袁國靖，何澤驊，劉 江，高 雅

(1.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；2.中國交通通信信息中心，北京 100101)

0 引言

全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)(COSPAS-SARSAT)是1979年由美國、前蘇聯(lián)、法國和加拿大四國聯(lián)合開發(fā)的全球公益性衛(wèi)星遇險報警系統(tǒng)[1]，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行30幾年，截止2016年12月，已協(xié)助組織實施11788次搜救事件，成功救援了41750余遇險人員。

早期的全球搜救系統(tǒng)主要依靠低軌道衛(wèi)星搜救(LEOSAR)系統(tǒng)和靜止軌道衛(wèi)星搜救(GEOSAR)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)遇險信標(biāo)。自2000年起，美國、歐洲委員會和俄羅斯開始與國際衛(wèi)星搜救組織就其各自的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)安裝中圓軌道衛(wèi)星搜救(MEOSAR)載荷設(shè)備的可行性進(jìn)行磋商。美國從2001年到2010年底，陸續(xù)發(fā)射了9顆搭載S頻段下行MEOSAR載荷的GPS衛(wèi)星(DASS)，歐盟和俄羅斯也分別在Galileo以及GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)上開展了MEOSAR驗證工作[1，2]。研究表明MEOSAR系統(tǒng)可以克服LEOSAR系統(tǒng)時延大、GEOSAR系統(tǒng)無法實現(xiàn)南北極覆蓋等缺點(diǎn)，于是國際搜救衛(wèi)星組織在2004年全面啟動了MEOSAR系統(tǒng)的開發(fā)[1-4]。

MEOSAR系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段組成，空間段為裝載了MEOSAR載荷的衛(wèi)星，地面段包括本地用戶接收終端LUT站、搜救任務(wù)控制中心MCC以及搜救協(xié)調(diào)中心RCC；用戶段為MEOSAR示位標(biāo)。我國1998年完成了地面LUT站及MCC的建設(shè)，成為全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)地面設(shè)備提供國。為了承擔(dān)起更多的國際事務(wù)和人道主義義務(wù)，提高在國際衛(wèi)星搜救組織中的話語權(quán)，開展了MEOSAR系統(tǒng)空間段建設(shè)，并在北斗全球系統(tǒng)MEO-13、MEO-14衛(wèi)星上首次裝載了MEOSAR載荷，經(jīng)過在軌測試以及入網(wǎng)測試后將為全球用戶提供遇險報警及定位服務(wù)。

1 MEOSAR載荷設(shè)計

1.1 方案及原理

MEOSAR系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，為了實現(xiàn)各國MEOSAR系統(tǒng)之間良好的互操作，國際衛(wèi)星搜救組織對系統(tǒng)的各組成部分均制定了相應(yīng)的互操作標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn))。MEOSAR載荷完成遇險用戶示位標(biāo)發(fā)出的UHF頻段搜救信號的透明轉(zhuǎn)發(fā)功能，參考文獻(xiàn)[2] ( C/S T.016)規(guī)定了詳細(xì)的互操作指標(biāo)，該文獻(xiàn)中同時還給出歐洲Galileo MEOSAR、俄羅斯Glonass MEOSAR以及美國GPS DASS S-Band MEOSAR載荷的在軌性能，主要指標(biāo)如表1所示。

表1 MEOSAR標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求以及Galileo、Glonass MEOSAR載荷在軌性能

