衛星測控應答機的接收機在軌性能評估方法

劉洋 陳曦 石杰楠 譚博能

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

測控應答機是衛星與地面進行上下行通信的重要設備，其工作正常與否直接決定了衛星上下行的成敗和衛星在軌使用壽命[1]，對測控應答機進行故障發現及性能異常發現的在軌監測工作尤為重要。以往在軌衛星主要通過如下手段開展對測控應答機的在軌監測工作：①測控弧段內通過上行任務是否正常執行，或者載波、位鎖定狀態參數是否正常鎖定等進行監測；②通過下行遙測是否能正常接收(遙測數據是否中斷)進行監測；③有需要時可以通過測控弧段內自動增益控制(AGC)電平是否隨上行任務加載而相應增大來進行事后分析。以上手段可用于監視測控應答機當時的工作狀態，進而可以實時發現工作狀態的異常，但無法通過遙測直接進行性能評估。然而，對于測控應答機這種電子類設備來講，僅用設備工作狀態異常的情況來評估應答機的性能是不全面的。因此，需要尋找一種基于實際在軌遙測數據的方法對測控應答機的長期在軌性能變化情況進行發現和評估[2]。

考慮到AGC電平遙測是反映應答機上行功能工作狀態的重要的非狀態量遙測參數[3]，AGC電平遙測的表現及變化可以反映出應答機的接收機在軌性能。但是，由于AGC電平的變化取決于是否在跟蹤弧段內且是否有上行操作，導致無法對測控應答機的AGC電平進行常規的長時間趨勢分析，即應答機的接收機在軌的性能無法通過直觀趨勢變化進行評估。同時，由于AGC電平受地面發射信號的變化以及信號傳播衰減等各種外界因素影響，在上行過程中，會表現為無規律波動趨勢，目前在軌的狀態/性能同樣無法通過有效手段進行自動監視與評估。

鑒于此，本文以星載擴頻應答機和USB應答機作為分析對像，根據二臺應答機AGC電平遙測數據變化存在一致性，提出了一種基于AGC電平相關系數的性能異常發現方法，同時基于實際在軌遙測數據，利用所有滿足條件衛星的應答機健康狀態下的相關系數并結合“拉依達準則(3σ準則)”構建在軌評估閾值，對測控應答機的接收機在軌性能進行評估，有效的解決了測控應答機的接收機在軌性能異常發現方法與評估方法研究不足的問題。評估結果用于衛星測控應答機的在軌管理工作中，為應答機的接收機性能異常的發現及性能評估提供了有效的途徑，為其在軌故障診斷及預警提供參考，對應答機的接收機在軌性能異常或性能下降的及時發現和處置具有重要意義。

1 一致性分析方法

從備份角度考慮，在軌衛星測控分系統通常配備兩臺及以上測控應答機[4]，可以是單一測控體制也可以是多種測控體制。其中，絕大部分的低軌道衛星配備兩臺相同測控體制的應答機，且接收部分熱備份工作。鑒于衛星配備兩臺狀態一致的測控應答機，二者接收地面上行信號時所受到的干擾因素基本相同，所以二者AGC遙測在相同時刻應保持基本相同的波動水平，如圖1所示，它們的不同以及差異程度能夠反映出兩臺測控應答機的接收機性能是否產生偏移。用統計學方法對測控應答機A、B的AGC遙測進行一致性分析[5]，采用兩臺測控應答機AGC電平的相關系數[6]作為表征。

圖1 某衛星跟蹤弧段內擴頻應答機AGC常規變化情況Fig.1 AGC of the transponders of a satellite

本文采用的是皮爾遜相關系數(Pearson Correlation Cofeeicient),可以評估兩個連續變量之間相關性，兩個變量性質相同時，相關系數也可以作為一種評估連續變量之間一致性的常用方法，相關系數的值介于-1與+1之間，相關系數的絕對值越接近1表示兩變量的相關性越強，相關系數的絕對值越接近0表示兩變量的相關性越弱，一般可按三級劃分：相關系數絕對值在0.7以上時，兩個變量有強相關性；在0.4～0.7時，兩個變量有顯著相關性；0.4以下時，兩個變量有低度相關性[7]。測控應答機AGC電平的相關系數試算公式如下。

(1)

