龍吟 黎峰一 黃才 孫斌 張克楠 丁凱 劉寧波

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)(2 航天恒星科技有限公司,北京 100095)

測(cè)控與通信分系統(tǒng)作為航天器的關(guān)鍵平臺(tái)分系統(tǒng),負(fù)責(zé)配合地面測(cè)控通信系統(tǒng)完成航天器的跟蹤測(cè)軌和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),航天器的遙控指令及數(shù)據(jù)注入接收任務(wù),以及遙測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理及傳輸任務(wù)。對(duì)于載人航天器,還負(fù)責(zé)圖像、話(huà)音的采集處理任務(wù)和配合目標(biāo)飛行器完成交會(huì)對(duì)接相對(duì)測(cè)量及通信任務(wù)。針對(duì)航天器在軌長(zhǎng)期自主飛行的需求,測(cè)控與通信分系統(tǒng)有必要實(shí)現(xiàn)自主健康管理,保證飛行任務(wù)的順利執(zhí)行。

測(cè)控與通信分系統(tǒng)的自主健康管理方法包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層3個(gè)層面。物理層用于提升分系統(tǒng)的空間環(huán)境適應(yīng)能力;數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)測(cè)控鏈路的自主維護(hù)功能;應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的自主健康管理任務(wù)以適應(yīng)各種特殊工況。文獻(xiàn)[1-3]中提出了一種面向航天的高可靠FPGA設(shè)計(jì)架構(gòu),通過(guò)采用三模冗余和回讀刷新的設(shè)計(jì)提升靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)FPGA在軌工作的可靠性。文獻(xiàn)[4-6]中提出了基于“看門(mén)狗”的設(shè)計(jì)方法,支持在軌單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致程序異常的自主檢測(cè)及恢復(fù)。上述方法僅從物理層面開(kāi)展自主健康管理設(shè)計(jì),提升分系統(tǒng)的空間環(huán)境適應(yīng)性,缺乏數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的設(shè)計(jì),自主健康管理功能具有一定的局限性。文獻(xiàn)[7]中提出一種基于中央終端裝置(CTU)的專(zhuān)項(xiàng)健康管理和基于數(shù)據(jù)處理單元(DPU)的自主健康管理系統(tǒng),分別通過(guò)雙遠(yuǎn)置終端單元(DRTU)硬通道和遠(yuǎn)程終端(RT)軟通道采集和存儲(chǔ)用戶(hù)的遙測(cè)參數(shù),并進(jìn)行分析和處理,實(shí)現(xiàn)自主健康管理。文獻(xiàn)[8]中提出一種以數(shù)管分系統(tǒng)的系統(tǒng)管理單元(SMU)為核心的自主健康管理系統(tǒng),分別通過(guò)硬通道和軟通道實(shí)現(xiàn)用戶(hù)遙測(cè)參數(shù)的采集、存儲(chǔ)、分析和處理,最終實(shí)現(xiàn)自主健康管理。文獻(xiàn)[9]中提出了一種基于包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和航天器接口業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的自主健康管理方法,設(shè)計(jì)了分層的通用軟件架構(gòu),該方法依賴(lài)于衛(wèi)星管理單元(SMU)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)接口單元(SDIU),采用專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行集中式管理。上述方法均采用集中式自主健康管理的方法,基本實(shí)現(xiàn)了重大安全事件的自主處置,具有通用化、拓展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但是對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)提出較高要求。①負(fù)責(zé)自主健康管理的設(shè)備是系統(tǒng)的核心和單點(diǎn),方法對(duì)核心設(shè)備的計(jì)算、存儲(chǔ)資源和設(shè)備自身可靠性的要求較高,至少需要進(jìn)行健康管理設(shè)備本身及對(duì)外接口的雙備份或三備份的設(shè)計(jì),增加設(shè)備本身及系統(tǒng)的復(fù)雜度,降低系統(tǒng)可靠性。②方法要求所有被監(jiān)視的設(shè)備具備1553B總線(xiàn)接口并且遵循健康維護(hù)協(xié)議,對(duì)分系統(tǒng)設(shè)備及整器總線(xiàn)資源要求較高,不適用于所有航天器。③方法缺少分層設(shè)計(jì),自主健康管理覆蓋范圍有所局限。文獻(xiàn)[10]中提出一種在軌自主健康管理系統(tǒng)的分層體系結(jié)構(gòu),分別從基礎(chǔ)服務(wù)層和自主健康管理服務(wù)層設(shè)計(jì),完成自主健康管理的任務(wù)。該方法提出分層設(shè)計(jì)的思想,但是需要為每個(gè)分系統(tǒng)配置一個(gè)控制器,實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控,并且需要為整個(gè)航天器配置一個(gè)核心處理單元(CPU),負(fù)責(zé)與各個(gè)分系統(tǒng)控制器進(jìn)行交互,增加系統(tǒng)復(fù)雜度并降低可靠性。綜上,已有的測(cè)控與通信分系統(tǒng)的自主健康管理方法,從物理層、通用化、可擴(kuò)展性層面開(kāi)展設(shè)計(jì)并取得了成果,主要適用于資源配置相對(duì)較高的航天器及其典型工況。針對(duì)通用航天器及其特殊工況,上述方法存在以下不足。①缺乏分層設(shè)計(jì),側(cè)重于物理層的自主健康管理,缺乏數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層的設(shè)計(jì),自主健康管理范圍較少,功能有所局限,缺少鏈路自主維護(hù),掉電恢復(fù)、交會(huì)對(duì)接和出艙通信等特殊工況的適應(yīng)能力。②采用集中式1553B總線(xiàn)式設(shè)計(jì),雖然具備通用和易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn),但是也帶來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜和不具備普適性的缺點(diǎn)。

