运载火箭飞行测控中的链路可见性分析

2019-09-23宫长辉宋屹旻宁高利

导弹与航天运载技术 2019年4期

宫长辉，张颖，宋屹旻，任宁，宁高利

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 北京遥测技术研究所，北京，100076）

0 引言

运载火箭测控是航天飞行器测控通信中的一个重要领域，火箭飞行过程中，需要获取其遥测信息和外测信息，以供地面工作人员实时了解其飞行状态；运载火箭出现飞行异常时，工作人员也能够随时发送安控指令。现阶段中国航天测控普遍采用地基测控，努力发展天基测控。制订运载火箭测控方案的中心内容是根据其飞行段的轨道和测量要求，确定地面站的布站、设备配置和信息交换、传递流程，而可见性分析是制订运载火箭测控方案的前提。本文借助飞行弹道对地基和天基测控中可见性进行了分析。

1 地基测控布站要求

1.1 运载火箭的跟踪

跟踪是指地面站接收天线的波束不断调整俯仰角和方位角，使其始终指向高速飞行中的运载火箭，以取得较好的接收效果。跟踪分为手动跟踪、程序跟踪和自跟踪3种方式。

手动跟踪和程序跟踪都是根据运载火箭的理论弹道和地面站的大地坐标提前计算出运载火箭飞行的一些特定时刻，该地面站接收天线的波束欲指向运载火箭所应处的仰角和方位角，并按照这些时刻使接收天线的仰角和方位角处于对应的值上，以达到跟踪的目的。但二者的实现方法不同，前者用人工操作机械装置使天线改变角度，后者则将有关各组仰角和方位角数据输入计算机，由计算机控制伺服机构的天线座改变天线的角度。

自跟踪则是实时测出地面站指向运载火箭的仰角、俯仰角，然后将实测值和接收天线当时实际所处的仰角和方位角进行比较，求出误差信号，用它来控制伺服随动天线座来改变天线角度至误差信号趋近于零，从而实现对运动目标的跟踪。为保证对运动目标的可靠捕获，通常用宽波束天线捕捉目标并引导，用窄波束天线作精测。

1.2 运载火箭的航程

对于运载火箭，航程为数千公里，超过遥测系统的有效通信距离，加上地球曲率的影响，单站不可能完成全弧段测量任务。为确保获取全测量弧段的遥测数据，必须沿航区设置多个地面站接力，各相邻地面站负责确保的测量弧段必须有1 min以上的重叠。

1.3 过顶问题

航区各地面站，特别是采用自跟踪的地面站，由于天线伺服机构的限制，其站址不应选在射面上或紧靠射面，以避免过顶而影响跟踪。

1.4 微波传播特点

鉴于微波在自由空间视距传播的特点，布站时必须考虑地球表面曲率的影响。当运载火箭飞行高度一定时，它所能看到的地球表面有一定的限度，如图1所示。

图1 微波视距示意Fig.1 Diagram of Microwave Visible

由图1可得：

电磁场理论表明，大气折射对超高频电磁波传播的影响可用修正后的等效曲率半径Re代替实际的地球半径R。当处于温度为15 ℃的海平面，大气温度随高度的变化梯度为 0.0065 ℃/m，大气折射梯度为 0.039×10-6/m时，Re=4R/3，若取R=6370 km，则最大视距为130LH≈。

遥测接收站的测量弧段除了受遥测系统的有效通信距离限制外，还受最大视线距离L、接收站的工作仰角和地形遮蔽角的限制。在实际应用中，如系统有效通信距离足够大时，尚不能按照最大视距 L来分配各接收站的测量弧段，因为在低仰角条件下工作，接收是不可靠的。为保证可靠接收，各地面站在各自负责的测量弧段内的工作仰角应至少大于5°（最大视线距离L对应的仰角为0°）。

