航天測控系統星地測控對接模式應用現狀與發展趨勢*

馬軍星，楊俊武，秦明暖，馬 婷

(1．西安衛星測控中心 宇航動力學國家重點實驗室，西安710043；2.中國空間技術研究院西安分院，西安 710100)

0 引 言

星地測控系統一般由衛星測控系統和地面測控系統兩部分組成。從衛星發射直至衛星壽命結束，星地測控每天都在進行，完成對衛星軌道的測量、遙控指令發送、衛星遙測數據接收和監視。由于這兩部分通常由不同的生產商負責研制，星地之間能否協調一致地工作是衛星測控的重要前提。因此，在衛星發射前，通常要進行星地對接試驗(國外稱為星地測控兼容性測試)，這是必不可少的環節，主要是檢驗衛星測控系統與地面測控系統接口指標的符合性，確認星地雙方各項性能、功能的兼容性、協調性和匹配性，確保滿足衛星系統對地面測控系統的各項要求[1]。一般由衛星研制方攜帶衛星設備到航天地面測控站，利用站內真實地面測控系統開展為期數天的星地對接試驗。

近幾年來，隨著航天科技的高速發展，我國發射衛星的數量也呈爆炸式的增長[2]，星地對接密度越來越大。每次星地對接試驗需要由衛星研制方、地面測控站、衛星測控中心三方共同配合完成，頻繁的星地對接勢必會影響到地面測控站和測控中心的日常測控工作，且每次對接需要耗費大量的人力、物力。另外，現有的星地對接試驗環境和方法無法全面檢驗星地測控設備在真實工作條件下的功能和動態性能，逐漸滿足不了星地對接的要求。因此，需要發展更為高效、真實、全面的對接模式。

1 星地對接的項目

星地對接試驗可分為射頻兼容性測試和測控數據接口測試兩方面內容。

1.1 射頻兼容性測試

射頻兼容性測試指衛星設備與地面測控設備的射頻接口兼容性測試，由地面測控站和衛星設備配合完成，測控中心不參與，所有的測試項目均在測控設備上完成測試。主要測試項目包含星地信道接口指標測試、星地捕獲試驗、測距測速測試、遙控測試、遙測測試。星地信道接口指標測試主要包括應答機頻譜特性、自動增益控制特性及信標頻率準確度測試；星地捕獲試驗測量地面測控設備與衛星應答機在上行和下行不同電平條件下的載波雙向捕獲時間、系統捕獲時間和捕獲概率；測距、測速測試主要包括星地距離零值分離、測距測速隨機誤差測試、測距值隨上行電平變化測試、測距值隨下行電平變化測試、測距值隨上行載波多普勒變化測試等；遙控測試主要是檢查遙控調制體制、編碼方式、遙控碼型碼速率等;遙測測試主要是檢查遙測調制體制、編碼方式和遙測誤碼率測試等。

1.2 測控數據接口測試

測控數據接口測試指衛星遙控數據與遙測數據與測控中心的兼容性測試，由中心、測控站和衛星共同完成。主要測試項目包含遙控數據流測試、遙測數據流測試。

(1)遙控數據流測試

遙控數據流測試主要是遙控指令巡檢，完成指令幀格式檢查。指令通過中心與測站的通信鏈路到達測控設備，測控設備進行接收并轉發至衛星，衛星對指令進行解調、執行，以此來測試指令發送的正確性與匹配性。

(2)遙測數據流測試

遙測數據流測試主要內容為遙測數據格式檢查，檢驗地面測控設備對遙測數據接收、解調的正確性，檢驗測控中心對遙測數據處理與顯示的正確性。具體實施由地面設備對衛星下傳遙測或數傳數據進行解調，并將該數據發送至中心，由中心進行檢查。

以上是目前星地對接普遍采用的試驗項目，可以有效驗證星地接口的匹配性和適應性。有關國外衛星星地兼容性測試內容尚未查到公開文獻，但經了解，國外的星地兼容性測試通常是利用桌面對接驗證系統或專用測控模擬器，采取射頻有線連接方式進行，測試內容與國內基本相同，由星地射頻兼容性測試、數據流測試等組成。

2 星地對接模式應用現狀及存在問題

2.1 測站對接

測站對接利用地面測控系統、測控中心和真星或衛星模擬器建立星地回路，完成對接試驗。這是目前普遍采用的星地對接方式，可以檢驗星地接口的匹配性，能做的試驗包含了射頻兼容性測試和測控數據接口測試中的所有項目。真星指衛星測控系統終端設備，是衛星上天后的真實設備；衛星模擬器指針對具體衛星型號研制的專用測控模擬器，可以代表衛星技術狀態。

地面測控站和測控中心根據星地對接試驗建立對接狀態，測控中心與地面測控站建立星地對接通信鏈路。衛星設備進場后，安置于地面測控站的屏蔽間內，由衛星研制方展開星上設備并完成自檢，連通與地面測控站的星地射頻無線信道，然后開展各項對接試驗。圖1給出了對接試驗連接示意圖。