基于此,本文提出一種分布式的航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)自主健康管理方法,分別從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)自主健康管理。

1 需求分析

根據(jù)航天器長(zhǎng)期在軌飛行的各種任務(wù)場(chǎng)景和特殊工況,總結(jié)出通用航天器的測(cè)控與通信分系統(tǒng)要具備以下自主健康管理功能。①正常測(cè)控弧段內(nèi),測(cè)控與通信分系統(tǒng)和地基測(cè)控站及中繼衛(wèi)星全程穩(wěn)定建立鏈路,分系統(tǒng)的射頻接收機(jī)如果出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間未同步地面上行信號(hào),要具備自主重新建鏈的功能。②測(cè)控與通信分系統(tǒng)要全程通過(guò)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)正確的位置及速度解算,如果分系統(tǒng)的導(dǎo)航接收機(jī)長(zhǎng)時(shí)間未完成定位解算時(shí),要具備自動(dòng)重啟定位解算的功能。③分系統(tǒng)要適應(yīng)整器臨時(shí)掉電的異常工況,支持整器掉電恢復(fù)后通信鏈路的自主恢復(fù)。另外,針對(duì)載人航天器,還要增加以下2項(xiàng)功能,即:①支持交會(huì)對(duì)接過(guò)程中星間鏈路發(fā)射功率隨相對(duì)距離的自適應(yīng)切換,這樣既節(jié)省功耗,又提升鏈路可靠性;②支持出艙通信過(guò)程中的通信鏈路的發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)整,這樣既節(jié)省功耗,又消除遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。

針對(duì)以上分析,自主健康管理方法應(yīng)具備以下性能。①采用分布式設(shè)計(jì),分系統(tǒng)各類(lèi)關(guān)鍵單機(jī)均具備自主健康管理功能,彼此之間的健康管理沒(méi)有耦合,無(wú)專(zhuān)用自主健康管理設(shè)備,無(wú)系統(tǒng)單點(diǎn),提升系統(tǒng)可靠性。②具備較強(qiáng)的空間環(huán)境適應(yīng)性,消除單粒子翻轉(zhuǎn)對(duì)分系統(tǒng)功能的影響。③采用分層式設(shè)計(jì),分別從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層開(kāi)展設(shè)計(jì),從不同層面提升分系統(tǒng)的自主健康管理功能,增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

2 自主健康管理方法

本文提出一種基于分層結(jié)構(gòu)的分布式航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)自主健康管理方法(見(jiàn)圖1),分別從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)自主健康管理。

圖1 自主健康管理方法分層設(shè)計(jì)Fig.1 Layered design of autonomous health management method

