李 強(qiáng)，韓 冰，楊輝文，韓海濤，張 朋，王司晨，郭 靜

(1.航天器在軌故障診斷與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710043；2.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，西安 710043)

0 引言

衛(wèi)星測(cè)控應(yīng)答機(jī)主要用于接收上行遙控信號(hào)、發(fā)送下行遙測(cè)信號(hào)以及轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)距信號(hào)[1-2]，是星地通信鏈路的關(guān)鍵設(shè)備之一。目前，隨著對(duì)空間環(huán)境效應(yīng)[3-5]認(rèn)識(shí)加深，測(cè)控應(yīng)答機(jī)相關(guān)研發(fā)工作日益重視空間環(huán)境的影響特別是輻射影響，例如文獻(xiàn)[6]將氮化鎵型高電子遷移率晶體管應(yīng)用于應(yīng)答機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[7-8]提出利用FPGA(field programmable gate array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)重構(gòu)、周期性加電、設(shè)計(jì)冗余與器件備份等技術(shù)進(jìn)行應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)，均可減緩空間輻射影響。大數(shù)量衛(wèi)星集中監(jiān)控下的操控統(tǒng)計(jì)表明，在大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用背景下，近年來的衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)異常甚至故障呈多發(fā)態(tài)勢(shì)。在這些異常中，發(fā)生比例最高的是形形色色的單粒子事件[9-10]，尤以單粒子閂鎖 (single event latchup，SEL)事件影響最為嚴(yán)重。目前，國(guó)內(nèi)的商業(yè)航天熱潮活動(dòng)正在興起、發(fā)展[11-12]之中，主力軍之一的微納型的衛(wèi)星在系統(tǒng)集成基礎(chǔ)上正進(jìn)入模塊化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的階段[13-15]，商業(yè)器件在航天中的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)、增多，則衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)異常多發(fā)態(tài)勢(shì)很可能會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

實(shí)際上，單粒子事件是由單粒子在材料中產(chǎn)生的離子喚醒或者刺激電路薄弱環(huán)節(jié)而引發(fā)的一系列反應(yīng)，處置方法則多針對(duì)材料、薄弱環(huán)節(jié)或者反應(yīng)結(jié)果來進(jìn)行，但單粒子本身目前還難以避免。類似地，對(duì)于非大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)而言，空間環(huán)境的復(fù)雜、持續(xù)作用同樣可能誘發(fā)薄弱環(huán)節(jié)而產(chǎn)生一系列問題；而在衛(wèi)星超期服役、降級(jí)應(yīng)用等場(chǎng)合，這種問題發(fā)生的可能性更大，相應(yīng)的后果可能更嚴(yán)重。

本文以某低軌衛(wèi)星延壽為例，討論空間環(huán)境對(duì)衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)的多重影響，給出一種應(yīng)答機(jī)應(yīng)急降溫的操控方法，便于降低應(yīng)答機(jī)工作溫度，延長(zhǎng)載波鎖定時(shí)間，拓展遙控注入窗口，保障衛(wèi)星工作，已應(yīng)用于在軌航天器長(zhǎng)期測(cè)控與管理。

1 空間環(huán)境對(duì)應(yīng)答機(jī)溫度的影響

某低軌衛(wèi)星在2008年發(fā)射入軌，降交點(diǎn)地方時(shí)為10:30AM，近圓軌道，高度約為640 km，截止2019年4月已運(yùn)行超過10年。衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)為雙機(jī)備份設(shè)計(jì)(其中發(fā)射機(jī)為冷備份，接收機(jī)為熱備份)，2011年A接收機(jī)失效后，一直使用B接收機(jī),發(fā)射機(jī)也同步切換為B發(fā)射機(jī)(為敘述方便，以下將B接收機(jī)與B發(fā)射機(jī)的組合簡(jiǎn)稱應(yīng)答機(jī))。

2014年，應(yīng)答機(jī)出現(xiàn)載波鎖定[16]方面的問題，通過地面測(cè)試與遙測(cè)分析發(fā)現(xiàn)：衛(wèi)星接收機(jī)倍頻器前的功率放大器極可能出現(xiàn)SEB(single event burnout，單粒子燒毀)事件，導(dǎo)致倍頻二極管輸入、輸出信號(hào)極大減弱，進(jìn)而使得載波捕獲較為困難。在測(cè)試基礎(chǔ)上，重新設(shè)置上行接口參數(shù)，應(yīng)答機(jī)進(jìn)入降級(jí)應(yīng)用模式：地面發(fā)射機(jī)功率800 W、天線直徑不小于10 m、測(cè)控窗口內(nèi)的最大仰角不低于70°。

