新型安全遙控技術(shù)的探究

孫斯亮　劉葉盛　于硯　張睿

摘要：我國航天領(lǐng)域發(fā)展迅速，使安全遙控的覆蓋范圍要求不斷擴大，利用地基實施安全遙控的覆蓋范圍的局限性日益突出。本文介紹了國內(nèi)外安全遙控應(yīng)用現(xiàn)狀，對依托中繼衛(wèi)星系統(tǒng)提高安全遙控的覆蓋范圍，開展新型安全遙控技術(shù)進行了探究。

關(guān)鍵詞：新型安全遙控應(yīng)用技術(shù)；中繼衛(wèi)星；探究

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0066-02

火箭飛行試驗中，由于動力系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)或制導(dǎo)系統(tǒng)工作不正常，會使火箭的發(fā)動機出現(xiàn)推力變大或箭體偏航、滾動，出現(xiàn)斷裂等嚴重故障。為了保證靶場及航區(qū)內(nèi)廠礦企業(yè)、工程設(shè)施、軍事設(shè)施和人民生命財產(chǎn)的安全，以及不使故障火箭誤入他國領(lǐng)土或領(lǐng)海內(nèi)，需要有一套安全控制系統(tǒng)，發(fā)出安全遙控指令控制火箭自毀。本文主要討論系統(tǒng)中安全遙控實施方式。

傳統(tǒng)設(shè)計中一般采用地面遙控技術(shù)，地面遙控是由地面站發(fā)送前向安全遙控指令，箭載安全遙控設(shè)備接收安全遙控指令并譯碼執(zhí)行，其存在安全遙控覆蓋范圍小的局限性。近年來，我國飛行器發(fā)展迅速，安全遙控的覆蓋范圍需求不斷擴大，利用靶場安全遙控站實施安全遙控的局限性日益突出。因此，發(fā)展基于中繼衛(wèi)星的箭載安全遙控技術(shù)已成為安全遙控系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方向。

1 安全遙控現(xiàn)狀分析

1.1 國內(nèi)情況

1.1.1 地基安全遙控

我國地面安全遙控是目前火箭實施安全控制的主要手段。安全遙控系統(tǒng)利用外測、遙測信息進行安全判斷，通過地面雷達站遙控發(fā)送指令，由箭載終端接收指令，實施炸毀任務(wù)。安全遙控系統(tǒng)是發(fā)射場的重要組成部分，其信息源包括遙測參數(shù)和外測參數(shù)兩部分。外測設(shè)備冗余較多包括單脈沖測量、連續(xù)波測試以及光學(xué)測量等信息源，結(jié)合遙測參數(shù)，經(jīng)過綜合判別，得到高可靠性的判決結(jié)果，并基于安全遙控雷達站，直接發(fā)送安全遙控指令至箭載終端，從而完成安全遙控任務(wù)。

1.1.2 中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)利用同步衛(wèi)星和地面終端站，可對各類中、低軌飛行器進行高覆蓋率測控和數(shù)據(jù)中繼，它具有跟蹤測軌和數(shù)據(jù)中繼兩個功能，是一種先進的天基測控系統(tǒng)。通過中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)可有效地解決靶場遠距離測控通信保障的技術(shù)難題，有效提高測控覆蓋范圍。單顆中繼衛(wèi)星對低軌航天器的覆蓋率不低于50%，兩顆中繼衛(wèi)星能基本覆蓋整個中、低軌道，如用3顆中繼衛(wèi)星，則可以實現(xiàn)對200～12000千米高度范圍內(nèi)所有航天器的連續(xù)跟蹤和數(shù)據(jù)通信。我國已發(fā)射的中繼衛(wèi)星覆蓋范圍及功能全面，可支持多類用戶各種使用需求。

1.1.3 新型安全遙控技術(shù)的應(yīng)用

通過各類中繼終端的不斷研究和應(yīng)用，天基測控系統(tǒng)應(yīng)用將會向更廣更深層次和多樣化方向發(fā)展。運載火箭通過加裝中繼用戶終端，可利用中繼衛(wèi)星實現(xiàn)對火箭和衛(wèi)星的大范圍測控，延長測控弧段，大大提高測控覆蓋率。運載火箭天基箭載終端設(shè)備包括天基測控設(shè)備以及上面級測控中繼單元等，目前國內(nèi)基于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的前向數(shù)據(jù)鏈路還僅限于遙測方面，尚無安全遙控方面技術(shù)成果與產(chǎn)品。

