载人航天逃逸安控系统优化设计

王志生, 李 瑭, 汤 达

(北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094)

1 引言

在载人航天任务中,保障航天员生命安全是地面逃逸安控系统的首要任务。运载火箭上升段,当火箭故障危及航天员生命时,地面逃逸安控系统需对飞船实施逃逸控制,确保航天员在遇到紧急情况下能够安全快速地脱离危险区域,必要时择机对火箭实施安全控制,这要求地面逃逸安控系统做到遥控指令不漏发、不误发。以往载人飞行任务中,通过首、航区S 频段统一测控系统(Unified S-band,USB)同时向火箭和飞船发送飞船逃逸指令,通过首区安控设备,采用脉冲编码-相移键控-调频(PCM-PSK-FM)体制向火箭发送火箭安控指令,圆满完成了多次载人发射任务。

随着使用频度的增加,PCM-PSK-FM 体制逐渐暴露出指令选择余地小、安全保密性低等不足。USB 设备采用上下行相干技术体制,信号的捕获及丢失重捕用时较多,从以往USB 设备执行任务情况看,S 频段信号易受火箭分离动作影响而出现短时失锁,将影响逃逸指令发送的可靠性[1]。

随着中国空间站工程的深入发展,后续将以年均2 发的频率实施载人飞船的发射,对逃逸安控系统的可靠性、安全性提出了更高的要求。针对中国载人航天原逃逸安控系统的不足,本文提出了优化设计方法,将火箭接收逃逸指令的通道和接收安控指令的通道进行一体化体制换代,升级为多音组合编码调频体制,即主字母体制;同时对箭上、地面逃逸安控设备进行一体化设计;此外继续保留USB设备向飞船发送逃逸指令的通道[2]。

2 原系统局限性分析

以往载人航天飞行任务中,飞船逃逸及火箭安控受限于工作体制,逐渐暴露出一些局限性。

2.1 逃逸体制

逃逸指令通过首、航区的USB 设备发送,这是基于前期的技术水平、工程经验和进度要求等诸多因素综合考虑确定的,在历次任务联调、联试和对接试验中验证了该方案的实用性。但受限于调制/解调体制、信号工作频段的特性,在飞行任务使用过程中存在以下风险:

1) 信号体制决定可用性受限。USB 设备采用多级相干调制/解调体制,完成对载波的跟踪、锁定、双捕,具备可靠发送逃逸指令的条件。在目标大动态、信道余量低、人工干预等情况下,捕获和解调全过程最长约数十秒,制约了逃逸指令发送的实时性。特别是在级间分离、抛整流罩、天线干涉区等射频链路不稳定的情况下,天地间链路有可能出现反复重捕而不具备发令条件,逃逸指令发送通道的可用性大大降低。

2) 天线波束决定可用性受限。载人飞行任务中,运载火箭飞行过程中逃逸控制本质上是异常情况下的应急处置。USB 设备天线波束较窄,当火箭飞行出现异常情况时,飞行轨迹无法预知,USB 设备容易丢失目标,导致链路中断,逃逸指令无法及时发送[3]。

2.2 安控体制

安控系统采用PCM-PSK-FM 体制,是基于20世纪70 年代中国技术条件、器件水平、人员保密意识等方面因素综合确定的。随着使用频度的增加,该体制在安全保密、抗干扰等方面逐渐暴露出以下不足:

1) 安全保密性低。现有安控指令码中只有部分码元随任务变化,因此PCM-PSK-FM 体制的指令集合中样本数量极其有限,一旦工作频点和调制方式被破译,在数分钟的时间内就可至少遍历一次码元,导致容易受到人为攻击。

2) 指令选择余地小。各类飞行任务共用PCM-PSK-FM 体制码库,每次至少使用2 条指令(预令和动令),且不能在后续任务中重复使用。因此指令集合中可选用的指令条数越来越少,随着航天发射任务密度越来越高,该问题越加突出。

3) 抗干扰能力差。PCM-PSK-FM 调制体制中安控信号的频谱能量比较集中,很容易受到同频段内的杂波干扰,包括自然干扰和人为干扰等,从而导致发生漏指令现象,降低了飞行任务中安控指令发送的可靠性[4]。

3 主字母体制及其特点

主字母体制在20 世纪70 年代末由NASA 提出,为进一步提高安全控制的可靠性,在新发射场建设中,参照美国主字母安全遥控体制,提出了一种改进型主字母安全遥控体制,即多音组合编码调频体制。该体制采用15 单音选4 组成1 个字母,可定义1365 个字母,从中选择若干个字母组成1 条指令。该体制适合载人航天飞行中对逃逸安控系统高可靠性的要求,具有以下优点:

1) 发令通道准全程可用。主字母调制方式是一种非相干的复合指令调制方式,箭上接收机捕获简单,捕获、解码时间为10-1秒级,即使链路中断亦可立即完成重捕,实时性高,首、航区设备搭接可实现全程覆盖。

2) 应对异常能力强。地面设备工作于P 波段,发射天线波束为宽波束,远优于USB 设备波束宽度,应对火箭异常飞行情况能力强,跟踪稳定度高,漏指令概率极低。

3) 安全性高。每条指令由若干字母组成,每个字母由若干单音合成,组合形成了海量指令集,难以在有限时间内被恶意遍历,误指令概率极低。指令集合中可用指令数据海量,安全保密性进一步提高。

