嫦娥四號著陸器測控通信系統設計與驗證

劉適 黃曉峰 毛志毅 強暉萍 凌閩河 李福 李長生 李曉光

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 中國空間技術研究院西安分院，西安 710100)

(3上海航天電子有限公司，上海 201800)

在月球背面開展近距離現場探測，具有顯著的工程意義和科學價值[1]。在20世紀60-70年代，蘇聯和美國相繼實現了月球軟著陸探測，但著陸點均位于月球正面。1968年，Farquhar提出了在地月系L2點附近的Halo軌道上設置中繼衛星用于支持載人月球背面探測的設想，可為月球背面探測提供連續中繼弧段覆蓋。由于缺乏中繼通信技術、工程實現難度大等原因，未能工程實現[1-3]。

由于地月系L2點實施中繼的技術優勢，進入21世紀以來，以NASA為代表的航天機構開展了一系列相關研究工作[4-6]。嫦娥四號探測任務也選擇地月系L2的Halo軌道作為“鵲橋”中繼衛星任務軌道。由于月球自轉和公轉周期相同，其背面對地面站恒不可見。對于嫦娥四號著陸器與巡視器任務，首要解決的問題是月面探測器著陸月球背面后與地面站間連續、可靠的數據傳輸。

本文結合嫦娥四號著陸器任務特點，對測控通信系統設計進行介紹，針對設計中的難點提出了解決途徑，并通過地面試驗和在軌應用情況驗證了設計方法的正確性，可為后續的深空探測任務測控通信系統的設計提供參考。

1 測控通信系統方案設計

1.1 任務概述

嫦娥四號任務由著陸器、巡視器和中繼衛星組成。中繼衛星進入地月系L2平動點軌道正常工作后，著陸器和巡視器以組合體形式一同發射，并于落月后進行分離。著陸器自動力下降開始受到月球遮擋，其上行遙控和下行遙測、載荷數據需要通過中繼鏈路轉發。嫦娥四號中繼衛星在地月L2平動點附近的軌道上運行，實現了對月球背面的兩器連續可見，提供不間斷中繼通信弧段覆蓋。L2點、月球、地球空間位置關系見圖1。

圖1 嫦娥四號中繼弧段示意圖

嫦娥四號著陸器任務過程包括：發射段、地月轉移段、環月段、動力下降段、月面工作段5個部分[7]。在前3個階段，測控通信系統通過直接對地鏈路完成測控任務(見圖2)。后兩個任務階段在月球背面執行，需要中繼衛星為其提供中繼轉發服務，配合完成相關探測任務。

圖2 嫦娥四號測控通信鏈路示意圖

其中，地面站至著陸器的鏈路為上行鏈路；著陸器至地面站的鏈路稱為下行鏈路；中繼衛星至著陸器的鏈路為前向鏈路；著陸器至中繼衛星的鏈路為返向鏈路。

1.2 測控通信系統配置方案

嫦娥四號著陸器測控通信系統由S頻段測控子系統、X頻段測控通信子系統和超高頻(UHF)頻段月面器間通信子系統3部分組成，如圖3所示。其中，S頻段測控子系統與地面測控系統配合完成發射段及地月轉移初期的測控功能；X頻段測控通信子系統與地面測控系統配合完成地月轉移段、環月段測控功能，與中繼衛星配合完成中繼通信功能；UHF頻段月面通信子系統用于提供與巡視器間單向通信鏈路。

圖3 嫦娥四號著陸器測控通信系統框圖

1.3 工作模式設計

1)S頻段測控子系統

S頻段天線A與S頻段天線B均為收發共用天線，兩天線接收到的上行信號經S頻段微波網絡合路后，輸出至S頻段應答機接收機。下行信號由S頻段應答機發射機調制產生，經S頻段微波網絡選路后，通過S頻段天線A和S頻段天線B向外輻射。其中，應答機的發射機與接收機工作頻率相干，上下行信號轉發比為221/240。

2)X頻段測控通信子系統

著陸器X頻段測控通信系統采用設備分時工作設計思路，在確保測控、中繼鏈路滿足任務功能需求的前提下，最大程度精簡設備，實現資源最優配置。其中，X頻段測控應答機接收機分時復用為測控上行和中繼前向信號接收設備。由于中繼返向鏈路無測定軌需求，故未使用測控應答機發射機(采用統一載波調制)，而是使用數傳調制器(采用抑制載波調制)產生返向信號，提高信道容量。

