嫦娥五號任務歐空局測控對接試驗方法與啟示

黃 磊， 陳少伍， 徐寶碧， 丁 林， 李海濤， 程 承

(1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094； 2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；3.上海宇航系統工程研究所，上海 201108)

按照我國探月工程“繞、落、回”三步走的戰略[1]，嫦娥五號探測器于2020年11月24日在海南文昌發射場順利發射，歷時23天后，于2020年12月17日凌晨成功攜帶月球樣品返回地球，實現了我國首次地外天體采樣返回。

此次任務從發射段伊始就采用軌道器X頻段進行測控，這在我國探月任務中尚屬首次。采用X頻段測控與S頻段相比，可以顯著減輕應答機質量，提高測定軌精度[2]，但由于天線波束相應變窄，增加了地面測控站捕獲的難度。在此次任務中，探測器與運載火箭分離約6 min后便進入阿根廷深空站的跟蹤弧段，阿根廷深空站波束較小，X頻段僅為0.07°，而之前歷次探月任務使用的圣地亞哥站S頻段波束約為0.8°，兩者相差10倍以上，若運載火箭入軌偏差較大就會存在無法捕獲探測器的風險，為確保任務萬無一失，任務中采用歐空局庫魯站作為發射入軌段的測控備份，可在關鍵時刻開展應急測控。此外，為了確保采樣返回過程中，軌道器與返回器分離點參數精度指標能夠滿足任務要求，采用歐空局瑪斯帕拉瑪斯站與我國測控網所屬的納米比亞站、阿根廷深空站一起對軌道器開展三站接力測量，通過三站地理幾何上的分布來提高測定軌精度。

為了驗證嫦娥五號軌道器與歐空局所屬測控站的接口匹配性，中歐雙方于2017年下半年在歐洲空間操作中心(European Space Operations Center，ESOC)開展了測控對接試驗，并進行了軌道器—ESOC—北京中心(Beijing Aerospace Control Center，BACC)之間大回路地地接口測試。本文詳細介紹了此次測控對接試驗的設計、實現、啟示和結論，重點介紹了試驗項目及試驗方法上與國內測控對接試驗的異同。

我國和歐空局自21世紀初簽署測控合作協議以來，在嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號和嫦娥五號等探月任務以及首次火星探測任務中均利用歐方測站為我方探測器進行了測控支持。在測控支持前，雙方需要正式簽署天地接口控制文件，并開展一次測控對接試驗，以確保天地接口的匹配。因嫦娥二號與嫦娥一號的天地接口狀態相同，因此中歐雙方針對我國月球與深空探測任務在ESOC共開展了4次測控對接試驗。然而，截至目前，在國內公開發表的各類文獻中，尚未有對ESOC航天任務測控對接試驗的詳細介紹論述，本文將填補這一空白，通過對歐空局測控對接試驗方法的介紹，以及從對接試驗的成功經驗中獲得的對接模式、對接試驗條件、對接項目和對接方法4個方面的啟示，為今后國內站測控對接提供重要參考建議。

1 軌道器對接試驗

1.1 對接試驗基本設計原則

由于在嫦娥五號任務過程中，歐方地面測控站和ESOC均需向中方提供測控支持，因此對接試驗包括了射頻測控對接(Radio Frequency Compatibility Test，RFCT)和地地接口測試兩部分內容，分別用于對嫦娥五號任務中歐雙方的天地接口和地地接口指標進行驗證及確認。

為了確保試驗驗證的正確性、充分性和有效性，在試驗之前，中歐雙方對對接試驗內容進行了協同設計，明確了以下基本設計原則：

① 中歐雙方參與對接試驗的設備必須能夠代表任務真正技術狀態，若任務因故推遲，雙方設備狀態需保持對接時的狀態不變，確保執行任務時天地接口匹配。

② 對接試驗項目需對雙方接口控制文件中列出的所有相關指標進行確認，若出現與接口指標不一致的情況，需視情對接口控制文件進行修訂。

③ 對接試驗項目兼顧中方對接試驗規程和歐方對接試驗規程，確保對接內容的全面充分，各項指標需符合空間數據系統咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)標準和/或歐洲航天標準化合作組織(European Cooperation for Space Standardization,ECSS)標準。

