MEOSAR载荷设计及在轨测试

袁国靖，何泽骅，刘 江，高 雅

(1.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000；2.中国交通通信信息中心，北京 100101)

0 引言

全球卫星搜救系统(COSPAS-SARSAT)是1979年由美国、前苏联、法国和加拿大四国联合开发的全球公益性卫星遇险报警系统[1]，已经稳定运行30几年，截止2016年12月，已协助组织实施11788次搜救事件，成功救援了41750余遇险人员。

早期的全球搜救系统主要依靠低轨道卫星搜救(LEOSAR)系统和静止轨道卫星搜救(GEOSAR)系统转发遇险信标。自2000年起，美国、欧洲委员会和俄罗斯开始与国际卫星搜救组织就其各自的卫星导航系统安装中圆轨道卫星搜救(MEOSAR)载荷设备的可行性进行磋商。美国从2001年到2010年底，陆续发射了9颗搭载S频段下行MEOSAR载荷的GPS卫星(DASS)，欧盟和俄罗斯也分别在Galileo以及GLONASS导航系统上开展了MEOSAR验证工作[1，2]。研究表明MEOSAR系统可以克服LEOSAR系统时延大、GEOSAR系统无法实现南北极覆盖等缺点，于是国际搜救卫星组织在2004年全面启动了MEOSAR系统的开发[1-4]。

MEOSAR系统由空间段、地面段和用户段组成，空间段为装载了MEOSAR载荷的卫星，地面段包括本地用户接收终端LUT站、搜救任务控制中心MCC以及搜救协调中心RCC；用户段为MEOSAR示位标。我国1998年完成了地面LUT站及MCC的建设，成为全球卫星搜救系统地面设备提供国。为了承担起更多的国际事务和人道主义义务，提高在国际卫星搜救组织中的话语权，开展了MEOSAR系统空间段建设，并在北斗全球系统MEO-13、MEO-14卫星上首次装载了MEOSAR载荷，经过在轨测试以及入网测试后将为全球用户提供遇险报警及定位服务。

1 MEOSAR载荷设计

1.1 方案及原理

MEOSAR系统是一个开放的系统，为了实现各国MEOSAR系统之间良好的互操作，国际卫星搜救组织对系统的各组成部分均制定了相应的互操作标准(以下简称标准)。MEOSAR载荷完成遇险用户示位标发出的UHF频段搜救信号的透明转发功能，参考文献[2] ( C/S T.016)规定了详细的互操作指标，该文献中同时还给出欧洲Galileo MEOSAR、俄罗斯Glonass MEOSAR以及美国GPS DASS S-Band MEOSAR载荷的在轨性能，主要指标如表1所示。

表1 MEOSAR标准指标要求以及Galileo、Glonass MEOSAR载荷在轨性能

依据互操作指标要求，同时参考目前在轨的MEOSAR载荷的实现情况，进行我国MEOSAR载荷的设计。

(1)下行频率及发射天线极化方式的确定

标准中未给出下行频率范围；ITU给搜救服务分配的下行频率范围为1544MHz～1545MHz，Galileo以及Glonass MEOSAR设计均在此范围内。为了便于国际互操作，避免可能的信号干扰，我国MEOSAR载荷下行频率也在1544MHz～1545MHz范围内选择。综合考虑变频所需本振频率实现的复杂度，以及多次与国际卫星组织相关成员国频率协调的情况，最终确定了下行频率范围为1544.11MHz～1544.31MHz，相应地，标准模式下行中心频率为1544.21MHz，窄带模式下行中心频率为1544.203MHz。

同时，标准中也未明确发射天线极化方式。由于我国下行频率与Galileo MEOSAR 相近，为了避免相互干扰，将发射天线极化方式设计为右旋圆极化(RHCP)。

(2)变频方案设计

MEOSAR载荷将中心频率为406MHz、带宽为90kHz(或50kHz)的UHF频段上行信号变频至1544.2MHz的L频段下行信号，而90kHz(或50kHz)的相对带宽仅为0.006%(或0.0032%)。对于这样的带宽，滤波器无法实现；另外，超窄带滤波器对转发器的群时延和带宽特性都会产生不利的影响。因此，需要将UHF频段的接收信号先下变频至中频进行滤波，然后再上变频至L频段进行发射。

