中繼雨衰對載人航天的影響及解決措施*

王麗潔，，朱 華，孫微濤，羅文峰

(1.西安衛(wèi)星測控中心，西安710043;2.北京航天飛行控制中心，北京100094)

1 引言

在中國載人航天任務(wù)中，由“天鏈”系列中繼衛(wèi)星構(gòu)成的天基測控網(wǎng)的使用極大地拓展了航天測控網(wǎng)的覆蓋范圍。例如，在“神舟十號”載人飛行任務(wù)中，由 TL－01星、TL－02星和TL－03星構(gòu)成的天基測控網(wǎng)使本次任務(wù)幾乎達(dá)到了全軌道覆蓋?！疤戽湣毕盗兄欣^衛(wèi)星使用Ka頻段的數(shù)傳信道，其通信頻帶寬、傳輸容量大，有效地保證了太空授課、首長通話和各類在軌試驗活動的順利執(zhí)行。我國后續(xù)的空間實驗室任務(wù)及空間站任務(wù)中，航天器發(fā)射更加頻繁，航天器與航天員在軌時間更長，同時在軌航天器數(shù)量增多，將進(jìn)行各類在軌操作與實驗，對測控網(wǎng)的要求也更高，天鏈系列中繼衛(wèi)星是后續(xù)任務(wù)測控通信非常重要的保障。

在降雨環(huán)境中，如果電磁波波長遠(yuǎn)大于雨滴直徑，則降雨衰減基本是由雨水吸收引起的;隨著電磁波波長降低，由散射引起的降雨衰減的比例不斷增加，若電磁波波長與雨滴直徑可比擬，則降雨衰減大部分由散射引起。降雨衰減與電磁波的頻率及降雨強(qiáng)度相關(guān)，電磁波的波長由其頻率決定，雨滴的尺寸服從一定的分布，雨強(qiáng)越大，大尺寸的雨滴就越多?！疤戽湣毕盗兄欣^衛(wèi)星采用Ka頻段的數(shù)傳信道，其波長約0.8～1.1 cm，雨滴的直徑一般在 0.05～0.6 cm之間，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到一定值時波長與雨滴的直徑可相比擬，此時雨衰的影響不容小視。

為了有效地降低中繼雨衰對載人航天任務(wù)的影響，本文首先構(gòu)建并分析了典型的雨衰幾何模型，然后依據(jù)實際降雨狀況和地面站與衛(wèi)星位置分別對“天鏈”系列3顆中繼星的雨衰情況進(jìn)行了仿真，最后介紹了中繼雨衰對載人航天任務(wù)的影響，并依據(jù)分析和仿真結(jié)果提出了應(yīng)對中繼雨衰的飛控實施方案和減少雨衰影響的方法。

2 中繼衛(wèi)星雨衰分析

2.1 降雨衰減

依據(jù) ITU － R P.618[1]，影響電磁波雨衰大小的相關(guān)參數(shù)主要有天線仰角、降雨層高度、衛(wèi)星地面站海拔高度、電磁波頻率、極化方式和降雨強(qiáng)度等。降雨衰減(單位dB)可表示為

式中，Ls為等效有效路徑長度(單位km)，γR為單位路徑衰減(單位dB/km)。

一般情況下，電磁波是以一個傾斜路徑穿過雨區(qū)的，其等效路徑長度Ls如圖1所示。

圖1 降雨區(qū)域有效路徑示意圖Fig.1 Effective path of rainfall area

圖中hR為雨層高度，hS為衛(wèi)星地面站海拔高度，D為電磁波傳播的地－空路徑，θ為衛(wèi)星地面站天線仰角，LG為有效傾斜路徑長度在地面的水平投影，則hR－h(huán)S為衛(wèi)星地面站雨層相對高度。

依據(jù) ITU － R P.618[1]的建議，在55 GHz以內(nèi)的頻段里，等效有效路徑長度(單位km)可表示為

式中，Re=8500 km為地球的有效半徑。

當(dāng)?shù)孛嬲九c衛(wèi)星的經(jīng)度差Δ、地面站緯度φ可知時，天線仰角θ可通過下式獲得:

依據(jù) ITU － R P.839[2]的建議，雨層高度 hR可近似為

將式(3)、(4)代入式(2)即可計算出等效有效路徑長度LS。依據(jù)ITU －R P.838[3]的建議，單位路徑衰減γR表示為

式中，R為降雨強(qiáng)度(mm/h)。系數(shù)k和α為電磁波頻率f(GHz)范圍為1～1000 GHz的函數(shù)，可由下式確定為

式中，

水平極化系數(shù)kH的常數(shù)值在表1中給出，垂直極化系數(shù)kV的常數(shù)值在表2中給出，水平極化系數(shù)αH的常數(shù)值在表3中給出，垂直極化系數(shù)αV的常數(shù)值在表4中給出。

表1 kH系數(shù)Table1 kHcoefficient

表2 kV系數(shù)Table2 kVcoefficient

表3 αH系數(shù)Table3 αHcoefficient

表4 αV系數(shù)Table4 αVcoefficient

對于線極化和圓極化中所有的路徑幾何，可以通過下式計算式(5)中的系數(shù):

式中，τ是相對水平位置的極化斜角，對于圓極化，τ =45°。

2.2 TL－03星雨衰分析

“天鏈”系列中繼衛(wèi)星利用國土在經(jīng)緯方面跨度的寬度在東西分別設(shè)立地面站。TL－03星地面站位于我國最西部，平均海拔高度一千多米。根據(jù)國家氣象局對該地面站所處地區(qū)30年的氣候資料顯示，該地區(qū)歷年平均降水量約66 mm;5月份最多，平均約9 mm，11、12月份最少，平均降水量約1.6 mm;6月份平均降水量約8 mm，最小降水量0.0 mm，最大降水量約24 mm。從氣候統(tǒng)計分析來看，該地區(qū)出現(xiàn)大雨以上強(qiáng)降水的概率非常小。

為了驗證TL－03星雨衰對通信的影響，依據(jù)該地區(qū)實際降雨量取降雨強(qiáng)度從小雨到大雨的一組值分別為 1 mm/h、2 mm/h、3 mm/h(小雨)、4 mm/h、5 mm/h、10 mm/h(中雨)、15 mm/h、20 mm/h(大雨)，Ka頻段取28～36 GHz，天線取圓極化，假設(shè)雨衰量達(dá)到20 dB時通信中斷，圖2給出了TL－03星與其地面站之間在不同降雨強(qiáng)度下的雨衰情況。如圖所示，同樣降雨強(qiáng)度下，雨衰量隨著頻率的增加而增加，當(dāng)降雨量達(dá)到10 mm/h時，在Ka頻段約31 GHz往上的頻段通信中斷;當(dāng)降雨強(qiáng)度為大雨時，Ka頻段通信中斷。由于該地區(qū)降雨頻率非常低，大雨的情況更加稀少，因此TL－03星受雨衰影響較小。

圖2 TL－03星雨衰情況Fig.2 Rain attenuation of TL －03

2.3 TL－01星與TL－02星雨衰分析

TL－01星和TL－02星的地面站位于我國東部，海拔高度較低，屬于溫暖半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。根據(jù)國家氣象局對TL－01星和TL－02星地面站所處地區(qū)多年氣候資料顯示，該地區(qū)其春季(3～5月)干旱，多年平均降雨量為50 mm左右，占全年降雨量的8%。夏季多雨，年降雨量的75%集中于6、7、8這三個月，其中7、8兩個月降水量約占夏季降水量的80%，并多以暴雨形式出現(xiàn)，暴雨主要出現(xiàn)在午后(14～20時)，大暴雨主要出現(xiàn)在夜間(20～08時)。例如，2012年6月該地區(qū)累計降雨量約為103 mm;在2012年7月21日，該地區(qū)平均降水量約170 mm，降雨最強(qiáng)時段達(dá)到100 mm/h。秋季(9～11月)多年平均降水量為85 mm左右，占年降雨量14%。冬季(12～2月)降雨稀少，降水只占全年降雨量的2%。

