天基測控系統產品化研究與實踐

/北京宇航系統工程研究所

天基測控系統主要由天基測控S頻段中繼終端、相控陣天線等組成。天基測控S頻段中繼終端接收來自中心程序器(或數據綜合器)的PCM數據,完成數據挑路后形成返向數據幀,并在中繼終端內完成基帶信號的調制和載波搬移,以射頻信號輸出至相控陣天線。同時,中繼終端從PCM數據中提取火箭姿態和位置信息,生成波束指向信息,將波束指向信息傳輸到相控陣天線,完成相控陣天線波束指向控制,并收集自身與相控陣天線狀態信息,發送到中心程序器(或數據綜合器)后再通過遙測信道回傳。

天基測控子系統利用中繼衛星進行運載火箭測控信息轉發傳輸,可以大幅提升測控覆蓋率,節省大量人力和物力,降低發射成本,減少發射準備時間,并可實現全射向、多軌道發射和全球機動發射,很好的解決了地基測控存在的問題。

北京宇航系統工程研究所自天基測控系統設計初期便大力推進產品化體系建設,規劃了天基測控基本型及三步走戰略,并統一產品性能指標及輸入輸出要求等,指導產品開展規范化設計,這是測量系統產品化工作的積極探索,更是全面深入推進產品化建設的重要里程碑。

一、工作與實踐

在現有技術認識的基礎上,天基測控按照返向碼率這一主要技術指標開展基本型的規劃,同時,參考天基測控用戶終端型譜規劃,統籌需求后規劃為100kbps以下返向碼率S頻段天基測控基本型、100kbps-1Mbps返向碼率S頻段天基測控基本型、1Mbps以上返向碼率Ka頻段天基測控基本型等3種天基測控基本型。

1.100kbps以下返向碼率S頻段天基測控基本型

一是箭上組成(見圖1)。

針對返向碼率100kbps以下天基測控,基本型需要由S頻段中繼測控終端、S頻段天線組成,終端可擴展前向功能。若需要前向鏈路功能,則終端擴展為前返向終端,基本型加設前向鏈路全向天線。

二是地面測試設備組成(見圖2)。

圖1 100kbps以下返向碼率S頻段天基測控箭上組成

圖2 100kbps以下返向碼率S頻段天基測控地面測試設備組成

2.100kbps-1Mbps返向碼率S頻段天基測控基本型

一是箭上組成(見圖3)。

針對100kbps-1Mbps碼率天基測控,基本型需要由S頻段中繼測控終端、S頻段相控陣天線組成,終端可擴展前向功能。若需要前向鏈路功能,則終端擴展為前返向終端,基本型加設前向鏈路全向天線。

二是地面測試設備組成(見圖4)。

圖3 100kbps-1Mbps返向碼率S頻段天基測控箭上組成

3.1Mbps以上返向碼率Ka頻段天基測控基本型

一是箭上組成(見圖5)。

針對1Mbps以上碼率天基測控,基本型需要由Ka頻段中繼測控終端、Ka頻段相控陣天線組成。

二是地面測試設備組成(見圖6)。

二、實踐效果

根據我國“天鏈”中繼衛星系統建設進度、技術可行性、S頻段、Ka頻段技術成熟度以及型號需求等方面的情況,天基測控按照三步走的發展思路,逐步推進該技術在型號中的應用,最終滿足部分及全部替代地基測控的目標。

圖4 100kbps-1Mbps返向碼率S頻段天基測控地面測試設備組成

圖5 1Mbps以上返向碼率Ka頻段天基測控箭上組成

第一步,低碼率階段。利用“天鏈一號”中繼一期衛星,采用S頻段完成低碼率數據傳輸,解決航區測控盲區部分遙測數據傳輸問題,以打通鏈路為主,滿足CZ-XX等型號系列運載火箭現階段測控需求以及部分武器型號的測控需求。目前, CZ-XX等型號S頻段天基測控低碼率數據傳輸均已經取得成功。

第二步,中碼率階段。充分發揮S頻段衛星下行鏈路能力,深入研究LDPC等高效編碼方式,實現S頻段中碼率數據傳輸,提供更高的測控覆蓋范圍和更高的數據傳輸要求,滿足Ka頻段技術尚未成熟階段遙測數據的傳輸要求,在第一步相關技術成熟的基礎上進一步擴展S頻段的能力。目前,CZ-XX等型號S頻段天基測控中碼率數據傳輸已經取得成功。

第三步,高碼率階段。采用Ka頻段設備,實現高碼率遙測數據傳輸,徹底解決遙測下行信道容量問題,解決地面站的冗余問題,實現部分及全部替代地面站和海上測量船的目的。目前,XX-XA等型號 Ka頻段天基測控高碼率數據傳輸已經取得成功。

圖6 1Mbps以上返向碼率Ka頻段天基測控地面測試設備組成

三、后續思路

一是規定測量系統產品的設計和建造要求,大力推進高碼率技術成果,完善并規范設計構架、要素等內容。

二是建設貨架產品,規范產品名稱,控制上架產品數量,兼顧通用性、系列性、發展性等。

三是產品成熟度認定和提升,按照成熟度認定方法,對產品單機、模塊進行劃分,對各種類的產品或模塊開展成熟度定級工作。

四是建設產品化規章制度,編制天基測控子系統基本型設計規范,固化前期成果,總結、提煉天基測控子系統設計方法與流程,搶占行業先機。

五是形成基本型持續完善、持續更新管理辦法,不斷補充和豐富基本型構成。

六是在新型號中全面推行產品體系模式下的研制工作。

天基測控系統產品體系的建立是發展戰略的需求、是落實新體系建設的需求、是適應由任務型向任務能力型轉型的需求。系統和型號工作人員應共同努力,將天基測控系統和產品化單機進一步推廣至更多型號,使天基測控技術在運載火箭測控任務中發揮越來越重要的作用,逐步替代測量船和地基站,提高型號的經濟效益。