为获取合适的滤波器相对带宽，中频频率应当足够低；同时，如果中频频率过低，在上变频时产生的镜频信号以及泄漏的本振信号与输出信号非常接近，滤除这些无用信号将会非常困难，一方面增加滤波器设计的难度和复杂度，另一方面将导致设备物理尺寸和质量明显增加。综合以上因素，中频频率选择在几十MHz频段。

(3)工作模式设计

通过对互操作指标的分析，MEOSAR载荷应具有ALC模式，90kHz和50kHz两种带宽模式。为了增加在轨使用的灵活性，提出MEOSAR载荷增加FG模式的设计，且FG模式的最大增益以及最大输出功率均高于ALC模式，可作特殊用途。ALC、FG两种增益模式，以及90kHz和50kHz两种带宽模式可以两两任意组合，实现多种工作模式。各种模式之间可以通过遥控指令进行切换，切换示意图如图1所示。

图1 MEOSAR载荷工作模式切换示意图

在上述分析的基础上，提出我国MEOSAR载荷的设计方案，其结构框图如图2所示。MEOSAR载荷由搜救天线和搜救转发器两部分构成，搜救转发器又包含UHF输入滤波器、UHF接收变频器、搜救固放、L输出滤波器等四个部组件。搜救天线接收来自地面用户示位标的406.05MHz遇险信号，经UHF输入滤波器进行预选滤波后，送给UHF接收变频器进行低噪声放大、变频至1544.21MHz，再由搜救固放进行功率放大，L输出滤波器滤除带外杂波，最终通过搜救发射天线向地面MEOLUT站进行发射[5-7]。

图2 MEOSAR载荷结构框图

搜救转发器中，UHF接收变频器和搜救固放为有源部件，将整星的一次母线电压变换成部件所需的二次电压，同时响应地面上行的工程遥控指令，产生遥测信号。UHF接收变频器采用二次变频方案，实现搜救载荷90KHz和50KHz两种带宽模式；搜救固放实现ALC以及FG两种增益模式，带宽模式及增益模式分别通过遥控指令进行切换。

1.2 仿真模型

1.2.1 搜救转发器

采用Agilent公司的仿真软件ADS进行搜救转发器系统仿真，仿真模型包括UHF输入滤波器、UHF接收变频器、搜救固放、L输出滤波器以及连接的高频电缆，如图3所示。其中UHF接收变频器首先将经过UHF输入滤波器预选滤波的406.05MHz信号进行低噪声放大，然后变频至较低的中频频率，采用两只晶体滤波器分别实现90kHz和50kHz带宽的窄带滤波，再变频至下行1544.21MHz；搜救固放中控制电路实现ALC模式和FG模式的切换，并通过功率放大器将信号放大至所需的电平，最后经过L输出滤波器进行带外杂散抑制后输出。

图3 搜救转发器仿真模型图

1.2.2 搜救天线

搜救天线采用平面微带阵列天线形式，仿真模型示意图如图4所示。

图4 搜救天线仿真模型示意图

UHF接收天线位于下层，由4个辐射单元U1～U4构成；L发射天线位于UHF天线辐射单元U1的正上方，由7个辐射单元L1～L7构成。

2 MEOSAR载荷在轨测试

在北斗全球系统第十三、十四颗组网卫星(MEO-13、MEO-14)首次装载了国际MEOSAR载荷，在轨测试由位于北京云岗卫星地球站的MEOSAR在轨测试系统完成。

2.1 TLE格式轨道参数

由于MEO卫星的轨道特性，地面测试系统需要根据轨道参数对卫星进行实时准确的跟踪。我国航天系统描述卫星轨道的方法为六根数轨道，即在某个观测时间下，通过相位捕捉的形式，提供轨道倾角i、升交点赤经Ω、轨道偏心率e、近地点幅角ω、平近点角M0和轨道半长轴a，并利用惯性模型推断卫星在未来某一点的位置。