④ 因參試設備實際技術狀態等原因導致無法進行測試的項目在試驗前由雙方溝通確認，若該項目對接口指標無影響，可不進行測試，寫入對接紀要的棄權部分，不影響對接試驗的最終結論。

1.2 射頻測控對接設計

射頻測控對接主要檢驗天地接口設計的正確性和協同工作的匹配性、可靠性[3]。圖1(a)為歐空局參考測試站測控設備，在位于ESOC的參考測試站進行，參考測試站通過加載不同的基帶來模擬相應測站的技術狀態，庫魯站使用中頻調制系統(Intermediate Frequency Modulation System,IFMS)基帶，而瑪斯帕拉瑪斯站使用Cortex基帶。從2020年開始，跟蹤遙測和命令處理器(Tracking,Telemetry & Command Processor，TTCP)基帶[4]將逐步替換掉現在使用的IFMS基帶，這涉及到歐空局的3個深空站和庫魯站，但歐方承諾庫魯站的IFMS基帶將一直保留，確保執行完嫦娥五號任務為止。

嫦娥五號軌道器相關設備以及配套地檢設備放置于屏蔽室內，如圖1(b)所示。屏蔽室面積約6～7 m2，試驗期間房門關閉，有效屏蔽了因射頻信號泄露導致的干擾，防止了漏信號過強導致接收機誤鎖定現象[5]，使得測試結果更加準確，極其適用于上行及下行門限指標測試。此次對接中，嫦娥五號軌道器相關設備均為鑒定件，其技術狀態可以真實代表上天產品的技術狀態。

圖1 射頻對接試驗中天地相關測控設備

嫦娥五號軌道器測控分系統框圖如圖2所示。軌道器共有2臺X頻段應答機(應答機A和應答機B)、每臺應答機由不同的研制單位生產，且均可工作在2個測控點頻上(測控點頻1和測控點頻2)，而庫魯站和瑪斯帕拉瑪斯站的基帶設備也不相同，為了確保對接充分，依次進行了B2(B2指應答機B和測控點頻2)與庫魯站、A1(A1指應答機A和測控點頻1)與瑪斯帕拉瑪斯站、A1與庫魯站、B2與瑪斯帕拉瑪斯站的對接，共計4組，每組對接項目相同。通過充分對接，確保了在正常及異常飛行情況下利用歐空局地面測控站開展應急測控的可行性，進一步提高了任務的可靠性。

中歐雙方共同開展了射頻測控對接試驗的設計工作，確定的對接項目包括地面站上行信號特性測試、應答機特性測試、嫦娥五號軌道器下行測控信號特性測試、地面站下行信號接收特性測試，以及跟蹤性能測試5部分。

圖2 嫦娥五號軌道器測控分系統框圖

1.2.1 地面站上行信號特性測試

地面站上行信號特性測試與國內傳統對接相同的測試項目包括上行頻譜純凈度檢查、遙控調制指數測試和測距調制指數測試。相較于國內對接，此次對接項目增加了載波相位噪聲測試和占用帶寬測試。

1.2.2 應答機特性測試

應答機特性測試與國內傳統對接相同的測試項目包括應答機捕獲門限測試、跟蹤門限測試、最大捕獲范圍測試、遙控門限測試和遙控副載波偏移情況下遙控指令接收情況測試。相較于國內對接，ESOC對接試驗中一般還會進行環路應力測試和遙控誤碼率測試。但較為遺憾的是，因條件所限，這兩項測試在此次對接中均未能開展。

環路應力測試的目的是對星上應答機最佳鎖定頻率[6]的正確性進行驗證。為完成該項測試，應答機鎖相環的環路應力信息(該信息與壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)頻率偏移量相關)需通過遙測數據下傳，而軌道器遙測信息中不含該項信息，因此該項測試無法進行。該測試對接口指標確認無影響。

遙控誤碼率測試需要星上具備對遙控誤碼率進行統計的能力，因國內測控對接不進行該項測試，嫦娥五號軌道器相關對接設備并不具備統計遙控誤碼率能力。通過協調，中歐雙方均認為在遙控門限測試項目中通過統計遙控指令發送成功率可以作為該項測試的替代。