物理層分別從“看門(mén)狗”和回讀重配置2個(gè)方面開(kāi)展設(shè)計(jì),使具備軟件配置項(xiàng)的設(shè)備提升抵抗單粒子翻轉(zhuǎn)的性能,提升分系統(tǒng)的空間環(huán)境適應(yīng)性。數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)基于射頻鏈路的自主監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),負(fù)責(zé)正常測(cè)控弧段內(nèi)的射頻鏈路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并針對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的鏈路失鎖進(jìn)行實(shí)時(shí)處置,支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層的射頻鏈路自主維護(hù),通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)視和維護(hù)射頻鏈路狀態(tài),具備解決特殊工況下回讀刷新等物理層設(shè)計(jì)無(wú)法維護(hù)射頻鏈路的問(wèn)題,進(jìn)一步提升了自主健康管理的覆蓋范圍和系統(tǒng)可靠性。應(yīng)用層分別完成導(dǎo)航接收機(jī)自主健康監(jiān)測(cè)、航天器掉電恢復(fù)后自主建鏈、不同任務(wù)場(chǎng)景下發(fā)射機(jī)自動(dòng)功率控制的設(shè)計(jì),分別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航接收機(jī)的定位解算功能實(shí)時(shí)監(jiān)視和重啟,航天器異常掉電恢復(fù)后的射頻鏈路快速恢復(fù),交會(huì)對(duì)接過(guò)程中射頻鏈路發(fā)射功率根據(jù)相對(duì)距離的自適應(yīng)調(diào)整,以及出艙通信過(guò)程中為消除遠(yuǎn)近效應(yīng)的出艙服發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)整。相對(duì)之前的方法,本文方法能提升多任務(wù)場(chǎng)景的自主健康維護(hù)能力,以及整器異常掉電再恢復(fù)的特殊工況的適應(yīng)能力,進(jìn)一步提升自主健康管理的覆蓋范圍和可靠性。本文方法采用分布式設(shè)計(jì),所有的自主健康管理均在分系統(tǒng)內(nèi)部完成,對(duì)分系統(tǒng)設(shè)備沒(méi)有1553B總線(xiàn)接口及通信協(xié)議的要求,設(shè)備之間沒(méi)有耦合性,能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提升系統(tǒng)可靠性。

2.1 物理層設(shè)計(jì)

物理層設(shè)計(jì)采用已有的設(shè)計(jì)方法,即三模冗余、“看門(mén)狗”和回讀重配置。

針對(duì)SRAM型FPGA存在加載程序偶發(fā)失敗風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題,通過(guò)“看門(mén)狗”設(shè)計(jì)保證SRAM型FPGA上電加載的可靠性。SRAM型FPGA加電配置成功后開(kāi)始運(yùn)行程序,從輸入/輸出接口引出一個(gè)周期信號(hào),利用外部硬件“看門(mén)狗”來(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA的配置監(jiān)控。當(dāng)FPGA配置失敗時(shí),由于程序沒(méi)有運(yùn)行,“看門(mén)狗”芯片沒(méi)有及時(shí)獲得“喂狗”信號(hào),周期性地發(fā)出重配置信號(hào)提供給FPGA,直到FPGA配置成功。

針對(duì)SRAM型FPGA抗輻照性能較差,在空間環(huán)境中容易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)事件特性。通過(guò)在設(shè)備內(nèi)部增加一塊反熔絲型FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)SRAM型FPGA的回讀重配置。對(duì)SRAM型FPGA進(jìn)行回讀比對(duì),即讀取可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)中的配置數(shù)據(jù),同時(shí)向SRAM型FPGA發(fā)送回讀指令讀取回讀數(shù)據(jù),將這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行一一比對(duì),如果比對(duì)出錯(cuò),則重加載SRAM型FPGA。

圖2為回讀重配置流程。

圖2 回讀重配置流程Fig.2 Flow of read back reconfiguration

2.2 數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)

為提升鏈路的可靠性,測(cè)控與通信分系統(tǒng)的射頻接收機(jī)通常具備卷積、里德-所羅門(mén)(RS)、低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)等譯碼功能,這些功能大多采用基于FPGA的知識(shí)產(chǎn)權(quán)核(IPC)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),并且部分IPC占用了FPGA的塊隨機(jī)存儲(chǔ)器(Block RAM)資源。雖然SRAM型FPGA配置了反熔絲FPGA實(shí)現(xiàn)程序加載和配置區(qū)動(dòng)態(tài)刷新,從一定程度上避免了單粒子翻轉(zhuǎn)對(duì)設(shè)備的影響。Block RAM模塊在SRAM型FPGA中運(yùn)行時(shí)實(shí)際使用了配置存儲(chǔ)區(qū)的RAM位,當(dāng)對(duì)配置存儲(chǔ)區(qū)的RAM位重配置時(shí),會(huì)干擾這些模塊的正常工作,所以配置區(qū)動(dòng)態(tài)刷新處理回避了Block RAM模塊占用的資源。配置區(qū)動(dòng)態(tài)刷新只對(duì)SRAM型FPGA的查找表(非隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)占用)及布線(xiàn)資源對(duì)應(yīng)的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。另外,由于FPGA的資源有限和降額設(shè)計(jì)要求,只能對(duì)FPGA部分關(guān)鍵參數(shù)的Block RAM資源進(jìn)行三模冗余設(shè)計(jì),無(wú)法對(duì)占據(jù)資源較多的IPC進(jìn)行三模冗余設(shè)計(jì)。即使采用大容量資源的FPGA對(duì)IPC進(jìn)行三模冗余,單粒子翻轉(zhuǎn)累加效應(yīng)仍然有概率導(dǎo)致IPC功能失效,無(wú)法從根本上消除單粒子翻轉(zhuǎn)的影響。目前已有的針對(duì)射頻鏈路的自主健康管理方法,是從三模冗余、“看門(mén)狗”設(shè)計(jì)和回讀重配置的物理層開(kāi)展設(shè)計(jì),沒(méi)有考慮占用Block RAM資源的IPC被單粒子打翻的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施,因此,射頻接收機(jī)存在由于FPGA內(nèi)部的IPC被單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的設(shè)備異常工作的風(fēng)險(xiǎn)。

