航天器測控系統的抗干擾能力提升研究

胡經民 張妍 王東 李萬利

摘? 要：航天測控通信系統是航天測控系統的關鍵。本文以通信、數據傳輸系統為重點，研究航天器測控系統如何在發射場復雜電磁環境中提升抗干擾能力。首先論述了航天測控通信系統的現狀及發展趨勢，隨后分析了現行航天通信系統的抗干擾能力，然后介紹了 航天測控系統的電磁干擾來源及為提升電磁兼容性的3個發展階段，之后介紹了航天測控系統抗干擾技術及電磁兼容性的應用，最后針對航天測控系統之間的電磁兼容性提升、航天測控內部電磁兼容性提升、抑制環境電磁干擾3個方面提出航天器測控系統的抗干擾能力提升方案。

關鍵詞：航天測控系統 通信 抗干擾? 提升研究

中圖分類號：V44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（a）-0004-03

Research on the Improvement of Anti-Jamming Capability of Spacecraft

HU Jingmin ZHANG Yan WANG Dong? LI Wanli

（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing， 100076 China）

Abstract： Aerospace TT & C communication system is the key of aerospace TT & C system. This paper focuses on the communication and data transmission system， and studies how the spacecraft measurement and control system improves the anti-jamming ability in the complex electromagnetic environment of the launch site. Firstly， this paper discusses the current situation and development trend of aerospace measurement and control communication system， then analyzes the anti-interference ability of current aerospace communication system， and then introduces the electromagnetic interference sources of aerospace TT & C system and three development stages to improve electromagnetic compatibility. Then， the anti-jamming technology and the application of electromagnetic compatibility of aerospace TT & C system are introduced. Finally， aiming at the improvement of electromagnetic compatibility between aerospace TT & C systems， the improvement of internal electromagnetic compatibility of aerospace TT & C， the anti-interference ability improvement scheme of spacecraft TT & C system is proposed from three aspects of restraining environmental electromagnetic interference.

Key Words： Aerospace TT&C system; Communication; Anti-jamming; Promotion research

人們的探索領域隨著科學技術的發展已延伸到廣闊的宇宙空間，航天技術得到了空前的提升，發展航天事業不僅能為人類現今的生活帶來便利，且對整個人類具有深遠影響。比如，航天器的應用領域越來越廣泛，氣象航天器、航天飛機、通信航天器、空間站等在幫助人類探索宇宙奧秘的同時也使人類的生活發生了空前的變化。

結構系統、熱控制系統、電源系統、姿態控制系統、軌道控制系統、測控系統及其他的專用系統共同組成了航天器系統[1]。

航天器測控系統由跟蹤測量系統、遙測系統、遙控系統、計算系統、時間統一系統、顯示記錄系統及通信、數據傳輸系統共同組成。每個系統都有其特定功能。共同完成跟蹤航天器、測量參數、檢測姿態、提供時標、顯示數據、通信信息等功能。

靶場用于發射航天器，靶場為遠離干擾，通常選擇遠離電磁環境復雜的人口密集地區，但隨著我國通信技術的突飛猛進及航天事業的發展，近年來航天發射任務日益增加，發射數目增多，發射周期縮短，發射頻率變快，測控系統所受干擾越來越大，航天器測控系統的抗干擾能力亟需提升。本文將以遙測系統、遙控系統及通信、數據傳輸系統為重點，研究航天器測控系統如何在發射場復雜電磁環境中提升抗干擾能力。

1? 航天器測控通信系統的現狀及發展趨勢

從世界范圍看，航天器測控通信系統主要經歷了4個階段。

20世紀50年代，這一階段測控系統的特點為各子系統獨立制造，是航天測控通信系統各設備獨立發展階段。其缺點是設備較多、可靠性較低、操作較復雜、成本也較高。

20世紀60年代，出現了航天測控系統歷史上的里程碑技術，即統一載波系統。在統一載波系統出現之前，測控系統處于獨立發展階段，設備間不僅獨立制造，而且各自使用不同頻率，需要不同的收發信機和跟蹤系統為之配套，導致各設備之前互相干擾，測控系統設備多、可靠性低。20世紀60年代中期，出現了跟蹤、遙控、測距等設備只用一個上行波、一個下行波解決測控中全部問題的方法，這樣多個設備便可使用一套收發設備和跟蹤系統，大大減少設備量。1966年美國阿波羅登月工程就是統一載波系統的經典應用[2]。

