低軌衛(wèi)星空間操控中的一種載荷休眠方法

李 強，韓 冰，楊輝文，韓海濤，張 朋，王司晨，郭 靜

(1.航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室， 西安 710043；2.西安衛(wèi)星測控中心，西安 710043)

0 引言

衛(wèi)星測控應答機主要用于接收上行遙控信號、發(fā)送下行遙測信號以及轉發(fā)測距信號[1-2]，是星地通信鏈路的關鍵設備之一。目前，隨著對空間環(huán)境效應[3-5]認識加深，測控應答機相關研發(fā)工作日益重視空間環(huán)境的影響特別是輻射影響，例如文獻[6]將氮化鎵型高電子遷移率晶體管應用于應答機硬件電路設計，文獻[7-8]提出利用FPGA(field programmable gate array，現(xiàn)場可編程門陣列)重構、周期性加電、設計冗余與器件備份等技術進行應答機設計，均可減緩空間輻射影響。大數(shù)量衛(wèi)星集中監(jiān)控下的操控統(tǒng)計表明，在大規(guī)模集成電路廣泛應用背景下，近年來的衛(wèi)星應答機異常甚至故障呈多發(fā)態(tài)勢。在這些異常中，發(fā)生比例最高的是形形色色的單粒子事件[9-10]，尤以單粒子閂鎖 (single event latchup，SEL)事件影響最為嚴重。目前，國內的商業(yè)航天熱潮活動正在興起、發(fā)展[11-12]之中，主力軍之一的微納型的衛(wèi)星在系統(tǒng)集成基礎上正進入模塊化設計與生產(chǎn)的階段[13-15]，商業(yè)器件在航天中的應用不斷涌現(xiàn)、增多，則衛(wèi)星應答機異常多發(fā)態(tài)勢很可能會持續(xù)較長時間。

實際上，單粒子事件是由單粒子在材料中產(chǎn)生的離子喚醒或者刺激電路薄弱環(huán)節(jié)而引發(fā)的一系列反應，處置方法則多針對材料、薄弱環(huán)節(jié)或者反應結果來進行，但單粒子本身目前還難以避免。類似地，對于非大規(guī)模集成電路設計的衛(wèi)星應答機而言，空間環(huán)境的復雜、持續(xù)作用同樣可能誘發(fā)薄弱環(huán)節(jié)而產(chǎn)生一系列問題；而在衛(wèi)星超期服役、降級應用等場合，這種問題發(fā)生的可能性更大，相應的后果可能更嚴重。

本文以某低軌衛(wèi)星延壽為例，討論空間環(huán)境對衛(wèi)星應答機的多重影響，給出一種應答機應急降溫的操控方法，便于降低應答機工作溫度，延長載波鎖定時間，拓展遙控注入窗口，保障衛(wèi)星工作，已應用于在軌航天器長期測控與管理。

1 空間環(huán)境對應答機溫度的影響

某低軌衛(wèi)星在2008年發(fā)射入軌，降交點地方時為10:30AM，近圓軌道，高度約為640 km，截止2019年4月已運行超過10年。衛(wèi)星應答機為雙機備份設計(其中發(fā)射機為冷備份，接收機為熱備份)，2011年A接收機失效后，一直使用B接收機,發(fā)射機也同步切換為B發(fā)射機(為敘述方便，以下將B接收機與B發(fā)射機的組合簡稱應答機)。

2014年，應答機出現(xiàn)載波鎖定[16]方面的問題，通過地面測試與遙測分析發(fā)現(xiàn)：衛(wèi)星接收機倍頻器前的功率放大器極可能出現(xiàn)SEB(single event burnout，單粒子燒毀)事件，導致倍頻二極管輸入、輸出信號極大減弱，進而使得載波捕獲較為困難。在測試基礎上，重新設置上行接口參數(shù)，應答機進入降級應用模式：地面發(fā)射機功率800 W、天線直徑不小于10 m、測控窗口內的最大仰角不低于70°。

