陸器返向鏈路在全溫度范圍內(nèi)滿足載波相位噪聲要求。

2.4 高功率動(dòng)態(tài)變化范圍月面器間通信接收與解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)月面通信系統(tǒng)高功率動(dòng)態(tài)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

嫦娥四號(hào)著陸器月面通信系統(tǒng)除應(yīng)具備支持3 km最遠(yuǎn)通信距離的任務(wù)需求[10]外，還需滿足兩器對(duì)接狀態(tài)下200 kbit/s碼速率的器間通信需求，故對(duì)功率動(dòng)態(tài)范圍提出了嚴(yán)苛要求，需至少實(shí)現(xiàn)120 dB。為此，嫦娥四號(hào)著陸器測(cè)控通信系統(tǒng)在嫦娥三號(hào)月面通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加UHF頻段開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(見圖10)，可通過指令設(shè)置其傳輸通道內(nèi)的插損值。其插損值有兩檔，分別為無插損模式(插損值低于1 dB)，高插損模式(插損值約55 dB)，默認(rèn)狀態(tài)為高插損模式，以保證系統(tǒng)安全性。衰減值的確定充分考慮了系統(tǒng)工作的功能性和電磁兼容需求，可保證接收機(jī)入口電平的安全裕度在20 dB以上,同時(shí)避免了高插損模式下漏信號(hào)現(xiàn)象的發(fā)生。

圖10 嫦娥四號(hào)著陸器UHF頻段開關(guān)網(wǎng)絡(luò)

2)月面通信系統(tǒng)高功率動(dòng)態(tài)適應(yīng)性驗(yàn)證

著陸器測(cè)控通信系統(tǒng)增加UHF頻段開關(guān)網(wǎng)絡(luò)后，與巡視器測(cè)控通信系統(tǒng)開展飛行產(chǎn)品的正樣聯(lián)試工作，測(cè)試結(jié)果表明UHF頻段開關(guān)網(wǎng)絡(luò)處于無插損模式或高插損模式下，著陸器UHF頻段接收機(jī)解調(diào)性能均滿足指標(biāo)要求。

在兩器正樣電磁兼容性測(cè)試過程中，兩器對(duì)接狀態(tài)下著陸器UHF頻段接收機(jī)可正常解調(diào)巡視器發(fā)送器間通信數(shù)據(jù)。兩器分離狀態(tài)下，UHF頻段器間通信測(cè)試結(jié)果正常，滿足指標(biāo)要求。

2.5 艙外天線熱環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

根據(jù)分析嫦娥四號(hào)著陸器測(cè)控通信系統(tǒng)天線組件將承受較為嚴(yán)苛的熱環(huán)境。其中，X頻段接收天線B和X頻段發(fā)射天線B在其附近的150 N和7500 N發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，將受到羽流的直接噴射或月面發(fā)射；月面工作階段所使用天線將面臨月夜極低溫度環(huán)境。

為應(yīng)對(duì)羽流影響，X頻段接收天線B和X頻段發(fā)射天線B采取了增加羽流擋板，并在擋板上噴涂白漆等保護(hù)措施。同時(shí)，針對(duì)月夜低溫環(huán)境，測(cè)控通信系統(tǒng)天線產(chǎn)品開展相應(yīng)熱設(shè)計(jì)與分析工作，并通過鑒定產(chǎn)品進(jìn)行最低溫度約為-215 ℃的低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 在軌應(yīng)用情況

3.1 環(huán)月中繼鏈路測(cè)試

嫦娥四號(hào)著陸器在環(huán)月階段共安排了兩階段環(huán)月中繼鏈路測(cè)試工作。測(cè)試時(shí)機(jī)分別安排在2018年12月14日和29日，對(duì)應(yīng)著陸器接收/發(fā)射天線B有效波束覆蓋中繼衛(wèi)星和接收/發(fā)射天線A有效波束覆蓋中繼衛(wèi)星，測(cè)試覆蓋了動(dòng)力下降過程中全部加電中繼設(shè)備。測(cè)試過程中，中繼衛(wèi)星分別通過自身上行S頻段測(cè)控鏈路和S頻段數(shù)傳鏈路轉(zhuǎn)發(fā)著陸器前向遙控和返向遙測(cè)(見圖11)。測(cè)試過程中，中繼前向鏈路使用的X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)接收電平未低于-122.5 dBm。

圖11 嫦娥四號(hào)著陸器環(huán)月中繼鏈路測(cè)試示意圖

測(cè)試過程中，中繼衛(wèi)星對(duì)著陸器的跟蹤穩(wěn)定，通過中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的著陸器遙測(cè)、遙控均正常。著陸器與中繼衛(wèi)星中繼設(shè)備工作正常，關(guān)鍵指標(biāo)滿足要求，達(dá)到了預(yù)期目的。