20世紀70年代，航天器在空間中需要進行持續的測控，所以對測控通信網的要求也有所提高，由此形成了陸海基測控通信網。

20世紀80年代，陸海基測控通信網進一步發展成為天基測控通信網，提高了空間覆蓋率，充分發揮各位置測控通信系統的優勢，不斷提升航天測控通信系統的整體性、準確性及實時性。

2? 現行航天測控通信系統抗干擾能力分析

統一載波測控系統采用統一共用信道和一套天線完成對航天器的多種測控，相較于分散獨立的無線電通信系統，在電磁兼容、經濟性能及管理方面都具有顯著優勢，簡化了地面設備，所以在出現以來一直是航天器測控系統的主要制式，得到了廣泛的應用[3]。分立的基帶信號和基帶設備實質上是分頻系統的混合系統，抗干擾能力較差[4]。

在統一載波時需要將各基帶設備的副載波加以調整，在調制過程中必然會產生多副載波相互干擾，交調干擾控制在合理范圍，整個測控系統才能正常工作。減少交調干擾常用的方法是提高調制器解調器的線性，降低由于調制固有的非線性特征而使副載波產生高次諧波，從而減少各副載波之間的組合波干擾。另外一種更簡單的方法是將遙控、測距等測控工作分開，但這樣一來測控系統各設備很難同時工作，不利于對航天器連續跟蹤測量，大大降低了效率。

3? 航天測控系統的電磁干擾及電磁兼容性

航天測控系統是非常復雜及精密的電子系統，受到干擾后會大大降低其測控準確性及效率性。為緩解干擾對航天測控系統的影響，必須提高航天測控系統的電磁兼容能力。

電磁干擾是指由于自然干擾源或人為干擾源等，使涉及電磁波變換的電子設備的運行質量下降。形成電磁干擾的過程如圖1所示。

從電磁干擾過程分析，防止電磁干擾可從3個方面入手：抑制干擾源;切斷干擾傳播途徑;加強電子設備自身抗電磁干擾能力。下文將主要從第三個方面即加強設備抗干擾能力入手。

航天測控系統受到干擾的來源眾多，但需要在干擾環境中保持高度的準確性，所以提高航天器測控系統的抗干擾能力對于整個航天事業的發展都具有重要意義。

4? 航天測控系統抗干擾技術及電磁兼容性的應用

為提高航天器測控系統的抗干擾能力，提高其準確性和可靠性，同時保證其及時性，通常可以運用硬件抗干擾技術及軟件抗干擾技術來實現。

4.1 硬件抗干擾技術

4.1.1 靜電放電保護

靜電放電保護即對電纜、鍵盤及金屬框架是容易產生靜電放電的部位，采取屏蔽、安裝濾波器、接地保護、減小電路板回路面積等措施。

4.1.2 屏蔽技術

屏蔽技術指運用金屬隔離的原理，切斷被隔離部分的耦合通道，以控制一個區域地電磁波對另一個區域的感應和輻射。被隔離部分可以是干擾源，也可以是需要屏蔽的測試儀器。

屏蔽技術的類型主要有電場屏蔽、磁場屏蔽、電磁場屏蔽。其重點是根據不同的屏蔽對象選擇不同的屏蔽材料、屏蔽體厚度、縫隙及開口等。

4.2 軟件抗干擾技術

軟件抗干擾技術相較于硬件抗干擾技術其優點是更為靈活，成本較低。軟件抗干擾技術根據不同的階段可分為在輸入或輸出通道、數據采集誤差軟件及程序執行過程中3個階段的軟件抗干擾技術，主要方法有如下幾種[5]。

