運載火箭飛行測控中的鏈路可見性分析

2019-09-23 06:20:18宮長輝宋屹旻寧高利

導彈與航天運載技術 2019年4期

宮長輝，張穎，宋屹旻，任寧，寧高利

（1. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2. 北京遙測技術研究所，北京，100076）

0 引言

運載火箭測控是航天飛行器測控通信中的一個重要領域，火箭飛行過程中，需要獲取其遙測信息和外測信息，以供地面工作人員實時了解其飛行狀態；運載火箭出現飛行異常時，工作人員也能夠隨時發送安控指令。現階段中國航天測控普遍采用地基測控，努力發展天基測控。制訂運載火箭測控方案的中心內容是根據其飛行段的軌道和測量要求，確定地面站的布站、設備配置和信息交換、傳遞流程，而可見性分析是制訂運載火箭測控方案的前提。本文借助飛行彈道對地基和天基測控中可見性進行了分析。

1 地基測控布站要求

1.1 運載火箭的跟蹤

跟蹤是指地面站接收天線的波束不斷調整俯仰角和方位角，使其始終指向高速飛行中的運載火箭，以取得較好的接收效果。跟蹤分為手動跟蹤、程序跟蹤和自跟蹤3種方式。

手動跟蹤和程序跟蹤都是根據運載火箭的理論彈道和地面站的大地坐標提前計算出運載火箭飛行的一些特定時刻，該地面站接收天線的波束欲指向運載火箭所應處的仰角和方位角，并按照這些時刻使接收天線的仰角和方位角處于對應的值上，以達到跟蹤的目的。但二者的實現方法不同，前者用人工操作機械裝置使天線改變角度，后者則將有關各組仰角和方位角數據輸入計算機，由計算機控制伺服機構的天線座改變天線的角度。

自跟蹤則是實時測出地面站指向運載火箭的仰角、俯仰角，然后將實測值和接收天線當時實際所處的仰角和方位角進行比較，求出誤差信號，用它來控制伺服隨動天線座來改變天線角度至誤差信號趨近于零，從而實現對運動目標的跟蹤。為保證對運動目標的可靠捕獲，通常用寬波束天線捕捉目標并引導，用窄波束天線作精測。

1.2 運載火箭的航程

對于運載火箭，航程為數千公里，超過遙測系統的有效通信距離，加上地球曲率的影響，單站不可能完成全弧段測量任務。為確保獲取全測量弧段的遙測數據，必須沿航區設置多個地面站接力，各相鄰地面站負責確保的測量弧段必須有1 min以上的重疊。

1.3 過頂問題

航區各地面站，特別是采用自跟蹤的地面站，由于天線伺服機構的限制，其站址不應選在射面上或緊靠射面，以避免過頂而影響跟蹤。

1.4 微波傳播特點

鑒于微波在自由空間視距傳播的特點，布站時必須考慮地球表面曲率的影響。當運載火箭飛行高度一定時，它所能看到的地球表面有一定的限度，如圖1所示。

圖1 微波視距示意Fig.1 Diagram of Microwave Visible

由圖1可得：

電磁場理論表明，大氣折射對超高頻電磁波傳播的影響可用修正后的等效曲率半徑Re代替實際的地球半徑R。當處于溫度為15 ℃的海平面，大氣溫度隨高度的變化梯度為 0.0065 ℃/m，大氣折射梯度為 0.039×10-6/m時，Re=4R/3，若取R=6370 km，則最大視距為130LH≈。

遙測接收站的測量弧段除了受遙測系統的有效通信距離限制外，還受最大視線距離L、接收站的工作仰角和地形遮蔽角的限制。在實際應用中，如系統有效通信距離足夠大時，尚不能按照最大視距 L來分配各接收站的測量弧段，因為在低仰角條件下工作，接收是不可靠的。為保證可靠接收，各地面站在各自負責的測量弧段內的工作仰角應至少大于5°（最大視線距離L對應的仰角為0°）。

