航天测控系统星地测控对接模式应用现状与发展趋势*

马军星，杨俊武，秦明暖，马 婷

(1．西安卫星测控中心 宇航动力学国家重点实验室，西安710043；2.中国空间技术研究院西安分院，西安 710100)

0 引 言

星地测控系统一般由卫星测控系统和地面测控系统两部分组成。从卫星发射直至卫星寿命结束，星地测控每天都在进行，完成对卫星轨道的测量、遥控指令发送、卫星遥测数据接收和监视。由于这两部分通常由不同的生产商负责研制，星地之间能否协调一致地工作是卫星测控的重要前提。因此，在卫星发射前，通常要进行星地对接试验(国外称为星地测控兼容性测试)，这是必不可少的环节，主要是检验卫星测控系统与地面测控系统接口指标的符合性，确认星地双方各项性能、功能的兼容性、协调性和匹配性，确保满足卫星系统对地面测控系统的各项要求[1]。一般由卫星研制方携带卫星设备到航天地面测控站，利用站内真实地面测控系统开展为期数天的星地对接试验。

近几年来，随着航天科技的高速发展，我国发射卫星的数量也呈爆炸式的增长[2]，星地对接密度越来越大。每次星地对接试验需要由卫星研制方、地面测控站、卫星测控中心三方共同配合完成，频繁的星地对接势必会影响到地面测控站和测控中心的日常测控工作，且每次对接需要耗费大量的人力、物力。另外，现有的星地对接试验环境和方法无法全面检验星地测控设备在真实工作条件下的功能和动态性能，逐渐满足不了星地对接的要求。因此，需要发展更为高效、真实、全面的对接模式。

1 星地对接的项目

星地对接试验可分为射频兼容性测试和测控数据接口测试两方面内容。

1.1 射频兼容性测试

射频兼容性测试指卫星设备与地面测控设备的射频接口兼容性测试，由地面测控站和卫星设备配合完成，测控中心不参与，所有的测试项目均在测控设备上完成测试。主要测试项目包含星地信道接口指标测试、星地捕获试验、测距测速测试、遥控测试、遥测测试。星地信道接口指标测试主要包括应答机频谱特性、自动增益控制特性及信标频率准确度测试；星地捕获试验测量地面测控设备与卫星应答机在上行和下行不同电平条件下的载波双向捕获时间、系统捕获时间和捕获概率；测距、测速测试主要包括星地距离零值分离、测距测速随机误差测试、测距值随上行电平变化测试、测距值随下行电平变化测试、测距值随上行载波多普勒变化测试等；遥控测试主要是检查遥控调制体制、编码方式、遥控码型码速率等;遥测测试主要是检查遥测调制体制、编码方式和遥测误码率测试等。

1.2 测控数据接口测试

测控数据接口测试指卫星遥控数据与遥测数据与测控中心的兼容性测试，由中心、测控站和卫星共同完成。主要测试项目包含遥控数据流测试、遥测数据流测试。

(1)遥控数据流测试

遥控数据流测试主要是遥控指令巡检，完成指令帧格式检查。指令通过中心与测站的通信链路到达测控设备，测控设备进行接收并转发至卫星，卫星对指令进行解调、执行，以此来测试指令发送的正确性与匹配性。

(2)遥测数据流测试

遥测数据流测试主要内容为遥测数据格式检查，检验地面测控设备对遥测数据接收、解调的正确性，检验测控中心对遥测数据处理与显示的正确性。具体实施由地面设备对卫星下传遥测或数传数据进行解调，并将该数据发送至中心，由中心进行检查。

以上是目前星地对接普遍采用的试验项目，可以有效验证星地接口的匹配性和适应性。有关国外卫星星地兼容性测试内容尚未查到公开文献，但经了解，国外的星地兼容性测试通常是利用桌面对接验证系统或专用测控模拟器，采取射频有线连接方式进行，测试内容与国内基本相同，由星地射频兼容性测试、数据流测试等组成。

2 星地对接模式应用现状及存在问题

2.1 测站对接

测站对接利用地面测控系统、测控中心和真星或卫星模拟器建立星地回路，完成对接试验。这是目前普遍采用的星地对接方式，可以检验星地接口的匹配性，能做的试验包含了射频兼容性测试和测控数据接口测试中的所有项目。真星指卫星测控系统终端设备，是卫星上天后的真实设备；卫星模拟器指针对具体卫星型号研制的专用测控模拟器，可以代表卫星技术状态。

地面测控站和测控中心根据星地对接试验建立对接状态，测控中心与地面测控站建立星地对接通信链路。卫星设备进场后，安置于地面测控站的屏蔽间内，由卫星研制方展开星上设备并完成自检，连通与地面测控站的星地射频无线信道，然后开展各项对接试验。图1给出了对接试验连接示意图。