為了消除上述風(fēng)險(xiǎn),本文設(shè)計(jì)一種基于射頻鏈路自主健康監(jiān)測(cè)和管理的方法,在數(shù)據(jù)鏈路層上實(shí)時(shí)監(jiān)視射頻鏈路同步情況和處置導(dǎo)致鏈路異常的突發(fā)事件。通過(guò)在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜射頻鏈路通信功能的SRAM型FPGA和反熔絲型的FPGA的外圍配置單片機(jī),并通過(guò)外圍單片機(jī)間隔1h對(duì)射頻接收機(jī)的鎖定狀態(tài)(包括載波鎖定標(biāo)志、遙控偽碼鎖定標(biāo)志、位同步狀態(tài)標(biāo)志及卷積編碼同步狀態(tài)標(biāo)志,正常同步狀態(tài)為1,失步為0)進(jìn)行持續(xù)1min監(jiān)測(cè),1min內(nèi)采集120次(500ms采集1次),出現(xiàn)不小于90次4個(gè)遙測(cè)狀態(tài)不全為1,單片機(jī)給配置及動(dòng)態(tài)刷新FPGA發(fā)送“基帶邏輯配置FPGA復(fù)位指令”實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制解調(diào)FPGA的全局配置(即程序重載),見(jiàn)圖3。如果在軌單粒子翻轉(zhuǎn)造成前向信號(hào)處理模塊異常,并進(jìn)一步導(dǎo)致鏈路失鎖時(shí),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可自行恢復(fù)正常的功能,提升產(chǎn)品的在軌抗單粒子能力。

圖3 射頻鏈路自主健康管理流程Fig.3 Flow of autonomous health management for RF link

2.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

2.3.1 導(dǎo)航接收機(jī)自主健康監(jiān)測(cè)和管理

導(dǎo)航接收機(jī)作為關(guān)鍵單機(jī),負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)航天器的跟蹤、測(cè)軌、絕對(duì)定位和相對(duì)定位,為保證導(dǎo)航接收機(jī)的長(zhǎng)期在軌健康工作,需要對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視,并對(duì)異常工作狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別和自主處置。因此,除了依靠物理層的軟件“看門(mén)狗”設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)鏈路層的射頻鏈路自主健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),還需要對(duì)應(yīng)用層的關(guān)鍵功能及性能指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和處置。

導(dǎo)航接收機(jī)組成及信息流見(jiàn)圖4,包含2個(gè)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)軟件配置項(xiàng)(導(dǎo)航信息處理軟件和接口軟件),以及3個(gè)FPGA軟件配置項(xiàng)(導(dǎo)航信息處理相關(guān)器FPGA軟件、導(dǎo)航信息處理控制器FPGA軟件和接口FPGA軟件)。導(dǎo)航信息處理軟件的主要功能是接收射頻前端提供的中頻信號(hào),完成GPS L1和北斗B1頻點(diǎn)的信號(hào)解調(diào)/解擴(kuò)處理,獲得導(dǎo)航電文和原始觀測(cè)數(shù)據(jù),解算出航天器的絕對(duì)位置、速度、時(shí)間,并將絕對(duì)定位結(jié)果發(fā)送到接口板中。接口軟件的主要功能是負(fù)責(zé)與接口FPGA通信交互。導(dǎo)航信息處理板相關(guān)器FPGA軟件主要完成北斗、GPS導(dǎo)航信號(hào)的數(shù)字下變頻、去偽碼和相關(guān)累加功能,同時(shí)完成航天器快速捕獲功能。導(dǎo)航信息處理控制器FPGA軟件主要完成導(dǎo)航信息處理板相關(guān)器FPGA程序的加載、回讀、更新,以及時(shí)鐘頻率合成和時(shí)間同步的功能。接口FPGA軟件主要完成與對(duì)外各用戶(hù)的接口通信,以及對(duì)內(nèi)與導(dǎo)航信息處理板通信和片上其他邏輯等工作。導(dǎo)航接收機(jī)自主健康管理流程見(jiàn)圖5。

