基于中继卫星的运载火箭天基测控系统研究

张 强， 裴 胤， 王小辉， 祝树生

(中国运载火箭技术研究院研发中心 北京 100076)

引 言

跟踪与数据中继卫星系统TDRSS(Tracking and Data Relay Satellite System)是利用同步卫星和地面终端站，对中、低轨飞行器进行高覆盖率测控和数据中继的测控通信系统，它具有跟踪测轨和数据中继两个功能，是一种先进的天基测控系统。基于中继卫星的天基测控技术为新型运载火箭的遥测遥控和数据通信提供了先进技术途径，不仅从根本上解决了地基测控通信覆盖率低的问题，还解决了高速数传和多目标测控通信等技术难题。

航天任务仿真是进行航天任务分析与设计的重要技术手段。作为航天任务仿真软件的代表，STK(Satellite Tool Kit)具备可视化程度高、软件模块功能完善、模型精确可靠、使用方便等特点。利用STK中经过验证的仿真模型可以快速、有效地构建航天任务仿真系统。本文利用STK软件建立了某运载火箭天基测控系统仿真模型，对多条飞行轨迹的中继星天基测控系统通信覆盖范围进行了仿真，为天基测控方案的总体评估、无线测控通信链路分析、测控覆盖率分析等提供了参考。

1 中继星天基测控技术简介

随着中继卫星技术的不断发展，通过箭载的中继用户终端解决火箭与地面站之间各种信号的传输，对地面站发射的遥控指令、任务信息和其他数据进行转发等，是实现超远距离通信及测控任务的一种较理想通信手段。

天基测控系统的箭载终端可以采用Ka频段传输中高码速率数据，为高清晰度图像数据和大量载荷数据的传输提供了可能，扩大了测控系统的作用范围，缩小了测控盲区;而在中低速数据传输和测控任务中，则可采用S频段箭载终端。与传统的测控手段相比，中继星天基测控技术具有较高的性能价格比优势[1]。

中继卫星天基测控方案还具有以下优势:

①将中继星用户终端安装在火箭平台上，通过中继星转发技术有效地解决了靶场远距离测控通信保障的技术难题，提高了对火箭的测控覆盖率。

②中继星作为发射场试验数据、图像信息的传输手段，解决了控制信息的远距离传输问题，提供了较高的可靠性和安全性保障。

③火箭在飞行过程中可以实时获得地面指挥中心传来的控制信息，实时进行任务调整，提高了任务灵活度。

2 中继星天基测控系统的总体描述

中继卫星天基测控系统由中继卫星、中继星地面系统和若干用户终端设备组成[2]，它主要实现两大功能:一是对运载火箭进行跟踪、遥测与遥控;二是数据中继。

2.1 中继星天基测控系统的工作原理

跟踪与数据中继卫星系统，一般由2～3颗地球同步卫星、相应的地面应用系统和用户终端组成[3]。运载火箭要传给地面的遥测数据和应用数据，先经S频段和Ku/Ka频段星间链路发向中继卫星，中继卫星再以Ku/Ka频段将其转发到地面终端站，并在终端站进行射频解调与译码处理。视频信号以原始格式通过通信卫星链路或其他宽带链路送到地面用户终端或有效载荷控制中心。地面要发往运载火箭的指令、话音、数据和电视等信息，先在地面终端汇集，调制到Ku/Ka频段链路上，发向中继卫星，再由中继卫星发给运载火箭。地面站—中继卫星—运载火箭的通信链路称为前向链路(上行链路)，运载火箭—中继卫星—地面站的通信链路称为返向链路(下行链路)[4]。

中继卫星天基测控系统工作原理如图1所示。中继卫星的用户终端安装在运载火箭上，作为外部信号与火箭内部设备直接的接口设备，它通过中继卫星与地面站建立前、返向链路，完成信号的接收和转发，通过总线接口与运载火箭的指令分系统、数据分系统、遥测分系统相连接，完成对运载火箭的测控和数据传输功能[5]。

图1 中继卫星天基测控系统工作原理

2.2 系统功能

中继星天基测控系统主要完成以下功能[6，7]:

①将箭上遥测信息通过数据中继卫星下传至地面;

②将箭上关键点的图像信息通过数据中继卫星下传至地面;

③将地面安控信息通过数据中继卫星上传至箭上;

④将地面遥控指令通过数据中继卫星上传至箭上;

⑤利用导航信息进行飞行轨迹测量，并将测量结果下传至地面。

3 箭载天基测控终端组成

箭载天基测控终端为安装在运载火箭上的测控设备，主要由S频段宽波束天线、Ka频段有源相控阵天线、射频前端、收发信机、数据处理器和电缆网等组成，如图2所示。

图2 箭载天基测控终端组成

3.1 数据处理器

数据处理器的主要功能如下:

①通过高速总线与箭上控制系统进行双向数据传输。接收控制系统的信息，编码后进行组帧并发送给Ka频段有源相控阵天线，同时对上行的遥控指令进行解算，发送至控制系统;

②通过高可靠总线与箭上安控系统进行双向信息传输。接收安控系统的状态信息，编码后进行组帧并发送给Ka频段有源相控阵天线，同时接收上行的安控指令，解算后发送给箭上安控系统;

③通过高速总线接收测量系统的遥测数据和图像数据，对数据进行编码后组帧，并发送给Ka频段有源相控阵天线;

④根据控制信息和导航信息进行飞行轨道计算，将计算结果组帧后发送给收发信机。

3.2 收发信机

收发信机的主要功能如下:

①接收数据处理器发送来的各种飞行测量数据，完成从基带信号到中频模拟信号的处理，发送给射频前端;

②接收射频前端处理后的中频信号，完成中频信号到基带信号的处理后发送给数据处理器。

3.3 射频前端

射频前端的主要功能如下:

①接收收发信机发送来的中频信号，经过放大、滤波后调制成S波段射频信号发送给天线;②接收天线传入的中继星信号，经低噪声放大、二次混频及放大变频至中频，输出给收发信机。

3.4 S频段宽波束天线

S频段宽波束天线的主要功能如下:

①接收中继卫星上传的遥控、安控指令信息，将电磁信号转换成射频信号，发送给射频前端;②接收射频前端传送来的飞行测量信息，将射频信号转换成电磁信号，发送给中继卫星。

3.5 Ka频段有源相控阵天线

Ka频段有源相控阵天线的主要功能如下:接收数据处理器处理完成的基带信号，将基带信号上变频至射频，然后利用相控阵天线的发射模块对信号进行放大、滤波、功率分配、空间波束合成，再将射频信号转换成电磁信号发送给中继卫星。

4 中继星天基测控系统覆盖率仿真

在仿真模型中，要求发射机和发射天线具有强大的发射功率和较高的天线增益，要求接收机具有较高的灵敏度和极低的噪声。在使用STK进行仿真的过程中需注意两个重要无线链路参数的设置:品质因数G/T和等效全向辐射功率(EIRP)。G/T是一个表征中继卫星转发器接收能力(接收系统灵敏度高低)的技术指标。G为天线增益，T为系统噪声性能。EIRP表征箭载遥测天线或卫星转发器的发射能力，是发射机发射功率与发射天线增益的乘积。

本文仿真中采用轨道数据文件“Ephemeris File Format(*.e)”来描述运载火箭轨道数据信息，用“Attitude File Format(*.a)”来描述运载火箭飞行过程的姿态信息。在*.e文件的编制过程中首先需要设定仿真环境的版本号，紧接着以代码“BEGIN Ephemeris”通知 STK轨道文件开始，用关键词NumberOfEphemerisPoints描述运载火箭位置点数目，用关键词ScenarioEpoch描述仿真场景的起始时间，用关键词InterpolationMethod描述差值方法，本文设置为拉格朗日Lagrange法，用关键词InterpolationOrder描述插值阶数，一般情况下一阶即可满足要求，用关键词CoordinateSystem描述文件中数据的坐标系，本文采用地心惯性坐标系J2000，用关键词EphemerisTimePos定义文件中的数据内容与组织格式。

轨道数据文件*.e编制如下:

Stk.v.5.0

BEGIN Ephemeris

NumberOfEphemerisPoints 21515

ScenarioEpoch 8 Mar 2013 04 04:00:00.000 UTCG InterpolationMethod Lagrange

InterpolationOrder 1

DistanceUnit meters

CentralBody Earth

CoordinateSystem J2000

EphemerisTimePos

XX XX XX XX(轨道数据)

…

运载火箭的偏航、俯仰、滚转等姿态描述文件*.a采用AttitudeTimeYPRAngles格式，本文仿真中定义的姿态角为地心惯性坐标系J2000按321(Z-Y-X)的次序旋转到箭体坐标系下的角度。

本文使用一个假设的高斯波束对运载火箭上的天线进行模拟，参数设置如下:天线类型:高斯型;天线频率:XXHz;天线效率一般在50% ～70%之间，本文设为60%;天线直径0.5m;波束宽度为19.44°;天线的安装指向方位角变化范围0°～360°，高度角范围0°～90°。由于系统设计中要求通信误码率小于10-6，在仿真时可以为中继卫星接收机增加通信约束，设置通信误码率门限。

本文利用STK软件建立了某运载火箭天基测控系统仿真模型，为天基测控方案的总体评估、无线测控通信链路分析、测控覆盖率分析等奠定了基础。天基测控系统仿真模型如图3所示。

不同天线安装指向对运载火箭与天链1号星之间的通信链路影响很大。通过对不同天线安装指向的仿真分析，可以寻找到通信链路建立时间最长的情况。通过STK中内嵌的测控覆盖率计算功能，可以对不同飞行轨迹的天基测控覆盖率进行计算，如图4所示。通过仿真计算，验证了本文设计的天基测控方案在测控覆盖率上满足设计要求。

图4 天基测控系统覆盖率仿真结果

5 结束语

本文在STK仿真环境中创建了基于中继卫星的天基测控系统模型，包括天基测控地面站、运载火箭、中继卫星等模型，并为相关对象分别添加了发射机和接收机模型，设置了通信链路参数。通过STK仿真对多条飞行轨迹的中继卫星天基测控系统通信覆盖范围进行了分析。分析表明，利用中继卫星天基测控系统完成运载火箭测控任务在技术上可行。本文还对不同飞行轨迹的天基测控系统覆盖率进行了仿真分析。

[1]李艳华，卢满宏.天基测控系统应用发展趋势探讨[J].飞行器测控学报，2012，31(4):1～5.

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[3]郭贵堂，喻 芳.TDRSS系统S波段双模式用户应答机[J].飞行器测控学报，2002，21(4):43～47.

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[5]杨天社，席 政，李济生，黄永宣.航天器天基测控技术仿真研究[J].飞行器测控学报，2006，25(6):1～5.

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