嫦娥五号任务欧空局测控对接试验方法与启示

黄 磊， 陈少伍， 徐宝碧， 丁 林， 李海涛， 程 承

(1.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094； 2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；3.上海宇航系统工程研究所，上海 201108)

按照我国探月工程“绕、落、回”三步走的战略[1]，嫦娥五号探测器于2020年11月24日在海南文昌发射场顺利发射，历时23天后，于2020年12月17日凌晨成功携带月球样品返回地球，实现了我国首次地外天体采样返回。

此次任务从发射段伊始就采用轨道器X频段进行测控，这在我国探月任务中尚属首次。采用X频段测控与S频段相比，可以显著减轻应答机质量，提高测定轨精度[2]，但由于天线波束相应变窄，增加了地面测控站捕获的难度。在此次任务中，探测器与运载火箭分离约6 min后便进入阿根廷深空站的跟踪弧段，阿根廷深空站波束较小，X频段仅为0.07°，而之前历次探月任务使用的圣地亚哥站S频段波束约为0.8°，两者相差10倍以上，若运载火箭入轨偏差较大就会存在无法捕获探测器的风险，为确保任务万无一失，任务中采用欧空局库鲁站作为发射入轨段的测控备份，可在关键时刻开展应急测控。此外，为了确保采样返回过程中，轨道器与返回器分离点参数精度指标能够满足任务要求，采用欧空局玛斯帕拉玛斯站与我国测控网所属的纳米比亚站、阿根廷深空站一起对轨道器开展三站接力测量，通过三站地理几何上的分布来提高测定轨精度。

为了验证嫦娥五号轨道器与欧空局所属测控站的接口匹配性，中欧双方于2017年下半年在欧洲空间操作中心(European Space Operations Center，ESOC)开展了测控对接试验，并进行了轨道器—ESOC—北京中心(Beijing Aerospace Control Center，BACC)之间大回路地地接口测试。本文详细介绍了此次测控对接试验的设计、实现、启示和结论，重点介绍了试验项目及试验方法上与国内测控对接试验的异同。

我国和欧空局自21世纪初签署测控合作协议以来，在嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号和嫦娥五号等探月任务以及首次火星探测任务中均利用欧方测站为我方探测器进行了测控支持。在测控支持前，双方需要正式签署天地接口控制文件，并开展一次测控对接试验，以确保天地接口的匹配。因嫦娥二号与嫦娥一号的天地接口状态相同，因此中欧双方针对我国月球与深空探测任务在ESOC共开展了4次测控对接试验。然而，截至目前，在国内公开发表的各类文献中，尚未有对ESOC航天任务测控对接试验的详细介绍论述，本文将填补这一空白，通过对欧空局测控对接试验方法的介绍，以及从对接试验的成功经验中获得的对接模式、对接试验条件、对接项目和对接方法4个方面的启示，为今后国内站测控对接提供重要参考建议。

1 轨道器对接试验

1.1 对接试验基本设计原则

由于在嫦娥五号任务过程中，欧方地面测控站和ESOC均需向中方提供测控支持，因此对接试验包括了射频测控对接(Radio Frequency Compatibility Test，RFCT)和地地接口测试两部分内容，分别用于对嫦娥五号任务中欧双方的天地接口和地地接口指标进行验证及确认。

为了确保试验验证的正确性、充分性和有效性，在试验之前，中欧双方对对接试验内容进行了协同设计，明确了以下基本设计原则：

① 中欧双方参与对接试验的设备必须能够代表任务真正技术状态，若任务因故推迟，双方设备状态需保持对接时的状态不变，确保执行任务时天地接口匹配。

② 对接试验项目需对双方接口控制文件中列出的所有相关指标进行确认，若出现与接口指标不一致的情况，需视情对接口控制文件进行修订。

③ 对接试验项目兼顾中方对接试验规程和欧方对接试验规程，确保对接内容的全面充分，各项指标需符合空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)标准和/或欧洲航天标准化合作组织(European Cooperation for Space Standardization,ECSS)标准。