應答機降級應用前后的載波鎖定時長與應答機AGC(auto gain control，自動增益控制)電壓遙測變化如圖1所示(橫軸為積秒，即一日之內的秒計數(shù)，起點為某日零點，終點為次日零點，單位s，最大值86 400 s) ：在地面發(fā)射功率增強的前提下，AGC出現(xiàn)較大幅度的下降(由3.0 V以上衰落至不足1.0 V)，表明應答機靈敏度下降較為嚴重；載波鎖定時間也大大縮短，但基本能夠滿足150 s的遙控窗口的降級應用需求。另外，鎖定時間基本起始于衛(wèi)星過頂[17]時刻附近，并伴隨有一定時延，這表明只有在過頂點前后、目標距離近、上行信號功率較強時，才可能實現(xiàn)載波捕獲與鎖定；時延則表明載波鎖定、跟蹤性能依然較優(yōu)，并未出現(xiàn)明顯下降。

圖1 應答機AGC與鎖定變化

載波鎖定狀態(tài)下，應答機AGC可以反映上行信號功率變化；未鎖定狀態(tài)下，AGC還可反映噪聲功率變化，從而間接反映出應答機溫度變化，如圖2所示,在境外無上行信號時，AGC基本上與溫度呈同步變化。

圖2 AGC與溫度同步變化

測控中的數(shù)據(jù)表明，應答機在降級應用條件下，載波捕獲時的AGC電壓不能高于0.82 V，其對應的應答機溫度約為26.2℃。因此，應答機的降級應用只有在應答機溫度低于26.2℃以下時才有可能實現(xiàn)載波捕獲與跟蹤，保障上行測控。

溫度越接近26.2℃，載波捕獲、鎖定越困難，極端條件下，載波鎖定時長僅僅超過10 s，如圖3所示(應答機溫度約26.0℃)。如此短暫的鎖定時長，難以滿足大數(shù)量衛(wèi)星集中監(jiān)控下的遙控作業(yè)自動化[18]運行需求：一般作業(yè)中僅僅載波鎖定判決模塊運行時間少則數(shù)秒，多則數(shù)十秒(應答機老化、降級等特殊場合下的判決時間可能更長)；再考慮其它模塊運行的時間消耗，則作業(yè)運行所需時間更長。一般而言，低軌衛(wèi)星的遙控時長需求為300 s左右，降級應用下可減至150 s，特殊情形(延壽、異常處置等工作)下則可降至100 s。

圖3 高溫下的AGC與載波鎖定時長

因此，急需延長載波鎖定時間，拓展上行遙控窗口時長。但應答機的工作溫度對這一需求形成嚴重制約：在空間環(huán)境因素的復雜影響下，應答機逐漸老化，溫度逐年升高，影響載波鎖定。

應答機溫度變化主要呈現(xiàn)短周期、長周期和長期規(guī)律，如圖4所示(圖中W表示冬至日，S為夏至日)。應答機溫度變化的短周期為軌道周期，當衛(wèi)星運行至地影區(qū)中間位置附近時，應答機溫度最高；而在陽照區(qū)的太陽星下點所在緯度附近時，溫度最低(2018年冬至期在25.2℃左右)。這是因為：衛(wèi)星進地影后，太陽電池陣輸入功率基本為0(陽光消失)從而無法為整星供電，因此蓄電池開始放電工作并散發(fā)較大熱量，星上熱控系統(tǒng)隨之進行降溫控制；在散熱升溫與熱控降溫的綜合作用影響之下，衛(wèi)星運行至地影區(qū)中間位置附近時，應答機溫度達到極大值；經(jīng)歷大約半個軌道周期后(衛(wèi)星進入陽照區(qū))，熱控降溫基本完成(此時蓄電池在多數(shù)情況下已經(jīng)停止放電)，應答機溫度達到最低，此時衛(wèi)星與太陽的星下點的地理緯度基本相同。

