嫦娥四號任務(wù)中繼通信鏈路地面測試驗(yàn)證及數(shù)據(jù)處理

權(quán)爽 張靜 馬千里 劉奇 陳思豪 何曉宇

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

嫦娥四號首次實(shí)現(xiàn)了探測器在月球背面軟著陸和巡視勘察[1-3]，月球與地球站中繼通信鏈路是嫦娥四號任務(wù)的關(guān)鍵組成部分[4-6]。在探測器研制階段，中繼通信鏈路地面測試驗(yàn)證是探測器系統(tǒng)級測試的重要環(huán)節(jié)，同時也是我國航天器測試領(lǐng)域的全新課題。在制定測試方案時，需要滿足探測器整器研制各階段測試和試驗(yàn)任務(wù)需求，適應(yīng)各種測試模式下的中繼鏈路信息流配置，滿足探測器月球背面著陸和巡視探測任務(wù)模擬飛行測試中的數(shù)據(jù)實(shí)時性和連續(xù)性要求，并對測試過程中產(chǎn)生的中繼鏈路數(shù)據(jù)的正確性和完整性進(jìn)行驗(yàn)證。上述需求沒有成熟型號經(jīng)驗(yàn)以供參考，在制定測試方案時需要站在系統(tǒng)級及大系統(tǒng)間測試驗(yàn)證的角度進(jìn)行充分考慮和全新設(shè)計(jì)。

本文針對月球中繼通信鏈路地面測試驗(yàn)證需求，提出了系統(tǒng)級地面測試方案，并結(jié)合嫦娥四號綜合測試實(shí)踐，對測試流程、測試模式、測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、測試數(shù)據(jù)處理等進(jìn)行總結(jié)，其成果對后續(xù)月球與深空探測器研制任務(wù)具有借鑒意義。

1 月球中繼通信鏈路概述

嫦娥四號任務(wù)采用了月球背面著陸器、巡視器和地月L2點(diǎn)軌道中繼衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)再生轉(zhuǎn)發(fā)中繼通信方案[4]。通信鏈路包含器-星中繼鏈路、星-地通信鏈路和器間通信鏈路，如圖1所示。

(1)器-星中繼鏈路：著陸器自動力下降段開始與中繼衛(wèi)星建立X頻段中繼鏈路；巡視器落月后開始工作，與中繼衛(wèi)星建立X頻段中繼鏈路。

(2)星-地通信鏈路：中繼衛(wèi)星通過S頻段測控鏈路完成自身遙測、遙控和測定軌任務(wù)，以及兩器前向數(shù)據(jù)的接收；并通過S頻段和X頻段數(shù)傳鏈路傳輸自身遙測、探測數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)的兩器返向數(shù)據(jù)。

(3)器間通信鏈路：巡視器與著陸器之間的單向UHF頻段通信鏈路，用于巡視器返向數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，與巡視器自身返向鏈路形成功能備份。

其中器-星中繼鏈路和器間通信鏈路參數(shù)見表1，共包含5條鏈路、7個頻點(diǎn)、12種碼速率、4種數(shù)據(jù)幀長以及多種數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)內(nèi)容。在地面測試階段，需要對上述通信鏈路的功能、指標(biāo)和接口進(jìn)行充分驗(yàn)證。

注：f1、f2為著陸器X頻段中繼前向鏈路頻點(diǎn)；f3、f4為巡視器X頻段中繼前向鏈路頻點(diǎn)；f5、f6為著陸器和巡視器X頻段中繼返向鏈路頻點(diǎn)；fUHF為UHF頻段器間通信鏈路頻點(diǎn)。

2 中繼通信鏈路地面測試任務(wù)

2.1 測試任務(wù)特點(diǎn)

嫦娥四號中繼通信鏈路驗(yàn)證工作包含初樣階段、正樣階段和在軌階段。其中正樣階段驗(yàn)證工作在整器系統(tǒng)級地面測試期間開展，目的是最終確定飛行產(chǎn)品的功能、性能符合性，并對系統(tǒng)在軌工作程序進(jìn)行地面1∶1驗(yàn)證[4]。測試內(nèi)容包括中繼通信鏈路各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)驗(yàn)證，以及任務(wù)過程模擬飛行(模飛)測試。測試任務(wù)具有如下特點(diǎn)。

(1)測試流程環(huán)節(jié)多。隨探測器和中繼衛(wèi)星研制流程推進(jìn)，在多個測試階段針對中繼通信鏈路安排不同的測試項(xiàng)目，達(dá)到特定的驗(yàn)證目的，逐層遞進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級功能全面驗(yàn)證。

(2)測試模式多。測試流程中各階段的測試狀態(tài)不同，采取不同的測試模式，配合相應(yīng)的測試鏈路設(shè)置、地面設(shè)備配置、測試數(shù)據(jù)處理過程等。

(3)測試信息流復(fù)雜。包含多種信息來源和信息路徑，在不同測試模式下，信息傳輸路徑也有所不同，要求地面測試系統(tǒng)具備多路信息流并行處理能力和數(shù)據(jù)格式自動識別能力，確保復(fù)雜任務(wù)過程模飛測試中數(shù)據(jù)接收的實(shí)時性、連續(xù)性和完整性。

