嫦娥四号任务中继通信链路地面测试验证及数据处理

权爽 张静 马千里 刘奇 陈思豪 何晓宇

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

嫦娥四号首次实现了探测器在月球背面软着陆和巡视勘察[1-3]，月球与地球站中继通信链路是嫦娥四号任务的关键组成部分[4-6]。在探测器研制阶段，中继通信链路地面测试验证是探测器系统级测试的重要环节，同时也是我国航天器测试领域的全新课题。在制定测试方案时，需要满足探测器整器研制各阶段测试和试验任务需求，适应各种测试模式下的中继链路信息流配置，满足探测器月球背面着陆和巡视探测任务模拟飞行测试中的数据实时性和连续性要求，并对测试过程中产生的中继链路数据的正确性和完整性进行验证。上述需求没有成熟型号经验以供参考，在制定测试方案时需要站在系统级及大系统间测试验证的角度进行充分考虑和全新设计。

本文针对月球中继通信链路地面测试验证需求，提出了系统级地面测试方案，并结合嫦娥四号综合测试实践，对测试流程、测试模式、测试系统实现、测试数据处理等进行总结，其成果对后续月球与深空探测器研制任务具有借鉴意义。

1 月球中继通信链路概述

嫦娥四号任务采用了月球背面着陆器、巡视器和地月L2点轨道中继卫星之间的数据再生转发中继通信方案[4]。通信链路包含器-星中继链路、星-地通信链路和器间通信链路，如图1所示。

(1)器-星中继链路：着陆器自动力下降段开始与中继卫星建立X频段中继链路；巡视器落月后开始工作，与中继卫星建立X频段中继链路。

(2)星-地通信链路：中继卫星通过S频段测控链路完成自身遥测、遥控和测定轨任务，以及两器前向数据的接收；并通过S频段和X频段数传链路传输自身遥测、探测数据和转发的两器返向数据。

(3)器间通信链路：巡视器与着陆器之间的单向UHF频段通信链路，用于巡视器返向数据的转发，与巡视器自身返向链路形成功能备份。

其中器-星中继链路和器间通信链路参数见表1，共包含5条链路、7个频点、12种码速率、4种数据帧长以及多种数据格式和数据内容。在地面测试阶段，需要对上述通信链路的功能、指标和接口进行充分验证。

注：f1、f2为着陆器X频段中继前向链路频点；f3、f4为巡视器X频段中继前向链路频点；f5、f6为着陆器和巡视器X频段中继返向链路频点；fUHF为UHF频段器间通信链路频点。

2 中继通信链路地面测试任务

2.1 测试任务特点

嫦娥四号中继通信链路验证工作包含初样阶段、正样阶段和在轨阶段。其中正样阶段验证工作在整器系统级地面测试期间开展，目的是最终确定飞行产品的功能、性能符合性，并对系统在轨工作程序进行地面1∶1验证[4]。测试内容包括中继通信链路各项功能、性能指标验证，以及任务过程模拟飞行(模飞)测试。测试任务具有如下特点。

(1)测试流程环节多。随探测器和中继卫星研制流程推进，在多个测试阶段针对中继通信链路安排不同的测试项目，达到特定的验证目的，逐层递进，最终实现系统级功能全面验证。

(2)测试模式多。测试流程中各阶段的测试状态不同，采取不同的测试模式，配合相应的测试链路设置、地面设备配置、测试数据处理过程等。

(3)测试信息流复杂。包含多种信息来源和信息路径，在不同测试模式下，信息传输路径也有所不同，要求地面测试系统具备多路信息流并行处理能力和数据格式自动识别能力，确保复杂任务过程模飞测试中数据接收的实时性、连续性和完整性。

(4)测试数据比对判读要求高。要求对不同路径接收的数据进行比对、判读和分析[7]，充分验证中继链路数据转发功能。

2.2 测试流程

中继链路测试贯穿于探测器系统级测试全过程，包括着陆器和巡视器总装厂电性能测试、两器联合测试、两器一星联试，以及两器一星与大系统对接测试。分阶段、有步骤地完成对中继通信链路各项功能和指标的全面验证。测试过程如图2所示。

图2 中继通信链路地面测试过程

在着陆器和巡视器总装厂测试中，分别对两器测控数传分系统X频段中继链路和UHF频段器间通信链路进行测试。通过测试，检查着陆器和巡视器各自器上设备的工作状态。之后，进入两器联合测试阶段，重点对器间UHF通信链路进行测试。中继卫星完成总装厂各阶段测试后，与着陆器、巡视器共同开展两器一星联合测试，验证探测器与中继卫星之间中继链路的各项功能、指标和接口。在中继卫星和探测器出厂前，分别安排两次两器一星与大系统无线对接测试。

2.3 测试模式

根据探测器测试状态的不同，测试模式包括着陆器单器测试模式、巡视器单器测试模式、两器联合测试模式和两器一星联合测试模式。在地面测试期间，两器一星联合测试模式最接近在轨真实工作状态，在该模式下对中继通信链路进行全面验证。工作模式如图3所示，中继卫星测控上行信号由中继卫星地面测试设备产生，中继卫星下行遥测和数传信号由中继卫星地面测试设备接收。着陆器、巡视器与中继卫星之间建立从动力下降至月面工作期间的中继通信链路，模拟在轨真实工作状态。着陆器、巡视器指令通过中继卫星上行链路和中继前向链路发送到器上；着陆器、巡视器数传数据通过中继返向链路和中继卫星下行链路传回地面。同时，巡视器通过器间通信链路将数据发送给着陆器，再经上述路径转发至地面。