1.2.3 軌道器下行測控信號特性測試

軌道器下行測控信號特性測試與國內傳統對接相同的測試項目包括下行頻譜純凈度檢查、遙測調制指數測試和測距轉發調制指數測試。相較于國內對接，ESOC對接項目增加了載波相位噪聲測試和占用帶寬測試。

1.2.4 地面站下行信號接收特性測試

地面站下行信號接收特性測試包括載波鎖定門限測試、遙測副載波鎖定門限測試、載波信號錯鎖測試、相干/非相干切換情況下遙測副載波鎖定情況測試、加調遙測和/或測距時對遙測接收的影響測試、遙測誤幀率測試和遙測誤碼率測試。在國內傳統對接項目里，不包含相干/非相干切換情況下遙測副載波鎖定情況測試和加調遙測和/或測距時對遙測接收的影響測試。這兩項測試的操作流程較為簡單，不涉及接口指標的驗證，但測試結果對任務的實際操作有重要參考意義。

1.2.5 跟蹤性能測試

跟蹤性能測試包括測距群時延穩定性測試、測距隨機差測試、測速隨機差測試、載波頻率穩定度測試、相干轉發比測試和非相干模式下長期頻率穩定度測試。在國內傳統對接項目里，往往對非相干模式下長期頻率穩定度測試不作考核，此外對于相干轉發比測試合格的判別方法，ESOC與中方有所不同。

1.3 地地接口測試設計

圖3為地地信息接口關系示意圖，地地接口測試包括通信鏈路連通、語音調度溝通、雙向信息交互3個部分，對圖3中涉及到的主要信息接口進行了充分的大回路驗證。

圖3 地地信息接口關系示意圖

地地接口測試的主要項目包括：語音、遙測、遙控、外測、軌道、氣象和計劃等各類數據的傳輸。

語音測試在通信鏈路連通之后進行，利用TCP/IP協議進行VoIP雙向語音傳輸。

遙測數據采用CCSDS空間鏈路擴展(Space Link Extension,SLE)返向全幀(Return All Frame,RAF)協議進行傳輸[7]，使用在線完整傳輸模式。參考測試站實時接收嫦娥五號軌道器下傳的遙測數據，并作為SLE服務端，實時向BACC發送。BACC作為SLE客戶端對接收到的遙測數據進行正確性確認。

遙控數據采用CCSDS SLE通信鏈路傳輸單元(Communication Link Transmission Unit,CLTU)協議進行傳輸[8]。BACC向ESOC發送嫦娥五號軌道器自檢指令，由ESOC接收并通過參考測試站將指令上注至軌道器，通過指令計數對遙控執行的正確性進行確認。

外測、軌道、氣象、計劃等各類數據均通過文件方式進行傳輸。其中，外測類數據包括雙向多普勒、雙向測距和測角，文件格式符合CCSDS跟蹤數據信息(Tracking Data Message，TDM)格式標準[9]；軌道數據格式符合CCSDS軌道星歷信息(Orbit Ephemeris Message,OEM)格式標準[10]，氣象數據格式符合CCSDS TDM格式標準[9]，計劃文件為中歐雙方自行約定格式，給出了計劃的測站跟蹤開始/結束的時間。

2 實現效果

開展射頻測控對接的第1步是進行上下行鏈路的電平標定，圖4給出了應答機B、測控點頻2與庫魯站對接試驗的連接框圖和鏈路標定結果。

2.1 部分ESOC對接增加項目的實現效果

2.1.1 上行載波相位噪聲測試

在ECSS相關標準中[11]，對于A類任務(2×106km以內)[12]，上行載波信號的相位噪聲應滿足如下關系：

相位噪聲密度<-(48+10lg(f))dBc/Hz(10Hz≤f≤1MHz)

(1)

圖4 對接試驗連接框圖和鏈路標定結果(應答機B和測控點頻2)

相位噪聲密度<-108 dBc/Hz(f>1MHz)

(2)

