丁凱 夏奕 張克楠 龍吟

(1 西華師范大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川南充 637001)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

以前的測控通信分系統(tǒng)設(shè)計較為簡單，僅由固定天線和硬件設(shè)備組成，沒有軟件或軟件規(guī)模小，設(shè)備接通電源即可工作，不區(qū)分初始狀態(tài)和工作狀態(tài)，不用專門設(shè)計安全工作模式。近些年，隨著數(shù)字信號處理器(DSP)、單片機、FPGA的廣泛應(yīng)用，特別是隨著鏈路速率提高，高增益天線應(yīng)用越來越多，測控與通信分系統(tǒng)設(shè)備的工作模式越來越復(fù)雜，例如現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的中繼終端[4]，其中繼天線就存在跟蹤模式、命令模式、等待模式等多種工作模式。在跟蹤模式下，根據(jù)跟蹤中繼衛(wèi)星時采用的數(shù)據(jù)種類不同，又分為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)數(shù)據(jù)跟蹤和軌道數(shù)據(jù)跟蹤等模式；依據(jù)控制模式不同又分為自動跟蹤和程序跟蹤。在各種跟蹤模式下，還需要提前指定所跟蹤的中繼衛(wèi)星，一旦在跟蹤過程中出現(xiàn)掉電等異常現(xiàn)象，想要中繼天線恢復(fù)到斷電前的跟蹤狀態(tài)，需要數(shù)管分系統(tǒng)重新發(fā)送多條程控指令來指定跟蹤模式以及需要跟蹤的中繼衛(wèi)星，在緊急情況下，數(shù)管分系統(tǒng)設(shè)備不能接收地面上行飛行程序，無法重新發(fā)出相關(guān)指令，鏈路沒法自動恢復(fù)，往往會耽誤航天器的故障處置時機，嚴重時造成航天器失效。因此，研究航天器測控與通信分系統(tǒng)的安全工作模式，提高鏈路自主恢復(fù)的能力顯得尤為重要。

目前，對于載人航天器測控與通信分系統(tǒng)安全工作模式的研究不多，文獻[1]中提出了數(shù)管分系統(tǒng)根據(jù)制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC)的工作模式自主接通應(yīng)答機對天(III象限)天線的方案，但是該方案過于復(fù)雜，不利于故障的及時處置，需要進行改進。文獻[5-7]中提出了采用寬波束中繼天線提供應(yīng)急支持的方案，也提到了為對地(I象限)和對天(III象限)天線方案提供測控支持，但未對具體實現(xiàn)方案進行研究，對系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)意義有限。針對窄波束中繼Ka頻段鏈路[8-11]，現(xiàn)有的研究和工程應(yīng)用都集中在正常跟蹤模式設(shè)計，并未考慮緊急情況下中繼鏈路的恢復(fù)方案。本文從分系統(tǒng)的全鏈路狀態(tài)出發(fā)，提出了基于S頻段測控及導(dǎo)航信號接收鏈路全向覆蓋，寬波束中繼鏈路自主組陣，窄波束中繼天線自主跟蹤的測控與通信安全工作模式，可確保任何情況下測控通信鏈路都能夠正確建立，特別是在載人航天器出現(xiàn)異常掉電又恢復(fù)后，測控與通信分系統(tǒng)能夠自主恢復(fù)天地鏈路，確保載人航天器安全工作。

1 測控與通信分系統(tǒng)安全工作模式設(shè)計

1.1 測控與通信分系統(tǒng)組成

為了便于描述清楚信息流及天地接口，本文從天地和星間鏈路的角度介紹載人航天器測控與通信分系統(tǒng)(見圖1)。測控與通信分系統(tǒng)通常包括S頻段測控鏈路、S頻段數(shù)傳鏈路、導(dǎo)航信號接收鏈路、寬波束中繼S頻段鏈路、窄波束中繼S頻段鏈路、中繼Ka頻段鏈路、空-空通信鏈路及信標鏈路，通過這些鏈路可以實現(xiàn)地面對載人航天器的跟蹤測軌、數(shù)據(jù)傳輸、遙控遙測和圖像話音功能。