應答機溫度的長周期為年周期，大致上冬至前后溫度為全年最高水平，夏至前后為最低，這與衛(wèi)星距離太陽遠近變化以及光照角變化有關：冬至時距離近，且陽光近乎直射太陽帆板，衛(wèi)星軌道熱流[19]較大，整星溫度處于高位。

應答機溫度的長期變化變化為溫度均值逐年上升，每年約0.3℃，這極可能是空間環(huán)境輻照(特別是紫外輻照)下的熱控涂層性能退化[20]以及軌道運行下的熱流變化影響所致。

圖4 應答機溫度變化

另外，應答機溫度還受到GPS接收機(僅通道板保持工作)、遙控下位機、電源下位機和配電器下位機等SEL事件[21-22]的次生性影響：器件在出現(xiàn)SEL效應后，一般會呈現(xiàn)出電流增大與溫度升高這兩個特征；器件升溫后會向外輻射熱量，從而給周邊其它器件帶來升溫影響。

圖5為配電器下位機的SEL事件的升溫影響示意：配電器初始溫度均值約為17℃，振幅約為0.5℃，由于下位機發(fā)生SEL效應，其溫度迅速上升，最高溫度超過22℃，平均抬升約5℃，與之對應的是應答機的溫度也出現(xiàn)了上升，最大升幅約為0.8℃(最高溫接近26.9℃)。巧合的是，由于載荷在此SEL事件期間正好開機工作了一段時間(熱控系統(tǒng)對載荷的降溫控制對應答機亦有一定影響)，使得應答機溫度沒有繼續(xù)上升；在其后的測控窗口中，地面發(fā)現(xiàn)SEL事件并發(fā)送斷電、加電指令進行處置獲得成功；隨后，應答機與配電器下位機溫度逐漸下降至正常水平?？梢栽O想，如果沒有載荷的開機工作，則地面發(fā)現(xiàn)SEL事件時的應答機溫度可能會更高(甚至接近26.0℃)，若測控窗口內的最高仰角剛過70°，則當圈不一定能夠進行SEL事件的處理，后續(xù)溫度則還可能繼續(xù)升高，處理難度更大。極端情形下可能出現(xiàn)：應答機高溫，則載波無法鎖定，則遙控無法發(fā)送指令，則SEL事件無法消除，則高溫持續(xù)，由此成為死循環(huán)。

圖5 SEL事件的升溫影響

遙測數(shù)據(jù)表明，GPS接收機、遙控下位機、電源下位機等出現(xiàn)SEL事件時給應答機帶來的溫升均在0.3℃左右；而且，不同器件SEL事件如果在一兩天的短時間內相繼出現(xiàn)(操控中難以及時進行相應處理)，其造成的溫升具有疊加性。

冬至前后，太陽偏南，境內多數(shù)設備在測控時，衛(wèi)星應答機溫度距離其極小值較遠，載波捕獲、鎖定幾率較低；另外，冬至前后應答機溫度水平也處在全年最高位，載波捕獲較為困難；再有，冬至期間衛(wèi)星運行在近日點附近，電子器件發(fā)生SEL事件的概率也明顯增加[3,5]，對應的次生性溫度影響也加?。贿€有，冬季往往還是地面航天發(fā)射任務高峰期，測控資源調度[23-24]壓力較大，一旦SEL事件不能及時、快速處理，則事態(tài)可能會惡化，甚至不可逆轉?？梢钥闯?，冬至前后是應答機工作最為困難的時期，在操控中有效保障衛(wèi)星在軌運行顯得尤為重要。

2 應答機應急降溫操控

根據(jù)圖2中的AGC與溫度同步變化特征，采集載波未鎖定狀態(tài)時的不同溫度下的AGC值，可以擬合得到兩者之間的數(shù)學關系，擬合式為：

Ui=aln(Ti+b)+c

(1)