X頻段測控應答機1A和1B接收機工作在上行頻點1(f1)，X頻段測控應答機2A和2B接收機工作在上行頻點2(f2)。應答機的發射機與接收機工作頻率相干，上下行信號轉發比為749/880。其中，應答機1A和2B為主份通道，2A和1B為備份通道。

X頻段接收天線和發射天線為全向天線。著陸器的測控上行和中繼前向信號的接收均通過全向天線完成，測控下行信號通過全向天線發射，中繼返向信號根據任務需要可以通過全向天線、X頻段中增益天線或定向天線進行發射。

動力下降前(不含環月中繼鏈路測試過程)，4臺X頻段測控應答機接收機加電，應答機1A、2B發射機、對應固態放大器及全向發射天線工作。地面站對下行雙頻點同時接收，無論1A或2B對地有利，地面均可同時接收兩個頻點的測控信號，擇優處理。當接收天線A有效波束覆蓋地面站時，使用應答機1A接收機接收上行信號；反之使用應答機2B接收機。

環月中繼鏈路測試過程中，根據著陸器對地指向關系，選擇應答機1A或2B接收測控上行信號，另一臺應答機用于接收中繼前向信號。對地面應答機發射機與固放發送測控下行信號。背地面應答機發射與固放關機，數傳調制器A或數傳調制器B、對應固態放大器及全向發射天線工作，發送返向信號。

動力下降過程中，X頻段應答機發射機均處于關機狀態。由于著陸器機動范圍較大，中繼衛星交替出現在接收天線A或B的有效波束內，示意見圖4。中繼衛星采用兩套前向信號生成通道同時加電的模式，兩通道分別工作在f1和f2頻點，根據著陸器與中繼衛星相對姿態關系交替鎖定X頻段應答機1A或2B的接收機，以實現前向鏈路實時可用；著陸器數傳調制器A和B通道工作在不同頻點，通過不同天線發射，以避免在中繼衛星接收端出現同頻干擾。中繼衛星采用兩套返向信號接收、解調設備同時工作的模式，一旦接收到對應頻點返向信號立即轉發地面。動力下降初期，著陸器通過兩付全向天線發送返向信號，形成異頻全空間覆蓋，保證返向鏈路實時可用。

當距月面約6 km時，著陸器相對中繼衛星姿態較為穩定后，數傳調制器A切換至中增益天線傳輸動力下降圖像，同時通過發射天線A發送數傳調制器B產生的返向信號以傳輸整器遙測。中增益天線可支持返向碼速率為50 kbit/s(編碼后)，遠高于全向天線信道的1.4 kbit/s(編碼后)，可更為高效回傳圖像數據。返向鏈路信道編碼方式為卷積(7,1/2)和RS(255,223)級聯碼。

落月后，著陸器關閉X頻段應答機1B和2B的接收機，通過接收天線A接收前向信號，并建立定向天線(數傳調制器A工作)返向鏈路。該鏈路標稱碼速率為280.899 kbit/s(編碼后)，并預留555.556 kbit/s(編碼后)碼速率作為試驗速率。巡視器與著陸器分離過程中，返向數據主要通過UHF頻段器間通信鏈路以200 kbit/s碼速率傳輸，相對于利用其自身X頻段返向鏈路可節省兩器分離時間4 h以上。

由于數傳調制器B與巡視器返向頻點相同，落月后，當巡視器返向鏈路工作時，著陸器數傳調制器B僅作為著陸器備份鏈路使用。當著陸器數傳調制器A出現故障時, 著陸器啟動備份鏈路，巡視器返向數據可以通過UHF頻段器間通信鏈路經過著陸器進行轉發。最惡劣情況下，兩器對巡視器X頻段返向頻點分時復用。

圖4 嫦娥四號著陸器動力下降示意圖

3)UHF頻段月面器間通信子系統

UHF頻段接收機由指令控制，根據任務需求開機，接收、解調巡視器發送的月面器間通信信號，并送數據管理系統處理，復接到著陸器返向數據流中，經中繼衛星轉發地面。根據兩器相對距離等因素，UHF頻段開關網絡工作在低插損模式或高插損模式下，確保UHF頻段接收機入口電平處于可接收的動態范圍內。