图1 星地射频无线对接试验示意图

2.2 厂房对接

厂房对接即在卫星试验厂房进行的射频有线星地对接，图2给出了对接连接示意图。由地面测控系统研制方携带地面测控系统的基带终端、信道链路等部分设备，在卫星试验厂房与卫星进行星地对接试验[1]。一般开展的测试项目有星地信道接口测试、星地捕获试验、测距测速测试、遥测测试。该种对接模式通常在卫星和地面测控系统研制阶段进行，通过对接试验，确定卫星与地面测控系统技术状态的匹配性，双方可按该技术状态继续开展设备研制工作。这种对接模式存在一定的局限性，参加试验的通常仅有卫星研制方和地面测控系统研制方，没有测控中心参加，无法验证星地大回路的遥控测试，且星地双方的设备均处于研制阶段，仅有部分设备参试，不能完全代表最终的设备工作状态。

图2 星地厂房射频有线对接试验示意图

2.3 中频对接

由地面测控系统携带中频信号记录设备前往卫星研制厂家，记录一定量的卫星遥测数据，或者是在开展测站对接时利用中频信号记录设备将卫星遥测数据记录下来,之后将记录的遥测数据传递到各个地面测控站，各测控站再利用记录设备回放数据，并发送给基带进行数据接收解调，完成对接试验。该种对接模式仅能完成遥测测试，验证星地间遥测数据接收、解调的正确性，可作为应急状态下测站间星地技术状态传递的一种手段。

2.4 存在问题

当前的三种星地对接模式是近几十年来广泛采用的模式，完成了大量的对接试验，但是也存在着三个方面的问题。

一是三种星地对接模式对星地测控系统的真实工作状态、工作环境模拟不够全面，不管是测站对接还是卫星厂房对接，均是基于卫星静态下的测试，无法检验星地测控设备在真实工作条件下的性能，比如真实卫星轨道下，星地测控距离变化引起的上、下行测控信号的时间延迟、强度衰减和多普勒效应等状态无法模拟。

二是星地测控对接试验需要多名测控设备操作人员全程参与，耗费大量人力，如果能够采用少人操作，自动运行的方式进行对接试验，操作人员只需要提前设置好设备状态，采用自动化测试方式完成试验项目，势必将大大提高对接效率。

三是频繁在地面测控站开展对接试验，需占用地面测控设备，这将会对正常的卫星测控工作带来影响，在一定程度上造成了测控资源的紧张。

因此，需要在现有对接基础上探讨并发展新的星地对接模式，而测控信道模拟器和星地对接系统的应用会在一定程度上改变目前星地对接试验的弊端，是未来星地对接模式的发展趋势。

3 星地对接发展趋势

现有星地对接模式主要为测站对接和厂房对接，航天发展对测控的要求越来越高，现有对接模式渐渐不适应新的对接需求。基于这种情况，提出两种新型星地对接模式，可以提高测试效率，使得测试环境和测试结果更加真实可信。

3.1 基于测控信道模拟器的对接模式

测控信道模拟器根据卫星信号在空间传输受到的各种影响，对信号幅度、时延、频率、相位等特性进行改变，建立各种模型，模拟卫星信号经过真实空间环境传输后的各种特性变化，如卫星轨道模型、电离层模型和对流层模型等。通过模型，可实时改变经过测控模拟器的卫星信号特性，同时添加信号噪声和干扰信号，从而实现信道模拟[3]。应用在星地对接试验中可以对星地测控设备进行更加真实、全面的检验。

图3给出了测控信道模拟器系统架构，主要由仿真运算与人机交互单元、仿真控制单元、上行校准单元、上行延时重构单元、下行延时重构单元、下行校准单元等组成。

图3 测控信道模拟器功能框图

在测控地面站进行星地对接试验时，测控信道模拟器接收测控地面站输出的上行信号，根据想定及真实的动态场景经延迟转发，生成模拟上行信号发送至卫星应答机；接收卫星应答机输出的下行信号，根据想定及真实的动态场景经延迟转发，生成模拟下行信号输出至测控地面站，完成上下行信号的闭环。

(1)测控信号模拟

对上、下行各一路测控信道进行模拟，实时处理生成测站到达卫星的模拟上行信号Supr和卫星到达测站的模拟下行信号Sdownr，并实时模拟信号的时间延迟及其变化、信号强度及其变化，能够准确地与星地距离及其变化相对应，另外还可以对卫星姿态变化引起的应答机天线增益变化进行模拟。