圖5為上行載波信號相位噪聲測試的實測結果，圖中的直線對應于式(1)，因此相位噪聲滿足標準要求。

圖5 上行載波信號相位噪聲測試結果

2.1.2 上行占用帶寬測試

占用帶寬指99%功率所占有的帶寬。按照ECSS標準[11]，對于A類及B類任務(2×106km以外)，加調上行測距情況下的占用帶寬應為2.5×fR(fR為測距主音頻率)或滿足頻率申報許可要求[11]。圖6為上行測距占用帶寬測試結果，由圖6可知，上行音碼測距[13](碼長級數為14)占用帶寬的實測值為1.9928 MHz，嫦娥五號軌道器測距主音頻率為500 kHz。因中方向國際電聯實際申報的上行頻率許可值為2 MHz，所以此項測試滿足標準的要求。

2.1.3 下行載波相位噪聲測試

在ECSS相關標準中[11]，下行載波信號的相位噪聲應滿足：在非相干模式下，未調制載波的相位噪聲在10 Hz～100 kHz間的積分相位值應小于2°均方根。圖7為下行載波信號相位噪聲測試的實測結果，為1.701°。

圖6 上行測距占用帶寬測試結果

圖7 下行載波信號相位噪聲測試結果

2.1.4 下行占用帶寬測試

下行信號占用帶寬因遙測、數傳碼速率的不同以及是否轉發下行測距信號而有所區別，經測試，下行信號占用帶寬滿足中方向國際電聯實際申報的下行頻率許可值，因此此項測試滿足標準的要求。

2.1.5 非相干模式下長期頻率穩定度測試

ECSS相關標準[11]建議在整個航天器生命周期中，頻率穩定度優于±2E-5。經過2～3 h實測，結果優于±1E-6，認為其滿足要求。

2.1.6 相干轉發比測試

相干轉發比的準確度會對多普勒測速的精度產生影響。ESOC該項測試的判別方法為：理想相干轉發比情況下，A類任務的雙向測速誤差應小于0.1 mm/s(測速積分時間大于400 s)[13]。對于測試頻率的選擇，采用標稱頻率、標稱頻率+300 kHz和標稱頻率-300 kHz(300 kHz為整個任務中相干模式下下行多普勒頻偏最大值)3種條件分別進行測試。其中，庫魯站IFMS基帶與B2的測試結果如表1所示。

表1 庫魯站IFMS基帶與B2的測試結果

若轉發比絕對準確，則理想情況下的雙向測速誤差中應只包含隨機差。但在很多情況下(例如數字應答機鎖相環DDS的量化位數不夠等)，應答機會帶來測速系統差，影響到測速數據質量。通過ESOC的測試方法，很容易評估出相干轉發比的準確性，以及相干轉發模式下是否存在不可接受的測速系統差。

在國內傳統對接試驗中，往往在標稱上行頻率和上行頻率±50 kHz情況下，靠頻譜儀讀出下行頻率值，進而進行轉發比計算。而頻譜儀的頻率分辨率不夠高，無法判斷出應答機相干轉發模式下是否存在明顯的測速系統差。

2.2 主要接口指標的測試結果

標稱指標與測試結果對比如表2所示，測試結果表明結果良好。通過嫦娥五號軌道器ESOC對接試驗表明：軌道器與歐空局所屬庫魯站、瑪斯帕拉瑪斯站天地接口匹配，北京中心(BACC)與ESOC間地地接口匹配，相關技術參數可以滿足嫦娥五號任務要求。

表2 標稱指標與測試結果對比

3 啟示建議

通過赴ESOC開展對接試驗，在對接手段、對接試驗條件、對接項目、對接方法等方面有如下啟示建議。

3.1 對接模式

目前國內測控對接采用的對接手段包括真星產品對接、專用測控模擬器對接和通用模擬器對接3種[14]，后2種方式能夠節約研制成本和周期，但并不能完全代表上天狀態。據了解，歐空局所有航天任務的對接試驗必須要求采用能夠代表真實狀態的星上產品進行對接，此次嫦娥五號軌道器對接采用的也是能夠代表真實狀態的鑒定件產品，因為只有這樣才能真正確保天地接口的匹配。反觀國內，某些型號在僅安排1次對接試驗的情況下，以初樣產品代替正樣對接，頻點錯誤、星載計算機軟件邏輯錯誤和副載波調制度錯誤等問題層出不窮。今后在國內對接中，希望型號部門能盡量提供代表真實狀態的星上產品，確保試驗結果的有效性。