式中：VA(t)表示t時刻的測控應答機A的AGC電平遙測數據；VB(t)表示t時刻的測控應答機B的AGC電平遙測數據；C(VA(t),VB(t))表示對一段時間內的測控應答機A的AGC電平遙測數據與測控應答機B的AGC電平遙測數據組成的兩組數據序列取協方差；σ(VA(t))、σ(VB(t))分別表示一段時間內的測控應答機A的AGC電平遙測數據與B機的AGC電平遙測數據組成的兩組數據序列的標準差；ρ表示一顆衛星中測控應答機A的AGC電平遙測數據與測控應答機B的AGC電平遙測數據的相關系數。

某衛星測控應答機A、B的AGC電平變化趨勢差別很大時，相關系數應明顯低于其他衛星同類型應答機AGC電平的相關系數，用相關系數的計算結果可以初步提示應答機的接收機性能可能存在異常，需要進一步確定適用于在軌衛星的評估閾值來具體評估應答機的接收機的性能異常情況及程度。確定兩臺應答機中至少一臺應答機的接收機性能異常后，從兩臺應答機AGC電平的變化趨勢差別上定位具體發生性能異常的應答機。

2 相關系數獲取

進行在軌衛星測控應答機的接收機的在軌評估時[8-9]，應滿足條件：該衛星配備兩臺相同體制應答機，且兩臺測控應答機接收部份均開機工作。在此前提下，通過歷史遙測數據對測控應答機A、B的AGC電平遙測數據進行相關系數計算。

目前滿足上述條件的測控應答機主要為擴頻應答機和USB應答機[10]，其中擴頻應答機涉及39顆星，USB應答機涉及16顆星，取每顆星發射入軌后第31天至第60天的測控應答機A、B機的AGC遙測數據，分別根據式(1)計算相關系數，見表1。

表1 擴頻應答機和USB應答機A、B的AGC遙測求相關系數Table 1 Correlation coefficient of AGC of spread spectrum transponder and USB transponder

續 表

3 建立評估閾值

在上述相關系數數據基礎上，利用統計理論，基于拉依達準則(3σ準則)[11]鑒別可疑數據，構建在軌衛星測控應答機的接收機性能異常的評估閾值，從而能夠得出相關性異常的相關系數數據，對接收機性能異常情況進行直觀評估。

上述相關系數數據可視為一組相關系數的數列：ρ1，ρ2，……ρn，n為衛星的序號，數列的均值為E(ρ)，標準差為σ，某一衛星AGC相關系數ρi(i=1，2，……，n)的剩余誤差X(i)=|ρi-E(ρ)|(i=1，2，……，n)表示該相關系數的偏差程度，根據“3σ準則”，若某個剩余誤差X(i)>3σ時，則認為數據ρi是含有粗大誤差值的壞值，可視為該星應答機AGC相關系數明顯異常，兩臺應答機AGC一致性差。同時，當ρi>E(ρ)時，表示相關性強，性能越良好，所以僅需考慮ρi

X(i)=(E(ρ)-ρi)>3σ時，即ρi<(E(ρ)-3σ)時認為衛星i兩臺應答機AGC一致性差。E(ρ)-3σ即可作為性能是否異常的評估門限值，對衛星應答機的接收機存在性能異常的評估過程建立如下閾值

ρε_3σ=E(ρ)-3σ

(2)

參考以上內容，對評估可以設置一個剩余誤差為2σ的加嚴門限值，作為需進一步分析判斷是否存在應答機的接收機性能異常或性能下降的評估閾值

ρε_2σ=E(ρ)-2σ

(3)

3.1 擴頻應答機

目前，配置擴頻應答機的在軌衛星里滿足條件的共39顆星，計算39顆星的擴頻應答機A、B入軌初期一個月的AGC遙測的相關系數，如圖2所示，其中Sat-8、Sat-9應答機B已經性能異常，相關系數明顯偏低在構建評估閾值時予以剔除，對37顆衛星AGC相關系數數列求均值E(ρ)為0.938 0，標準差σ為0.031 8。

建立如下評估閾值：ρε_3σ=E(ρ)-3σ=0.844 1，ρε_2σ=E(ρ)-2σ=0.875 5。

圖2 擴頻應答機AGC相關系數Fig.2 Correlation coefficient of AGC of Spread spectrum transponders

3.2 USB應答機

目前，配置USB應答機的在軌衛星里滿足條件的共16顆星，計算16顆星的USB應答機A、B入軌初期一個月的AGC遙測的相關系數，如圖3所示，其中Sat-51應答機B機已經性能異常，相關系數明顯偏低在構建評估閾值時予以剔除，對15顆衛星相關系數組成的數列求均值E(ρ)為0.969 4，標準差σ為0.027 31，3σ=0.081 9。