為了對TL－01、TL－02星的雨衰情況進(jìn)行分析，依據(jù)該地區(qū)實際降雨量，考慮到最壞情況取降雨強(qiáng)度從中雨到特大暴雨的一組值分別為5 mm/h、10 mm/h(中雨)、20 mm/h、40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h、100 mm/h、120 mm/h(大到大暴雨)，Ka頻段取28～36 GHz;天線取圓極化，假設(shè)雨衰量達(dá)到20 dB通信中斷，圖3給出了TL－01星與地面站之間在不同降雨強(qiáng)度下的雨衰情況。如圖所示，同一降雨強(qiáng)度下隨著頻率的增加雨衰量也在增加，在Ka頻段范圍內(nèi)，降雨強(qiáng)度小于10 mm/h的衰減量的斜率比較平緩;在10 mm/h以下時，可以維持通信;當(dāng)降雨強(qiáng)度在10 mm/h以上(大雨)時TL－01通信中斷。

3 任務(wù)影響與處置措施

圖3 TL－01星雨衰情況Fig.3 Rain attenuation of TL －01

圖4 給出了TL－02星與地面站之間在不同降雨強(qiáng)度下的雨衰情況，由于天線傾角低，有效路徑長，同樣降雨強(qiáng)度下，TL－02星的降雨衰減嚴(yán)重于TL－01星，降雨強(qiáng)度從5 mm/h(中雨)往上時通信易中斷。

圖4 TL－02星雨衰情況Fig.4 Rain attenuation of TL －02

影響中繼雨衰的因素很多，理論分析使用的模型與參數(shù)雖不能完全符合實際的情況，但其可以反映實際雨衰的大體狀況。通過執(zhí)行“神舟九號”和“神舟十號”任務(wù)時對雨衰的觀察與記錄，TL－01星雨衰情況優(yōu)于TL－02星，在中雨時TL－02發(fā)生通信中斷，在中雨近大雨時TL－01通信中斷。

3.1 任務(wù)影響

從“天宮一號”任務(wù)開始，中繼星在載人飛行任務(wù)的飛行控制中起到了越來越大的作用，其地位也越來越重要?！吧裰劬盘枴比蝿?wù)之前，由于任務(wù)持續(xù)期短或者任務(wù)時段未處于雨季，因此未受到雨衰的影響。而“神舟九號”、“神舟十號”、“天宮一號”長管期間均遭遇到了惡劣天氣，造成了中繼雨衰并引起了短暫的天地通信中斷，后續(xù)空間實驗室任務(wù)和空間站任務(wù)的持續(xù)期更長，對中繼星的依賴更大，遇到中繼雨衰的概率也更大。

天地通信鏈路的暢通是航天器飛行控制的基本要求，需要能夠?qū)崟r接收處理航天器下傳的返向數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r上傳地面的控制指令，能夠?qū)崟r保持與航天員的天地雙向話音。而中繼雨衰最直接的影響就是天地通信中斷，從而造成數(shù)據(jù)丟失，指令無法上傳，無法對航天器與航天員狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測和控制，無法與航天員實時通話和進(jìn)行在軌支持，對載人航天任務(wù)會產(chǎn)生一系列負(fù)面的影響，如果在實施關(guān)鍵控制過程中出現(xiàn)中繼雨衰，天地通信鏈路中斷，那將會對整個任務(wù)的成敗產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

3.2 處置措施

降雨這一自然現(xiàn)象具有時間和地域上的不確定性，并且雨衰是電磁波傳播的固有特性，在航天試驗任務(wù)中難以避免，但可以通過采取有效的處置措施，減少其對任務(wù)的影響。