依據(jù)互操作指標(biāo)要求，同時參考目前在軌的MEOSAR載荷的實現(xiàn)情況，進(jìn)行我國MEOSAR載荷的設(shè)計。

(1)下行頻率及發(fā)射天線極化方式的確定

標(biāo)準(zhǔn)中未給出下行頻率范圍；ITU給搜救服務(wù)分配的下行頻率范圍為1544MHz～1545MHz，Galileo以及Glonass MEOSAR設(shè)計均在此范圍內(nèi)。為了便于國際互操作，避免可能的信號干擾，我國MEOSAR載荷下行頻率也在1544MHz～1545MHz范圍內(nèi)選擇。綜合考慮變頻所需本振頻率實現(xiàn)的復(fù)雜度，以及多次與國際衛(wèi)星組織相關(guān)成員國頻率協(xié)調(diào)的情況，最終確定了下行頻率范圍為1544.11MHz～1544.31MHz，相應(yīng)地，標(biāo)準(zhǔn)模式下行中心頻率為1544.21MHz，窄帶模式下行中心頻率為1544.203MHz。

同時，標(biāo)準(zhǔn)中也未明確發(fā)射天線極化方式。由于我國下行頻率與Galileo MEOSAR 相近，為了避免相互干擾，將發(fā)射天線極化方式設(shè)計為右旋圓極化(RHCP)。

(2)變頻方案設(shè)計

MEOSAR載荷將中心頻率為406MHz、帶寬為90kHz(或50kHz)的UHF頻段上行信號變頻至1544.2MHz的L頻段下行信號，而90kHz(或50kHz)的相對帶寬僅為0.006%(或0.0032%)。對于這樣的帶寬，濾波器無法實現(xiàn)；另外，超窄帶濾波器對轉(zhuǎn)發(fā)器的群時延和帶寬特性都會產(chǎn)生不利的影響。因此，需要將UHF頻段的接收信號先下變頻至中頻進(jìn)行濾波，然后再上變頻至L頻段進(jìn)行發(fā)射。

為獲取合適的濾波器相對帶寬，中頻頻率應(yīng)當(dāng)足夠低；同時，如果中頻頻率過低，在上變頻時產(chǎn)生的鏡頻信號以及泄漏的本振信號與輸出信號非常接近，濾除這些無用信號將會非常困難，一方面增加濾波器設(shè)計的難度和復(fù)雜度，另一方面將導(dǎo)致設(shè)備物理尺寸和質(zhì)量明顯增加。綜合以上因素，中頻頻率選擇在幾十MHz頻段。

(3)工作模式設(shè)計

通過對互操作指標(biāo)的分析，MEOSAR載荷應(yīng)具有ALC模式，90kHz和50kHz兩種帶寬模式。為了增加在軌使用的靈活性，提出MEOSAR載荷增加FG模式的設(shè)計，且FG模式的最大增益以及最大輸出功率均高于ALC模式，可作特殊用途。ALC、FG兩種增益模式，以及90kHz和50kHz兩種帶寬模式可以兩兩任意組合，實現(xiàn)多種工作模式。各種模式之間可以通過遙控指令進(jìn)行切換，切換示意圖如圖1所示。

圖1 MEOSAR載荷工作模式切換示意圖

在上述分析的基礎(chǔ)上，提出我國MEOSAR載荷的設(shè)計方案，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。MEOSAR載荷由搜救天線和搜救轉(zhuǎn)發(fā)器兩部分構(gòu)成，搜救轉(zhuǎn)發(fā)器又包含UHF輸入濾波器、UHF接收變頻器、搜救固放、L輸出濾波器等四個部組件。搜救天線接收來自地面用戶示位標(biāo)的406.05MHz遇險信號，經(jīng)UHF輸入濾波器進(jìn)行預(yù)選濾波后，送給UHF接收變頻器進(jìn)行低噪聲放大、變頻至1544.21MHz，再由搜救固放進(jìn)行功率放大，L輸出濾波器濾除帶外雜波，最終通過搜救發(fā)射天線向地面MEOLUT站進(jìn)行發(fā)射[5-7]。