建立如下評估閾值：ρε_3σ=E(ρ)-3σ=0.887 4，ρε_2σ=E(ρ)-2σ=0.914 7。

圖3 USB應答機AGC相關系數Fig.3 Correlation coefficient of AGC of USB transponders

3.3 評估結論

針對待評估的衛星i，在應答機A、B均上行鎖定正常、功能正常時，確定待評估時段內該衛星兩臺應答機A、B的AGC電平遙測數據的相關系數ρi，根據上文得出的應答機評估閾值ρε_3σ和ρε_2σ對衛星i應答機的接收機性能進行評估，結論如下。

(1)當衛星i應答機A、B的AGC相關系數ρi<ρε_3σ時，認為該衛星應答機A、B中至少一臺應答機的接收機性能異常。

(2)當衛星i應答機A、B的AGC相關系數ρε_3σ<ρi<ρε_2σ時，認為該衛星應答機A、B中至少一臺應答機的接收機性能存疑。

情況(1)的含義是在衛星i的在軌自動化監測中，發現兩臺應答機AGC相關系數低于3σ閾值時，表示其中至少一臺應答機的接收機性能異常，進一步通過人工遙測趨勢對比分析對可以定位到具體哪一臺應答機性能異常；情況(2)主要用于在軌監測的加嚴提示，其含義是衛星i兩臺應答機AGC相關系數低于2σ閾值時，表示其中至少一臺應答機的接收機性能異于其他，需進一步分析判斷是否存在應答機性能異常或性能下降。

另外，當衛星i兩臺應答機中某一臺發生鎖定異常時，如果兩臺應答機AGC一致性良好(ρi>ρε_3σ)，則該應答機通常是受空間環境等因素影響出現的暫時性的功能異常，通過在軌復位或斷加電等處置手段可以恢復正常。如果此時AGC相關系數小于ρε_3σ，則該設備可能已經出現無法通過在軌處置進行恢復的故障，存在單點運行風險，應結合在軌任務情況考慮是否安排其他上行通道，從而保證上行功能的穩定性。

4 在軌診斷驗證

利用系列衛星Sat-8、Sat-9的擴頻應答機進行驗證：ρSat-8=0.767 301<ρε_3σ，ρSat-9=0.768 82<ρε_3σ。

兩顆星的應答機AGC遙測實際在軌變化情況見圖4，均是擴頻應答機B的AGC遙測偏低，且波動范圍較大。在性能方面實際表現是兩顆星的應答機B絕大部分時間可以正常鎖定并完成上行功能，但因為AGC存在低值點，會偶發瞬時失鎖現象。符合“ρi<ρε_3σ時，衛星應答機A、B機中至少一臺應答機的接收機性能異常”的評估結論。

由于結論中當ρi<ρε_2σ時表示“性能存疑”的情況僅用于在軌自動化監測時進行加嚴提示，同時目前在軌衛星中未出現過此類情況，所以本文暫不對該情況進行舉例驗證。

通過ρi<ρε_3σ與“性能異常”的推出關系，可以說明本文基于遙測一致性的評估方法及根據多星遙測建立的閾值適用于在軌性能異常的評估，同時也適用于后續長期在軌應答機的接收機可能出現的性能下降的評估。

圖4 Sat-8、Sat-9跟蹤弧段內性能異常擴頻應答機AGC變化情況Fig.4 AGC of the transponders of Sat-8 and Sat-9

5 結束語

本文基于雙應答機AGC電平相關系數對AGC電平變化的一致性進行分析，同時結合“3σ準則”，基于衛星在軌真實的遙測數據確定了“性能異常”和“性能存疑”兩個等級的評估閾值，能夠準確的實現測控應答機的接收機的在軌性能評估，解決了測控應答機的接收機在軌性能異常發現方法與評估方法研究不足的問題。結果表明：目前在軌所有滿足條件衛星擴頻應答機的接收機性能異常閾值為0.844 1，性能存疑的閾值為0.875 5；USB應答機的接收機性能異常閾值為0.887 4，性能存疑的閾值為0.914 7。經過驗證，該方法適用于衛星測控應答機的在軌管理工作，為進行測控應答機的接收機性能異常的發現及性能評估提供了有效的途徑，為其在軌故障診斷及預警提供參考。

本文方法可以實現測控應答機在軌過程的實時、自動化、精確化監測。研究結果是基于衛星在軌真實的遙測數據，與數據擬合、物理仿真、測試等數據相比，衛星在軌遙測數據能更真實地反映衛星在軌狀態的變化情況。隨著測控應答機在軌數量和時長的增加，性能評估閾值可以定期同步更新。