2 技術難點及針對性設計

2.1 無間斷中繼通信系統設計

自動力下降階段開始，嫦娥四號著陸器對地恒不可見，為確保探測任務安全、可靠開展，測控通信系統需提供不間斷的中繼通信鏈路保障，是系統設計的難點之一。著陸器通過異頻半空間組陣的方案，實現全時可用的全功能測控功能，及中繼前向遙控、返向遙測鏈路，為在軌飛控任務提供了穩定、可靠的通道。此外，結合任務過程，通過全向天線、中增益天線和定向天線的組合、切換，對返向鏈路信道容量進行充分利用。

2.1.1 天線覆蓋性設計及驗證

1)天線覆蓋性設計

為實現著陸器全空間測控與中繼通信能力，需要X頻段全向收發天線組陣全空間覆蓋，這與天線的增益方向圖特性、布局與組陣形式相關。

(1)單元天線設計。重點關注了單元天線自身增益方向圖特性，以及在整器遮擋情況的影響。通過仿真和實測結合的手段，最終選擇頂饋雙線圓錐螺旋方案，實現了電軸方向±90°范圍內98%空間范圍內優于-5 dBi(見圖5)。

圖5 嫦娥四號著陸器X頻段全向天線(X頻段接收天線A)

(2)天線布局設計。嫦娥四號著陸器外表面狀態較為復雜，X頻段無線電信號波長較短，繞射能力較弱。同時受限于運載包絡，天線可選擇的安裝空間受限。經仿真優化，天線選擇對稱并傾斜45°的安裝方式。天線不超過探測器原有包絡，且將天線半空間波束范圍內器體遮擋的影響降至最低(見圖6)。

圖6 嫦娥四號著陸器X頻段全向天線布局示意圖

(3)組陣方式設計。嫦娥四號著陸器X頻段全向天線采用異頻組陣方案，避免了天線組陣間同頻信號合路、分路造成的方向圖腰部干涉問題(見圖7)[8]。

2)天線覆蓋性驗證情況

為驗證天線覆蓋設計的正確性，嫦娥四號著陸器天線正樣產品進行了全尺寸輻射模型器緊縮場測試，驗證了其設計的正確性(見圖8)。測試結果表明，在全空間范圍內，天線增益優于-7 dBi(98%空間范圍)，優于-3 dBi(90%空間范圍)。

圖7 不同全向天線組陣后天線增益方向圖

圖8 嫦娥四號著陸器輻射模型器緊縮場測試

2.1.2 異頻組陣工作模式設計

根據第1.3節描述，不同頻率的測控上行或中繼前向信號通過不同的X頻段接收天線為測控通信系統接收，信號經多工器濾波選路后輸入至對應頻點的X頻段測控應答機接收機。相對于分路方案可以節省鏈路插損約2 dB；相對于開關選路，保證了器載雙接收機間實時熱備份，系統可靠性更高；不同頻率的測控下行或中繼返向信號經開關選路，通過不同的X頻段發射天線向外輻射，進一步降低鏈路內無源插損。

2.2 高靈敏度前向接收與解調系統設計

由于中繼衛星與兩器的最遠通信距離約8萬千米，中繼衛星前向有效全向輻射功率(EIRP)能力受限，且著陸器僅能通過全向天線接收前向信號，著陸器需具備高靈敏度前向信號接收、解調能力。

1)高靈敏度前向通道設計

中繼衛星的前向信號發射能力遠低于地面站發射能力(兩者相差約50 dB)，根據鏈路分析，需要X頻段測控應答機在中繼前向信號電平為-128 dBm(信號總功率)時，保持穩定鎖定，輸出遙控副載波信噪譜密度比優于37 dBHz(調制度為0.95 rad)。遙控副載波由數據管理系統解調，遙控碼速率為125 bit/s。

X頻段測控應答機(見圖9)是前向信號高靈敏度接收、解調功能實現的核心設備之一。為滿足搭載要求，單臺應答機質量不超過2 kg，峰值功耗低于10 W，全工況捕獲門限優于-128 dBm(多工器輸入端測量，頻偏±460 kHz，頻率變化率15 kHz/s)，輸出遙控副載波信噪譜密度比優于37 dBHz。

圖9 嫦娥四號著陸器X頻段測控應答機

嫦娥四號著陸器前向電平要求遠低于嫦娥三號著陸器月面階段X頻段測控應答機上行接收電平(最低電平約-110 dBm)。為提高著陸器前向通道接收靈敏度，采用了以下設計手段。

(1)確保測控通信系統內部各設備工作頻點保留足夠頻率間隔，在接收通道對帶外信號進行濾波。并對發射通道在接收頻點的噪聲進行抑制，收發通道采用獨立天線，并采用旋向隔離設計，進一步提高隔離度。