圖1 測控與通信分系統(tǒng)組成

通常S頻段測控鏈路上行遙控、下行工程遙測數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)發(fā)測距音；S頻段數(shù)傳鏈路下行圖像和數(shù)管遙測數(shù)據(jù)；導(dǎo)航信號接收鏈路接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號，進行定位解算，將定位數(shù)據(jù)發(fā)送給各個用戶；寬/窄波束中繼S頻段鏈路上行遙控、下行工程遙測，窄波束中繼S頻段鏈路還包括轉(zhuǎn)發(fā)前向、返向測距偽碼；中繼Ka頻段鏈路接收前向遙控、圖像、話音數(shù)據(jù)，發(fā)送返向數(shù)管遙測數(shù)據(jù)、圖像話音數(shù)據(jù)、有效載荷試驗數(shù)據(jù)等?？?空通信鏈路是鄰近航天器之間的通信鏈路，可以進行數(shù)據(jù)交互，在衛(wèi)星之間也叫星間鏈路。部分航天器還配套通信網(wǎng)[12]進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)類型包括遙測、圖像話音、有效載荷及計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通信網(wǎng)既可以與地面系統(tǒng)形成一體化網(wǎng)絡(luò)，又可以在組合體飛行時與其他航天器組成局域網(wǎng)通信。信標鏈路為載人飛船等具有返回功能的航天器特有鏈路，為返回艙落地后的搜救提供信標信號。

對于多數(shù)衛(wèi)星，測控鏈路不一定包括上述全部鏈路。確保航天器安全工作必需的鏈路，主要包括S頻段測控鏈路、導(dǎo)航衛(wèi)星信號接收鏈路和寬波束中繼鏈路，大部分中低軌航天器均作為標配。近年來，越來越多的航天器也配套了提供天地間高速傳輸?shù)恼ㄊ欣^Ka頻段鏈路。S頻段數(shù)傳鏈路、空-空通信鏈路及通信網(wǎng)不是航天器在軌安全所必需的，在航天器緊急狀態(tài)下這些鏈路不是優(yōu)先考慮的鏈路。為確保測控與通信分系統(tǒng)的安全工作，應(yīng)優(yōu)先保障S頻段測控、導(dǎo)航信號接收、寬波束中繼鏈路的安全；對于載人航天器等有特殊需求的航天器，為了提供緊急情況下的圖像話音傳輸，便于故障處置，也應(yīng)該考慮和設(shè)計窄波束中繼鏈路的安全工作模式。

1.2 S頻段測控鏈路安全工作模式

S頻段測控鏈路通常由應(yīng)答機[13]、天線網(wǎng)絡(luò)和寬波束固定天線組成，天線網(wǎng)絡(luò)將布局在III象限(對天)和I象限(對地)的天線進行合路和分路后接入應(yīng)答機，使寬波束測控天線組成準全向天線工作，以應(yīng)對各種突發(fā)情況造成的異常姿態(tài)。

通常，S頻段測控鏈路結(jié)構(gòu)如圖2所示，III象限天線和I象限天線固定組陣工作，由于中間有天線網(wǎng)絡(luò)，這種工作模式對應(yīng)答機的接收靈敏度和發(fā)射功率要求較高，需要保持足夠余量。在鏈路余量有限的情況下，為了節(jié)省功耗，降低發(fā)射功率，載人航天器也將應(yīng)答機天線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為圖3的模式，采用單天線工作模式和組陣工作模式相結(jié)合的方式。正常工作時，微波開關(guān)僅選擇I象限天線(圖3中接收天線a端口和發(fā)射天線a端口)即可完成正常的測控任務(wù)，此時信號不需要經(jīng)過功分器和合路器，插損較小，可保證足夠的鏈路余量；但出現(xiàn)姿態(tài)翻滾時，為了確保任意姿態(tài)均可測控，需要將I象限和III象限天線組陣工作，此時消耗鏈路余量來確保應(yīng)急狀態(tài)的測控覆蓋，這就需要在姿態(tài)異常時數(shù)管分系統(tǒng)能夠自動發(fā)送微波開關(guān)切換指令控制天線網(wǎng)絡(luò)組陣工作[1]，或者通過地面上行指令進行切換。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的興起和普及，微信、QQ已經(jīng)成為人們生活中必不可少的一部分，班級群里的聊天內(nèi)容和聊天方式也發(fā)生了很大變化。