式中，Ui為第i次采集到的AGC電壓(V)；Ti為采集時對應的溫度數(shù)值；a為系數(shù)(V)；b為偏置溫度的數(shù)值；c為截距(V)；i為采集序號，i=1，2，3，…。

采集到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同溫度下的AGC

將表1中數(shù)據(jù)代入式(1)，采用LM算法[25-26]求解，得到結果為：a=0.440 187 V，b=-18.504 256，c=-0.071 253 V。采集值與擬合值關系如圖6所示。

圖6 AGC與溫度關系

從圖6可以看出，隨著溫度降低，AGC電壓下降較快。若假定載波捕獲時的信號載噪比為常數(shù)，則低溫下的載波捕獲所需的信號功率明顯要低。因此，在地面發(fā)射功率與天線口徑、最高跟蹤仰角等約束條件相同的前提下，測控時的應答機溫度越低，則載波捕獲、跟蹤可能會更早，對應載波鎖定時間更長，遙控時間窗口更寬。需要說明的是，圖6中的溫度有其適用范圍，這里將其設定為24.0～26.2℃：低于24.0℃則模型誤差可能較大甚至失效，高于26.2℃則載波不能鎖定(在現(xiàn)有的應答機降級應用模式下)。圖6的結果表明，降低應答機溫度可有效緩解載波捕獲與跟蹤困難。但應答機并無主動控溫設計，因此還需尋找其它方法。

圖3中的短暫載波鎖定情形目前在冬至附近出現(xiàn)的概率最大(往往伴隨SEL事件同時出現(xiàn))；再考慮衛(wèi)星繼續(xù)老化導致整星溫度持續(xù)升高，則短鎖定情形可能會在冬至前更早的時間里出現(xiàn)；而且，一旦冬至期間的最低溫度超過26.2℃，則載波將完全不能鎖定，上行信道基礎上的遙控能力極可能徹底喪失。

針對圖3中的短鎖定，再結合圖6的結果，這里給出一種應答機高溫情形下的應急處置方法：先是利用短鎖定窗口發(fā)送單指令對電源下位機進行復位，使其進入最小模式運行(同時，載荷會相應地停止工作)，24 h后星內溫度會大幅下降，應答機溫度也降低且完全可以滿足載波鎖定需求，進而得到較長時間的載波鎖定窗口；然后再發(fā)送指令恢復電源下位機的正常模式，最后注入載荷數(shù)據(jù)以及其它在軌維護數(shù)據(jù)。

本方法的弊端在于24 h的降溫會使載荷喪失1 d的工作時間，工作效率會降低，但可以通過延長載荷數(shù)據(jù)注入周期的方法進行有限彌補：一般載荷數(shù)據(jù)注入周期為7 d，實行本方法后的對應損失率為1/7；將載荷數(shù)據(jù)注入周期延長為14 d(兩周一次)，則損失率會降低至1/14。另外，還可以適當動態(tài)調整載荷的日工作次數(shù)或時間進行彌補，或者利用更加科學有效的載荷工作規(guī)劃進行彌補，后者可能更有效：既可提高載荷工作產(chǎn)品質量，又可降低載荷工作強度。

當冬至期間的應答機最低溫度超過26.2℃后，應答機將不再可能實現(xiàn)載波鎖定，但利用本方法，可以提前進行電源下位機復位，然后較長時間內(數(shù)天至數(shù)十天不等)不進行處理，則載荷自然停止工作，進入冬眠狀態(tài)。待應答機溫度不再處于全年最高水平時，在某一時段(例如1月底或者2月初)擇機恢復電源下位機的正常模式，解除載荷冬眠狀態(tài)，則載荷可以繼續(xù)延壽工作。

