通信卫星测控分系统在轨运行综合分析与改进

吴雨翔 王凤春 安维刚 梅迪 杨凌轩

(1 中国空间技术研究院, 北京 100094) (2 空间电子信息技术研究院, 西安 710100)

通信卫星测控分系统在轨运行综合分析与改进

吴雨翔1王凤春1安维刚2梅迪1杨凌轩1

(1 中国空间技术研究院, 北京 100094) (2 空间电子信息技术研究院, 西安 710100)

截至目前，我国已成功研制并发射了数十颗通信卫星，部分卫星已圆满完成其既定的工程任务目标。文章总结了通信卫星测控分系统总体设计的关键性和可靠性等特点，对某通信卫星测控分系统关键单机的工作时间、异常次数等在轨运行数据进行统计，并逐一分析典型异常现象，针对产生异常问题的原因，提出了加强电路设计、调整器件参数、更换能力较强器件等改进方案。此研究结果可为我国后续卫星测控分系统总体可靠性设计提供参考。

通信卫星；跟踪、遥测、遥控；在轨运行；设计改进

1 引言

经过几十年的发展，我国已成功发射了数十颗通信卫星。这些卫星先后应用于我国广播、电视、通信等领域，为国民经济建设发挥了巨大作用。部分通信卫星已成功地完成了其设计任务，进入超期服役阶段或完成离轨处置。卫星测控分系统是通信卫星的重要组成部分，地面站通过测控分系统实现对卫星的控制、监视与测轨工作，分系统正常工作是卫星在轨稳定运行的关键要素之一。为此，对已完成工程任务的通信卫星测控分系统在轨性能进行全面分析，总结经验，将对后续通信卫星长寿命、高可靠的发展具有重要意义。

本文简述了通信卫星测控分系统总体设计状态，以某颗具有代表性的、已离轨的通信卫星的在轨运行数据为基础，分析了测控分系统的在轨运行情况，对典型在轨异常提出改进措施，并给出更改措施在后续通信卫星中的在轨验证结果。

2 通信卫星测控分系统概述

通信卫星测控分系统是对卫星进行跟踪、遥测、遥控的专用电子系统，由星载测控分系统和地面测控网两部分组成。通信卫星星载测控分系统由跟踪、遥测、遥控3个子系统构成，实现的功能包括：提供下行信标信号，由地面测控网完成对卫星的捕获、跟踪，以及测角、测速任务；采集、处理、发送卫星工程参数，由地面测控网实现对卫星工作状态的监测；接收地面测控网发送的指令或数据信息，对卫星进行指令控制，完成特定的卫星操作，实现工程任务目标；接收、转发地面测控网发送的测距信号，与地面测控网配合，实现对卫星的测距功能[1-2]。

我国通信卫星普遍采用统一微波测控系统，即用一个微波信道在其频带内复合调制多种信号，以频分复用的多路信号传输方式，完成对卫星的跟踪、遥测、遥控等功能。典型的通信卫星测控分系统由全向遥控天线、输入分路滤波器、应答机、遥控设备、遥测设备、高低电平开关、低功率放大器、高功率放大器、输出多工器、天线切换开关、全向遥测天线、定向天线组成。其原理框图如图1所示[3]。

图1 通信卫星星载测控分系统原理框图

通信卫星在轨运行过程中，测控分系统接收通道工作在全向状态，保证卫星姿态异常时上行指令正常工作。测控分系统发射通道设置两种工作模式：全向模式和定向模式。卫星定点前，以及卫星定点后姿态异常情况下，测控分系统工作在全向模式，测控分系统使用高功率放大器，由全向发射天线辐射测控信号，以保证下行测控信号准全向空间的覆盖范围。卫星定点后的长期在轨运行期间，有效载荷使用高功率放大器发射通信业务信号，测控分系统使用低功率放大器，由高增益的定向发射天线辐射测控信号。全向模式和定向模式的切换，由地面测控网发送指令，通过控制高低电平开关和测控切换开关的方式实现。

通信卫星测控分系统的关键单机包括应答机、遥测设备、遥控设备、高功率放大器、低功率放大器。应答机完成上行测控信号解调、下行测控信号调制，同时完成测距信号转发功能。遥控设备完成遥控指令或数据的接收、解调、译码和输出。遥测设备完成各类遥测信号的采集、编码、组帧、调制。高功率放大器、低功率放大器完成遥测信号的放大。为保证卫星的可靠运行，关键单机均有备份。各单机的备份情况如表1所示。