應(yīng)答機(jī)降級(jí)應(yīng)用前后的載波鎖定時(shí)長(zhǎng)與應(yīng)答機(jī)AGC(auto gain control，自動(dòng)增益控制)電壓遙測(cè)變化如圖1所示(橫軸為積秒，即一日之內(nèi)的秒計(jì)數(shù)，起點(diǎn)為某日零點(diǎn)，終點(diǎn)為次日零點(diǎn)，單位s，最大值86 400 s) ：在地面發(fā)射功率增強(qiáng)的前提下，AGC出現(xiàn)較大幅度的下降(由3.0 V以上衰落至不足1.0 V)，表明應(yīng)答機(jī)靈敏度下降較為嚴(yán)重；載波鎖定時(shí)間也大大縮短，但基本能夠滿足150 s的遙控窗口的降級(jí)應(yīng)用需求。另外，鎖定時(shí)間基本起始于衛(wèi)星過頂[17]時(shí)刻附近，并伴隨有一定時(shí)延，這表明只有在過頂點(diǎn)前后、目標(biāo)距離近、上行信號(hào)功率較強(qiáng)時(shí)，才可能實(shí)現(xiàn)載波捕獲與鎖定；時(shí)延則表明載波鎖定、跟蹤性能依然較優(yōu)，并未出現(xiàn)明顯下降。

圖1 應(yīng)答機(jī)AGC與鎖定變化

載波鎖定狀態(tài)下，應(yīng)答機(jī)AGC可以反映上行信號(hào)功率變化；未鎖定狀態(tài)下，AGC還可反映噪聲功率變化，從而間接反映出應(yīng)答機(jī)溫度變化，如圖2所示,在境外無上行信號(hào)時(shí)，AGC基本上與溫度呈同步變化。

圖2 AGC與溫度同步變化

測(cè)控中的數(shù)據(jù)表明，應(yīng)答機(jī)在降級(jí)應(yīng)用條件下，載波捕獲時(shí)的AGC電壓不能高于0.82 V，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)答機(jī)溫度約為26.2℃。因此，應(yīng)答機(jī)的降級(jí)應(yīng)用只有在應(yīng)答機(jī)溫度低于26.2℃以下時(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)載波捕獲與跟蹤，保障上行測(cè)控。

溫度越接近26.2℃，載波捕獲、鎖定越困難，極端條件下，載波鎖定時(shí)長(zhǎng)僅僅超過10 s，如圖3所示(應(yīng)答機(jī)溫度約26.0℃)。如此短暫的鎖定時(shí)長(zhǎng)，難以滿足大數(shù)量衛(wèi)星集中監(jiān)控下的遙控作業(yè)自動(dòng)化[18]運(yùn)行需求：一般作業(yè)中僅僅載波鎖定判決模塊運(yùn)行時(shí)間少則數(shù)秒，多則數(shù)十秒(應(yīng)答機(jī)老化、降級(jí)等特殊場(chǎng)合下的判決時(shí)間可能更長(zhǎng))；再考慮其它模塊運(yùn)行的時(shí)間消耗，則作業(yè)運(yùn)行所需時(shí)間更長(zhǎng)。一般而言，低軌衛(wèi)星的遙控時(shí)長(zhǎng)需求為300 s左右，降級(jí)應(yīng)用下可減至150 s，特殊情形(延壽、異常處置等工作)下則可降至100 s。

圖3 高溫下的AGC與載波鎖定時(shí)長(zhǎng)

因此，急需延長(zhǎng)載波鎖定時(shí)間，拓展上行遙控窗口時(shí)長(zhǎng)。但應(yīng)答機(jī)的工作溫度對(duì)這一需求形成嚴(yán)重制約：在空間環(huán)境因素的復(fù)雜影響下，應(yīng)答機(jī)逐漸老化，溫度逐年升高，影響載波鎖定。