注:GNC為制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制。圖4 導(dǎo)航接收機(jī)組成及信息流Fig.4 Navigation receiver composition and information

圖5 導(dǎo)航接收機(jī)自主健康管理流程Fig.5 Flow of autonomous health management for navigation receiver

針對(duì)中低軌航天器,全球?qū)Ш叫亲母采w率為100%,導(dǎo)航接收機(jī)理論上可以完成全程定位解算。目前,已有的自主健康管理方法缺少對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的自主健康管理設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。基于此,本文設(shè)計(jì)導(dǎo)航接收機(jī)的非定位時(shí)間作為應(yīng)用層的關(guān)鍵指標(biāo)判據(jù),監(jiān)視及處置措施如下。①如果持續(xù)10min不定位,則復(fù)位FPGA,重配所有硬件設(shè)備(包含相關(guān)器FPGA),重新設(shè)置通道,清空所有星歷,重置本地時(shí)鐘(時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器(TIC)不歸零);②若持續(xù)20min不定位(復(fù)位FPGA后持續(xù)10min不定位),則進(jìn)行DSP軟件系統(tǒng)初始化,重配所有硬件設(shè)備(包含相關(guān)器FPGA),重新設(shè)置通道,重新初始化系統(tǒng)變量(包含清空所有星歷,重置本地時(shí)鐘(TIC不歸零)等;③連續(xù)非定位時(shí)間超過(guò)30min,進(jìn)行DSP軟件復(fù)位,導(dǎo)航信息處理軟件完成程序重新加載,TIC歸零。

2.3.2 航天器掉電恢復(fù)后自主建鏈方法

在航天器正常在軌飛行過(guò)程中,其天地通信鏈路包括統(tǒng)一S頻段(USB)應(yīng)答機(jī)鏈路、S頻段數(shù)傳鏈路2種直接對(duì)地鏈路,以及窄波束中繼鏈路、寬波束中繼鏈路2種天基鏈路。其中,USB應(yīng)答機(jī)鏈路通過(guò)USB應(yīng)答機(jī)、USB天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和安裝在航天器一象限和三象限的S頻段接收及發(fā)送天線(xiàn)與地面建立雙向通信鏈路。S頻段數(shù)傳鏈路通過(guò)S頻段數(shù)傳機(jī)、數(shù)傳天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和安裝在航天器一象限和三象限的數(shù)傳天線(xiàn)與地面建立返向通信鏈路。寬波束中繼鏈路通過(guò)寬波束中繼S終端、射頻收發(fā)組件和分布在航天器一象限和三象限的寬波束S頻段接收及發(fā)射天線(xiàn)完成與中繼衛(wèi)星建立雙向通信鏈路。目前已有的航天器自主健康管理方法缺少對(duì)航天器異常掉電再恢復(fù)的特殊工況設(shè)計(jì),存在該工況下航天器無(wú)法自主恢復(fù)鏈路的風(fēng)險(xiǎn)。為保證航天器一次母線(xiàn)掉電恢復(fù)后測(cè)控鏈路的正?；謴?fù),本文采用以下設(shè)計(jì)方法,過(guò)程見(jiàn)圖6。

圖6 航天器掉電恢復(fù)后自主建鏈過(guò)程Fig.6 Process of autonomous chain building after spacecraft power outage recovery

(1)USB應(yīng)答機(jī)、S頻段數(shù)傳機(jī)、寬波束中繼S終端、射頻收發(fā)組件的一次電源,采用直接掛在一次母線(xiàn)或通過(guò)繼電器掛在一次母線(xiàn),并且上述設(shè)備入軌后保持長(zhǎng)期開(kāi)機(jī)狀態(tài)。在航天器異常掉電恢復(fù)后,上述設(shè)備能夠立即恢復(fù)開(kāi)機(jī)工作狀態(tài)。