表1 测控分系统关键单机备份情况

3 通信卫星测控分系统在轨运行分析

以下测控分系统在轨运行分析的数据，来源于我国20世纪90年代末研制的某地球静止轨道通信卫星，该卫星采用东方红三号卫星平台，设计寿命8年，实际在轨运行超过12年[4]。其测控分系统原理也如图1所示。

3.1典型测控分系统在轨运行分析

该卫星在轨运行期间各分系统发生异常占总异常次数的比例分别为：电源分系统约11%、控制分系统23%、测控分系统14%、转发器分系统49%、地面系统不当操作造成的异常11%。其中，15%的异常问题为在超设计寿命期内发生。各个分系统及地面操作造成的整星在轨异常分类及比例如图2所示，其中测控分系统在轨异常占整星异常的14%。

测控分系统随整星经历了主动段、转移轨道、在轨测试、在轨运行、轨位调整、离轨等卫星全寿命周期的各个阶段。整星在轨运行期间，星载测控分系统圆满地完成了各项测控任务，未发生影响卫星安全及用户使用的重大异常事件。[5]

图2 在轨异常情况统计

该卫星测控分系统关键单机包括应答机、遥测设备、遥控设备、高功率放大器、低功率放大器。应答机在卫星发射前即双机热备份工作，应答机A、B均曾出现在轨异常，但最终没有出现影响卫星安全及用户使用的重大异常。低功率放大器在卫星定点后开机，双路热备份工作，开机两个月后一路失效，卫星在轨两年11个月另一路失效。高功率放大器在卫星发射前开机，完成主动段、转移轨道段测控任务。其后，卫星测控分系统发射通道转为定向模式。低功率放大器发生在轨故障后，测控分系统重新切换为全向模式，以高功率放大器完成其后的测控任务。测控分系统主要单机在轨工作时间、设计寿命如表2所示。完成8年(70 080 h)设计寿命按100%完成任务计算，则超设计寿命期累积统计在轨工作时间见表2。

表2 测控分系统关键单机在轨工作时间

该卫星测控分系统9次在轨异常中，8次出现在设计寿命期内，1次出现在超设计寿命期内。随着时间的推移，分系统异常逐渐增多，然后趋于平稳。由表3、图3关键单机在轨逐年发生的异常情况可知，虽然与时间有一定关系，各单机的异常现象仍然是随机出现的。

表3 测控分系统关键单机在轨异常情况

图3 测控分系统关键单机在轨异常情况百分比

3.2典型异常现象分析

分析多个通信卫星测控分系统在轨数据，各个卫星遥测设备、遥控设备、高功率放大器均在轨运行良好，在轨异常集中出现于应答机、低功率放大器等单机，以上测控分系统在轨运行数据分析也反映出这一点。

3.2.1 低功率放大器在轨失效

按照通信卫星测控分系统总体设计，卫星定点后测控分系统发射通道工作在定向状态，通过低功率放大器放大应答机输出的微波信号。以上测控分系统在轨运行数据分析中，低功率放大器主份和备份先后在轨失效，致使测控分系统发射通道长期使用有效载荷高功率放大器，被动占用并削减了卫星有效载荷频带资源。

该低功率放大器采用砷化镓金属半导体场效应晶体管进行功率放大，此类器件存在静电损伤的失效模式。当场效应管由于电压浪涌、电路自激或接地不良而受到电冲击，可造成漏电流增加、击穿电压降低，进而形成导电沟道，导致突然烧毁失效。

在卫星运行过程中，空间带电粒子与卫星相互作用可引起净电荷积累，进而形成静电电位，累积到一定程度最终发生静电放电现象。卫星静电放电可引发电气开关异常、潜在的材料损坏和元器件失效，从而缩短卫星的工作寿命并影响其可靠性。试验数据表明，场效应管失效是由于卫星在轨运行中静电积累造成的，采用抗静电能力不足的器件导致了低功率放大器的在轨失效。

3.2.2 应答机在轨异常

通信卫星测控分系统采用统一微波测控体制应答机，具备完全的遥控解调及副载波输出、遥测副载波调制及测距功能。遥控指令、遥测参数、电源部分、上行测控信号输入、下行测控信号输出设备相互独立。

以上测控分系统在轨运行数据分析中，应答机A在轨运行5年后出现遥测参数异常跳变现象，在轨6年1个月后再次出现遥测参数异常跳变现象，并出现上行测控失锁、不能正常接收上行指令、测距信号现象，最终在轨失效，导致测控分系统关键单机损失备份设备。