應(yīng)答機(jī)溫度變化主要呈現(xiàn)短周期、長(zhǎng)周期和長(zhǎng)期規(guī)律，如圖4所示(圖中W表示冬至日，S為夏至日)。應(yīng)答機(jī)溫度變化的短周期為軌道周期，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行至地影區(qū)中間位置附近時(shí)，應(yīng)答機(jī)溫度最高；而在陽(yáng)照區(qū)的太陽(yáng)星下點(diǎn)所在緯度附近時(shí)，溫度最低(2018年冬至期在25.2℃左右)。這是因?yàn)椋盒l(wèi)星進(jìn)地影后，太陽(yáng)電池陣輸入功率基本為0(陽(yáng)光消失)從而無法為整星供電，因此蓄電池開始放電工作并散發(fā)較大熱量，星上熱控系統(tǒng)隨之進(jìn)行降溫控制；在散熱升溫與熱控降溫的綜合作用影響之下，衛(wèi)星運(yùn)行至地影區(qū)中間位置附近時(shí)，應(yīng)答機(jī)溫度達(dá)到極大值；經(jīng)歷大約半個(gè)軌道周期后(衛(wèi)星進(jìn)入陽(yáng)照區(qū))，熱控降溫基本完成(此時(shí)蓄電池在多數(shù)情況下已經(jīng)停止放電)，應(yīng)答機(jī)溫度達(dá)到最低，此時(shí)衛(wèi)星與太陽(yáng)的星下點(diǎn)的地理緯度基本相同。

應(yīng)答機(jī)溫度的長(zhǎng)周期為年周期，大致上冬至前后溫度為全年最高水平，夏至前后為最低，這與衛(wèi)星距離太陽(yáng)遠(yuǎn)近變化以及光照角變化有關(guān)：冬至?xí)r距離近，且陽(yáng)光近乎直射太陽(yáng)帆板，衛(wèi)星軌道熱流[19]較大，整星溫度處于高位。

應(yīng)答機(jī)溫度的長(zhǎng)期變化變化為溫度均值逐年上升，每年約0.3℃，這極可能是空間環(huán)境輻照(特別是紫外輻照)下的熱控涂層性能退化[20]以及軌道運(yùn)行下的熱流變化影響所致。

圖4 應(yīng)答機(jī)溫度變化

另外，應(yīng)答機(jī)溫度還受到GPS接收機(jī)(僅通道板保持工作)、遙控下位機(jī)、電源下位機(jī)和配電器下位機(jī)等SEL事件[21-22]的次生性影響：器件在出現(xiàn)SEL效應(yīng)后，一般會(huì)呈現(xiàn)出電流增大與溫度升高這兩個(gè)特征；器件升溫后會(huì)向外輻射熱量，從而給周邊其它器件帶來升溫影響。

圖5為配電器下位機(jī)的SEL事件的升溫影響示意：配電器初始溫度均值約為17℃，振幅約為0.5℃，由于下位機(jī)發(fā)生SEL效應(yīng)，其溫度迅速上升，最高溫度超過22℃，平均抬升約5℃，與之對(duì)應(yīng)的是應(yīng)答機(jī)的溫度也出現(xiàn)了上升，最大升幅約為0.8℃(最高溫接近26.9℃)。巧合的是，由于載荷在此SEL事件期間正好開機(jī)工作了一段時(shí)間(熱控系統(tǒng)對(duì)載荷的降溫控制對(duì)應(yīng)答機(jī)亦有一定影響)，使得應(yīng)答機(jī)溫度沒有繼續(xù)上升；在其后的測(cè)控窗口中，地面發(fā)現(xiàn)SEL事件并發(fā)送斷電、加電指令進(jìn)行處置獲得成功；隨后，應(yīng)答機(jī)與配電器下位機(jī)溫度逐漸下降至正常水平。可以設(shè)想，如果沒有載荷的開機(jī)工作，則地面發(fā)現(xiàn)SEL事件時(shí)的應(yīng)答機(jī)溫度可能會(huì)更高(甚至接近26.0℃)，若測(cè)控窗口內(nèi)的最高仰角剛過70°，則當(dāng)圈不一定能夠進(jìn)行SEL事件的處理，后續(xù)溫度則還可能繼續(xù)升高，處理難度更大。極端情形下可能出現(xiàn)：應(yīng)答機(jī)高溫，則載波無法鎖定，則遙控?zé)o法發(fā)送指令，則SEL事件無法消除，則高溫持續(xù)，由此成為死循環(huán)。