④ 因参试设备实际技术状态等原因导致无法进行测试的项目在试验前由双方沟通确认，若该项目对接口指标无影响，可不进行测试，写入对接纪要的弃权部分，不影响对接试验的最终结论。

1.2 射频测控对接设计

射频测控对接主要检验天地接口设计的正确性和协同工作的匹配性、可靠性[3]。图1(a)为欧空局参考测试站测控设备，在位于ESOC的参考测试站进行，参考测试站通过加载不同的基带来模拟相应测站的技术状态，库鲁站使用中频调制系统(Intermediate Frequency Modulation System,IFMS)基带，而玛斯帕拉玛斯站使用Cortex基带。从2020年开始，跟踪遥测和命令处理器(Tracking,Telemetry & Command Processor，TTCP)基带[4]将逐步替换掉现在使用的IFMS基带，这涉及到欧空局的3个深空站和库鲁站，但欧方承诺库鲁站的IFMS基带将一直保留，确保执行完嫦娥五号任务为止。

嫦娥五号轨道器相关设备以及配套地检设备放置于屏蔽室内，如图1(b)所示。屏蔽室面积约6～7 m2，试验期间房门关闭，有效屏蔽了因射频信号泄露导致的干扰，防止了漏信号过强导致接收机误锁定现象[5]，使得测试结果更加准确，极其适用于上行及下行门限指标测试。此次对接中，嫦娥五号轨道器相关设备均为鉴定件，其技术状态可以真实代表上天产品的技术状态。

图1 射频对接试验中天地相关测控设备

嫦娥五号轨道器测控分系统框图如图2所示。轨道器共有2台X频段应答机(应答机A和应答机B)、每台应答机由不同的研制单位生产，且均可工作在2个测控点频上(测控点频1和测控点频2)，而库鲁站和玛斯帕拉玛斯站的基带设备也不相同，为了确保对接充分，依次进行了B2(B2指应答机B和测控点频2)与库鲁站、A1(A1指应答机A和测控点频1)与玛斯帕拉玛斯站、A1与库鲁站、B2与玛斯帕拉玛斯站的对接，共计4组，每组对接项目相同。通过充分对接，确保了在正常及异常飞行情况下利用欧空局地面测控站开展应急测控的可行性，进一步提高了任务的可靠性。

中欧双方共同开展了射频测控对接试验的设计工作，确定的对接项目包括地面站上行信号特性测试、应答机特性测试、嫦娥五号轨道器下行测控信号特性测试、地面站下行信号接收特性测试，以及跟踪性能测试5部分。

图2 嫦娥五号轨道器测控分系统框图

1.2.1 地面站上行信号特性测试

地面站上行信号特性测试与国内传统对接相同的测试项目包括上行频谱纯净度检查、遥控调制指数测试和测距调制指数测试。相较于国内对接，此次对接项目增加了载波相位噪声测试和占用带宽测试。

1.2.2 应答机特性测试

应答机特性测试与国内传统对接相同的测试项目包括应答机捕获门限测试、跟踪门限测试、最大捕获范围测试、遥控门限测试和遥控副载波偏移情况下遥控指令接收情况测试。相较于国内对接，ESOC对接试验中一般还会进行环路应力测试和遥控误码率测试。但较为遗憾的是，因条件所限，这两项测试在此次对接中均未能开展。

环路应力测试的目的是对星上应答机最佳锁定频率[6]的正确性进行验证。为完成该项测试，应答机锁相环的环路应力信息(该信息与压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)频率偏移量相关)需通过遥测数据下传，而轨道器遥测信息中不含该项信息，因此该项测试无法进行。该测试对接口指标确认无影响。

遥控误码率测试需要星上具备对遥控误码率进行统计的能力，因国内测控对接不进行该项测试，嫦娥五号轨道器相关对接设备并不具备统计遥控误码率能力。通过协调，中欧双方均认为在遥控门限测试项目中通过统计遥控指令发送成功率可以作为该项测试的替代。