3.2.1 飛控應(yīng)急處置措施

載人航天任務(wù)具有較強(qiáng)的規(guī)劃性，關(guān)鍵飛控過程一般都是按照經(jīng)過事前驗證的飛行程序?qū)嵤?，由于降雨的時段與降雨量具有隨機(jī)性，制定飛行程序時不會考慮雨衰影響。因此，在實際的飛行控制中，必須充分分析關(guān)鍵弧段的雨衰影響，合理安排飛控事件，并制定切實可行的應(yīng)急處置措施，其大體遵循以下原則:

(1)當(dāng)前我國載人航天測控地面站使用USB設(shè)備，雨衰影響較小，關(guān)鍵的控制過程盡量安排在中繼星與地面站同時可見的跟蹤弧段;

(2)在任務(wù)規(guī)劃階段，將關(guān)鍵飛控過程和數(shù)據(jù)注入盡量安排在地面站弧段或受雨衰影響較小的03星弧段，這樣可減少任務(wù)過程中因雨衰影響產(chǎn)生的事前規(guī)劃調(diào)整;

(3)當(dāng)能夠提前確定可造成雨衰影響的氣象預(yù)報時，若時間允許，則對任務(wù)規(guī)劃和衛(wèi)星資源進(jìn)行動態(tài)規(guī)劃，將相關(guān)遙控指令、注入數(shù)據(jù)和飛行程序，根據(jù)需求調(diào)整到測控地面站或不受或受雨衰影響較小的中繼星弧段內(nèi)實施;

(4)未能提前確定可能產(chǎn)生雨衰影響的氣象預(yù)報時，或時間不允許采取上述處理措施，則當(dāng)前中繼星盡力跟蹤，盡量確保前返向鏈路暢通，停止當(dāng)前中繼星弧段內(nèi)航天器的實時遙測下傳，記錄延時遙測。

3.2.2 提高短時臨近氣象預(yù)報能力

載人航天任務(wù)中，測控通信系統(tǒng)對國內(nèi)外測控站、測控船、中繼星地面站氣象保障需求迫切，實時性要求高。飛控實施單位需要及時掌握相關(guān)氣象情況，為任務(wù)關(guān)鍵事件決策提供支持。后續(xù)載人航天任務(wù)密度高、周期長，對短期臨近氣象預(yù)報的精確度提出了更高的要求。

相關(guān)氣象保障部門需要加緊論證面向空間實驗室、空間站任務(wù)需求的自動氣象站，不斷累計數(shù)據(jù)并強(qiáng)化對中繼衛(wèi)星地面站資料的統(tǒng)計分析能力，將中繼衛(wèi)星地面站短時臨近氣象預(yù)報作為常態(tài)化業(yè)務(wù)。提高設(shè)備和技術(shù)保障能力，通過引入新的計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和各類相關(guān)算法與模型提高計算短時臨近氣象預(yù)報的能力和準(zhǔn)確率。

3.2.3 建立備份地面站

從式(2)～(3)可以看到，當(dāng)?shù)孛嬲九c衛(wèi)星的經(jīng)度差越小，地面站緯度越低時，地面海拔越高，則雨衰的有效路徑減小，雨衰量也相應(yīng)減小。為了降低雨衰影響，最有效的方式是選擇合適的地理位置建立備份地面站，形成有效的站址分集來保證通信質(zhì)量。降雨特性與雨衰具有較強(qiáng)的地域性，不同地貌、不同氣候條件均有很大的差異，建立備份地面站主要考慮以下四個因素:

(1)地面站位置盡量靠近中繼衛(wèi)星定位位置，海拔較高區(qū)域，減小雨衰的有效路徑;

(2)地面站當(dāng)?shù)貧夂虮M量雨水稀少;

(3)主備份地面站的雨季盡量不出現(xiàn)在同一時期;