圖5 SEL事件的升溫影響

遙測(cè)數(shù)據(jù)表明，GPS接收機(jī)、遙控下位機(jī)、電源下位機(jī)等出現(xiàn)SEL事件時(shí)給應(yīng)答機(jī)帶來的溫升均在0.3℃左右；而且，不同器件SEL事件如果在一兩天的短時(shí)間內(nèi)相繼出現(xiàn)(操控中難以及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理)，其造成的溫升具有疊加性。

冬至前后，太陽(yáng)偏南，境內(nèi)多數(shù)設(shè)備在測(cè)控時(shí)，衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)溫度距離其極小值較遠(yuǎn)，載波捕獲、鎖定幾率較低；另外，冬至前后應(yīng)答機(jī)溫度水平也處在全年最高位，載波捕獲較為困難；再有，冬至期間衛(wèi)星運(yùn)行在近日點(diǎn)附近，電子器件發(fā)生SEL事件的概率也明顯增加[3,5]，對(duì)應(yīng)的次生性溫度影響也加?。贿€有，冬季往往還是地面航天發(fā)射任務(wù)高峰期，測(cè)控資源調(diào)度[23-24]壓力較大，一旦SEL事件不能及時(shí)、快速處理，則事態(tài)可能會(huì)惡化，甚至不可逆轉(zhuǎn)?？梢钥闯?，冬至前后是應(yīng)答機(jī)工作最為困難的時(shí)期，在操控中有效保障衛(wèi)星在軌運(yùn)行顯得尤為重要。

2 應(yīng)答機(jī)應(yīng)急降溫操控

根據(jù)圖2中的AGC與溫度同步變化特征，采集載波未鎖定狀態(tài)時(shí)的不同溫度下的AGC值，可以擬合得到兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，擬合式為：

Ui=aln(Ti+b)+c

(1)

式中，Ui為第i次采集到的AGC電壓(V)；Ti為采集時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)值；a為系數(shù)(V)；b為偏置溫度的數(shù)值；c為截距(V)；i為采集序號(hào)，i=1，2，3，…。

采集到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同溫度下的AGC

將表1中數(shù)據(jù)代入式(1)，采用LM算法[25-26]求解，得到結(jié)果為：a=0.440 187 V，b=-18.504 256，c=-0.071 253 V。采集值與擬合值關(guān)系如圖6所示。

圖6 AGC與溫度關(guān)系

從圖6可以看出，隨著溫度降低，AGC電壓下降較快。若假定載波捕獲時(shí)的信號(hào)載噪比為常數(shù)，則低溫下的載波捕獲所需的信號(hào)功率明顯要低。因此，在地面發(fā)射功率與天線口徑、最高跟蹤仰角等約束條件相同的前提下，測(cè)控時(shí)的應(yīng)答機(jī)溫度越低，則載波捕獲、跟蹤可能會(huì)更早，對(duì)應(yīng)載波鎖定時(shí)間更長(zhǎng)，遙控時(shí)間窗口更寬。需要說明的是，圖6中的溫度有其適用范圍，這里將其設(shè)定為24.0～26.2℃：低于24.0℃則模型誤差可能較大甚至失效，高于26.2℃則載波不能鎖定(在現(xiàn)有的應(yīng)答機(jī)降級(jí)應(yīng)用模式下)。圖6的結(jié)果表明，降低應(yīng)答機(jī)溫度可有效緩解載波捕獲與跟蹤困難。但應(yīng)答機(jī)并無主動(dòng)控溫設(shè)計(jì)，因此還需尋找其它方法。

圖3中的短暫載波鎖定情形目前在冬至附近出現(xiàn)的概率最大(往往伴隨SEL事件同時(shí)出現(xiàn))；再考慮衛(wèi)星繼續(xù)老化導(dǎo)致整星溫度持續(xù)升高，則短鎖定情形可能會(huì)在冬至前更早的時(shí)間里出現(xiàn)；而且，一旦冬至期間的最低溫度超過26.2℃，則載波將完全不能鎖定，上行信道基礎(chǔ)上的遙控能力極可能徹底喪失。