1.2.3 轨道器下行测控信号特性测试

轨道器下行测控信号特性测试与国内传统对接相同的测试项目包括下行频谱纯净度检查、遥测调制指数测试和测距转发调制指数测试。相较于国内对接，ESOC对接项目增加了载波相位噪声测试和占用带宽测试。

1.2.4 地面站下行信号接收特性测试

地面站下行信号接收特性测试包括载波锁定门限测试、遥测副载波锁定门限测试、载波信号错锁测试、相干/非相干切换情况下遥测副载波锁定情况测试、加调遥测和/或测距时对遥测接收的影响测试、遥测误帧率测试和遥测误码率测试。在国内传统对接项目里，不包含相干/非相干切换情况下遥测副载波锁定情况测试和加调遥测和/或测距时对遥测接收的影响测试。这两项测试的操作流程较为简单，不涉及接口指标的验证，但测试结果对任务的实际操作有重要参考意义。

1.2.5 跟踪性能测试

跟踪性能测试包括测距群时延稳定性测试、测距随机差测试、测速随机差测试、载波频率稳定度测试、相干转发比测试和非相干模式下长期频率稳定度测试。在国内传统对接项目里，往往对非相干模式下长期频率稳定度测试不作考核，此外对于相干转发比测试合格的判别方法，ESOC与中方有所不同。

1.3 地地接口测试设计

图3为地地信息接口关系示意图，地地接口测试包括通信链路连通、语音调度沟通、双向信息交互3个部分，对图3中涉及到的主要信息接口进行了充分的大回路验证。

图3 地地信息接口关系示意图

地地接口测试的主要项目包括：语音、遥测、遥控、外测、轨道、气象和计划等各类数据的传输。

语音测试在通信链路连通之后进行，利用TCP/IP协议进行VoIP双向语音传输。

遥测数据采用CCSDS空间链路扩展(Space Link Extension,SLE)返向全帧(Return All Frame,RAF)协议进行传输[7]，使用在线完整传输模式。参考测试站实时接收嫦娥五号轨道器下传的遥测数据，并作为SLE服务端，实时向BACC发送。BACC作为SLE客户端对接收到的遥测数据进行正确性确认。

遥控数据采用CCSDS SLE通信链路传输单元(Communication Link Transmission Unit,CLTU)协议进行传输[8]。BACC向ESOC发送嫦娥五号轨道器自检指令，由ESOC接收并通过参考测试站将指令上注至轨道器，通过指令计数对遥控执行的正确性进行确认。

外测、轨道、气象、计划等各类数据均通过文件方式进行传输。其中，外测类数据包括双向多普勒、双向测距和测角，文件格式符合CCSDS跟踪数据信息(Tracking Data Message，TDM)格式标准[9]；轨道数据格式符合CCSDS轨道星历信息(Orbit Ephemeris Message,OEM)格式标准[10]，气象数据格式符合CCSDS TDM格式标准[9]，计划文件为中欧双方自行约定格式，给出了计划的测站跟踪开始/结束的时间。

2 实现效果

开展射频测控对接的第1步是进行上下行链路的电平标定，图4给出了应答机B、测控点频2与库鲁站对接试验的连接框图和链路标定结果。

2.1 部分ESOC对接增加项目的实现效果

2.1.1 上行载波相位噪声测试

在ECSS相关标准中[11]，对于A类任务(2×106km以内)[12]，上行载波信号的相位噪声应满足如下关系：

相位噪声密度<-(48+10lg(f))dBc/Hz(10Hz≤f≤1MHz)

(1)

图4 对接试验连接框图和链路标定结果(应答机B和测控点频2)

相位噪声密度<-108 dBc/Hz(f>1MHz)

(2)