圖1 星地射頻無線對接試驗示意圖

2.2 廠房對接

廠房對接即在衛星試驗廠房進行的射頻有線星地對接，圖2給出了對接連接示意圖。由地面測控系統研制方攜帶地面測控系統的基帶終端、信道鏈路等部分設備，在衛星試驗廠房與衛星進行星地對接試驗[1]。一般開展的測試項目有星地信道接口測試、星地捕獲試驗、測距測速測試、遙測測試。該種對接模式通常在衛星和地面測控系統研制階段進行，通過對接試驗，確定衛星與地面測控系統技術狀態的匹配性，雙方可按該技術狀態繼續開展設備研制工作。這種對接模式存在一定的局限性，參加試驗的通常僅有衛星研制方和地面測控系統研制方，沒有測控中心參加，無法驗證星地大回路的遙控測試，且星地雙方的設備均處于研制階段，僅有部分設備參試，不能完全代表最終的設備工作狀態。

圖2 星地廠房射頻有線對接試驗示意圖

2.3 中頻對接

由地面測控系統攜帶中頻信號記錄設備前往衛星研制廠家，記錄一定量的衛星遙測數據，或者是在開展測站對接時利用中頻信號記錄設備將衛星遙測數據記錄下來,之后將記錄的遙測數據傳遞到各個地面測控站，各測控站再利用記錄設備回放數據，并發送給基帶進行數據接收解調，完成對接試驗。該種對接模式僅能完成遙測測試，驗證星地間遙測數據接收、解調的正確性，可作為應急狀態下測站間星地技術狀態傳遞的一種手段。

2.4 存在問題

當前的三種星地對接模式是近幾十年來廣泛采用的模式，完成了大量的對接試驗，但是也存在著三個方面的問題。

一是三種星地對接模式對星地測控系統的真實工作狀態、工作環境模擬不夠全面，不管是測站對接還是衛星廠房對接，均是基于衛星靜態下的測試，無法檢驗星地測控設備在真實工作條件下的性能，比如真實衛星軌道下，星地測控距離變化引起的上、下行測控信號的時間延遲、強度衰減和多普勒效應等狀態無法模擬。

二是星地測控對接試驗需要多名測控設備操作人員全程參與，耗費大量人力，如果能夠采用少人操作，自動運行的方式進行對接試驗，操作人員只需要提前設置好設備狀態，采用自動化測試方式完成試驗項目，勢必將大大提高對接效率。

三是頻繁在地面測控站開展對接試驗，需占用地面測控設備，這將會對正常的衛星測控工作帶來影響，在一定程度上造成了測控資源的緊張。

因此，需要在現有對接基礎上探討并發展新的星地對接模式，而測控信道模擬器和星地對接系統的應用會在一定程度上改變目前星地對接試驗的弊端，是未來星地對接模式的發展趨勢。

3 星地對接發展趨勢

現有星地對接模式主要為測站對接和廠房對接，航天發展對測控的要求越來越高，現有對接模式漸漸不適應新的對接需求。基于這種情況，提出兩種新型星地對接模式，可以提高測試效率，使得測試環境和測試結果更加真實可信。

3.1 基于測控信道模擬器的對接模式

測控信道模擬器根據衛星信號在空間傳輸受到的各種影響，對信號幅度、時延、頻率、相位等特性進行改變，建立各種模型，模擬衛星信號經過真實空間環境傳輸后的各種特性變化，如衛星軌道模型、電離層模型和對流層模型等。通過模型，可實時改變經過測控模擬器的衛星信號特性，同時添加信號噪聲和干擾信號，從而實現信道模擬[3]。應用在星地對接試驗中可以對星地測控設備進行更加真實、全面的檢驗。

圖3給出了測控信道模擬器系統架構，主要由仿真運算與人機交互單元、仿真控制單元、上行校準單元、上行延時重構單元、下行延時重構單元、下行校準單元等組成。

圖3 測控信道模擬器功能框圖

在測控地面站進行星地對接試驗時，測控信道模擬器接收測控地面站輸出的上行信號，根據想定及真實的動態場景經延遲轉發，生成模擬上行信號發送至衛星應答機；接收衛星應答機輸出的下行信號，根據想定及真實的動態場景經延遲轉發，生成模擬下行信號輸出至測控地面站，完成上下行信號的閉環。

(1)測控信號模擬

對上、下行各一路測控信道進行模擬，實時處理生成測站到達衛星的模擬上行信號Supr和衛星到達測站的模擬下行信號Sdownr，并實時模擬信號的時間延遲及其變化、信號強度及其變化，能夠準確地與星地距離及其變化相對應，另外還可以對衛星姿態變化引起的應答機天線增益變化進行模擬。