針對(duì)圖3中的短鎖定，再結(jié)合圖6的結(jié)果，這里給出一種應(yīng)答機(jī)高溫情形下的應(yīng)急處置方法：先是利用短鎖定窗口發(fā)送單指令對(duì)電源下位機(jī)進(jìn)行復(fù)位，使其進(jìn)入最小模式運(yùn)行(同時(shí)，載荷會(huì)相應(yīng)地停止工作)，24 h后星內(nèi)溫度會(huì)大幅下降，應(yīng)答機(jī)溫度也降低且完全可以滿足載波鎖定需求，進(jìn)而得到較長(zhǎng)時(shí)間的載波鎖定窗口；然后再發(fā)送指令恢復(fù)電源下位機(jī)的正常模式，最后注入載荷數(shù)據(jù)以及其它在軌維護(hù)數(shù)據(jù)。

本方法的弊端在于24 h的降溫會(huì)使載荷喪失1 d的工作時(shí)間，工作效率會(huì)降低，但可以通過延長(zhǎng)載荷數(shù)據(jù)注入周期的方法進(jìn)行有限彌補(bǔ)：一般載荷數(shù)據(jù)注入周期為7 d，實(shí)行本方法后的對(duì)應(yīng)損失率為1/7；將載荷數(shù)據(jù)注入周期延長(zhǎng)為14 d(兩周一次)，則損失率會(huì)降低至1/14。另外，還可以適當(dāng)動(dòng)態(tài)調(diào)整載荷的日工作次數(shù)或時(shí)間進(jìn)行彌補(bǔ)，或者利用更加科學(xué)有效的載荷工作規(guī)劃進(jìn)行彌補(bǔ)，后者可能更有效：既可提高載荷工作產(chǎn)品質(zhì)量，又可降低載荷工作強(qiáng)度。

當(dāng)冬至期間的應(yīng)答機(jī)最低溫度超過26.2℃后，應(yīng)答機(jī)將不再可能實(shí)現(xiàn)載波鎖定，但利用本方法，可以提前進(jìn)行電源下位機(jī)復(fù)位，然后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)(數(shù)天至數(shù)十天不等)不進(jìn)行處理，則載荷自然停止工作，進(jìn)入冬眠狀態(tài)。待應(yīng)答機(jī)溫度不再處于全年最高水平時(shí)，在某一時(shí)段(例如1月底或者2月初)擇機(jī)恢復(fù)電源下位機(jī)的正常模式，解除載荷冬眠狀態(tài)，則載荷可以繼續(xù)延壽工作。

3 操控檢驗(yàn)與討論

由于應(yīng)答機(jī)高溫狀態(tài)下的載波鎖定時(shí)間極短，人工根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行載波鎖定判斷以及發(fā)送指令顯得不合時(shí)宜，需要利用遙控作業(yè)[18]自動(dòng)進(jìn)行電源下位機(jī)復(fù)位的單指令發(fā)送。遙控作業(yè)僅含兩個(gè)模塊：其一為載波鎖定判決模塊；另一為指令發(fā)送模塊，作業(yè)運(yùn)行時(shí)間在10 s以內(nèi)?？紤]到冬季溫度水平在全年最高，應(yīng)答機(jī)的載波鎖定最為困難，這里主要在冬季進(jìn)行了2次檢驗(yàn)，時(shí)間為2018年12月和2019年1月，對(duì)應(yīng)的電源下位機(jī)溫度與應(yīng)答機(jī)溫度變化結(jié)果如圖7所示。

圖7 應(yīng)急操控下的溫度下降

從12月份操控來看，電源下位機(jī)復(fù)位后：24 h內(nèi)，應(yīng)答機(jī)溫度均值由初始的26.7℃下降到20.3℃附近，同期的電源下位機(jī)溫度均值則由18.5℃降到11.4℃，前者降幅6.4℃，后者降幅為7.1℃；72 h后，應(yīng)答機(jī)溫度中心值溫度在18.9℃附近，電源下位機(jī)溫度穩(wěn)定在9.4℃左右。

由1月份的數(shù)據(jù)可知，在最小模式下，應(yīng)答機(jī)溫度在24 h內(nèi)由初始的26.1℃下降到20.8℃，同期的電源下位機(jī)溫度則由18.4℃降到11.3℃，兩者降幅對(duì)應(yīng)為5.3℃與7.1℃；72 h后，應(yīng)答機(jī)與電源下位機(jī)的溫度仍然穩(wěn)定在18.9℃與9.4℃附近。