圖2 S頻段測控鏈路結(jié)構(gòu)

圖3 可切換的天線網(wǎng)絡(luò)

從載人航天器的安全性考慮，S頻段鏈路作為確保航天器安全工作的最低保障，I象限和III象限天線建議長期保持組陣工作模式，在方案設(shè)計階段應(yīng)設(shè)計有足夠的鏈路余量，應(yīng)答機的接收機、遙控單元和遙測單元永遠保持開機狀態(tài)，確保任意情況均能夠上行遙控指令。應(yīng)答機的發(fā)射機可在必要時臨時關(guān)機，但建議常態(tài)下保持開機，并盡可能避免關(guān)機，確保在突發(fā)緊急情況下能夠?qū)⑦b測信號發(fā)送至地面。應(yīng)答機的發(fā)射機開關(guān)機電路不能選用光耦或者其他不能斷電保持接通狀態(tài)的電路，防止載人航天器在異常掉電又恢復(fù)后不能自動恢復(fù)開機發(fā)送遙測信號。作為載人航天器最基本的測控鏈路，建議S頻段測控鏈路的正常工作模式和安全工作模式應(yīng)該保持一致，不要設(shè)置過多的狀態(tài)切換。S頻段測控鏈路是載人航天器與地面建立聯(lián)系的保底鏈路，工作模式越簡單，載人航天器越可靠。

1.3 寬波束中繼鏈路安全工作模式

隨著我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，目前在軌服役的中繼衛(wèi)星已經(jīng)達到5顆，有力地提高了載人航天器的測控覆蓋率，目前寬波束中繼鏈路[6-7]已經(jīng)成為載人航天器的標配測控鏈路。與S頻段測控鏈路類似，由寬波束中繼S頻段終端、寬波束射頻收發(fā)組件和布局在III象限和I象限的收/發(fā)天線組成(見圖4)，寬波束中繼S頻段終端處于常加電狀態(tài)，接收機和發(fā)射機均不關(guān)機。射頻收發(fā)組件可以根據(jù)需要開機或者關(guān)機，射頻收發(fā)組件關(guān)機時，寬波束中繼鏈路的天線處于單天線工作模式，僅有III象限天線完成中繼衛(wèi)星信號的接收和發(fā)送，射頻收發(fā)組件開機后，可以通過I象限天線接收和發(fā)送信號，天線組陣工作。

圖4 寬波束中繼S頻段鏈路

由于射頻收發(fā)組件工作需要消耗較大的功率，大部分載人航天器的能源系統(tǒng)不能長期支持I象限和III象限天線的組陣工作，因此寬波束中繼鏈路需要區(qū)分正常工作模式和安全工作模式。正常情況下僅寬波束中繼S頻段終端工作，使用III象限天線發(fā)射和接收信號，可以完成正常狀態(tài)的測控工作，同時也不浪費過多的能源；緊急情況下航天器姿態(tài)發(fā)生翻滾時，僅有III象限天線不能應(yīng)對異常狀態(tài)下的測控需求，要進入安全工作模式，需要射頻收發(fā)組件開機工作，將I象限天線的信號接收回來或發(fā)送出去，完成I象限和III象限天線的組陣工作。上述2種工作模式的結(jié)合，可以在正常情況下節(jié)省功耗，緊急情況下能夠盡最大能力提供測控支持，完成載人航天器的應(yīng)急處置。