3 地面测试系统和数据处理

3.1 地面测试系统

探测器地面测试系统由总控设备、测控数传地面设备、供配电地面设备、GNC地面设备、推进地面设备、有效载荷地面设备等组成[8]。其中测控数传地面设备和总控设备与中继链路测试验证密切相关，设备组成如图4所示。

与嫦娥三号探测器地面测试系统不同的是，除着陆器和巡视器各自的遥控前端、遥测前端和数传前端外，增加了中继转发遥控前端和中继转发数传前端。前者负责将总控生成的中继前向指令发送至中继卫星地面测试系统，再经中继卫星转发给探测器；后者负责接收由中继卫星地面测试系统接收并转发来的探测器中继返向链路数据，并将数据转发给探测器总控和其他分系统地面设备。地面测试链路覆盖表1中的5条中继通信链路和7个中继通信频点，数据格式覆盖表1中的12种码速率和4种数据帧长。地面测试系统支持探测器单器测试、两器联合测试和两器一星联合测试模式，支持探测器正样研制流程中各阶段系统级测试任务。

3.2 测试数据处理

1)测试信息流

在两器一星联合测试模式下，探测器地面测试系统接收的中继返向链路信息流包括着陆器、巡视器直接下传到地面的中继返向数据；着陆器、巡视器通过中继卫星下传到地面的中继返向数据；巡视器直接下传到地面的器间通信数据；巡视器通过着陆器及中继卫星下传到地面的器间通信数据等。

图3 两器一星联合测试模式

图4 探测器地面测试系统

表2列出了各种测试模式下的全部12路测试信息流。

表2 中继返向和器间通信链路测试信息流

2)测试数据处理要求

为支持复杂任务过程模飞测试，测试数据处理需要满足以下要求：

(1)多通道并行处理。同一个数据源产生的数据可能通过最多3条信息路径下传到地面，例如表2中的信息流D、F、K。因此要求地面测试系统具备多通道并行数据处理能力。

(2)数据格式自动识别。在模飞测试过程中，按照飞行程序需要经历地月转移、环月飞行、动力下降、月面工作等多个任务过程，测控数传通道转换频繁，动作时间紧张，并且需要保证数据接收的连续性和完整性。因此要求地面测试系统能够自动识别接收的数据格式，选择相应的数据处理方法。

(3)支持数据比对判读。对不同信息路径下传的数据进行比对和判读，验证中继链路数据转发功能。具备数据原码比对和处理后的数据工程值比对两种方式。

3)测试数据处理过程

根据以上要求，设计测试数据处理过程如图5所示，包含以下步骤：

(1)判断信息来源。通过数据包中的信息源标志区分数据来自着陆器数传前端、巡视器数传前端或中继转发数传前端。

(2)判断航天器标志。通过航天器标志区分所属航天器，滤除中继卫星数传数据包，保留着陆器和巡视器数据包。

(3)判断虚拟信道标志。通过虚拟信道标志判断数据类型，区分着陆器长帧遥测源包、着陆器短帧遥测源包、巡视器遥测源包或巡视器帧遥测。

(4)数据帧长度校验。判断数据帧长度进行数据格式校验。

(5)数据分类处理。根据上述流程判断的信息内容和数据格式，选择相应的数据处理方法，完成遥测参数提取、解析、显示、归档和判读。

4)测试数据比对判读

通过比对不同信息路径传输相同信源数据的一致性，可以有效验证中继链路数据转发功能的正确性。例如在两器一星联合测试模式下，巡视器器间通信遥测源包数据可以直接由巡视器地面设备接收(信息流D)；也可以通过着陆器转发后由着陆器地面设备接收(信息流F)；还可以经中继卫星转发后由中继卫星地面设备接收，再转发给巡视器地面设备做进一步处理(信息流K)，如图6所示。经处理后，3路信息流有效数据格式和数据内容应完全相同，通过对数据帧原码进行比对，并对处理后的遥测工程值进行比对和判读，可以验证中继返向链路和器间通信链路的工作状态。

图5 测试数据处理过程

图6 巡视器测试数据比对

表3分别给出了两器联合测试和两器一星联合测试模式下的数据比对判读策略。在两器一星联合测试模式下，共有5组测试数据需要进行比对：

(1)着陆器长帧遥测源包：信息流A、H；

(2)着陆器短帧遥测源包：信息流B、I；

(3)巡视器遥测源包：信息流C、J；

(4)巡视器器间通信遥测源包：信息流D、F、K；

(5)巡视器器间通信帧遥测：信息流E、G、L。

表3 测试数据比对判读策略

注：信息流代号“A～L”说明见表2；“-”表示信息流在该测试模式下不存在；相同符号的信息流用于该测试模式下的数据比对。

4 结束语

本文提出的中继通信链路测试验证方案应用于嫦娥四号探测器研制任务，支持完成了探测器正样阶段各项测试、试验和发射工作。经验证，中继链路各项功能、性能指标符合设计要求，满足在轨任务需求。探测器发射入轨后，着陆器在中继卫星的支持下成功实现了月球背面软着陆，着陆器和巡视器在月球背面成功开展了一系列探测活动，通过中继链路将月球背面图像和科学探测数据传回地球。本文的研究成果对未来深空中继通信系统的设计和研制具有一定参考价值。