圖2 MEOSAR載荷結(jié)構(gòu)框圖

搜救轉(zhuǎn)發(fā)器中，UHF接收變頻器和搜救固放為有源部件，將整星的一次母線電壓變換成部件所需的二次電壓，同時響應(yīng)地面上行的工程遙控指令，產(chǎn)生遙測信號。UHF接收變頻器采用二次變頻方案，實現(xiàn)搜救載荷90KHz和50KHz兩種帶寬模式；搜救固放實現(xiàn)ALC以及FG兩種增益模式，帶寬模式及增益模式分別通過遙控指令進(jìn)行切換。

1.2 仿真模型

1.2.1 搜救轉(zhuǎn)發(fā)器

采用Agilent公司的仿真軟件ADS進(jìn)行搜救轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)仿真，仿真模型包括UHF輸入濾波器、UHF接收變頻器、搜救固放、L輸出濾波器以及連接的高頻電纜，如圖3所示。其中UHF接收變頻器首先將經(jīng)過UHF輸入濾波器預(yù)選濾波的406.05MHz信號進(jìn)行低噪聲放大，然后變頻至較低的中頻頻率，采用兩只晶體濾波器分別實現(xiàn)90kHz和50kHz帶寬的窄帶濾波，再變頻至下行1544.21MHz；搜救固放中控制電路實現(xiàn)ALC模式和FG模式的切換，并通過功率放大器將信號放大至所需的電平，最后經(jīng)過L輸出濾波器進(jìn)行帶外雜散抑制后輸出。

圖3 搜救轉(zhuǎn)發(fā)器仿真模型圖

1.2.2 搜救天線

搜救天線采用平面微帶陣列天線形式，仿真模型示意圖如圖4所示。

圖4 搜救天線仿真模型示意圖

UHF接收天線位于下層，由4個輻射單元U1～U4構(gòu)成；L發(fā)射天線位于UHF天線輻射單元U1的正上方，由7個輻射單元L1～L7構(gòu)成。

2 MEOSAR載荷在軌測試

在北斗全球系統(tǒng)第十三、十四顆組網(wǎng)衛(wèi)星(MEO-13、MEO-14)首次裝載了國際MEOSAR載荷，在軌測試由位于北京云崗衛(wèi)星地球站的MEOSAR在軌測試系統(tǒng)完成。

2.1 TLE格式軌道參數(shù)

由于MEO衛(wèi)星的軌道特性，地面測試系統(tǒng)需要根據(jù)軌道參數(shù)對衛(wèi)星進(jìn)行實時準(zhǔn)確的跟蹤。我國航天系統(tǒng)描述衛(wèi)星軌道的方法為六根數(shù)軌道，即在某個觀測時間下，通過相位捕捉的形式，提供軌道傾角i、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω、軌道偏心率e、近地點(diǎn)幅角ω、平近點(diǎn)角M0和軌道半長軸a，并利用慣性模型推斷衛(wèi)星在未來某一點(diǎn)的位置。

在國際搜救組織的相關(guān)軟件系統(tǒng)內(nèi)，空間設(shè)備提供國一般采用TLE格式將衛(wèi)星軌道廣播到全世界各地的任務(wù)控制中心MCC站，并由MCC下發(fā)到地面終端LUT站，LUT站跟蹤設(shè)備利用TLE格式的參數(shù)跟蹤衛(wèi)星，接收MEOSAR載荷轉(zhuǎn)發(fā)的下行信號。為了與國際組織兼容，方便跟蹤不同類型和不同星座的衛(wèi)星，我國的搜救LUT站以及MEOSAR在軌測試系統(tǒng)均使用TLE格式的軌道參數(shù)對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，故需要將我國觀測站提供的北斗六根數(shù)軌道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TLE格式的軌道參數(shù)，用于在軌測試以及正式入網(wǎng)后提供給國際搜救組織相關(guān)成員國，提高系統(tǒng)互操作性。

TLE格式，或稱兩行軌道根格式，為北美防空聯(lián)合司令部(North American Air Defence Command,NORAD)在60年代編制的衛(wèi)星軌道參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)格式，帶有阻力系數(shù)，可以計算出由于阻力導(dǎo)致的衛(wèi)星軌道攝動，是一種時變模型[8-10]。它有固定的書寫格式，適合不同設(shè)備間交換。如MEO-13的TLE格式如下：