既然有2種工作模式，就涉及到如何完成2種模式的切換。安全工作模式進入正常工作模式比較簡單，可以通過地面實時上行指令，也可以上行飛行程序定時開關(guān)機。較難操作的是出現(xiàn)姿態(tài)翻滾或其他緊急情況后如何自動進入安全工作模式，這就需要數(shù)管分系統(tǒng)能夠根據(jù)載人航天器的飛行模式進行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)載人航天器的姿態(tài)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則自動發(fā)送程控指令將寬波束射頻收發(fā)組件開機。為確保安全，在載人航天器能源允許的情況下，建議將射頻收發(fā)組件常開機，I象限和III象限天線組陣工作的模式作為正常工作模式，實現(xiàn)2種模式的二合一，確保載人航天器安全。

1.4 導(dǎo)航信號接收鏈路安全工作模式

隨著我國“北斗”系統(tǒng)全球組網(wǎng)的實現(xiàn)，越來越多的中低軌航天器上配套了導(dǎo)航衛(wèi)星信號接收機(簡稱為“導(dǎo)航接收機”)，通?？梢约嫒軬PS、“北斗”及“格洛納斯”(GLONASS)系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，可實現(xiàn)高精度自主測定軌。導(dǎo)航接收機的工作模式較為單一，開機即工作，天線通常配置在載人航天器的III象限，導(dǎo)航接收機的設(shè)計要點是開關(guān)機電路需要采用磁保持繼電器，確保載人航天器異常掉電恢復(fù)后導(dǎo)航接收機能夠在無地面干預(yù)的情況下恢復(fù)工作，并盡力定位，對外提供定位信息。導(dǎo)航接收機的定位信息需要能夠通過多條鏈路同時下傳，包括S頻段測控鏈路、寬波束中繼鏈路及窄波束中繼鏈路，確保地面能夠第一時間獲取天上的自主測定軌信息。

為了能夠應(yīng)對載人航天器姿態(tài)異常情況下導(dǎo)航接收機的定位問題，目前已有載人航天器開始模仿S頻段測控鏈路，在III象限和I象限同時配置導(dǎo)航信號接收天線，通過天線網(wǎng)絡(luò)組成準全向天線(如圖5所示)，以適應(yīng)任意姿態(tài)下的導(dǎo)航信號接收和定位。這種方案需要多配置1副天線和1個前置放大器，在安裝位置和發(fā)射質(zhì)量指標有余量的情況下，可以按照該方案配置。

圖5 導(dǎo)航信號接收鏈路

1.5 窄波束中繼鏈路安全工作模式

窄波束中繼測控鏈路[8-11]主要為載人航天器提供高速的前向、返向通信鏈路，提供高速遙測數(shù)據(jù)、圖像和話音數(shù)據(jù)下行，高速遙控注入數(shù)據(jù)、圖像和話音數(shù)據(jù)上行，窄波束中繼鏈路的建立和保持，能夠完整支持載人航天器的天地通信和測控，是S頻段鏈路和寬波束中繼鏈路的備份測控鏈路和主份通信鏈路，若在緊急情況下能夠保持鏈路，在異常中斷后能夠自主恢復(fù)鏈路，將會對于航天器緊急情況下故障處置提供便利條件。