(2)電離層色散效應模擬

背景電離層作為沉浸在地磁場中的等離子體，其色散是電離層區別與其他空間信道環境的顯著標志，也是影響寬帶、超寬帶測控信號傳播的主要因素。電離層色散將導致測控信號的不同頻率成分以不同的相速度和群速度傳播，從而產生非線性相位超前。測控信道模擬器可以根據信號傳播路徑上的積分電子總量(Total Electron Content,TEC)，真實模擬出電離層色散對寬帶測控信號引起的非線性相位超前及附加延時。

(3)彈道解算

測控空間信道模器根據不同的動態場景解算輸入參數，形成控制信號，輸入給仿真控制單元，控制信號延遲轉發。

(4)測試結果分析

在試驗后對測試結果進行分析，按照測站測量數據的采樣率抽取模擬數據，對比實測數據和模擬數據，評估設定動態場景下星地鏈路的測距、測速、測角精度。

3.2 基于星地對接系統的綜合對接模式

為了提高測控資源利用率，減少并逐漸取消地面測控設備在星地對接試驗中的參與度，建設了專用星地對接系統來替代地面測控設備。星地對接系統1∶1模擬地面測控設備，采用簡單、易用、智能化的管理軟件[4]，關鍵技術是以現有地面站測控設備的狀態為基準，在系統功能、技術狀態上能夠兼容地面站測控設備。從這一點出發，該系統的硬件與軟件平臺與現有地面測控系統有較好的一致性，能夠滿足目前我國大部分型號衛星的星地測控對接試驗。

星地對接系統由測控對接子系統和信號記錄與處理子系統組成，如圖4所示，其中測控對接子系統由天饋設備、信道設備、基帶設備、監控等設備等組成,信號記錄與處理子系統主要包括測試開關網絡、信號記錄回放單元、測試儀器等。

圖4 星地對接系統組成框圖

星地對接系統可獨立完成星地對接試驗，與衛星相關設備建立射頻信道回路或中頻信道回路，驗證星地測控信道接口的正確性、匹配性和協調性；測控中心通過通信線路，與該設備進行信息交互，接收衛星遙測，向衛星發送遙控指令，驗證星地測控數據接口的正確性和匹配性。動態擴展能力也是該系統必不可少的功能之一，可靈活接入信道模擬器、測控模擬器等設備，共同搭建星地測控鏈路模擬測試環境，模擬鏈路傳輸時延、功率衰減、多普勒變化、電離層色散等動態信息[5]。當與測控信道模擬器配合使用時，采用中頻接入或射頻接入的方式，串聯在對接系統信道鏈路中，對接系統上行70 MHz基帶信號進入信道模擬器，根據信道模擬器的設置完成對信號的模擬后發送至衛星。同理，衛星下行信號進入信道模擬器，信道模擬器對信號施加干擾或各種模擬之后輸出至對接系統，共同完成星地對接試驗,從而真實、全面地檢驗衛星測控系統與地面測控系統接口狀態。

為了減少人力、提高效率，該系統開發了自動化對接功能，系統框圖如圖5所示。自動化對接是針對星地對接試驗而設計的自動化流程，包含初始化流程、測試流程、數據處理流程以及試驗結果評估流程，這也是首次提出并在星地對接試驗中進行應用。星地對接試驗設備技術狀態的建立通過“宏命令”的形式由操作人員進行預先配置[6]。“宏”包括配置宏和參數宏，系統接收到自動化運行指令時通過流程調度功能，按順序向全系統分發、加載，各設備接收到“宏”命令后，更新工作參數，并根據控制命令處于自動運行狀態。對接前配置正確后，對接開始時一鍵啟動自動化運行，系統將按照對接流程自動完成每一項對接試驗。

圖5 星地對接系統自動化運行體系

對接流程由系統監控統一調度執行，各分機設備配合完成，自動化運行根據星地對接流程進行控制，自動操作完成信號采集與處理。系統基帶設備在接收到自動化運行命令后，啟動自動對接模式，按對接流程自主運行，自動化完成遙測測試、遙控測試、測距、測速等測試，并對測試結果進行顯示和存儲。系統完成星地對接流程后，自動完成試驗結果分析，生成測試報告。星地對接試驗自動化流程圖如圖6所示。

圖6 星地對接試驗自動化流程

4 結 論

本文分析了星地對接模式發展應用現狀，指出目前星地對接在形式上和技術上均存在一定弊端，需要發展更為高效的對接技術，建立新的對接模式；進而提出采用測控信道模擬器和星地對接系統進行星地對接試驗是未來星地對接模式的發展方向，并介紹了兩種新型對接模式的特點與應用情況，闡述了星地對接系統自動化對接流程及實現方法。目前兩種新型對接模式已在工程中進行應用，改變了我國星地對接試驗的現狀，不僅使對接試驗結果更加真實可信，而且節省了測控資源，提高了對接效率。