(4)測試數(shù)據(jù)比對判讀要求高。要求對不同路徑接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對、判讀和分析[7]，充分驗(yàn)證中繼鏈路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

2.2 測試流程

中繼鏈路測試貫穿于探測器系統(tǒng)級測試全過程，包括著陸器和巡視器總裝廠電性能測試、兩器聯(lián)合測試、兩器一星聯(lián)試，以及兩器一星與大系統(tǒng)對接測試。分階段、有步驟地完成對中繼通信鏈路各項(xiàng)功能和指標(biāo)的全面驗(yàn)證。測試過程如圖2所示。

圖2 中繼通信鏈路地面測試過程

在著陸器和巡視器總裝廠測試中，分別對兩器測控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)X頻段中繼鏈路和UHF頻段器間通信鏈路進(jìn)行測試。通過測試，檢查著陸器和巡視器各自器上設(shè)備的工作狀態(tài)。之后，進(jìn)入兩器聯(lián)合測試階段，重點(diǎn)對器間UHF通信鏈路進(jìn)行測試。中繼衛(wèi)星完成總裝廠各階段測試后，與著陸器、巡視器共同開展兩器一星聯(lián)合測試，驗(yàn)證探測器與中繼衛(wèi)星之間中繼鏈路的各項(xiàng)功能、指標(biāo)和接口。在中繼衛(wèi)星和探測器出廠前，分別安排兩次兩器一星與大系統(tǒng)無線對接測試。

2.3 測試模式

根據(jù)探測器測試狀態(tài)的不同，測試模式包括著陸器單器測試模式、巡視器單器測試模式、兩器聯(lián)合測試模式和兩器一星聯(lián)合測試模式。在地面測試期間，兩器一星聯(lián)合測試模式最接近在軌真實(shí)工作狀態(tài)，在該模式下對中繼通信鏈路進(jìn)行全面驗(yàn)證。工作模式如圖3所示，中繼衛(wèi)星測控上行信號由中繼衛(wèi)星地面測試設(shè)備產(chǎn)生，中繼衛(wèi)星下行遙測和數(shù)傳信號由中繼衛(wèi)星地面測試設(shè)備接收。著陸器、巡視器與中繼衛(wèi)星之間建立從動力下降至月面工作期間的中繼通信鏈路，模擬在軌真實(shí)工作狀態(tài)。著陸器、巡視器指令通過中繼衛(wèi)星上行鏈路和中繼前向鏈路發(fā)送到器上；著陸器、巡視器數(shù)傳數(shù)據(jù)通過中繼返向鏈路和中繼衛(wèi)星下行鏈路傳回地面。同時，巡視器通過器間通信鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)送給著陸器，再經(jīng)上述路徑轉(zhuǎn)發(fā)至地面。

3 地面測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理

3.1 地面測試系統(tǒng)

探測器地面測試系統(tǒng)由總控設(shè)備、測控?cái)?shù)傳地面設(shè)備、供配電地面設(shè)備、GNC地面設(shè)備、推進(jìn)地面設(shè)備、有效載荷地面設(shè)備等組成[8]。其中測控?cái)?shù)傳地面設(shè)備和總控設(shè)備與中繼鏈路測試驗(yàn)證密切相關(guān)，設(shè)備組成如圖4所示。

與嫦娥三號探測器地面測試系統(tǒng)不同的是，除著陸器和巡視器各自的遙控前端、遙測前端和數(shù)傳前端外，增加了中繼轉(zhuǎn)發(fā)遙控前端和中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)傳前端。前者負(fù)責(zé)將總控生成的中繼前向指令發(fā)送至中繼衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)，再經(jīng)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給探測器；后者負(fù)責(zé)接收由中繼衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)接收并轉(zhuǎn)發(fā)來的探測器中繼返向鏈路數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給探測器總控和其他分系統(tǒng)地面設(shè)備。地面測試鏈路覆蓋表1中的5條中繼通信鏈路和7個中繼通信頻點(diǎn)，數(shù)據(jù)格式覆蓋表1中的12種碼速率和4種數(shù)據(jù)幀長。地面測試系統(tǒng)支持探測器單器測試、兩器聯(lián)合測試和兩器一星聯(lián)合測試模式，支持探測器正樣研制流程中各階段系統(tǒng)級測試任務(wù)。

3.2 測試數(shù)據(jù)處理

1)測試信息流

在兩器一星聯(lián)合測試模式下，探測器地面測試系統(tǒng)接收的中繼返向鏈路信息流包括著陸器、巡視器直接下傳到地面的中繼返向數(shù)據(jù)；著陸器、巡視器通過中繼衛(wèi)星下傳到地面的中繼返向數(shù)據(jù)；巡視器直接下傳到地面的器間通信數(shù)據(jù)；巡視器通過著陸器及中繼衛(wèi)星下傳到地面的器間通信數(shù)據(jù)等。

圖3 兩器一星聯(lián)合測試模式

圖4 探測器地面測試系統(tǒng)