图5为上行载波信号相位噪声测试的实测结果，图中的直线对应于式(1)，因此相位噪声满足标准要求。

图5 上行载波信号相位噪声测试结果

2.1.2 上行占用带宽测试

占用带宽指99%功率所占有的带宽。按照ECSS标准[11]，对于A类及B类任务(2×106km以外)，加调上行测距情况下的占用带宽应为2.5×fR(fR为测距主音频率)或满足频率申报许可要求[11]。图6为上行测距占用带宽测试结果，由图6可知，上行音码测距[13](码长级数为14)占用带宽的实测值为1.9928 MHz，嫦娥五号轨道器测距主音频率为500 kHz。因中方向国际电联实际申报的上行频率许可值为2 MHz，所以此项测试满足标准的要求。

2.1.3 下行载波相位噪声测试

在ECSS相关标准中[11]，下行载波信号的相位噪声应满足：在非相干模式下，未调制载波的相位噪声在10 Hz～100 kHz间的积分相位值应小于2°均方根。图7为下行载波信号相位噪声测试的实测结果，为1.701°。

图6 上行测距占用带宽测试结果

图7 下行载波信号相位噪声测试结果

2.1.4 下行占用带宽测试

下行信号占用带宽因遥测、数传码速率的不同以及是否转发下行测距信号而有所区别，经测试，下行信号占用带宽满足中方向国际电联实际申报的下行频率许可值，因此此项测试满足标准的要求。

2.1.5 非相干模式下长期频率稳定度测试

ECSS相关标准[11]建议在整个航天器生命周期中，频率稳定度优于±2E-5。经过2～3 h实测，结果优于±1E-6，认为其满足要求。

2.1.6 相干转发比测试

相干转发比的准确度会对多普勒测速的精度产生影响。ESOC该项测试的判别方法为：理想相干转发比情况下，A类任务的双向测速误差应小于0.1 mm/s(测速积分时间大于400 s)[13]。对于测试频率的选择，采用标称频率、标称频率+300 kHz和标称频率-300 kHz(300 kHz为整个任务中相干模式下下行多普勒频偏最大值)3种条件分别进行测试。其中，库鲁站IFMS基带与B2的测试结果如表1所示。

表1 库鲁站IFMS基带与B2的测试结果

若转发比绝对准确，则理想情况下的双向测速误差中应只包含随机差。但在很多情况下(例如数字应答机锁相环DDS的量化位数不够等)，应答机会带来测速系统差，影响到测速数据质量。通过ESOC的测试方法，很容易评估出相干转发比的准确性，以及相干转发模式下是否存在不可接受的测速系统差。

在国内传统对接试验中，往往在标称上行频率和上行频率±50 kHz情况下，靠频谱仪读出下行频率值，进而进行转发比计算。而频谱仪的频率分辨率不够高，无法判断出应答机相干转发模式下是否存在明显的测速系统差。

2.2 主要接口指标的测试结果

标称指标与测试结果对比如表2所示，测试结果表明结果良好。通过嫦娥五号轨道器ESOC对接试验表明：轨道器与欧空局所属库鲁站、玛斯帕拉玛斯站天地接口匹配，北京中心(BACC)与ESOC间地地接口匹配，相关技术参数可以满足嫦娥五号任务要求。

表2 标称指标与测试结果对比

3 启示建议

通过赴ESOC开展对接试验，在对接手段、对接试验条件、对接项目、对接方法等方面有如下启示建议。

3.1 对接模式

目前国内测控对接采用的对接手段包括真星产品对接、专用测控模拟器对接和通用模拟器对接3种[14]，后2种方式能够节约研制成本和周期，但并不能完全代表上天状态。据了解，欧空局所有航天任务的对接试验必须要求采用能够代表真实状态的星上产品进行对接，此次嫦娥五号轨道器对接采用的也是能够代表真实状态的鉴定件产品，因为只有这样才能真正确保天地接口的匹配。反观国内，某些型号在仅安排1次对接试验的情况下，以初样产品代替正样对接，频点错误、星载计算机软件逻辑错误和副载波调制度错误等问题层出不穷。今后在国内对接中，希望型号部门能尽量提供代表真实状态的星上产品，确保试验结果的有效性。