(2)USB天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)傳天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)均設(shè)計(jì)為一象限和三象限同時(shí)接通的狀態(tài),或者通過(guò)繼電器設(shè)置為一象限和三象限同時(shí)接通的狀態(tài)。在航天器異常掉電恢復(fù)后,天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能保證一象限和三象限天線(xiàn)立即同時(shí)接通。

(3)S頻段接收及發(fā)射天線(xiàn)、數(shù)傳天線(xiàn)、寬波束S頻段接收及發(fā)射天線(xiàn),均設(shè)計(jì)為準(zhǔn)全向天線(xiàn),保證在一象限和三象限天線(xiàn)接通時(shí)刻無(wú)論航天器處于何種姿態(tài)均可以和地面或中繼衛(wèi)星快速建立鏈路。

窄波束中繼鏈路不同于前面3種低帶寬的寬波束鏈路,是一種基于Ka頻段和S頻段的依靠伺服中繼天線(xiàn)或者相控陣天線(xiàn)對(duì)中繼衛(wèi)星精確跟蹤的高帶寬窄波束鏈路。窄波束中繼鏈路的正常建立,依賴(lài)于航天器和中繼衛(wèi)星之間的精確指向,而航天器對(duì)中繼衛(wèi)星的精確指向依賴(lài)于航天器的自身位置及姿態(tài)信息、中繼衛(wèi)星的位置信息和伺服跟蹤算法。在航天器跟蹤過(guò)程中發(fā)生異常掉電恢復(fù)事件,航天器失去對(duì)中繼衛(wèi)星的精確指向,導(dǎo)致窄波束中繼鏈路失鎖。為了讓窄波束中繼鏈路適應(yīng)航天器異常掉電后恢復(fù)的特殊工況,本文采用以下設(shè)計(jì)方法。

(1)窄波束中繼終端通過(guò)導(dǎo)航接收機(jī)提供的航天器位置信息和GNC分系統(tǒng)提供的航天器姿態(tài)信息,確認(rèn)航天器自身的伺服中繼天線(xiàn)或者相控陣天線(xiàn)的原始指向;通過(guò)地面上注的中繼衛(wèi)星軌道六根數(shù)確定中繼衛(wèi)星的位置信息;根據(jù)伺服中繼天線(xiàn)或者相控陣天線(xiàn)和中繼衛(wèi)星之間的相對(duì)位置關(guān)系,窄波束中繼終端驅(qū)動(dòng)伺服中繼天線(xiàn)或者相控陣天線(xiàn)精確指向中繼衛(wèi)星,建立窄波束中繼前向、返向鏈路。

(2)航天器異常掉電恢復(fù)后,窄波束中繼終端首先獲取導(dǎo)航接收機(jī)提供的位置信息和GNC分系統(tǒng)提供的姿態(tài)信息,確定伺服中繼天線(xiàn)或者相控陣天線(xiàn)的初始位置。

(3)窄波束中繼終端依據(jù)導(dǎo)航接收機(jī)提供的位置信息,以及參與飛行任務(wù)中繼衛(wèi)星的先驗(yàn)定點(diǎn)位置信息,確定航天器當(dāng)前窄波束跟蹤弧段所在的中繼衛(wèi)星。

(4)窄波束中繼終端根據(jù)自身位置信息和姿態(tài)信息,以及所確定的中繼衛(wèi)星的先驗(yàn)位置信息,對(duì)中繼衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤嘗試。由于中繼衛(wèi)星的位置信息非實(shí)時(shí)測(cè)量,為先驗(yàn)信息,精度不足,可能無(wú)法導(dǎo)引伺服中繼天線(xiàn)或者相控陣天線(xiàn)精確指向中繼衛(wèi)星。但是,伺服中繼天線(xiàn)兼容Ka頻段和S頻段,S頻段波束相對(duì)較寬,容易捕獲跟蹤,待窄波束S鏈路建立后,通過(guò)該鏈路上注中繼衛(wèi)星的精確實(shí)測(cè)軌道六根數(shù)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)窄波束Ka鏈路的恢復(fù)。另外,支持自跟蹤的窄波束中繼終端有較大概率通過(guò)先驗(yàn)信息捕獲到中繼衛(wèi)星發(fā)射的信標(biāo)信號(hào),然后進(jìn)一步根據(jù)信標(biāo)信號(hào)的功率強(qiáng)度進(jìn)行自跟蹤,最終建立窄波束中繼Ka前向、返向鏈路。