(2)確保著陸器其他射頻設備工作頻點與前向鏈路頻率保留足夠間隔，并明確其在前向工作頻點處電平低于-128 dBm。

2)高靈敏度前向通道驗證

根據測控通信系統內收、發通道之間隔離度實測結果，在施加最大可能的發射通道影響的情況下，著陸器各接收通道在門限電平下遙控副載波信噪譜密度比優于37 dBHz；測控通信設備與數據管理設備聯試結果表明，各前向接收通道遙控解調門限優于-129 dBm；最終通過整器系統級電磁兼容測試驗證了在各任務階段工作模式中，整器電磁特性可以滿足前向接收通道正常工作的需求。

2.3 高品質返向調制系統設計

由于中繼通信距離遠，著陸器返向EIRP能力受限，為保證返向信號正常接收與解調，著陸器需對返向信號調制質量進行嚴格控制。

由于接收端環路濾波器的帶寬一般約為碼速率的1%。嫦娥四號著陸器返向最低碼速率為1.4 kbit/s(編碼后)，中繼衛星接收解調設備的鑒相環路帶寬需要小于14 Hz。故在著陸器數傳調制器設計和調試過程中重點關注了返向信號載波近端10 Hz附近的相位噪聲。

對于一個特定的相移鍵控系統，本振的寄生調相應小于相移鍵控最小相位步進的十分之一[9]。對于BPSK調制系統應小于18°，綜合考慮解調需求和單機可實現性，返向信號偏離載頻10 Hz～1 MHz范圍內，相位噪聲應優于表1所示。

表1 載波相位噪聲要求

經工作溫度范圍內溫度臺階試驗結果表明，著陸器返向鏈路在全溫度范圍內滿足載波相位噪聲要求。

2.4 高功率動態變化范圍月面器間通信接收與解調系統設計

1)月面通信系統高功率動態適應性設計

嫦娥四號著陸器月面通信系統除應具備支持3 km最遠通信距離的任務需求[10]外，還需滿足兩器對接狀態下200 kbit/s碼速率的器間通信需求，故對功率動態范圍提出了嚴苛要求，需至少實現120 dB。為此，嫦娥四號著陸器測控通信系統在嫦娥三號月面通信系統的基礎上增加UHF頻段開關網絡(見圖10)，可通過指令設置其傳輸通道內的插損值。其插損值有兩檔，分別為無插損模式(插損值低于1 dB)，高插損模式(插損值約55 dB)，默認狀態為高插損模式，以保證系統安全性。衰減值的確定充分考慮了系統工作的功能性和電磁兼容需求，可保證接收機入口電平的安全裕度在20 dB以上,同時避免了高插損模式下漏信號現象的發生。

圖10 嫦娥四號著陸器UHF頻段開關網絡

2)月面通信系統高功率動態適應性驗證

著陸器測控通信系統增加UHF頻段開關網絡后，與巡視器測控通信系統開展飛行產品的正樣聯試工作，測試結果表明UHF頻段開關網絡處于無插損模式或高插損模式下，著陸器UHF頻段接收機解調性能均滿足指標要求。

在兩器正樣電磁兼容性測試過程中，兩器對接狀態下著陸器UHF頻段接收機可正常解調巡視器發送器間通信數據。兩器分離狀態下，UHF頻段器間通信測試結果正常，滿足指標要求。

2.5 艙外天線熱環境適應性設計

根據分析嫦娥四號著陸器測控通信系統天線組件將承受較為嚴苛的熱環境。其中，X頻段接收天線B和X頻段發射天線B在其附近的150 N和7500 N發動機工作時，將受到羽流的直接噴射或月面發射；月面工作階段所使用天線將面臨月夜極低溫度環境。

為應對羽流影響，X頻段接收天線B和X頻段發射天線B采取了增加羽流擋板，并在擋板上噴涂白漆等保護措施。同時，針對月夜低溫環境，測控通信系統天線產品開展相應熱設計與分析工作，并通過鑒定產品進行最低溫度約為-215 ℃的低溫存儲試驗驗證。