表2列出了各種測試模式下的全部12路測試信息流。

表2 中繼返向和器間通信鏈路測試信息流

2)測試數(shù)據(jù)處理要求

為支持復(fù)雜任務(wù)過程模飛測試，測試數(shù)據(jù)處理需要滿足以下要求：

(1)多通道并行處理。同一個數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能通過最多3條信息路徑下傳到地面，例如表2中的信息流D、F、K。因此要求地面測試系統(tǒng)具備多通道并行數(shù)據(jù)處理能力。

(2)數(shù)據(jù)格式自動識別。在模飛測試過程中，按照飛行程序需要經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月飛行、動力下降、月面工作等多個任務(wù)過程，測控?cái)?shù)傳通道轉(zhuǎn)換頻繁，動作時間緊張，并且需要保證數(shù)據(jù)接收的連續(xù)性和完整性。因此要求地面測試系統(tǒng)能夠自動識別接收的數(shù)據(jù)格式，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。

(3)支持?jǐn)?shù)據(jù)比對判讀。對不同信息路徑下傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和判讀，驗(yàn)證中繼鏈路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。具備數(shù)據(jù)原碼比對和處理后的數(shù)據(jù)工程值比對兩種方式。

3)測試數(shù)據(jù)處理過程

根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)測試數(shù)據(jù)處理過程如圖5所示，包含以下步驟：

(1)判斷信息來源。通過數(shù)據(jù)包中的信息源標(biāo)志區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)來自著陸器數(shù)傳前端、巡視器數(shù)傳前端或中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)傳前端。

(2)判斷航天器標(biāo)志。通過航天器標(biāo)志區(qū)分所屬航天器，濾除中繼衛(wèi)星數(shù)傳數(shù)據(jù)包，保留著陸器和巡視器數(shù)據(jù)包。

(3)判斷虛擬信道標(biāo)志。通過虛擬信道標(biāo)志判斷數(shù)據(jù)類型，區(qū)分著陸器長幀遙測源包、著陸器短幀遙測源包、巡視器遙測源包或巡視器幀遙測。

(4)數(shù)據(jù)幀長度校驗(yàn)。判斷數(shù)據(jù)幀長度進(jìn)行數(shù)據(jù)格式校驗(yàn)。

(5)數(shù)據(jù)分類處理。根據(jù)上述流程判斷的信息內(nèi)容和數(shù)據(jù)格式，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法，完成遙測參數(shù)提取、解析、顯示、歸檔和判讀。

4)測試數(shù)據(jù)比對判讀

通過比對不同信息路徑傳輸相同信源數(shù)據(jù)的一致性，可以有效驗(yàn)證中繼鏈路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的正確性。例如在兩器一星聯(lián)合測試模式下，巡視器器間通信遙測源包數(shù)據(jù)可以直接由巡視器地面設(shè)備接收(信息流D)；也可以通過著陸器轉(zhuǎn)發(fā)后由著陸器地面設(shè)備接收(信息流F)；還可以經(jīng)中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后由中繼衛(wèi)星地面設(shè)備接收，再轉(zhuǎn)發(fā)給巡視器地面設(shè)備做進(jìn)一步處理(信息流K)，如圖6所示。經(jīng)處理后，3路信息流有效數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)內(nèi)容應(yīng)完全相同，通過對數(shù)據(jù)幀原碼進(jìn)行比對，并對處理后的遙測工程值進(jìn)行比對和判讀，可以驗(yàn)證中繼返向鏈路和器間通信鏈路的工作狀態(tài)。

圖5 測試數(shù)據(jù)處理過程

圖6 巡視器測試數(shù)據(jù)比對

表3分別給出了兩器聯(lián)合測試和兩器一星聯(lián)合測試模式下的數(shù)據(jù)比對判讀策略。在兩器一星聯(lián)合測試模式下，共有5組測試數(shù)據(jù)需要進(jìn)行比對：

(1)著陸器長幀遙測源包：信息流A、H；

(2)著陸器短幀遙測源包：信息流B、I；

(3)巡視器遙測源包：信息流C、J；

(4)巡視器器間通信遙測源包：信息流D、F、K；

(5)巡視器器間通信幀遙測：信息流E、G、L。

表3 測試數(shù)據(jù)比對判讀策略

注：信息流代號“A～L”說明見表2；“-”表示信息流在該測試模式下不存在；相同符號的信息流用于該測試模式下的數(shù)據(jù)比對。

4 結(jié)束語

本文提出的中繼通信鏈路測試驗(yàn)證方案應(yīng)用于嫦娥四號探測器研制任務(wù)，支持完成了探測器正樣階段各項(xiàng)測試、試驗(yàn)和發(fā)射工作。經(jīng)驗(yàn)證，中繼鏈路各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，滿足在軌任務(wù)需求。探測器發(fā)射入軌后，著陸器在中繼衛(wèi)星的支持下成功實(shí)現(xiàn)了月球背面軟著陸，著陸器和巡視器在月球背面成功開展了一系列探測活動，通過中繼鏈路將月球背面圖像和科學(xué)探測數(shù)據(jù)傳回地球。本文的研究成果對未來深空中繼通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制具有一定參考價值。