月球与深空任务测量船双捕策略研究①

黄 磊，沈 俊，程 承，陈少伍，李 赞

(1.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；2.中国空间技术研究院西安分院，西安 710100)

0 引言

航天测量船因其良好的机动性能，可作为陆基测控站的有效补充和能力延伸，主要用于运载火箭入 轨段测量，卫星测控以及飞船测控通信[1]，在我国东射向、东南射向航天发射任务中起到了至关重要的 作用。在海南文昌发射场投入使用后，为了完成后续载人空间站工程、探月三期工程的发射段测控，在 合适点位布设测量船更是成为了测控方案设计和任务实施的必备之选。 船载测控设备主要包括脉冲雷达设备、箭遥数据接收设备、统一测控设备等。其中，统一测控设备 将与目标探测器测控应答机相配合，利用统一载波测控体制，通过双向频率捕获完成双捕，建立上下行 相干测控信道。应答机将接收、解调上行遥控信号，接收、解调并调制转发测距信号，完成遥测信号的 调制及发送[2]，从而与统一测控设备相配合完成对探测器的测控任务。在航天任务的发射及早期轨道段， 由于有应急指令发送以及定初轨的迫切需求，因此能否快速、稳定、可靠地完成测量船对目标探测器的 双捕直接关系到任务的成败。 在我国已经发射的各类航天器中，大多数采用 S频段测控(也有一部分采用 C频段测控) ，因频段 较低，发射段多普勒频率变化范围较小，可以确保在较短时间内完成扫频和双捕。然而，从探月工程三 期嫦娥五号任务开始(实际发射时间将晚于首次火星探测任务) ，发射段将采用 X频段，频率约 8GHz， 是 S频段频率的 4倍，因此，按照传统扫频的模式进行双捕所需的时间将是原先的 4倍，这将无法满足 星箭分离前完成遥控指令发送的需求，因此需优化捕获策略来减少双捕时间。此外，在后续深空探测任 务中，为提高捕获灵敏度，将采用数字应答机，而数字锁相环通常采用多速率结构，经过多级滤波降采 样处理会导致不可忽略的环路时延，从而对输入信号突变的适应能力减弱，在传统扫描方式下存在失锁 的情况，为此需要研究适应高灵敏度数字应答机的双捕策略。 本文第 1章介绍了常规地球卫星任务测量船双捕过程，第 2章对月球与深空任务的双捕需求进行了 分析，第 3章给出了针对月球与深空模拟应答机的捕获策略，第 4章给出了针对月球与深空数字应答机 的捕获策略，第 5章是结论。文中提到的策略在相关型号的天地测控对接试验中得到了充分验证，并将 在今年下半年的嫦娥五号及火星探测任务中得到实际应用。

1 常规地球卫星任务测量船双捕过程

双捕指采用锁相相参解调转发体制的跟踪测量系统的上、下行频率捕获、锁定过程。常规地球卫星 测量船双捕的过程与地面测控站双捕的过程相类似，具体过程如下[3]： 1)测控天线根据任务中心发送的引导数据指向测控目标，并正确接收到目标卫星的遥测信号。 2)地面站/ 船测控基带设备输出上行单载波信号，以合适的功率通过天线发射，并按照约定的扫描 参数(主要包括扫描速率和扫描范围)来进行扫描。 3)星上测控应答机收到上行扫频信号后，完成星上锁定，并进行随扫，该随扫过程会导致地面站/ 船原非相干状态下接收的遥测信号失锁[4]。 4)地面站/ 船测控基带载波环路重新捕获应答机的随扫信号，通过锁定后的随扫波形与发射的随扫 波形相比较来进行下行信号的随扫判决(也可通过随扫斜率判决法判决[5]) 。 5)完成随扫判决后，测控基带停止扫描并回零。 需要说明的是，以上过程针对的是传统的统一载波系统应答机，如USB应答机、UCB应答机等， 对于非相干扩频体制应答机的双捕不采用“扫描+随扫”方式。此外，在常规地球卫星的双捕过程中，扫描的起点和回零的终点均为频率零点。扫描速率的典型值为15kHz/s，扫描范围的典型值为±115k Hz ，扫 描方式为图1所示的三角波。因此扫描一个周期的时间为115kHz×4/15kHz/s=30.7s，即最多需要半3分钟即可完成双捕。 在完成双捕后，将启动轮发侧音的测距捕获流程，并按任务中心要求加调遥控副载波，发送遥控指 令分钟即可完成双捕。 在完成双捕后，将启动轮发侧音的测距捕获流程，并按任务中心要求加调遥控副载波，发送遥控指令。