由于窄波束中繼鏈路速率較高，因此采用高增益天線，正常情況下需要終端中繼天線按照預(yù)定計劃指向中繼衛(wèi)星建立通信鏈路[10-11]，載人航天器上的中繼天線為了正確指向中繼衛(wèi)星，需要從平臺獲取航天器的位置信息和姿態(tài)信息，同時需要地面上注中繼衛(wèi)星的軌道信息和飛行程序，指定什么時間跟蹤哪個中繼衛(wèi)星。載人航天器發(fā)生意外進入緊急狀態(tài)時，如果天地間沒有其他測控鏈路，數(shù)管分系統(tǒng)將無法獲知現(xiàn)在及后續(xù)的跟蹤計劃，無法給中繼終端發(fā)出跟蹤哪顆中繼衛(wèi)星的指令，也就無法建立中繼鏈路，不能給載人航天器應(yīng)急處置提供通信鏈路支持。有的載人航天器為了應(yīng)對緊急情況下地面無法及時上注飛行程序的風(fēng)險，采取加長上注跟蹤計劃周期的方案，這種方案雖然可以解決天地失聯(lián)時終端中繼天線自動按照原計劃跟蹤中繼衛(wèi)星的問題，但若出現(xiàn)緊急情況而臨時增加中繼衛(wèi)星時，終端中繼天線將不能及時調(diào)整跟蹤計劃，從而導(dǎo)致不能及時指向臨時增加的中繼衛(wèi)星，延誤故障處置時機，嚴重時導(dǎo)致載人航天器永久失效。為解決該問題，本文提出一種中繼天線自主跟蹤方法，作為窄波束中繼鏈路在緊急情況下的一種跟蹤方式，可以在緊急情況下由數(shù)管分系統(tǒng)自動給窄波束終端加電，并發(fā)送自主跟蹤指令，讓窄波束中繼終端進入自主跟蹤模式(安全工作模式)，自動搜索中繼衛(wèi)星建立鏈路，為載人航天器搶救提供測試通信鏈路支持。

自主跟蹤模式包括以下3個步驟，如圖6所示。

圖6 窄波束中繼天線自主跟蹤中繼衛(wèi)星流程

(1)正常模式下定期將中繼衛(wèi)星軌道根數(shù)預(yù)置到中繼終端。通過注入數(shù)據(jù)方式，將現(xiàn)有中繼衛(wèi)星的軌道根數(shù)注入中繼終端存儲，并定期更新，更新周期可以是1天、1周或者1個月，周期的選取取決于中繼衛(wèi)星位置保持的周期及中繼終端軌道外推的能力，通常建議1天或者1周1次。需要注意的是，這里僅注入中繼衛(wèi)星的軌道根數(shù)，不需要注入跟蹤中繼衛(wèi)星的起止時間。

(2)中繼終端根據(jù)載人航天器提供的實時位置信息，計算載人航天器指向中繼衛(wèi)星的角度，再根據(jù)角度是否落入指定范圍來選擇可跟蹤的中繼衛(wèi)星進行跟蹤，若同時有多顆中繼衛(wèi)星可跟蹤，則優(yōu)先選擇距離近的進行跟蹤。

(3)中繼終端天線跟蹤到中繼衛(wèi)星后，開始嘗試建立前向、返向鏈路，此時會遇到2種情況。①如果一定時間(如5 min)之內(nèi)監(jiān)測到前向鏈路鎖定，則維持當前跟蹤狀態(tài)，直到前向鏈路信號消失，在鏈路建立期間按計劃實施中繼衛(wèi)星軌道根數(shù)的注入和更新。前向鏈路失鎖時，根據(jù)載人航天器平臺提供的位置信息，計算載人航天器是否還處在當前跟蹤的中繼衛(wèi)星覆蓋區(qū)：如果已出當前中繼衛(wèi)星覆蓋區(qū)，則轉(zhuǎn)為跟蹤下一顆中繼衛(wèi)星；如果還在原中繼衛(wèi)星覆蓋區(qū)，則監(jiān)視前向鏈路不鎖定的時間，持續(xù)失鎖時間超過預(yù)設(shè)時間(如5 min)后轉(zhuǎn)為跟蹤下一顆中繼衛(wèi)星。②如果一定時間(如5 min)內(nèi)均未監(jiān)測到前向鏈路鎖定，則轉(zhuǎn)為跟蹤下一顆中繼衛(wèi)星。