应答机由测控接收部分和测控发射部分组成，其中测控接收部分是一个二次变频接收机，其主要功能是接收、解调并放大测距信号，接收、解调、放大上行遥控信号，将解调出的遥控信号送往卫星上遥控设备，解调出的测距信号送往测控发射部分。测控接收机主要组成部分包括：低噪声放大器、下变频器、中频放大器、混频器、解调输出电路、滤波器、AGC放大电路和频差变换电路等。其原理框图如图4所示[6]。

注：AGC为自动增益控制，使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制。 图4 应答机接收部分原理框图

对该产品的同类产品进行的试验表明：应答机A在轨运行的中后期，其接收机鉴频解调电路中的元器件老化，性能参数畸变，导致产生的杂波使鉴频器工作在不正常状态，整机鉴频特性发生很大变化。试验现象表现为：遥测参数不能反映上行测控信号的工作状态，鉴频电路作用失效，不能进行正常接收测距信号和遥控信号。

以上测控分系统在轨运行数据分析中，应答机B出现4次在轨输出异常，随着单机壳温的降低，输出信号功率减小。为提高应答机工作温度，开启应答机附近的加热器，以空间辐射的方式对其增温。随着温度的升高，应答机B发射机恢复正常工作。应答机B在轨运行的中后期，其发射机中的三极管性能参数发生较大变化，电路对温度条件要求升高。当应答机工作环境温度不能满足需求时，导致故障发生。在后续卫星研制中，修改应答机发射机倍频链方案后，电路稳定性、一致性较好，未再发生类似现象。

3.2.3 应答机测距开关跳变

通信卫星测控分系统应答机接收地面发送的测距音信号，在接收机中解调成测距副载波信号，然后送至发射机，在发射机中对下行载波调制，最终向地面站发送。应答机中设置电子开关，用于控制测距信号从接收机到发射机的传输路径。一般情况下，测距开关处于连接状态，方便地面站随时进行测距操作。

以上测控分系统在轨运行数据分析中，出现测控分系统应答机A、B测距转发开关同时跳变。由于测控开关状态可由地面站通过遥控指令恢复为正常状态，且该异常跳变没有对测控分系统乃至整星造成任何不良影响，因此异常处理过程中仅按操作流程发送相关遥控指令，恢复正常工作状态。

测控分系统应答机测距转发开关由遥控指令控制，指令接口电路以及遥测状态接口电路示意图如图5所示。

以上电路设计，在CMOS触发器R、S输入端对地电阻两端并接滤波电容，指标设计范围根据实际电路调试情况选取。但实际产品中，并没有装配预先设计的滤波电容。因此，指令输入端存在短时强脉冲的情况下，可干扰以上电路的正常工作，造成输出端电平异常翻转。

测距通、断指令从指令输入端进入应答机，经过分压电阻后，将信号分别送至CMOS触发器R和S输入端口，触发器Q端控制后端的电子开关，同时作为应答机测距开关状态遥测输出。遥控指令为脉冲形式，其脉冲幅度约为12 V，宽度约为100 ms。CMOS触发器的作用是将指令脉冲变为控制开关的高低电平，使得电子开关保持开或断的状态。为验证应答机受干扰情况摸清指令脉冲干扰门限，分别调整脉冲宽度和幅度，进行了以下两项试验：

第一项试验中，维持脉冲宽度为100 ms不变，调节脉冲的幅度，测试可导致CMOS触发器输出翻转的最小指令脉冲幅度。测试结果说明，干扰脉冲宽度约为100 ms，幅度高于6.3 V时，即可使测距转发开关指令电路异常翻转。

第二项试验在第一项基础上进行。试验中，维持脉冲幅度6.3 V，调节脉冲的宽度，测试可导致CMOS触发器输出翻转的最小指令脉冲宽度。测试结果说明，当干扰脉冲幅度高于6.3 V时，且宽度大于1.4 μs，即可使测距转发开关指令电路异常翻转。

注：CMOS为互补金属氧化物半导体的缩写，是大规模集成电路可读写芯片。图5 应答机测距遥控、遥测接口电路示意图

4 设计改进与在轨验证

通信卫星测控分系统应答机、低功率放大器在轨异常，主要体现为对空间环境认识不足、抗干扰设计不充分。

卫星在真空环境中发生的放电现象包括真空放电、微放电、表面静电充放电等。地球同步轨道高度的等离子体的平均电子温度为2.4 keV，平均质子温度10 keV，中性分子极少，这个轨道高度是航天器表面充放电的多发区域。静电放电有热二次击穿、介质击穿、表面击穿等多种方式，可使太阳电池、电子器件和光学敏感器件的性能下降或损伤[7]。