1.5 地基测控可见性分析

以飞行测控为例，仿真结果如图 2所示。由图 2可知，在满足上述布站要求的基础上，在地面站5°仰角以上，该运载火箭的地基跟踪范围为24～760 s。

图2 地基测控中飞行时间与俯仰角变化关系Fig.2 Relationship Between Flight Time and Pitch Angle in the TT&C Based on Ground

2 天基测控

2.1 天基测控特点

地基测控方式具有以下不足：

a）维护费用高，补给时间长；

b）机动性差，航区改变困难，弹道机动难。

此外，某些运载火箭发射弹道存在技术上的测控空白段或者涉及领土问题无法布站或布船，而天基测控技术的应用从很大程度上解决了上述问题。

天基测控网主要包括导航卫星系统和跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）。导航卫星系统可以为中、低轨道航天器提供性能优良而且简单易行的自主导航、高精度相对导航和实时定位、姿态测定和高精度时间同步功能等。TDRSS是一种经地球同步轨道的中继卫星转发，与一个地面站相配合，可为中、低轨道航天器提供连续覆盖，高数据传输能力，并能精确测轨的新型航天测控网。作为天基测控通信系统的TDRSS是下一代测控通信系统的发展方向，该系统具有跟踪测轨和数据中继两方面的功能，而且具有覆盖范围大、保障费用低等特点。

2.2 天基测控可见性分析

中继卫星天线可以在圆锥范围内进行扫描，其覆盖范围如图 3所示，可以对中、低轨道的航天器提供测控服务。对于轨道较低航天器由于地球自身遮挡，测控区域可能会受到限制。此时中继卫星天线扫描角度为±8.66°。

图3 测控范围示意Fig.3 Diagram of Measurement Range

仍以该型号飞行测控为例，仿真结果如图4所示。可见，在满足上述要求的基础上，该运载火箭的天基跟踪范围为0～2200 s（01星）和0～2340 s（02星）。

图4 天基测控中飞行时间与俯仰角变化关系Fig.4 The Relationship Between Flight Time and Pitch Angle in the TT&C Based on Space

与1.5节对比可见，在该型号飞行弹道下，4个地面站的联合接力仅能覆盖1000 s以内，而每颗中继卫星的测控覆盖范围即可达到2000 s以上。天基测控维护费用低、测控灵活性高的特点，为航天测控实现降本增效的目标提供了强有力的技术支撑。

3 其他影响因素

除上述可见性因素外，航天测控通信中，还应考虑以下影响因素。

a）天线方向性图影响。

当天线在运载火箭的安装方位角确定以后，它的方向性图相对于箭体是固定的。但运载火箭飞行过程中，坐标位置和姿态角不断变化，故地面站相对于运载火箭的指向角也在不断变化。因此，通常在制定测控方案时，先确定地面站的站址，通过仿真手段计算各站相对于运载火箭的指向角，以及实际的通信距离，从而确定天线在运载火箭上的安装位置，提出天线方向性图要求。

b）布站影响。

在特定情况下，运载火箭飞行轨迹的大部分会延伸至海上或国外，要完成运载火箭全飞行弧段的测量就必须在海上设地面站，根据海上的特殊情况，一般采用测量船方案。测量船是装有测控设备、通信设备和数传设备的活动地面站。它的布站站址原则上不受地理位置的限制，可按照实际需要确定。考虑到海上不同位置在不同季节的差异，以及海浪对测量的影响，一个测量船可选择 2～3个站址，届时可以根据海况选择其中风浪较小的海域使用。

c）火焰衰减影响。

发动机火焰是一种高温等离子体，无线电穿过它时会引起很强的衰减和调制噪声，造成遥测信号中断和失锁。据统计，发动机火焰对200 ～1000 MHz的电磁波的衰减可达30～40 dB。当频率升高时，衰减减弱，但不能消除。因此在选择地面站站址时应避免出现在接收方向上电磁波穿过发动机火焰的情况。根据经验，在运载火箭飞行的主动段，为保证可靠接收，地面站和运载火箭质心的连线与运载火箭轴线指向尾部方向的夹角应大于5°。