(4)備份站盡量選擇現(xiàn)有航天測站，避免重復(fù)建設(shè)。

例如，可在TL－03星地面站的基礎(chǔ)上建立TL－01星的備份地面站，圖5給出此時TL－01星的雨衰情況，與圖2對比可以觀察到TL－01星的備份地面站在同樣降雨強(qiáng)度下其降雨衰減量低于TL－03星的降雨衰減量，發(fā)生通信中斷的概率更低。同時，可在海南或其他低緯度地區(qū)建立TL－02星的備份地面站。

圖5 TL－01星備份地面站雨衰情況Fig.5 Rain attenuation between TL －01 and the backup earth station

3.2.4 技術(shù)改進(jìn)

隨著電子技術(shù)、精密設(shè)備和通信技術(shù)的發(fā)展，可以通過以下幾種技術(shù)克服Ka頻段雨衰較大的問題:

(1)設(shè)計裕量與自適應(yīng)功率控制技術(shù)。設(shè)計時對鏈路的分析留有裕量，達(dá)到以較高的可用度配置設(shè)備。采用自適應(yīng)功率控制技術(shù)提高系統(tǒng)的通信容量并保證鏈路的可靠性[4];

(2)高/低頻組合技術(shù)。由于 C頻段(3.7～4.2 GHz)的雨衰遠(yuǎn)小于Ka頻段的雨衰，當(dāng)檢測到雨衰過大時，系統(tǒng)可以自動從高頻模式切換到低頻模式，當(dāng)雨衰轉(zhuǎn)好時再切回高頻模式[5];

(3)編碼及降低傳輸速率。雨衰較大時，可以采取糾錯編碼技術(shù)減少傳輸?shù)恼`碼率，通過減小編碼率獲得編碼增益的提高。降低傳輸速率，通過減少衰減信道的數(shù)據(jù)率來降低誤碼率[6－7];

(4)自適應(yīng)TDMA技術(shù)。自適應(yīng)TDMA技術(shù)可以結(jié)合自適應(yīng)編碼和符號率可變等抗衰減措施來降低雨衰影響，其對星上功率無額外要求，可用于下行鏈路抗衰減[8]。

3.2.5 發(fā)射窗口選擇與關(guān)鍵過程安排

一個地區(qū)的降雨量與其所處的氣候類型有關(guān)，降雨量在一年中的分布具有規(guī)律性?？梢酝ㄟ^發(fā)射窗口選擇，使任務(wù)執(zhí)行避開降雨集中時段，處于少雨時段，從時間上降低雨衰的概率。2011年11月進(jìn)行的“神舟八號”交會對接任務(wù)中雖然也使用了中繼衛(wèi)星，但這個時段中繼星地面站所處地區(qū)處于枯雨季，在整個任務(wù)期間沒有發(fā)生中繼雨衰。對于未來的空間站任務(wù)，其任務(wù)周期長，期間涉及到若干關(guān)鍵控制過程，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時需要充分考慮可能的雨衰問題，盡量將關(guān)鍵過程安排在發(fā)生雨衰較少的時期完成;在雨衰多發(fā)時期進(jìn)行關(guān)鍵過程的快速重規(guī)劃和資源調(diào)度，減少雨衰的影響。

4 結(jié)束語

回顧歷次的載人航天任務(wù)，天基測控網(wǎng)扮演著越來越重要的角色，“神舟九號”載人交會對接任務(wù)、“神舟十號”載人飛行任務(wù)以及“天宮一號”長管任務(wù)中都不同程度地遇到了中繼雨衰引起的通信中斷，對任務(wù)執(zhí)行產(chǎn)生了影響。后續(xù)載人航天任務(wù)密度更高，持續(xù)時間更長，中繼星在通信中扮演更加重要的角色，中繼雨衰更加難以避免，需要從不同方面來綜合提高應(yīng)對中繼雨衰的能力。中繼雨衰問題給飛控工作提出了更高的要求，需要繼續(xù)探索應(yīng)對雨衰的更有效的飛控手段。同時，如何在一定的經(jīng)費和技術(shù)能力下建立有效的對抗雨衰的衛(wèi)星通信系統(tǒng)和對現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行改造亦是一個重要的課題。

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