图1 常规地球卫星任务中地面测控站/ 船三角波扫频示意图

2 月球与深空任务双捕需求分析

我国的月球探测任务按照“绕、落、回”三步走的战略实施[6]，探月工程一期嫦娥一号任务采用的是S 频段测控；探月工程二期嫦娥二号任务中进行了 X频段试验[7]，随后在嫦娥三号任务中正式使用 X频段 测控(发射和早期轨道段依然使用 S频段) ；探月工程三期嫦娥五号任务中，将首次全程采用 X频段， 星上应答机为模拟应答机。首次火星探测任务中[8]，也将全程使用 X频段测控，星上应答机为数字应答 机，应答机捕获门限由月球任务的125dBm提高到150dBm。 不论是月球任务还是深空任务，对测量船统一测控设备的双捕需求依然是快速、稳定、可靠。针对 嫦娥一号、二号和三号任务，通过采用与常规地球卫星任务相同的双捕策略可以迅速完成双捕。然而， 针对嫦娥五号及火星任务，X频段扫描范围的典型值从 S频段的±115kHz提高到±460kHz ，采用传统方 法扫描时间将是原来的 4倍，达到 2分钟。而测量船的一个跟踪任务弧段往往仅有 56分钟，在这期间 可能还要完成星箭分离前上行指令的发送以及星箭分离后对探测器的测控，因此需要开展捕获策略分析， 将双捕时间压缩到 1分钟以内，把更多的测控时间留给指令发送和指令执行情况判断。

3 针对月球与深空模拟应答机的捕获策略

3.1 模拟应答机特性

从嫦娥一号任务直至嫦娥五号任务，均以模拟应答机为主，锁相环为二阶环路，需要通过扫频的模 式来完成双捕。

下面以嫦娥五号轨道器为例，给出 X频段应答机典型技术指标，见表1所示。需要注意 的是按照 CCSDS标准[9]，月球探测器属于 A类航天器(距离地球高度小于 200万公里) ，X频段接收机 静态频率不确定性优于±200kHz即可，表 1中的指标达到了优于±100kHz 。

表1 嫦娥五号轨道器应答机技术指标

3.2 捕获策略

在嫦娥五号任务中，为了兼顾连续 3天每天5条弹道的测控要求，在最恶略情况下，星箭分离前仅有190s的跟踪弧段，而这190s中包括70s的火箭调姿。为满足分离时刻探测器的对日指向，目前的调姿策略将使火箭的俯仰角剧烈变化，存在测控天线失捕的风险，因此可用测控弧段为190s70s=120s。 而在这剩余的120s中，测量船不但要完成双捕，还将完成2条指令的发送，并利用遥测数据监视指令执行情况。按照前期任务经验，任务中心通过调度完成1条指令上注和遥测判别至少需要 30s时间，因此2条指令的发送和执行情况判别一共需要1分钟。也就是说，测量船必须能够在1分钟内完成双捕。 为了完成这一目标，可以采用减少扫描范围和增加扫描速率两种方法。为了减少扫描范围，可以采用多普勒预置，以探测器进站时刻的多普勒理论值补偿后作为多普勒预设值，例如若测量船跟踪开始时对探测器的径向多普勒为200kHz ，则在测控基带中设置多普勒预置量200kHz ，并以该数值作为扫描的 起点和终点。在多普勒预置的前提下，考虑到接收机静态频率不确定性优于±100kHz ，因此扫描范围可以设置为±200kHz(考虑到应答机锁相环路的滞后效应以及捕获过程中的多普勒变化，预留100kHz余 量) 。这样，在扫描速率不变的情况下，扫描整个周期的时间为200kHz×4/15kHz/s=53s。为了防止拐点处扫描方向跳变引起的失锁隐患，可以在每个扫描拐点处停顿1s。按照上述方式，可以在1分钟内完成双捕，从而满足任务要求。因为采用了多普勒预置，测量船测控基带送出的双向多普勒测量数据必 须要进行修正，修正公式为：

fdreal=fd-fdpredict·ρ

(1)

式中，fd为基带送出的双向多普勒，fdpredict为多普勒预置值，ρ为转发比(X频段为880/ 749)，fdreal为实际双向多普勒。fdreal在经过船姿船摇修正后用于测定轨。

注：通过嫦娥五号探测器型号部门仿真计算与试验分析，在实际任务中可以用 30k Hz / s的扫速进行扫描，建议扫描 范围为±300k Hz ，总扫描捕获时间不变。

4 针对月球与深空数字应答机的捕获策略

4.1 数字应答机特性

与模拟应答机相比，数字应答机可以做到更高的捕获灵敏度。一般认为，模拟应答机的捕获门限很难做到130dBm，而数字应答机可以做到150dBm甚至更低[10]，欧空局为BepiCol ombo任务开发的X/Ka双频段深空应答机的捕获门限为150dBm，跟踪门限为154dBm[11][12]。我国首次火星探测任务环 绕器使用的数字应答机主要技术指标见表2所示。

