天基测控系统产品化研究与实践

/北京宇航系统工程研究所

天基测控系统主要由天基测控S频段中继终端、相控阵天线等组成。天基测控S频段中继终端接收来自中心程序器(或数据综合器)的PCM数据,完成数据挑路后形成返向数据帧,并在中继终端内完成基带信号的调制和载波搬移,以射频信号输出至相控阵天线。同时,中继终端从PCM数据中提取火箭姿态和位置信息,生成波束指向信息,将波束指向信息传输到相控阵天线,完成相控阵天线波束指向控制,并收集自身与相控阵天线状态信息,发送到中心程序器(或数据综合器)后再通过遥测信道回传。

天基测控子系统利用中继卫星进行运载火箭测控信息转发传输,可以大幅提升测控覆盖率,节省大量人力和物力,降低发射成本,减少发射准备时间,并可实现全射向、多轨道发射和全球机动发射,很好的解决了地基测控存在的问题。

北京宇航系统工程研究所自天基测控系统设计初期便大力推进产品化体系建设,规划了天基测控基本型及三步走战略,并统一产品性能指标及输入输出要求等,指导产品开展规范化设计,这是测量系统产品化工作的积极探索,更是全面深入推进产品化建设的重要里程碑。

一、工作与实践

在现有技术认识的基础上,天基测控按照返向码率这一主要技术指标开展基本型的规划,同时,参考天基测控用户终端型谱规划,统筹需求后规划为100kbps以下返向码率S频段天基测控基本型、100kbps-1Mbps返向码率S频段天基测控基本型、1Mbps以上返向码率Ka频段天基测控基本型等3种天基测控基本型。

1.100kbps以下返向码率S频段天基测控基本型

一是箭上组成(见图1)。

针对返向码率100kbps以下天基测控,基本型需要由S频段中继测控终端、S频段天线组成,终端可扩展前向功能。若需要前向链路功能,则终端扩展为前返向终端,基本型加设前向链路全向天线。

二是地面测试设备组成(见图2)。

图1 100kbps以下返向码率S频段天基测控箭上组成

图2 100kbps以下返向码率S频段天基测控地面测试设备组成

2.100kbps-1Mbps返向码率S频段天基测控基本型

一是箭上组成(见图3)。

针对100kbps-1Mbps码率天基测控,基本型需要由S频段中继测控终端、S频段相控阵天线组成,终端可扩展前向功能。若需要前向链路功能,则终端扩展为前返向终端,基本型加设前向链路全向天线。

二是地面测试设备组成(见图4)。

图3 100kbps-1Mbps返向码率S频段天基测控箭上组成

3.1Mbps以上返向码率Ka频段天基测控基本型

一是箭上组成(见图5)。

针对1Mbps以上码率天基测控,基本型需要由Ka频段中继测控终端、Ka频段相控阵天线组成。

二是地面测试设备组成(见图6)。

二、实践效果

根据我国“天链”中继卫星系统建设进度、技术可行性、S频段、Ka频段技术成熟度以及型号需求等方面的情况,天基测控按照三步走的发展思路,逐步推进该技术在型号中的应用,最终满足部分及全部替代地基测控的目标。

图4 100kbps-1Mbps返向码率S频段天基测控地面测试设备组成

图5 1Mbps以上返向码率Ka频段天基测控箭上组成

第一步,低码率阶段。利用“天链一号”中继一期卫星,采用S频段完成低码率数据传输,解决航区测控盲区部分遥测数据传输问题,以打通链路为主,满足CZ-XX等型号系列运载火箭现阶段测控需求以及部分武器型号的测控需求。目前, CZ-XX等型号S频段天基测控低码率数据传输均已经取得成功。

第二步,中码率阶段。充分发挥S频段卫星下行链路能力,深入研究LDPC等高效编码方式,实现S频段中码率数据传输,提供更高的测控覆盖范围和更高的数据传输要求,满足Ka频段技术尚未成熟阶段遥测数据的传输要求,在第一步相关技术成熟的基础上进一步扩展S频段的能力。目前,CZ-XX等型号S频段天基测控中码率数据传输已经取得成功。

第三步,高码率阶段。采用Ka频段设备,实现高码率遥测数据传输,彻底解决遥测下行信道容量问题,解决地面站的冗余问题,实现部分及全部替代地面站和海上测量船的目的。目前,XX-XA等型号 Ka频段天基测控高码率数据传输已经取得成功。

图6 1Mbps以上返向码率Ka频段天基测控地面测试设备组成

三、后续思路

一是规定测量系统产品的设计和建造要求,大力推进高码率技术成果,完善并规范设计构架、要素等内容。

二是建设货架产品,规范产品名称,控制上架产品数量,兼顾通用性、系列性、发展性等。

三是产品成熟度认定和提升,按照成熟度认定方法,对产品单机、模块进行划分,对各种类的产品或模块开展成熟度定级工作。

四是建设产品化规章制度,编制天基测控子系统基本型设计规范,固化前期成果,总结、提炼天基测控子系统设计方法与流程,抢占行业先机。

五是形成基本型持续完善、持续更新管理办法,不断补充和丰富基本型构成。

六是在新型号中全面推行产品体系模式下的研制工作。

天基测控系统产品体系的建立是发展战略的需求、是落实新体系建设的需求、是适应由任务型向任务能力型转型的需求。系统和型号工作人员应共同努力,将天基测控系统和产品化单机进一步推广至更多型号,使天基测控技术在运载火箭测控任务中发挥越来越重要的作用,逐步替代测量船和地基站,提高型号的经济效益。