3.2 對接試驗條件

歐空局所有航天任務的測控對接均在ESOC參考測試站完成，不需要去真實測站進行對接，極大地節省了人力、物力和財力，與我國凡重大任務(載人航天、月球及深空探測等)去多個測站充分對接的思路完全不同。建議我國后續對接試驗開展時適當參考歐空局模式，在條件具備的情況下建設參考測試站，參考測試站內所配基帶版本能夠遍歷任務參試各站。

此外，ESOC參考測試站所具備的對接試驗條件超過了我國任何一個測控站，具體優勢包括以下3點。

① 參考測試站屏蔽室有效屏蔽了因射頻信號泄漏導致的干擾，防止了漏信號過強導致接收機誤鎖定現象；而國內在開展對接測試時，經常會因漏信號問題導致門限情況下的接口指標無法測量，這在深空任務中尤其突出。

② 參考測試站連續可變衰減器在調節的同時不會發生信號中斷的情況，而且通過鼠標就可以遠程控制；而國內在開展對接測試時，一旦調節衰減器就會導致信號中斷，需要用其他方法(如調整上行發射功率)來保證信號功率連續變化，這可能會額外引入人為操作所帶來的失誤。

③ 參考測試站通過配置噪聲源來保證下行遙測相關對接項目順利進行；而國內測控站往往沒有噪聲源可用，在進行遙測誤碼率測試時，有時無法調出合適的信噪譜密度比，或是即便信噪譜密度比達到要求，但有用信號絕對功率過低，在信號泄漏和多徑等效應綜合影響下，可能會導致信號強度不穩定，對測試結果帶來影響。

綜上，建議改善部分測控站的對接試驗條件或在新建參考測試站時考慮上述因素。

3.3 對接項目

通過比較可以看出，ESOC參考測試站對接項目與國內對接項目大體相同，考慮到頻率協調上的問題，建議在國內對接試驗中酌情增加ESOC測試所增加的上/下行載波相位噪聲測試和占用帶寬測試，相干/非相干切換情況下遙測副載波鎖定情況測試，以及加調遙測和/或測距時對遙測接收的影響測試等項目。其中，載波相位噪聲測試和占用帶寬測試因與測控功能驗證無關，往往在國內測控對接試驗中被忽略，其指標要求由衛星型號部門自行保證，建議今后相關指標直接列入接口控制文件，并在對接試驗中進行專項測試。

實際上，在我國頻率主管部門向國際電聯進行頻率申報時，占用帶寬需作為重要參數和航天器使用頻率一并申報。如果實際占用帶寬超出申請的占用帶寬，我國航天器信號有可能進入其他國家航天器的占用帶寬中，對他國航天器帶來頻率干擾，使我國在國際頻率協調中處于被動位置。

3.4 對接方法

ESOC相干轉發比測試的方法比國內對接時采用的方法更為精確，尤其適用于采用數字應答機的情況，建議在后續國內對接試驗中采用歐方的方法。實際上，該方法已在在我國首次火星探測任務的國內對接試驗中得到應用，并發現了我國某所研制的數字應答機確實存在問題。通過及時整改，確保了多普勒測速數據的精度。

4 結束語

對嫦娥五號軌道器在ESOC開展測控對接的試驗項目內容進行了詳細介紹。分析了利用ESOC參考測試站開展對接試驗與在國內測控站開展對接試驗時在試驗項目及試驗方法上的異同。對接試驗結果表明：嫦娥五號軌道器與歐空局所屬庫魯站、瑪斯帕拉瑪斯站天地接口匹配，BACC與ESOC之間地地接口匹配，相關技術參數可以滿足嫦娥五號任務要求。此外，從歐方對接試驗的成功經驗中獲得了深刻的啟示，對今后國內站測控對接在對接模式、對接試驗條件、對接項目、對接方法等方面均提供了重要參考建議。