1.5 地基測控可見性分析

以飛行測控為例，仿真結果如圖 2所示。由圖 2可知，在滿足上述布站要求的基礎上，在地面站5°仰角以上，該運載火箭的地基跟蹤范圍為24～760 s。

圖2 地基測控中飛行時間與俯仰角變化關系Fig.2 Relationship Between Flight Time and Pitch Angle in the TT&C Based on Ground

2 天基測控

2.1 天基測控特點

地基測控方式具有以下不足：

a）維護費用高，補給時間長；

b）機動性差，航區改變困難，彈道機動難。

此外，某些運載火箭發射彈道存在技術上的測控空白段或者涉及領土問題無法布站或布船，而天基測控技術的應用從很大程度上解決了上述問題。

天基測控網主要包括導航衛星系統和跟蹤與數據中繼衛星系統（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）。導航衛星系統可以為中、低軌道航天器提供性能優良而且簡單易行的自主導航、高精度相對導航和實時定位、姿態測定和高精度時間同步功能等。TDRSS是一種經地球同步軌道的中繼衛星轉發，與一個地面站相配合，可為中、低軌道航天器提供連續覆蓋，高數據傳輸能力，并能精確測軌的新型航天測控網。作為天基測控通信系統的TDRSS是下一代測控通信系統的發展方向，該系統具有跟蹤測軌和數據中繼兩方面的功能，而且具有覆蓋范圍大、保障費用低等特點。

2.2 天基測控可見性分析

中繼衛星天線可以在圓錐范圍內進行掃描，其覆蓋范圍如圖 3所示，可以對中、低軌道的航天器提供測控服務。對于軌道較低航天器由于地球自身遮擋，測控區域可能會受到限制。此時中繼衛星天線掃描角度為±8.66°。

圖3 測控范圍示意Fig.3 Diagram of Measurement Range

仍以該型號飛行測控為例，仿真結果如圖4所示。可見，在滿足上述要求的基礎上，該運載火箭的天基跟蹤范圍為0～2200 s（01星）和0～2340 s（02星）。

圖4 天基測控中飛行時間與俯仰角變化關系Fig.4 The Relationship Between Flight Time and Pitch Angle in the TT&C Based on Space

與1.5節對比可見，在該型號飛行彈道下，4個地面站的聯合接力僅能覆蓋1000 s以內，而每顆中繼衛星的測控覆蓋范圍即可達到2000 s以上。天基測控維護費用低、測控靈活性高的特點，為航天測控實現降本增效的目標提供了強有力的技術支撐。

3 其他影響因素

除上述可見性因素外，航天測控通信中，還應考慮以下影響因素。

a）天線方向性圖影響。

當天線在運載火箭的安裝方位角確定以后，它的方向性圖相對于箭體是固定的。但運載火箭飛行過程中，坐標位置和姿態角不斷變化，故地面站相對于運載火箭的指向角也在不斷變化。因此，通常在制定測控方案時，先確定地面站的站址，通過仿真手段計算各站相對于運載火箭的指向角，以及實際的通信距離，從而確定天線在運載火箭上的安裝位置，提出天線方向性圖要求。

b）布站影響。

在特定情況下，運載火箭飛行軌跡的大部分會延伸至海上或國外，要完成運載火箭全飛行弧段的測量就必須在海上設地面站，根據海上的特殊情況，一般采用測量船方案。測量船是裝有測控設備、通信設備和數傳設備的活動地面站。它的布站站址原則上不受地理位置的限制，可按照實際需要確定。考慮到海上不同位置在不同季節的差異，以及海浪對測量的影響，一個測量船可選擇 2～3個站址，屆時可以根據海況選擇其中風浪較小的海域使用。

c）火焰衰減影響。

發動機火焰是一種高溫等離子體，無線電穿過它時會引起很強的衰減和調制噪聲，造成遙測信號中斷和失鎖。據統計，發動機火焰對200 ～1000 MHz的電磁波的衰減可達30～40 dB。當頻率升高時，衰減減弱，但不能消除。因此在選擇地面站站址時應避免出現在接收方向上電磁波穿過發動機火焰的情況。根據經驗，在運載火箭飛行的主動段，為保證可靠接收，地面站和運載火箭質心的連線與運載火箭軸線指向尾部方向的夾角應大于5°。