表2 首次火星探测任务环绕器应答机技术指标

为了满足上述指标要求，该数字应答机载波捕获跟踪模块基于 3阶锁相环设计，结构设计框图见图2所示。

图2 应答机数字锁相环结构设计框图

其三阶环路滤波器实质上为数字低通滤波器，通过将鉴相器输出信号进行零级、一级和二级积分， 积分相加后的输出信号送给压控振荡器进行频率的误差调节，以实现对误差三阶以下特性的跟踪。与模拟环相比，数字环设计和控制更加精确，可取得更好的跟踪性能，但是为了获得这一优势，数字环通常采取多速率结构，经过多级的滤波降采样处理，存在不可忽略的环路时延(达ms级) ，对输入信号突变的适应能力减弱。 通过对接试验发现，在±100k Hz扫描范围，5kHz/s扫速下，利用传统三角波扫频在起扫、过拐点、 停扫时，数字环因无法适应0至5kHz或5kHz至0的扫速跳变，会出现载波失锁现象。这正是因为环路时延的存在导致应答机再生载波无法及时响应输入端的频率突变，在再生载波频率跟踪上输入载波频率的变化之前，频差造成的累计相差导致了锁相环的失锁。

4.2 捕获策略

4.2.1 扫描方式下的捕获策略

为了解决数字应答机在起扫、过拐点、停扫时的失锁问题，需要对上述关键点进行平滑处理，一般 采取的方法为将三角波扫频的拐点附近进行正弦函数平滑或二次函数平滑，图3给出了利用正弦函数平 滑的示意图，从图中可以看出，为了获得相同的捕获范围，平滑后的扫描时间将大于三角波扫描时间。

图3 正弦波曲线拐点平滑扫描示意图

从表2中可以看出，±100kHz最大捕获范围的前提条件是需要地面进行多普勒补偿，因此扫描的起 点和终点不是标称发射频率，而是多普勒预置后的频率。此外，考虑到接收机静态频率不确定性优于100 kHz的指标，在设计扫描范围M的的时候，必须要将这100kHz包含在内。此外，因测量船跟踪弧段内 的多普勒变化大概从 200kHz到200kHz ，为了确保捕获后整个弧段应答机不失锁，需要 X频段应答机 跟踪范围优于500kHz ，表 2中A机满足要求，将在首次火星任务发射段使用。因为采用了多普勒补偿， 需要用公式(1)进行双向多普勒测量量的修正。

4.2.2 非扫描方式下的捕获策略

针对数字应答机的环路特性，也可以采用非扫描方式下的捕获策略。例如，首次火星探测任务数字 应答机的载波预估计模块对其±100kHz捕获带内的时域采样点进行FFT计算，通过取FFT的频域样点 结果中的能量峰值索引即可获得上行载波多普勒频偏的预估计值。可以在载波多普勒预置后直接向应答 机发送上行载波而不进行扫描，应答机可以迅速完成 FFT分析并捕获上行载波，进而完成双捕。在这种情况下，地面将通过解下行遥测中的应答机锁定指示状态来确认双捕完成。美国测控系统判别双捕的方 法也是通过判遥测中星锁指示标识来完成的，区别在于美国测控站通过固定波道遥测数据自行判断星锁， 我国测量船设备不解遥测，任务中心解遥测后会将星锁指示信息发送给测量船设备。 测量船采用常数多普勒预置的方法，上行发射频率为恒定值，通过对接试验发现，针对首次火星探 测任务，测量船可以在10s以内完成双捕。实际上，更为精准的方法是地面发射频率采用斜坡函数文件[13]，通过事先的理论计算对多普勒进行实时补偿，该方法较为复杂，双捕之后的上行频率不再是常值， 会增加双向测速解算的复杂性。鉴于利用常数多普勒预置可以满足测量船双捕要求，实时补偿多普勒的 方法必要性并不强，但会在任务的火星轨道捕获阶段使用。 使用非扫频方式，同样需要 X频段应答机跟踪范围优于500kHz ，并利用公式(1)进行双向多普勒 测量量的修正。

5 结束语

本文针对我国月球与深空探测器的测控需求和器上应答机特点，分别设计了相应的测量船双向捕获 策略，具体总结如下： 1)针对模拟应答机，以探测器进站时刻的多普勒理论值补偿后作为多普勒预置值，并以该数值作 为扫描的起点和终点。在多普勒预置的前提下，考虑接收机静态频率不确定性和捕获过程中的多普勒变 化范围来设置扫描范围，采用三角波扫描模式。测量船通过随扫指示灯判断星锁并完成双捕。 2)针对数字应答机，优先采用非扫频模式，采用常数多普勒预置的方法，上行发射频率为多普勒 补偿后的恒定频率值，通过解遥测数据中的星锁指示标识来完成双捕。若采用扫频模式，需要在策略 1)的基础上，使用对起扫、过拐点、停扫等关键点进行平滑处理的扫描模式，测量船通过随扫指示灯判断 星锁并完成双捕。 上述策略已经在相关型号的天地测控对接试验中得到了充分验证，并将在后续任务中得到实际应用。