对于低功率放大器在轨失效，后续卫星采取了多种手段提高产品抗静电能力。主要措施包括：采用抗静电能力较强的场效应管，提高低功率放大器抗静电能力；加强低功率放大器静电泻放电路的设计，使低功率放大器中不产生静电积累；与测控分系统相连接的天线喷涂导电漆，使分系统各个部件之间不致产生过高的电位差；整星装配过程中，确保低功率放大器接地桩接地良好，以及机壳接地良好；生产研制和产品运输过程中，严格做好静电防护工作。这些措施有效地提高了低功率放大器抗静电放电的能力，其后连续数颗通信卫星装载的十余台低功率放大器均在轨工作良好，没有再出现类似异常现象。

应答机测距开关跳变体现为指令接口受干扰，也就是抗干扰设计不充分。航天器干扰现象包含三个要素：干扰源、敏感设备、传播途径，切断三者之间的联系即可有效地抑制干扰现象。为了提高应答机测距转发开关指令电路抗干扰能力，需要对其元器件参数进行调整：将R1、R2、R3、R4的电阻值调高为原有电阻值的3倍，在C1*的基础上增加串联一个相同的电容且也与R2并联，C2*按照C1*相同方式处理。

调整后，对于脉冲宽度为100 ms的干扰脉冲，幅度门限与调整前相比有较小提高；对于脉冲幅度为100 ms的干扰脉冲，宽度门限与调整前相比有大幅度提高。由于干扰脉冲多表现为大幅度、窄脉宽的形式，以上调整可有效地防止应答机测距转发开关受干扰。采用以上接口电路的应答机已在轨运行并工作良好，没有再出现测距开关异常跳变。

5 结术语

典型通信卫星测控分系统在轨运行数据说明：测控分系统总体设计合理，可以在卫星全生命周期内，与地面测控网相配合完成各项测控任务；关键单机备份方案得到验证，通过合理的设备切换，确保在卫星设计寿命中，测控分系统不发生影响卫星安全及用户使用的重大异常事件；部分单机出现在轨异常，主要是由于对空间环境认识不足、抗干扰设计不充分，这在后续卫星研制中已进行更改，并得以验证。

根据通信卫星测控分系统全生命周期性能分析，总结测控分系统设计的成功和不足之处，可作为后续卫星测控分系统优化设计的技术支撑与基础，为卫星工程系统顶层设计提供可靠的依据。

References)

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[3]陈宜元，殷礼明. 卫星无线电测控技术[M]. 北京：中国宇航出版社， 2007

Chen Yiyuan，Yin Liming. Satellite tracking telemetry and command technology[M].Beijing：China Aerospace Press，2007 (in Chinese)

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Han Kuixuan. Introduction to unified microwave TT&C system design[M].Beijing：National Defence Industry Press，1984 (in Chinese)

[7]谭维炽，胡金刚. 航天器系统工程[M]. 北京：中国科学技术出版社， 2009

Tan Weichi，Hu Jingang. Spacecraft systems engineering[M].Beijing：China Science and Technology Press，2009 (in Chinese)

(编辑：李多)

Analysis and Improvement of Communications Satellite TT&C Subsystem On-board Performance

WU Yuxiang1WANG Fengchun1AN Weigang2MEI Di1YANG Lingxuan1

(1 China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

(2 Academy of Space Electronic Information Technology, Xi’an 710100, China)

More than dozens of Chinese communications satellites have been launched. Some of them have achieved their operational objectives. The reliability and importance verified by the orbit data of some communications satellite are depicted in the paper. From the view of working life and abnormal times of critical products the paper puts forward the design improvements including strengthening circuit design,adjusting device parameters and using high grade device, and makes the analysis of typical abnormals one by one.The conclusion of the study can provide reference for the TT&C(tracking,telemetry and command) subsystem reliability design of satellites in the future.

communications satellite; TT&C; on-board performance; design improvement

2014-01-06；

：2014-03-21

国家重大航天工程

吴雨翔，男，高级工程师，从事通信卫星测控技术研究工作。Email：615857824@qq.com。

V443

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.015