這里針對(duì)應(yīng)答機(jī)溫度變化進(jìn)行討論：12月份的溫度明顯要高，這與前面圖4的情形符合；從24 h內(nèi)的降溫過程來看，12月份的降溫幅度要大一些，說明初始溫度越高則降溫速度可能越快，這對(duì)應(yīng)急操控與異常處置相對(duì)有利；從72 h后的降溫終值來看，1月份的穩(wěn)定溫度反而要高，這可能與熱控狀態(tài)改變、軌道變化等因素有關(guān)，具體情況還有待于后續(xù)積累數(shù)據(jù)并進(jìn)一步分析。

降溫后，衛(wèi)星測(cè)控中的應(yīng)答機(jī)AGC與載波鎖定情況如圖8所示?？紤]到應(yīng)答機(jī)穩(wěn)定溫度在20℃附近，測(cè)控時(shí)并未按照應(yīng)答機(jī)降級(jí)應(yīng)用模式來進(jìn)行設(shè)置，具體參數(shù)為地面發(fā)射機(jī)功率為400 W、天線口徑為6 m、最高仰角為44°。即便如此，得到的載波鎖定時(shí)長(zhǎng)為391 s，接近400 s。另外，從橫軸數(shù)值可知，這里的檢驗(yàn)在夜間進(jìn)行(衛(wèi)星處于地影中)，這相對(duì)于以前的降級(jí)應(yīng)用僅能在白天進(jìn)行(衛(wèi)星處于陽(yáng)照區(qū))，例如圖1與圖3，具有明顯改善。事實(shí)上，應(yīng)急操控模式下，白天測(cè)控時(shí)的應(yīng)答機(jī)溫度更低，載波捕獲與跟蹤更容易，地面發(fā)射機(jī)功率、天線口徑以及最高仰角等約束都得到極大緩解(在電源下位機(jī)最小模式下，應(yīng)答機(jī)降級(jí)應(yīng)用下的載波鎖定時(shí)長(zhǎng)則優(yōu)于400 s)，可用的測(cè)控資源也更多，調(diào)度壓力也明顯減小；特別是在冬季SEL事件相對(duì)頻發(fā)下的操控應(yīng)對(duì)方面，地面跟蹤、發(fā)令、處置基本上不再有應(yīng)答機(jī)工作困難。

圖8 應(yīng)急操控下的AGC與Lock

文獻(xiàn)[27]從在軌維修角度出發(fā)，對(duì)載人航天器的配電系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與探討，其電源系統(tǒng)在最小工作模式下主要為測(cè)控、星務(wù)、姿控、熱控等系統(tǒng)提供能源保障。這里采用電源下位機(jī)復(fù)位方式進(jìn)行應(yīng)答機(jī)高溫狀態(tài)下的應(yīng)急操控，電源下位機(jī)復(fù)位后的最小模式與文獻(xiàn)[27]中的最小工作模式較為相似，且復(fù)位后的熱控系統(tǒng)主要保障蓄電池、推進(jìn)及管路、載荷等部位，其它控溫均停止，因此應(yīng)答機(jī)溫度得以降低，為載波捕獲與跟蹤提供便利，空間操控得以連續(xù)。

但是載荷在這種應(yīng)急操控下必須進(jìn)入冬眠狀態(tài)，其工作無法連續(xù)。冬眠模式在深空探測(cè)任務(wù)中較為常見[28]，這里的載荷冬眠是載荷間歇性工作的狀態(tài)之一，目的在于延壽。文獻(xiàn)[29-30]認(rèn)為衛(wèi)星延壽是燃料或推進(jìn)劑、能源、熱控、空間環(huán)境等因素下的作用結(jié)果，多約束下的優(yōu)化是關(guān)鍵。文獻(xiàn)[31]在總結(jié)Dellingr衛(wèi)星在軌工作時(shí)指出，盡管衛(wèi)星先后遭受了陀螺、太陽(yáng)敏感器、GPS接收機(jī)、星載計(jì)算機(jī)等數(shù)起重大異常，但正是得益于電源、通信、指令與數(shù)據(jù)處理這三個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、無故障運(yùn)行，困難才最終得以克服?？梢?，能源與通信保障仍是航天器異常處置成功的前提和基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。因此，載荷冬眠實(shí)際上是測(cè)控與熱控約束下的優(yōu)化輸出結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)載荷工作延壽。追根溯源，問題還是在于衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行后，應(yīng)答機(jī)對(duì)高溫環(huán)境過于敏感。文獻(xiàn)[32]通過調(diào)整熱控系統(tǒng)在陰影期間的工作模式，可減小能源消耗，從而降低蓄電池供電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)蓄電池延壽。這種熱控工作模式調(diào)整可與本例中的電源下位機(jī)工作模式調(diào)整互為參照。