通過中繼終端判讀前向鏈路建立情況，靈活判斷當前所跟蹤的中繼衛(wèi)星是否在執(zhí)行載人航天器的測控任務(wù)，這樣的優(yōu)勢是：①可以在緊急情況下，不依賴地面上注中繼衛(wèi)星跟蹤計劃；②可以避免中繼衛(wèi)星任務(wù)臨時調(diào)整后中繼終端天線無法自主跟蹤到有效的中繼衛(wèi)星的問題，可提高緊急情況下中繼終端天線自主跟蹤中繼衛(wèi)星的效率。

1.6 各鏈路安全工作模式的關(guān)系

S頻段測控、導(dǎo)航信號接收、寬波束及窄波束中繼4條鏈路相互備份，互為補充。S頻段測控鏈路主要針對地面測控站設(shè)計，覆蓋率較低，對載人航天器的重大緊急故障處置支持能力有限，但工作模式簡單，功耗低，對載人航天器的約束最小，是載人航天器安全工作的保底鏈路。寬波束中繼鏈路可以彌補對地S頻段測控鏈路覆蓋率低的缺陷，但所需功耗較大，載人航天器可根據(jù)自身的能力靈活選擇工作模式。導(dǎo)航信號接收鏈路可完成自主定位，在其他下行鏈路配合下為地面提供精確的位置信息，也能為窄波束中繼鏈路的自主跟蹤提供位置信息，是其他鏈路的輔助手段。窄波束中繼鏈路功耗最大，模式最復(fù)雜，提供的天地鏈路速率也最高，其安全工作模式主要針對緊急情況下有特殊需求的載人航天器設(shè)計。對于大部分載人航天器的緊急故障處置和安全工作，S頻段測控和寬波束中繼鏈路已經(jīng)可以完成，2條鏈路可以相互備份，建議各載人航天器作為標準配套進行設(shè)計，其余鏈路作為補充。

2 安全工作模式驗證

2.1 地面試驗驗證

針對S頻段測控、導(dǎo)航信號接收、寬波束及窄波束中繼4種鏈路的安全工作模式，在地面進行驗證。對于S頻段測控鏈路、寬波束中繼鏈路和導(dǎo)航信號接收鏈路，重點是開展艙體方向圖測試、艙體天線網(wǎng)絡(luò)測試，以及與地面測控通信系統(tǒng)天地對接試驗驗證。通過艙體方向圖和天線網(wǎng)絡(luò)測試，獲取了組陣模式的天線方向圖，滿足增益指標要求，能夠支持全新天線的工作模式。圖7給出了統(tǒng)一S頻段(USB)測控鏈路的艙體方向圖測試結(jié)果，可以看出：天線組陣模式能夠支持全向鏈路的工作。

圖7 USB測控鏈路天線方向圖

使用與上天狀態(tài)一致的產(chǎn)品與地面測控通信系統(tǒng)開展了天地對接試驗，S頻段鏈路、寬波束中繼鏈路天線按照組陣方式連接，通過試驗，證明了在全向組陣的模式下，分別在門限電平、中強電平及強電平模式下，各鏈路的誤碼率實測為0，滿足小于天地接口文件中小于10-6的要求；上行遙控指令進行遍歷測試，無漏指令；測速誤差3.24 cm/s,測距誤差10.2 m，滿足小于5 cm/s和小于15 m的指標要求。對接試驗結(jié)果表明：本文設(shè)計在不降低普通工作模式的誤碼率、測速及測距指標的基礎(chǔ)上，使各條測控鏈路的天線長期保持全向組陣的模式，既保證了正常狀態(tài)的測控性能，又提升了應(yīng)急模式下的應(yīng)急能力。