4.2.1 減小數據采集誤差

在傳感器和采集器之間距離較大，干擾信息較多時，采集到的數據必須經過處理，一般處理方法有算術平均值法、比較取舍法及一階遞推數字濾波法。

4.2.2 數字濾波軟件技術

數字濾波軟件的使用需要與硬件濾波器結合使用，濾除不需要的波段，減少干擾信息，但需要在計算機中提前處理好濾波信息，確保濾波決策的可靠性，才能達到預計濾波效果。

4.2.3 使用監控定時器

使用監控定時器可以及時檢測到偏離預定路徑的測控系統并將其復位，從而保證測控系統的有序運行，保證其可靠性[6]。

5? 航天器測控系統的抗干擾能力提升方案

航天器測控系統在抗干擾提升方面應將硬件抗干擾與軟件抗干擾相結合，從而使航天器測控系統更具可靠性與及時性。在航天測控系統內部，存在系統之間、設備內部、外在環境各方面的干擾，針對這種情況，有以下提升方案。

5.1 航天測控系統之間的電磁兼容性提升

5.1.1 按標準確定工作頻帶，注意信號設計

首先根據不同設備的具體情況確定工作頻帶，然后選擇合適的工作頻率的間隔，然后按需設計信號的功率、頻譜等。避免系統之間的交調干擾，提升測控系統準確性。

5.1.2 注意設備分布

設備的數量、距離、分布情況等都會影響電磁干擾的大小，要根據具體情況調整最合適的設備分布。

5.1.3 運用軟件仿真系統對干擾情況進行預測

運用計算機技術模擬接收與發射系統的傳播，在減少時間、經濟成本的同時得出最佳抗干擾方案。

5.2 航天測控內部電磁兼容性提升

每組航天測控系統內部都有發射機和接收機，發射機及接收機抗干擾能力的提升是整個航天測控系統準確性的關鍵。

5.2.1 發射機的抗干擾能力提升

發射機的抗干擾能力提升可從信號設計、干擾屏蔽、靜電防護這幾個方面著手。

5.2.2 接收機抗干擾能力提升

接收機的抗干擾方案主要包括3種：一是防止保護過載，采用合適方法使接收通道的干擾從非線性效應轉為線性化;二是鑒別干擾信號及應對，利用信號和干擾的性質與參數等區別，將干擾分離;三是干擾對消，例如可通過調整天線方向將干擾抑制在一定范圍內。

5.3 抑制環境電磁干擾

環境電磁干擾的類型有很多，如城市電磁干擾、雷電電磁干擾、靜電電磁干擾、黑障效應等。針對不同的干擾環境，要采取不同的抑制措施。基本思路為識別環境干擾來源及性質—研究抑制干擾方案—選取合適方案。

6? 結語

本文以通信、數據傳輸系統為重點，研究航天器測控系統如何在發射場復雜電磁環境中提升抗干擾能力。首先論述了航天測控通信系統的現狀及發展趨勢，隨后分析了現行航天通信系統的抗干擾能力，然后分析了航天測控系統的電磁干擾來源及為提升電磁兼容性的3個發展階段，之后介紹了航天測控系統抗干擾技術及電磁兼容性的應用，最后針對航天測控系統之間的電磁兼容性提升、航天測控內部電磁兼容性提升、抑制環境電磁干擾3個方面提航天器測控系統的抗干擾能力提升方案。

參考文獻

[1] 陳海濤.航天器姿態跟蹤及姿態協同有限時間控制方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2019.

[2] 錢方亮.微小衛星姿軌控系統軟件設計與半物理仿真[D].上海：上海交通大學，2019.

[3] 李曉萌.航天測控與數傳任務動態處理模式與響應流程研究[D].長沙：國防科技大學，2017.

[4] 許雙偉，陸法.航天測控任務可靠性模型的統一描述框架研究[J].電子產品可靠性與環境試驗，2018，36（5）：42-46.

[5] 張家葉子，呂游.計算機測控系統的軟件抗干擾技術研究[J].電子制作，2018（17）：70-71.

[6] 張力.煤礦四旋翼飛行機器人測控系統研發[D].西安：西安科技大學，2020.