在国际搜救组织的相关软件系统内，空间设备提供国一般采用TLE格式将卫星轨道广播到全世界各地的任务控制中心MCC站，并由MCC下发到地面终端LUT站，LUT站跟踪设备利用TLE格式的参数跟踪卫星，接收MEOSAR载荷转发的下行信号。为了与国际组织兼容，方便跟踪不同类型和不同星座的卫星，我国的搜救LUT站以及MEOSAR在轨测试系统均使用TLE格式的轨道参数对卫星进行跟踪，故需要将我国观测站提供的北斗六根数轨道数据转换成TLE格式的轨道参数，用于在轨测试以及正式入网后提供给国际搜救组织相关成员国，提高系统互操作性。

TLE格式，或称两行轨道根格式，为北美防空联合司令部(North American Air Defence Command,NORAD)在60年代编制的卫星轨道参数标准格式，带有阻力系数，可以计算出由于阻力导致的卫星轨道摄动，是一种时变模型[8-10]。它有固定的书写格式，适合不同设备间交换。如MEO-13的TLE格式如下：

BEIDOU-3 M13

1 43622U 18072A 18283.00000000 .00000000 00000-0 00000-0 0 9990

2 43622 55.0238 156.3850 0003195 302.7978 179.2407 01.86239813 000

具体内容及解释如表2所示。

表2 TLE格式参数说明

TLE格式中使用的“卫星每天环绕地球的圈数”可以由六根数轨道观测数据提供的半长轴a进行换算得到。开普勒第三定律-行星运动定律中表述，绕同一中心天体的所有行星的轨道的半长轴的三次方(a3)跟它的公转周期的二次方(T2)的比值为与该天体相关的常数，即：

a3/T2=k

(1)

式中：k=GM/4π2，为开普勒常数；π为圆周率；G为万有引力常数，在此取科学技术数据委员会于2014年推荐的值，即6.67408×1011；M为地球质量，在此取NASA下喷气推进实验室在2008年343R-08-004文档中提供的值，即5.97237×1024；a为观测得到的半长轴。

将这些常数代入到公式后可得：

T=a1.5×3.14710195×10-7

(2)

T为卫星的公转周期，即绕地球一圈所用的时间，单位为秒。用一天的秒数86400除以该周期即可算得卫星每天环绕地球的圈数N：

N=86400/T

(3)

由上述分析可知，在短时间内跟踪观测卫星时，我国航天系统使用的六根数和国际组织的TLE格式的轨道参数之间是可以互相转换的。

2.2 MEOSAR在轨测试结果

采用TLE格式轨道参数对MEO-13、MEO-14卫星进行跟踪，采用国际搜救组织在文献3(C/S T.017)中规定的测试方法对搜救载荷进行了详细的测试，测试结果如表3所示。北斗搜救载荷全面满足国际搜救组织规定的互操作标准指标要求；采用TLE格式轨道参数对MEO卫星进行跟踪的方法满足测试要求，可以用于在轨测试。

表3 MEO-13/MEO-14卫星搜救载荷在轨测试结果

8发射EIRP值dBw≥1516.316.6符合9最大转发增益dB>180182.3181.5符合10ALC动态范围dB>3028>30符合11三阶交调抑制dBc≥3032.933.2符合12搜救信号处理能力/正常解调正常解调正常解调符合

注①：参考伽利略搜救载荷，在轨不作考评，向国际搜救组织提交地面测试数据。

3 结束语

北斗MEOSAR载荷与Cospas-Sarsat系统中欧洲Galileo MEOSAR、俄罗斯Glonass MEOSAR均具有良好的兼容性和互操作性；同时，具有多种工作模式，各种模式之间可通过指令进行切换，增强了在轨使用的灵活性。将我国航天系统使用的六根数轨道转换为TLE格式轨道参数用于卫星跟踪，对首次装载在北斗全球系统MEO-13、MEO-14两颗卫星上的MEOSAR载荷进行了全面的在轨测试，各项功能性能指标符合国际互操作标准，经过入网测试后将正式集成到全球卫星搜救系统中，为全世界海陆空用户提供搜救服务，为全球范围内的人命安全提供有力的保障。