2.3.3 發(fā)射機(jī)自動(dòng)功率控制方法

測(cè)控與通信分系統(tǒng)在交會(huì)對(duì)接的任務(wù)場(chǎng)景下,存在與目標(biāo)飛行器交互通信的需求;在出艙通信的任務(wù)場(chǎng)景中,存在與進(jìn)行出艙活動(dòng)的航天員通信的需求。交會(huì)對(duì)接和出艙通信任務(wù)場(chǎng)景均涉及到航天器與目標(biāo)飛行器或者出艙活動(dòng)航天員的相對(duì)位置變化,通信雙方的發(fā)射功率需要隨著相對(duì)距離的變化而自適應(yīng)調(diào)整,從而提高交會(huì)對(duì)接過(guò)程中通信鏈路的可靠性和安全性[11],以及降低出艙通信過(guò)程中多名航天員相對(duì)航天器出艙通信的遠(yuǎn)近效應(yīng)[12]。目前已有的方法缺少關(guān)于發(fā)射機(jī)的自動(dòng)功率控制設(shè)計(jì),為此,本文提出一種發(fā)射機(jī)自動(dòng)功率控制方法,滿(mǎn)足含有交會(huì)對(duì)接和出艙通信任務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的航天器自主健康管理需求。

在交會(huì)對(duì)接過(guò)程中,航天器和目標(biāo)飛行器通過(guò)各自配置的空空通信機(jī)及空空通信天線(xiàn)建立支持交會(huì)對(duì)接任務(wù)的星間鏈路。測(cè)控與通信分系統(tǒng)利用接收目標(biāo)飛行器通過(guò)星間鏈路傳送的絕對(duì)定位信息,通過(guò)導(dǎo)航接收機(jī)完成相對(duì)定位解算,計(jì)算出實(shí)時(shí)的相對(duì)距離。空空通信機(jī)根據(jù)相對(duì)距離自主完成發(fā)射功率的換擋。

在出艙通信過(guò)程中,航天器通過(guò)出艙通信處理器及出艙通信天線(xiàn)與艙外航天員完成雙向通信。當(dāng)參加出艙活動(dòng)的航天員超過(guò)1人時(shí),存在多名航天員同時(shí)與出艙通信處理器通信的需求。由于不同航天員和航天器的相對(duì)距離不同,航天員到航天器的通信鏈路存在遠(yuǎn)近效應(yīng)[12],最終導(dǎo)致相對(duì)距離遠(yuǎn)的航天員無(wú)法與航天器建立正常通信鏈路。為了消除遠(yuǎn)近效應(yīng),出艙通信鏈路采用碼分多址(CDMA)的通信體制結(jié)合自動(dòng)功率控制算法,不同航天員采用不同的擴(kuò)頻碼[13]。規(guī)定出艙通信處理器到航天員的通信鏈路為前向鏈路,航天員到出艙通信處理器的通信鏈路為返向鏈路。首先,通過(guò)開(kāi)環(huán)方式,根據(jù)前向鏈路的接收功率,確定航天員的初始發(fā)射功率;然后,將返向鏈路的實(shí)際信噪比和理論信噪比的差值作為閉環(huán)控制的輸入,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)航天員的發(fā)射功率,保證不同航天員的發(fā)射信號(hào)到達(dá)出艙通信處理器的入口電平一致,從而消除遠(yuǎn)近效應(yīng)。

交會(huì)對(duì)接和出艙通信的自動(dòng)功率控制方法流程見(jiàn)圖7。

圖7 自動(dòng)功率控制方法流程Fig.7 Flow of automatic power control method

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

物理層的“看門(mén)狗”設(shè)計(jì)和回讀重配置為常規(guī)設(shè)計(jì),已經(jīng)多次在軌飛行驗(yàn)證,為成熟技術(shù)。應(yīng)用層的導(dǎo)航接收機(jī)自主健康監(jiān)測(cè)和管理設(shè)計(jì),航天器掉電恢復(fù)后的自主建鏈設(shè)計(jì),已經(jīng)應(yīng)用到神舟十二號(hào)及后續(xù)載人飛船,并經(jīng)過(guò)單機(jī)、分系統(tǒng)和整船測(cè)試驗(yàn)證,實(shí)際飛行任務(wù)中未出現(xiàn)長(zhǎng)期非定位的情況和整船異常掉電恢復(fù)的情況。其余設(shè)計(jì)具體驗(yàn)證情況如下。