4) 抗宽带干扰能力强。主字母体制指令码较短,码速低,占用带宽窄,信噪比高,抗宽带干扰能力强,不易受到自然或人为攻击[5-6]。

4 系统优化设计

4.1 原系统工作模式

逃逸安控指令发送逻辑为先逃逸、后安控。原逃逸安控系统中,逃逸控制链路中包括以下要素:指令发起方为任务中心逃逸台,上行设备为首、航区USB 设备;飞船接收设备为S 频段应答机,火箭接收设备为逃逸指令接收机。飞船或火箭成功接收指令后均可通知箭上逃逸执行机构实施飞船逃逸。安控指令由任务中心安控台发起,经由首区安控设备发送至火箭安控指令接收机。具体指令发送流程如图1 所示[7-8]。

图1 原系统指令发送流程[7-8]Fig.1 Instruction sending process of the old system[7-8]

4.2 一体化逃逸安控系统工作模式

空间站阶段,逃逸指令仍由火箭和飞船同时接收。火箭逃逸、安控指令升级为主字母体制发送,逃逸和安控本质上属于服从严格时序要求的遥控指令,因此,箭上、地面设备可以相应进行一体化设计。相比原系统,主要从以下方面开展逃逸安控系统的优化设计工作:

1) 取消箭上原有的USB 体制逃逸指令接收机,对火箭逃逸指令接收机和安控指令接收机进行一体化设计,合并为逃逸安控指令接收机,并升级为主字母体制。

2) 对首区PCM-PSK-FM 体制安控设备进行主字母体制改造,具备采用2 个点频按照不同任务弧段发令的能力;航区新建2 台逃逸设备,具备主字母体制指令发送功能;首、航区设备搭接共同完成运载火箭上升段全程逃逸指令的发送任务。

3) 对任务中心逃逸台、安控台进行一体化设计,合并为逃逸安控台,同时负责逃逸指令和安控指令的发令任务,并遵循先逃逸后安控的原则。

4) 飞船逃逸指令维持USB 通道发送方式,与火箭主字母体制逃逸指令发送通道互为备份,飞船上合作目标和地面USB 设备无需额外调整。

优化设计后的一体化逃逸安控系统的指令发送流程如图2 所示。其中,经由主字母体制逃逸安控设备发令的支持能力显著优于原USB 通道和PCM-PSK-FM 通道。

图2 一体化逃逸安控系统指令发送流程Fig.2 Instruction sending process of the new system

5 工作模式对比分析

一体化逃逸安控系统在系统工作层面和设备组成层面均得到了显著优化。

5.1 系统工作层面

系统工作层面,逃逸控制的冗余度、逃逸指令的覆盖性以及安控指令的可靠性、安全性均得到显著优化。

1) 逃逸控制冗余度高。一体化逃逸安控系统逃逸指令可以通过USB、主字母2 种完全不同的信道和不同的体制发送,全方位提高了指令发送的可靠性。

2) 逃逸指令覆盖性好。建立USB 通道并具备发令条件的时间约数十秒,每次链路失锁或正常上下高压可能造成数十秒的空白段落。主字母体制信号接收捕获时间为10-1秒级,链路中断后可迅速重捕,火箭逃逸指令接收将实现全程覆盖。在系统层面可全程提供飞船、火箭2 种发令通道。此外,箭上接收机设计为双点频接收,整个上升段双站复用,可靠性更高。新老模式下,逃逸指令发送的综合覆盖性对比如图3 所示。

图3 中,按照新体制升级改造后,首区逃逸安控设备具备双点频按弧段上行能力,分别与航区逃逸安控设备2 和设备3 搭接,实现向火箭发送逃逸、安控指令的双重全程覆盖。与老系统相比,USB 设备工作模式不变,即工作于f1 点频的首区USB1 与航区USB3 搭接,工作于f2 点频的首区USB2 与航区USB4 搭接,共同向飞船发送逃逸指令。

图3 逃逸指令覆盖性对比Fig.3 Comparison of coverage of the escape instruction

3) 安控指令可靠性、安全性高。一体化逃逸安控系统发送安控指令由PCM-PSK-FM 体制升级为主字母体制,抗宽带干扰能力更强,不易受到自然或人为攻击。指令集合中可用指令数据海量,安全保密性进一步提高。

5.2 设备组成层面

设备组成层面,箭上逃逸接收机、安控接收机以及地面任务中心的逃逸台、安控台均进行了合一简化设计。

1) 箭上逃逸、安控接收机合一。箭上只安装逃逸安控指令接收机,取消原有的USB 体制逃逸指令接收机,节约了资源和运载能力,同时减少了箭上必保设备,可靠性约束随之降低。

2) 任务中心逃逸台、安控台合一。逃逸和安控本属于同一性质的2 个控制过程,将逃逸台和安控台合二为一,操作程序简化,接口关系清晰,确保指挥、操作、控制关系的畅通和实施的便捷,可靠性得到进一步提高。

6 结论

本文从调制体制、工作模式和设备组成等方面,对优化设计后逃逸安控系统与原系统进行了全面分析比较。新的逃逸安控系统已在神舟十二号载人飞行任务中得到应用,在设备改造、对接试验、联调联试及飞行任务中达到了预期效果。结果表明:

1) 逃逸指令和安控指令的发送通道升级为主字母体制,有效解决了原体制发令通道可用性有限、存在丢目标风险、安全保密性低、指令选择余地小等不足。

2) 优化设计后的逃逸安控系统实现了逃逸指令多手段、高可靠、全程覆盖,提高了安控指令发送的可靠性、安全性。

3) 优化设计后的逃逸安控系统对箭上接收机、地面任务中心控制台进行了一体化设计,节省了资源,简化了任务实施过程中的操作程序和系统间的接口关系。