BEIDOU-3 M13

1 43622U 18072A 18283.00000000 .00000000 00000-0 00000-0 0 9990

2 43622 55.0238 156.3850 0003195 302.7978 179.2407 01.86239813 000

具體內(nèi)容及解釋如表2所示。

表2 TLE格式參數(shù)說明

TLE格式中使用的“衛(wèi)星每天環(huán)繞地球的圈數(shù)”可以由六根數(shù)軌道觀測數(shù)據(jù)提供的半長軸a進(jìn)行換算得到。開普勒第三定律-行星運(yùn)動定律中表述，繞同一中心天體的所有行星的軌道的半長軸的三次方(a3)跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方(T2)的比值為與該天體相關(guān)的常數(shù)，即：

a3/T2=k

(1)

式中：k=GM/4π2，為開普勒常數(shù)；π為圓周率；G為萬有引力常數(shù)，在此取科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會于2014年推薦的值，即6.67408×1011；M為地球質(zhì)量，在此取NASA下噴氣推進(jìn)實驗室在2008年343R-08-004文檔中提供的值，即5.97237×1024；a為觀測得到的半長軸。

將這些常數(shù)代入到公式后可得：

T=a1.5×3.14710195×10-7

(2)

T為衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期，即繞地球一圈所用的時間，單位為秒。用一天的秒數(shù)86400除以該周期即可算得衛(wèi)星每天環(huán)繞地球的圈數(shù)N：

N=86400/T

(3)

由上述分析可知，在短時間內(nèi)跟蹤觀測衛(wèi)星時，我國航天系統(tǒng)使用的六根數(shù)和國際組織的TLE格式的軌道參數(shù)之間是可以互相轉(zhuǎn)換的。

2.2 MEOSAR在軌測試結(jié)果

采用TLE格式軌道參數(shù)對MEO-13、MEO-14衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，采用國際搜救組織在文獻(xiàn)3(C/S T.017)中規(guī)定的測試方法對搜救載荷進(jìn)行了詳細(xì)的測試，測試結(jié)果如表3所示。北斗搜救載荷全面滿足國際搜救組織規(guī)定的互操作標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求；采用TLE格式軌道參數(shù)對MEO衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤的方法滿足測試要求，可以用于在軌測試。

表3 MEO-13/MEO-14衛(wèi)星搜救載荷在軌測試結(jié)果

8發(fā)射EIRP值dBw≥1516.316.6符合9最大轉(zhuǎn)發(fā)增益dB>180182.3181.5符合10ALC動態(tài)范圍dB>3028>30符合11三階交調(diào)抑制dBc≥3032.933.2符合12搜救信號處理能力/正常解調(diào)正常解調(diào)正常解調(diào)符合

注①：參考伽利略搜救載荷，在軌不作考評，向國際搜救組織提交地面測試數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

北斗MEOSAR載荷與Cospas-Sarsat系統(tǒng)中歐洲Galileo MEOSAR、俄羅斯Glonass MEOSAR均具有良好的兼容性和互操作性；同時，具有多種工作模式，各種模式之間可通過指令進(jìn)行切換，增強(qiáng)了在軌使用的靈活性。將我國航天系統(tǒng)使用的六根數(shù)軌道轉(zhuǎn)換為TLE格式軌道參數(shù)用于衛(wèi)星跟蹤，對首次裝載在北斗全球系統(tǒng)MEO-13、MEO-14兩顆衛(wèi)星上的MEOSAR載荷進(jìn)行了全面的在軌測試，各項功能性能指標(biāo)符合國際互操作標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過入網(wǎng)測試后將正式集成到全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)中，為全世界海陸空用戶提供搜救服務(wù)，為全球范圍內(nèi)的人命安全提供有力的保障。