3.1 射頻鏈路自主健康監(jiān)測(cè)和管理驗(yàn)證

寬波束中繼S終端增加自主健康監(jiān)測(cè)和管理功能,更改后的寬波束S頻段遙測(cè)總線(xiàn)接口軟件已在神舟十二號(hào)載人飛船寬波束中繼S終端電性件上進(jìn)行了更改驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 射頻鏈路自主健康管理驗(yàn)證結(jié)果Table 1 Verification results of autonomous health management for RF link

3.2 交會(huì)對(duì)接自動(dòng)功率切換驗(yàn)證

神舟十二號(hào)載人飛船在軌完成與空間站核心艙的前向交會(huì)對(duì)接,空空通信采用擴(kuò)頻模式,星間鏈路正常建立,雙向信息流正常運(yùn)行。交會(huì)對(duì)接期間,神舟十二號(hào)載人飛船空空通信機(jī)加電,建立與核心艙的空空通信鏈路,空空加電后至對(duì)接完成鎖緊,期間接收信號(hào)強(qiáng)度指示如表2所示(北京時(shí)間2021年6月17日)[11]。神舟十二號(hào)載人飛船與核心艙之間星間鏈路的返向鏈路建立的基線(xiàn)距離為143km,優(yōu)于通信距離為77km的要求。在擴(kuò)頻模式時(shí),若神舟十二號(hào)載人飛船與核心艙相對(duì)距離小于300m(質(zhì)心坐標(biāo)系相對(duì)距離)時(shí),GNC分系統(tǒng)將切換至小功率置為有效,神舟十二號(hào)載人飛船和核心艙的工作模式均從擴(kuò)頻大功率切換為擴(kuò)頻小功率,接收信號(hào)強(qiáng)度指示值在15:26由4.2V變?yōu)?.7V,表示核心艙的空空通信機(jī)根據(jù)相對(duì)距離變化自動(dòng)切換至小功率。同時(shí),神舟十二號(hào)載人飛船空空通信機(jī)的發(fā)射功率遙測(cè)顯示,當(dāng)前工作模式從大功率切換為小功率。

表2 空空通信機(jī)接收信號(hào)強(qiáng)度指示Table 2 RSSI of air to air communications equipment

3.3 出艙通信自動(dòng)功率控制驗(yàn)證

在出艙活動(dòng)80m范圍內(nèi),距離最遠(yuǎn)與最近處的信號(hào)衰減約為18dB。通過(guò)步進(jìn)調(diào)整衰減器的衰減值模擬出艙航天員相對(duì)于出艙通信處理器的距離變化[13]。針對(duì)采用和不采用功率自動(dòng)控制2種工作模式,分別進(jìn)行試驗(yàn)。①設(shè)置可調(diào)衰減器為0dB,通過(guò)功率計(jì)測(cè)試出艙通信處理器的接收功率值。②按照1dB的步進(jìn)值增加可調(diào)衰減器的衰減值,并且記錄每次調(diào)整后出艙通信處理器的接收功率值,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 功率自動(dòng)控制測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of automatic power control

經(jīng)過(guò)測(cè)試,未采用功率自動(dòng)控制時(shí),出艙通信處理器接收到的返向信號(hào)功率隨著鏈路衰減的變化而變化,波動(dòng)范圍為-80.1～-97.1dBm,存在2名及以上航天員同時(shí)出艙活動(dòng)由于遠(yuǎn)近效應(yīng)帶來(lái)通信鏈路異常的問(wèn)題;采用功率自動(dòng)控制時(shí),出艙通信處理器接收到的返向信號(hào)功率始終維持在一個(gè)恒定值,約為-80dBm,有效地提高了多人出艙活動(dòng)時(shí)的抗干擾能力,解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)控與通信分系統(tǒng)的自主健康管理方法是提高當(dāng)前及未來(lái)航天器任務(wù)可靠性與安全性,以及降低任務(wù)的經(jīng)濟(jì)成本和人力成本的重要手段。本文提出的自主健康管理方法,有助于實(shí)現(xiàn)航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)在軌工作狀態(tài)的自主監(jiān)測(cè)和異常情況自主處理,并有助于提升整個(gè)航天器的可靠性和飛行任務(wù)的安全性。本文提出方法分別從分系統(tǒng)自身單機(jī)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計(jì),保障自主健康管理,不依賴(lài)集中式專(zhuān)用設(shè)備實(shí)現(xiàn),提升了系統(tǒng)可靠性。后續(xù)將進(jìn)一步開(kāi)展自主健康管理方法的分布式和集中式的融合架構(gòu)設(shè)計(jì),進(jìn)一步提升自主健康管理方法的通用性和可靠性。