3 在軌應用情況

3.1 環月中繼鏈路測試

嫦娥四號著陸器在環月階段共安排了兩階段環月中繼鏈路測試工作。測試時機分別安排在2018年12月14日和29日，對應著陸器接收/發射天線B有效波束覆蓋中繼衛星和接收/發射天線A有效波束覆蓋中繼衛星，測試覆蓋了動力下降過程中全部加電中繼設備。測試過程中，中繼衛星分別通過自身上行S頻段測控鏈路和S頻段數傳鏈路轉發著陸器前向遙控和返向遙測(見圖11)。測試過程中，中繼前向鏈路使用的X頻段測控應答機接收電平未低于-122.5 dBm。

圖11 嫦娥四號著陸器環月中繼鏈路測試示意圖

測試過程中，中繼衛星對著陸器的跟蹤穩定，通過中繼衛星轉發的著陸器遙測、遙控均正常。著陸器與中繼衛星中繼設備工作正常，關鍵指標滿足要求，達到了預期目的。

3.2 動力下降過程

2019年1月3日9:41，嫦娥四號著巡組合體進入月球背面，隨后完成動力下降前最后設置工作，并于10:26完成動力下降過程。組合體動力下降過程中，著陸器動作均為自主實施，無需地面實時干預，無指令上行計劃，前向鏈路僅為應急情況下指令上行通道。

根據著陸器對中繼衛星的姿態指向，動力下降過程中依次建立了X頻段測控應答機1A、2B和1A的前向鏈路，為組合體提供了連續、無間斷的指令上行應急通道，期間前向信號最低接收功率為-124.9 dBm；組合體動力下降過程中，返向鏈路包括數傳調制器A和數傳調制器B產生的全向天線返向通道，以及數傳調制器A產生的中增益天線返向通道。其中，全向天線返向通道提供著陸器返向遙測數據傳輸通道，動力下降過程中未出現非預期遙測數據中斷。中增益天線返向鏈路通道用于傳輸動力下降圖像，共計抽幀下傳59張圖像，有效提高了任務展示度(見圖12)。

圖12 嫦娥四號著陸器動力下降圖片

3.3 兩器釋放分離過程

著陸后，著陸器建立了定向天線返向通道，用于高速傳輸遙測和載荷數據，經在軌測試555.556 kbit/s(編碼后,試驗鏈路)返向碼速率誤碼率滿足使用要求，后續著陸器月面工作階段定向天線返向通道均使用555.556 kbit/s(編碼后)。

兩器連接電纜脫落前，巡視器通過UHF頻段器間通信鏈路實時轉發遙測和圖像數據，最高碼速率為200 kbit/s，著陸器UHF頻段接收機AGC遙測約為-55 dBm，與地面仿真、測試結果基本一致。19:34兩器連接電纜脫落后，兩器關閉UHF頻段器間通信鏈路，巡視器通過全向發射天線發送返向信號，并于22:20移動至月面。

3.4 月面工作階段

嫦娥四號完成兩器分離后，按計劃進行了兩器互拍工作，并開展了月面載荷探測工作。期間，著陸器測控通信系統工作正常，為整器提供了穩定可靠前向和返向通道。

2019年1月12日22:00，著陸器進入第一個月夜休眠期。著陸器月面工作期間，前向鏈路通過X頻段接收天線A接收，返向鏈路通過定向天線發射；著陸器休眠前，通過延時指令，將返向鏈路由定向天線切換為X頻段發射天線A發射。2019年1月30日，20:45著陸器如期喚醒。著陸器測控通信系統工作狀態正常，喚醒后返向鏈路由X頻段發射天線A通道轉為定向天線通道。

3.5 小結

嫦娥四號著陸器測控通信系統設備在軌工作正常，功能、性能指標均滿足任務要求，完成了任務各階段規定的測控與中繼任務，全部遙控指令執行正確，著陸器遙測與載荷數據解調正確，測定軌功能正常，巡視器器間通信數據轉發正確。月面工作階段，存在極個別時段由于全向天線增益方向圖凹區造成的X頻段測控應答機1A接收電平低于-128 dBm情況，與預期相符，未對在軌工作實施造成影響。

4 結束語

作為人類首例月球背面軟著陸探測器，嫦娥四號著陸器測控通信系統針對任務各階段特點，從任務需求出發，有針對性開展設計，驗證工作充分有效，覆蓋了單機級、系統級、整器級，為在軌任務的順利開展提供有力支撐。本文的設計和驗證方法的正確性，經過嫦娥四號著陸器測控通信系統在軌驗證，在服務于嫦娥四號任務的同時，也可以為未來的深空探測任務測控通信系統的設計與驗證提供有益的參考。