3 操控檢驗與討論

由于應答機高溫狀態(tài)下的載波鎖定時間極短，人工根據(jù)遙測數(shù)據(jù)進行載波鎖定判斷以及發(fā)送指令顯得不合時宜，需要利用遙控作業(yè)[18]自動進行電源下位機復位的單指令發(fā)送。遙控作業(yè)僅含兩個模塊：其一為載波鎖定判決模塊；另一為指令發(fā)送模塊，作業(yè)運行時間在10 s以內?？紤]到冬季溫度水平在全年最高，應答機的載波鎖定最為困難，這里主要在冬季進行了2次檢驗，時間為2018年12月和2019年1月，對應的電源下位機溫度與應答機溫度變化結果如圖7所示。

圖7 應急操控下的溫度下降

從12月份操控來看，電源下位機復位后：24 h內，應答機溫度均值由初始的26.7℃下降到20.3℃附近，同期的電源下位機溫度均值則由18.5℃降到11.4℃，前者降幅6.4℃，后者降幅為7.1℃；72 h后，應答機溫度中心值溫度在18.9℃附近，電源下位機溫度穩(wěn)定在9.4℃左右。

由1月份的數(shù)據(jù)可知，在最小模式下，應答機溫度在24 h內由初始的26.1℃下降到20.8℃，同期的電源下位機溫度則由18.4℃降到11.3℃，兩者降幅對應為5.3℃與7.1℃；72 h后，應答機與電源下位機的溫度仍然穩(wěn)定在18.9℃與9.4℃附近。

這里針對應答機溫度變化進行討論：12月份的溫度明顯要高，這與前面圖4的情形符合；從24 h內的降溫過程來看，12月份的降溫幅度要大一些，說明初始溫度越高則降溫速度可能越快，這對應急操控與異常處置相對有利；從72 h后的降溫終值來看，1月份的穩(wěn)定溫度反而要高，這可能與熱控狀態(tài)改變、軌道變化等因素有關，具體情況還有待于后續(xù)積累數(shù)據(jù)并進一步分析。

降溫后，衛(wèi)星測控中的應答機AGC與載波鎖定情況如圖8所示。考慮到應答機穩(wěn)定溫度在20℃附近，測控時并未按照應答機降級應用模式來進行設置，具體參數(shù)為地面發(fā)射機功率為400 W、天線口徑為6 m、最高仰角為44°。即便如此，得到的載波鎖定時長為391 s，接近400 s。另外，從橫軸數(shù)值可知，這里的檢驗在夜間進行(衛(wèi)星處于地影中)，這相對于以前的降級應用僅能在白天進行(衛(wèi)星處于陽照區(qū))，例如圖1與圖3，具有明顯改善。事實上，應急操控模式下，白天測控時的應答機溫度更低，載波捕獲與跟蹤更容易，地面發(fā)射機功率、天線口徑以及最高仰角等約束都得到極大緩解(在電源下位機最小模式下，應答機降級應用下的載波鎖定時長則優(yōu)于400 s)，可用的測控資源也更多，調度壓力也明顯減小；特別是在冬季SEL事件相對頻發(fā)下的操控應對方面，地面跟蹤、發(fā)令、處置基本上不再有應答機工作困難。

圖8 應急操控下的AGC與Lock

文獻[27]從在軌維修角度出發(fā)，對載人航天器的配電系統(tǒng)進行了設計與探討，其電源系統(tǒng)在最小工作模式下主要為測控、星務、姿控、熱控等系統(tǒng)提供能源保障。這里采用電源下位機復位方式進行應答機高溫狀態(tài)下的應急操控，電源下位機復位后的最小模式與文獻[27]中的最小工作模式較為相似，且復位后的熱控系統(tǒng)主要保障蓄電池、推進及管路、載荷等部位，其它控溫均停止，因此應答機溫度得以降低，為載波捕獲與跟蹤提供便利，空間操控得以連續(xù)。