后續(xù)，需要根據(jù)應(yīng)答機(jī)溫度的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)及時(shí)調(diào)整載荷冬眠策略。實(shí)際上，2018年冬末已經(jīng)進(jìn)行了兩次載荷冬眠測(cè)試與檢驗(yàn)；2019年末，可能需要實(shí)施兩周左右；再往后，在有限的數(shù)年以內(nèi)，按照現(xiàn)有溫度長(zhǎng)期變化規(guī)律預(yù)測(cè)，可能需要逐年增加一至兩周的時(shí)間。載荷冬眠實(shí)施過程中，需要嚴(yán)密監(jiān)視衛(wèi)星遙測(cè)參數(shù)狀態(tài)，根據(jù)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整載荷冬眠時(shí)機(jī)與時(shí)長(zhǎng)：在不發(fā)生其它重大異常的前提下，以冬至期間的測(cè)控通信保障為主；若有其它新情況出現(xiàn)，則繼續(xù)進(jìn)行多約束下的優(yōu)化延壽。

4 結(jié)論

衛(wèi)星運(yùn)行超10年后，應(yīng)答機(jī)載波捕獲與跟蹤對(duì)于溫度十分敏感，提出冬至期間電源下位機(jī)工作模式調(diào)整、促使載荷進(jìn)入冬眠模式的方案，保障上行遙控，用于衛(wèi)星延壽，得到以下結(jié)果：

1)空間環(huán)境綜合作用下的應(yīng)答機(jī)在軌工作時(shí)呈現(xiàn)溫度敏感特征，即應(yīng)答機(jī)溫度超過26.2℃時(shí)，載波無法完成捕獲與跟蹤；溫度在26.0℃時(shí)，在地面發(fā)射功率800 W、天線口徑10 m、最高跟蹤仰角不低于70°的降級(jí)應(yīng)用模式下，載波鎖定時(shí)長(zhǎng)不足20 s；溫度越低于26.2℃，則載波鎖定時(shí)間越長(zhǎng)。

2)在應(yīng)答機(jī)溫度接近26.2℃時(shí)，可進(jìn)行應(yīng)急操控，即發(fā)送指令控制電源下位機(jī)進(jìn)入最小模式，從而降低星內(nèi)溫度：24 h內(nèi)，應(yīng)答機(jī)溫度可降低5.3 ℃以上；72 h后，應(yīng)答機(jī)溫度可穩(wěn)定至21.0℃以下；降溫后，載波捕獲與跟蹤易于實(shí)現(xiàn)，載波鎖定時(shí)長(zhǎng)優(yōu)于400 s，完全滿足降級(jí)應(yīng)用下的操控需求。

3)當(dāng)冬季應(yīng)答機(jī)溫度極小值接近26.2℃時(shí)，利用應(yīng)急操控可實(shí)現(xiàn)載荷間歇性工作，載荷工作天數(shù)的損失率為1/7；當(dāng)冬季應(yīng)答機(jī)溫度極小值超過26.2℃時(shí)，可提前啟動(dòng)應(yīng)急操控，載荷停止工作并進(jìn)入冬眠狀態(tài)，全力保障測(cè)控上行信道暢通，在冬季高溫期度過之后，可擇機(jī)再恢復(fù)載荷工作，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌延壽。

4)應(yīng)急操控后，上行測(cè)控約束得到明顯緩解，可用測(cè)控資源增多，遙控窗口寬度增加，測(cè)控幾乎可以全天進(jìn)行。

后期，還需持續(xù)關(guān)注載荷冬眠期間的應(yīng)答機(jī)溫度變化，若該值逐年升高甚至逼近26.2℃，則延壽工作應(yīng)再次調(diào)整、優(yōu)化。