3.2 動(dòng)力下降過程

2019年1月3日9:41，嫦娥四號(hào)著巡組合體進(jìn)入月球背面，隨后完成動(dòng)力下降前最后設(shè)置工作，并于10:26完成動(dòng)力下降過程。組合體動(dòng)力下降過程中，著陸器動(dòng)作均為自主實(shí)施，無需地面實(shí)時(shí)干預(yù)，無指令上行計(jì)劃，前向鏈路僅為應(yīng)急情況下指令上行通道。

根據(jù)著陸器對(duì)中繼衛(wèi)星的姿態(tài)指向，動(dòng)力下降過程中依次建立了X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)1A、2B和1A的前向鏈路，為組合體提供了連續(xù)、無間斷的指令上行應(yīng)急通道，期間前向信號(hào)最低接收功率為-124.9 dBm；組合體動(dòng)力下降過程中，返向鏈路包括數(shù)傳調(diào)制器A和數(shù)傳調(diào)制器B產(chǎn)生的全向天線返向通道，以及數(shù)傳調(diào)制器A產(chǎn)生的中增益天線返向通道。其中，全向天線返向通道提供著陸器返向遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸通道，動(dòng)力下降過程中未出現(xiàn)非預(yù)期遙測(cè)數(shù)據(jù)中斷。中增益天線返向鏈路通道用于傳輸動(dòng)力下降圖像，共計(jì)抽幀下傳59張圖像，有效提高了任務(wù)展示度(見圖12)。

圖12 嫦娥四號(hào)著陸器動(dòng)力下降圖片

3.3 兩器釋放分離過程

著陸后，著陸器建立了定向天線返向通道，用于高速傳輸遙測(cè)和載荷數(shù)據(jù)，經(jīng)在軌測(cè)試555.556 kbit/s(編碼后,試驗(yàn)鏈路)返向碼速率誤碼率滿足使用要求，后續(xù)著陸器月面工作階段定向天線返向通道均使用555.556 kbit/s(編碼后)。

兩器連接電纜脫落前，巡視器通過UHF頻段器間通信鏈路實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)遙測(cè)和圖像數(shù)據(jù)，最高碼速率為200 kbit/s，著陸器UHF頻段接收機(jī)AGC遙測(cè)約為-55 dBm，與地面仿真、測(cè)試結(jié)果基本一致。19:34兩器連接電纜脫落后，兩器關(guān)閉UHF頻段器間通信鏈路，巡視器通過全向發(fā)射天線發(fā)送返向信號(hào)，并于22:20移動(dòng)至月面。

3.4 月面工作階段

嫦娥四號(hào)完成兩器分離后，按計(jì)劃進(jìn)行了兩器互拍工作，并開展了月面載荷探測(cè)工作。期間，著陸器測(cè)控通信系統(tǒng)工作正常，為整器提供了穩(wěn)定可靠前向和返向通道。

2019年1月12日22:00，著陸器進(jìn)入第一個(gè)月夜休眠期。著陸器月面工作期間，前向鏈路通過X頻段接收天線A接收，返向鏈路通過定向天線發(fā)射；著陸器休眠前，通過延時(shí)指令，將返向鏈路由定向天線切換為X頻段發(fā)射天線A發(fā)射。2019年1月30日，20:45著陸器如期喚醒。著陸器測(cè)控通信系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，喚醒后返向鏈路由X頻段發(fā)射天線A通道轉(zhuǎn)為定向天線通道。

3.5 小結(jié)

嫦娥四號(hào)著陸器測(cè)控通信系統(tǒng)設(shè)備在軌工作正常，功能、性能指標(biāo)均滿足任務(wù)要求，完成了任務(wù)各階段規(guī)定的測(cè)控與中繼任務(wù)，全部遙控指令執(zhí)行正確，著陸器遙測(cè)與載荷數(shù)據(jù)解調(diào)正確，測(cè)定軌功能正常，巡視器器間通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)正確。月面工作階段，存在極個(gè)別時(shí)段由于全向天線增益方向圖凹區(qū)造成的X頻段測(cè)控應(yīng)答機(jī)1A接收電平低于-128 dBm情況，與預(yù)期相符，未對(duì)在軌工作實(shí)施造成影響。

4 結(jié)束語

作為人類首例月球背面軟著陸探測(cè)器，嫦娥四號(hào)著陸器測(cè)控通信系統(tǒng)針對(duì)任務(wù)各階段特點(diǎn)，從任務(wù)需求出發(fā)，有針對(duì)性開展設(shè)計(jì)，驗(yàn)證工作充分有效，覆蓋了單機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、整器級(jí)，為在軌任務(wù)的順利開展提供有力支撐。本文的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法的正確性，經(jīng)過嫦娥四號(hào)著陸器測(cè)控通信系統(tǒng)在軌驗(yàn)證，在服務(wù)于嫦娥四號(hào)任務(wù)的同時(shí)，也可以為未來的深空探測(cè)任務(wù)測(cè)控通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供有益的參考。