但是載荷在這種應急操控下必須進入冬眠狀態(tài)，其工作無法連續(xù)。冬眠模式在深空探測任務中較為常見[28]，這里的載荷冬眠是載荷間歇性工作的狀態(tài)之一，目的在于延壽。文獻[29-30]認為衛(wèi)星延壽是燃料或推進劑、能源、熱控、空間環(huán)境等因素下的作用結果，多約束下的優(yōu)化是關鍵。文獻[31]在總結Dellingr衛(wèi)星在軌工作時指出，盡管衛(wèi)星先后遭受了陀螺、太陽敏感器、GPS接收機、星載計算機等數(shù)起重大異常，但正是得益于電源、通信、指令與數(shù)據(jù)處理這三個系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、無故障運行，困難才最終得以克服?？梢?，能源與通信保障仍是航天器異常處置成功的前提和基礎，其重要性不言而喻。因此，載荷冬眠實際上是測控與熱控約束下的優(yōu)化輸出結果，最終實現(xiàn)載荷工作延壽。追根溯源，問題還是在于衛(wèi)星長期在軌運行后，應答機對高溫環(huán)境過于敏感。文獻[32]通過調整熱控系統(tǒng)在陰影期間的工作模式，可減小能源消耗，從而降低蓄電池供電負荷，實現(xiàn)蓄電池延壽。這種熱控工作模式調整可與本例中的電源下位機工作模式調整互為參照。

后續(xù)，需要根據(jù)應答機溫度的長期變化趨勢及時調整載荷冬眠策略。實際上，2018年冬末已經(jīng)進行了兩次載荷冬眠測試與檢驗；2019年末，可能需要實施兩周左右；再往后，在有限的數(shù)年以內，按照現(xiàn)有溫度長期變化規(guī)律預測，可能需要逐年增加一至兩周的時間。載荷冬眠實施過程中，需要嚴密監(jiān)視衛(wèi)星遙測參數(shù)狀態(tài)，根據(jù)情況動態(tài)調整載荷冬眠時機與時長：在不發(fā)生其它重大異常的前提下，以冬至期間的測控通信保障為主；若有其它新情況出現(xiàn)，則繼續(xù)進行多約束下的優(yōu)化延壽。

4 結論

衛(wèi)星運行超10年后，應答機載波捕獲與跟蹤對于溫度十分敏感，提出冬至期間電源下位機工作模式調整、促使載荷進入冬眠模式的方案，保障上行遙控，用于衛(wèi)星延壽，得到以下結果：

1)空間環(huán)境綜合作用下的應答機在軌工作時呈現(xiàn)溫度敏感特征，即應答機溫度超過26.2℃時，載波無法完成捕獲與跟蹤；溫度在26.0℃時，在地面發(fā)射功率800 W、天線口徑10 m、最高跟蹤仰角不低于70°的降級應用模式下，載波鎖定時長不足20 s；溫度越低于26.2℃，則載波鎖定時間越長。

2)在應答機溫度接近26.2℃時，可進行應急操控，即發(fā)送指令控制電源下位機進入最小模式，從而降低星內溫度：24 h內，應答機溫度可降低5.3 ℃以上；72 h后，應答機溫度可穩(wěn)定至21.0℃以下；降溫后，載波捕獲與跟蹤易于實現(xiàn)，載波鎖定時長優(yōu)于400 s，完全滿足降級應用下的操控需求。

3)當冬季應答機溫度極小值接近26.2℃時，利用應急操控可實現(xiàn)載荷間歇性工作，載荷工作天數(shù)的損失率為1/7；當冬季應答機溫度極小值超過26.2℃時，可提前啟動應急操控，載荷停止工作并進入冬眠狀態(tài)，全力保障測控上行信道暢通，在冬季高溫期度過之后，可擇機再恢復載荷工作，實現(xiàn)衛(wèi)星在軌延壽。

4)應急操控后，上行測控約束得到明顯緩解，可用測控資源增多，遙控窗口寬度增加，測控幾乎可以全天進行。

后期，還需持續(xù)關注載荷冬眠期間的應答機溫度變化，若該值逐年升高甚至逼近26.2℃，則延壽工作應再次調整、優(yōu)化。