3.2 对接试验条件

欧空局所有航天任务的测控对接均在ESOC参考测试站完成，不需要去真实测站进行对接，极大地节省了人力、物力和财力，与我国凡重大任务(载人航天、月球及深空探测等)去多个测站充分对接的思路完全不同。建议我国后续对接试验开展时适当参考欧空局模式，在条件具备的情况下建设参考测试站，参考测试站内所配基带版本能够遍历任务参试各站。

此外，ESOC参考测试站所具备的对接试验条件超过了我国任何一个测控站，具体优势包括以下3点。

① 参考测试站屏蔽室有效屏蔽了因射频信号泄漏导致的干扰，防止了漏信号过强导致接收机误锁定现象；而国内在开展对接测试时，经常会因漏信号问题导致门限情况下的接口指标无法测量，这在深空任务中尤其突出。

② 参考测试站连续可变衰减器在调节的同时不会发生信号中断的情况，而且通过鼠标就可以远程控制；而国内在开展对接测试时，一旦调节衰减器就会导致信号中断，需要用其他方法(如调整上行发射功率)来保证信号功率连续变化，这可能会额外引入人为操作所带来的失误。

③ 参考测试站通过配置噪声源来保证下行遥测相关对接项目顺利进行；而国内测控站往往没有噪声源可用，在进行遥测误码率测试时，有时无法调出合适的信噪谱密度比，或是即便信噪谱密度比达到要求，但有用信号绝对功率过低，在信号泄漏和多径等效应综合影响下，可能会导致信号强度不稳定，对测试结果带来影响。

综上，建议改善部分测控站的对接试验条件或在新建参考测试站时考虑上述因素。

3.3 对接项目

通过比较可以看出，ESOC参考测试站对接项目与国内对接项目大体相同，考虑到频率协调上的问题，建议在国内对接试验中酌情增加ESOC测试所增加的上/下行载波相位噪声测试和占用带宽测试，相干/非相干切换情况下遥测副载波锁定情况测试，以及加调遥测和/或测距时对遥测接收的影响测试等项目。其中，载波相位噪声测试和占用带宽测试因与测控功能验证无关，往往在国内测控对接试验中被忽略，其指标要求由卫星型号部门自行保证，建议今后相关指标直接列入接口控制文件，并在对接试验中进行专项测试。

实际上，在我国频率主管部门向国际电联进行频率申报时，占用带宽需作为重要参数和航天器使用频率一并申报。如果实际占用带宽超出申请的占用带宽，我国航天器信号有可能进入其他国家航天器的占用带宽中，对他国航天器带来频率干扰，使我国在国际频率协调中处于被动位置。

3.4 对接方法

ESOC相干转发比测试的方法比国内对接时采用的方法更为精确，尤其适用于采用数字应答机的情况，建议在后续国内对接试验中采用欧方的方法。实际上，该方法已在在我国首次火星探测任务的国内对接试验中得到应用，并发现了我国某所研制的数字应答机确实存在问题。通过及时整改，确保了多普勒测速数据的精度。

4 结束语

对嫦娥五号轨道器在ESOC开展测控对接的试验项目内容进行了详细介绍。分析了利用ESOC参考测试站开展对接试验与在国内测控站开展对接试验时在试验项目及试验方法上的异同。对接试验结果表明：嫦娥五号轨道器与欧空局所属库鲁站、玛斯帕拉玛斯站天地接口匹配，BACC与ESOC之间地地接口匹配，相关技术参数可以满足嫦娥五号任务要求。此外，从欧方对接试验的成功经验中获得了深刻的启示，对今后国内站测控对接在对接模式、对接试验条件、对接项目、对接方法等方面均提供了重要参考建议。