(2)电离层色散效应模拟

背景电离层作为沉浸在地磁场中的等离子体，其色散是电离层区别与其他空间信道环境的显著标志，也是影响宽带、超宽带测控信号传播的主要因素。电离层色散将导致测控信号的不同频率成分以不同的相速度和群速度传播，从而产生非线性相位超前。测控信道模拟器可以根据信号传播路径上的积分电子总量(Total Electron Content,TEC)，真实模拟出电离层色散对宽带测控信号引起的非线性相位超前及附加延时。

(3)弹道解算

测控空间信道模器根据不同的动态场景解算输入参数，形成控制信号，输入给仿真控制单元，控制信号延迟转发。

(4)测试结果分析

在试验后对测试结果进行分析，按照测站测量数据的采样率抽取模拟数据，对比实测数据和模拟数据，评估设定动态场景下星地链路的测距、测速、测角精度。

3.2 基于星地对接系统的综合对接模式

为了提高测控资源利用率，减少并逐渐取消地面测控设备在星地对接试验中的参与度，建设了专用星地对接系统来替代地面测控设备。星地对接系统1∶1模拟地面测控设备，采用简单、易用、智能化的管理软件[4]，关键技术是以现有地面站测控设备的状态为基准，在系统功能、技术状态上能够兼容地面站测控设备。从这一点出发，该系统的硬件与软件平台与现有地面测控系统有较好的一致性，能够满足目前我国大部分型号卫星的星地测控对接试验。

星地对接系统由测控对接子系统和信号记录与处理子系统组成，如图4所示，其中测控对接子系统由天馈设备、信道设备、基带设备、监控等设备等组成,信号记录与处理子系统主要包括测试开关网络、信号记录回放单元、测试仪器等。

图4 星地对接系统组成框图

星地对接系统可独立完成星地对接试验，与卫星相关设备建立射频信道回路或中频信道回路，验证星地测控信道接口的正确性、匹配性和协调性；测控中心通过通信线路，与该设备进行信息交互，接收卫星遥测，向卫星发送遥控指令，验证星地测控数据接口的正确性和匹配性。动态扩展能力也是该系统必不可少的功能之一，可灵活接入信道模拟器、测控模拟器等设备，共同搭建星地测控链路模拟测试环境，模拟链路传输时延、功率衰减、多普勒变化、电离层色散等动态信息[5]。当与测控信道模拟器配合使用时，采用中频接入或射频接入的方式，串联在对接系统信道链路中，对接系统上行70 MHz基带信号进入信道模拟器，根据信道模拟器的设置完成对信号的模拟后发送至卫星。同理，卫星下行信号进入信道模拟器，信道模拟器对信号施加干扰或各种模拟之后输出至对接系统，共同完成星地对接试验,从而真实、全面地检验卫星测控系统与地面测控系统接口状态。

为了减少人力、提高效率，该系统开发了自动化对接功能，系统框图如图5所示。自动化对接是针对星地对接试验而设计的自动化流程，包含初始化流程、测试流程、数据处理流程以及试验结果评估流程，这也是首次提出并在星地对接试验中进行应用。星地对接试验设备技术状态的建立通过“宏命令”的形式由操作人员进行预先配置[6]。“宏”包括配置宏和参数宏，系统接收到自动化运行指令时通过流程调度功能，按顺序向全系统分发、加载，各设备接收到“宏”命令后，更新工作参数，并根据控制命令处于自动运行状态。对接前配置正确后，对接开始时一键启动自动化运行，系统将按照对接流程自动完成每一项对接试验。

图5 星地对接系统自动化运行体系

对接流程由系统监控统一调度执行，各分机设备配合完成，自动化运行根据星地对接流程进行控制，自动操作完成信号采集与处理。系统基带设备在接收到自动化运行命令后，启动自动对接模式，按对接流程自主运行，自动化完成遥测测试、遥控测试、测距、测速等测试，并对测试结果进行显示和存储。系统完成星地对接流程后，自动完成试验结果分析，生成测试报告。星地对接试验自动化流程图如图6所示。

图6 星地对接试验自动化流程

4 结 论

本文分析了星地对接模式发展应用现状，指出目前星地对接在形式上和技术上均存在一定弊端，需要发展更为高效的对接技术，建立新的对接模式；进而提出采用测控信道模拟器和星地对接系统进行星地对接试验是未来星地对接模式的发展方向，并介绍了两种新型对接模式的特点与应用情况，阐述了星地对接系统自动化对接流程及实现方法。目前两种新型对接模式已在工程中进行应用，改变了我国星地对接试验的现状，不仅使对接试验结果更加真实可信，而且节省了测控资源，提高了对接效率。