1.2 國外安全遙控

國外方面，安全遙控技術(shù)-天基安全遙控早在2003年已經(jīng)開展了相關(guān)的研制驗證工作，并已取得了階段性成功。課題研究了基于NASA的跟蹤與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）是否滿足獲取軌道跟蹤數(shù)據(jù)、處理安全遙控指令以及傳輸一些其他數(shù)據(jù)等靶場安全性方面的任務(wù)要求。目的是減少發(fā)射中心地基測控站布站需求，同時提高傳輸碼速率和發(fā)射系統(tǒng)的靈活性。

該研究經(jīng)歷了以下三個階段：

第一階段：基于TDRSS系統(tǒng)的S頻段安全控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，搭載于F-15B完成飛行試驗；

第二階段：對第一階段系統(tǒng)進行了改進與集成，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了Ku波段安全控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，Ku波段系統(tǒng)也搭載于F-15B完成了飛行試驗；

第三階段：在之前的研究基礎(chǔ)上研發(fā)Ka頻段系統(tǒng)，并完成配套硬件設(shè)備小型化、輕量化設(shè)計。

在安全遙控信號體制方面，2000年起美國靶場司令委員會（Range Commander Council）安全小組（Range Safety Group）支持RS-38任務(wù)“增強型飛行終止系統(tǒng)（Enhanced Flignt Termination System）”研究，通過四個階段對地基安全遙控信號的各類體制進行了大量研究及評估分析，但相關(guān)體制是否適合中繼傳輸未見相關(guān)報道。

1.3 新型安全遙控技術(shù)要求分析

目前我國安全遙控全部由地基安全遙控實現(xiàn)，存在安全遙控覆蓋范圍小的局限性。近年來，一些新概念裝備不斷提出并實施，使安全遙控的覆蓋范圍需求不斷擴大，利用地基實施安全遙控的局限性日益突出。同時綜合國內(nèi)外安全遙控現(xiàn)狀可以看出，我國與國外在安全遙控技術(shù)特別是天基安全遙控技術(shù)上存在一定差距，發(fā)展基于中繼衛(wèi)星的箭載安全遙控技術(shù)已成為當(dāng)下迫在眉睫的任務(wù)之一。

2 新型安全遙控技術(shù)的探究

2.1 總體技術(shù)

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

從系統(tǒng)角度出發(fā)以現(xiàn)有地面站及中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為基礎(chǔ)的安全遙控系統(tǒng)架構(gòu)主要為：箭載終端向中繼衛(wèi)星發(fā)送安全遙控信息源，經(jīng)過綜合判決，在需要執(zhí)行安全遙控時，由中繼地面站發(fā)送指令給中繼衛(wèi)星，中繼衛(wèi)星將指令轉(zhuǎn)發(fā)至箭載終端，箭載終端解調(diào)、譯碼、執(zhí)行，完成安全遙控任務(wù)。該方案提高了安全遙控的實時性和領(lǐng)過度，但必須建立反向鏈路，即由箭載終端發(fā)送安全遙控信息源等信息，該鏈路可采用經(jīng)過驗證的天基遙測技術(shù)。

2.1.2 中繼頻段

安全遙控頻段可在中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的Ka頻段和S頻段中進行選擇，考慮到安全遙控接收的全向性，Ka頻段必須采用具備波速掃描功能的相控陣天線，其具有增益高、作用距離遠等優(yōu)點，但成本高、體積大。S頻段常規(guī)天線易實現(xiàn)全向接收，成本低，但增益低、作用距離近。

2.1.3 系統(tǒng)鏈路與傳輸延時

系統(tǒng)鏈路分析主要計算飛行器在返回的各階段起點、終點等關(guān)鍵時刻的鏈路參數(shù)，特別是計算最遠距離時的最大衰減量，確保接收機信噪比在全過程滿足指標要求。

根據(jù)安全遙控信號流程，建立安全遙控延時仿真計算模型。經(jīng)初步計算，傳輸延時時間為百毫秒級。

2.2 箭載終端

新型安全遙控頻段與現(xiàn)有地基頻段不會相同，對于箭載終端的實現(xiàn)，應(yīng)采用兼容地基安全頻段的雙收模式，進行天地一體化設(shè)計。同時還應(yīng)采用SIP（System in Package）封裝技術(shù)以實現(xiàn)小型化，最大程度地滿足各類安全遙控應(yīng)用需求。

3 結(jié)語

新型安全遙控技術(shù)是我國航天安全遙控的發(fā)展趨勢。本文通過對國內(nèi)外安全遙控技術(shù)對比以及國內(nèi)需求分析，認識到我國發(fā)展新型安全遙控的必要性和迫切性。進一步探究新型安全遙控的系統(tǒng)架構(gòu)、中繼頻段、加強系統(tǒng)鏈路、傳輸延時、箭載終端等方面研究，對于發(fā)展新型安全遙控技術(shù)有著積極的借鑒作用。

參考文獻

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