針對窄波束中繼鏈路的安全工作模式，使用地面模擬器開展地面仿真測試。地面全物理仿真試驗表明：在自主跟蹤模式下，中繼天線可自主尋星，在跟蹤上中繼衛(wèi)星后可自主根據(jù)前向信號的鎖定情況判斷是否進行切換，跟蹤過程中跟蹤精度小于0.2°，優(yōu)于0.4°的指標要求。因此，本文設(shè)計在不降低正常跟蹤方案跟蹤精度的基礎(chǔ)上，使中繼天線具備了自主尋星的功能，提高了應(yīng)急情況下的故障處置能力。

2.2 在軌飛行驗證

上述的測控安全工作模式已經(jīng)在“天舟”貨運飛船中得到應(yīng)用。其中：S頻段測控鏈路安全工作模式和寬波束中繼鏈路安全工作模式已經(jīng)在軌驗證，支持完成了貨運飛船與空間實驗室、空間站核心艙的交會對接任務(wù)。在組陣全向模式下，應(yīng)答機鏈路的上行能夠不小于5 dB，返向余量不小3.1 dB。在組陣工作模式下，寬波束鏈路的前向余量大于5 dB，返向余量不小于3.2 dB。貨運飛船的USB和寬波束中繼S頻段鏈路天線長期保持I象限和III象限組陣工作模式，上行、下行鏈路均保持開機模式，工作穩(wěn)定。導(dǎo)航信號接收鏈路的組陣模式也在新飛船的飛行試驗中進行了驗證，定位精度滿足小于15 m的指標要求。相比組陣和單天線工作模式之間切換的策略，在軌期間保持I象限和III象限天線組陣工作，減少了不必要的在軌操作，在保證正常模式下鏈路余量和定位精度的前提下，可靠保證了出現(xiàn)緊急情況時在任意姿態(tài)下對載人航天器的測控覆蓋和應(yīng)急處置。

目前，配套窄波束中繼終端的載人航天器在軌飛行任務(wù)中，中繼終端一直工作在正常工作模式，在軌的前向鏈路余量不小于5 dB，返向鏈路余量不小于4.0 dB，鏈路穩(wěn)定，有力保障了載人航天器的飛行任務(wù)。由于載人航天器工作穩(wěn)定，用于應(yīng)對緊急情況的自主跟蹤模式并未開展在軌試驗和應(yīng)用，但作為安全工作模式，為載人航天器在軌應(yīng)對緊急情況提供了安全保障措施。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)載人航天器測控與通信分系統(tǒng)的特點，對其安全工作模式進行分析，設(shè)計了基于地面S頻段測控鏈路及導(dǎo)航接收鏈路全向覆蓋，寬波束中繼鏈路自主組陣，窄波束中繼天線自主跟蹤的測控與通信安全工作模式。該設(shè)計方案完全基于載人航天器測控與通信分系統(tǒng)產(chǎn)品的在軌自主處置，不需要地面測控通信系統(tǒng)進行特殊操作，可以應(yīng)對載人航天器出現(xiàn)掉電后恢復(fù)供電，以及姿態(tài)失控等緊急情況下的故障處置。其中：S頻段測控鏈路、寬波束中繼鏈路及導(dǎo)航信號接收鏈路方案已經(jīng)過軌驗證，有效支持了所配套載人航天器的飛行任務(wù)。窄波束中繼鏈路的自主跟蹤模式是針對天地失聯(lián)的緊急情況設(shè)計，僅在地面驗證，在后續(xù)的飛行任務(wù)中可以擇機開展在軌驗證。同時，后續(xù)可以結(jié)合中繼衛(wèi)星的布局，對窄波束中繼鏈路的自主跟蹤模式進一步優(yōu)化，將自主跟蹤模式拓展為一種正常的跟蹤模式，最終實現(xiàn)安全工作模式與正常工作模式二合一，提高窄波束中繼設(shè)備的自主工作能力，消除緊急情況不必要的模式切換，更好地為載人航天器的安全工作提供測控通信支持。