载人飞船回收着陆搜救系统优化设计_龙吟.pdf

第 卷第期 年月航天器工程 载人飞船回收着陆搜救系统优化设计龙吟黄才孙斌（北京空间飞行器总体设计部，北京 ）收稿日期：；修回日期：基金项目：国家科技重大专项作者简介：龙吟，男，高级工程师，从事航天器测控与通信研究工作。：。摘要设计由国际救援示位标、着陆搜寻信标机、北斗短报文收发终端、铱卫星手机、信标天线及天线网络组成的回收着陆搜救系统，进一步提升载人飞船回收着陆搜救系统的可靠性。该系统首先通过飞船上的国际救援示位标及配套信标天线和天线网络，将位置信息通过国际搜索和救援卫星系统（）转发至搜救控制中心，完成载人飞船的初步位置锁定。救援直升机越野车救援船根据位置信息赶赴返回落点现场，通过装载的 定向接收仪接收着陆搜寻信标机发出的信标信号，完成定向，并从不同方向锁定和实时跟踪信标，缩小搜救范围。配置着陆搜寻信标机和铱卫星手机，分别实现基于 的半双工的模拟话音通信和基于铱卫星系统的全双工的数字语音通信。通过配置北斗短报文收发终端，利用已有的北斗二号和北斗三号导航星座，实现位置信息的获取和转发。配置闪光灯及海水染色剂作为辅助救援手段，进一步提升陆上和海上的搜救可靠性。文章设计的系统支持正常及自主应急返回的着陆搜救任务，适应陆地及海上搜救的需求，已经成功应用于神舟十二号神舟十四号载人飞船的回收救援，能有效提升定位精度和缩短救援时间。关键词载人飞船；回收着陆救援系统；国际救援示位标；着陆搜寻信标机；北斗短报文收发终端中图分类号：文献标志码：（，）：，：；载人飞船完成在轨交会对接及飞行任务后，首先完成组合体分离，进入单独飞行模式，接下来依次完成轨道舱返回舱分离、制动、推进舱返回舱分离，从再入点进入大气层，实施半升力式或者弹道式的返回控制和回收程序。正常情况下，着陆搜救系统通过地面测控站及光学设备跟踪和测量返回舱返回后的着陆轨迹，预估着陆点位置。救援直升机、救援越野车提前奔赴落点区域，等待返回舱着陆并实施救援。上述回收着陆手段，存在以下不足。仅适用于正常返回工况，返回落点精度基本符合地面的预估位置，有利于地面快速开展搜救工作。但是，如果载人飞船在轨发生密封舱失压等紧急故障，航天员将执行快速撤离和自主应急返回，由于落区的变更，依据正常返回星下点布置的地面测控站和光学设备失去作用，并且自主应急返回的落区信息复杂及落点精度较差，对地面实时获取返回舱位置信息和开展快速搜救提出挑战。前弹道式返回和后弹道式返回的落点精度在航向和横向上较半升力式返回显著恶化。返回再入过程中，除去 高度的黑障区外，在测控弧段内，地面测控站对返回舱进行实时测控，地面测控站通过返向遥测获取返回舱的位置信息。但是，由于落区地形、地面测控站天线仰角的限制，返回舱一般在距离地面 以上高度处应答机链路中断，因此地面测控站无法精确获取后续的返回舱落点位置信息。考虑落区的风速较高的工况，在航天员未采取手动切断主伞的情况下，主伞会借助风力带动返回舱快速移动，返回舱着陆后的落点存在实时变化的可能性。返回舱如果落到海上，会随着洋流运动，因此存在位置不确定性，为搜救增加难度。对国内外返回式航天器的应急搜救方法调研可知：俄罗斯联盟号飞船配置了基于 及 的着陆搜救信标机，着陆后通过发送基于 及 载频的模拟信标信号，让配置信标接收机的地面搜救系统实现定向及定位。该方法简单可靠，具备一定的着陆搜救能力，但是定位精度较差，搜索范围仅有 左右，并且无法传送语音信号。美国阿波罗载人飞船返回舱配置了基于全球导航定位系统（）的导航接收机和基于国际搜索和救援卫星系统（）的国际救援示位标，通过周期性地向 星座发送携带 定位信息的信标信号，实现搜索救援。该方法具备支持全球搜救和定位精度高的优点，但是发送信标信号间隔较大（约 ），不适合紧急情况下的实时定位，并且依赖 导航定位信号和无法传送语音信号。我国实践十号返回式卫星配置了基于 载频的着陆搜寻信标机，实时发送 的信标信号实现定位。该方法同样具备定位精度差和搜索范围小的缺点。我国嫦娥五号月球探测器配置了基于 的国际救援示位标，周期性地向 星座发送信标信号，通过多普勒定位的方法实现快速定位和搜救。该方法具备支持全球搜救的优点，但是定位精度不高，不适合紧急情况下的实时定位，并且无法传送语音信号。随着北斗二号、北斗三号的组网建成，基于北斗系统的自主定位和短报文功能 已经逐步应用于在轨航天器，而在载人飞船着陆搜救领域的应用尚未见相关报道。神舟八号至神舟十一号载人飞船配置了国际救援示位标、着陆搜寻信标机、铱卫星手机、超短波通信机、闪光灯和海水染色剂组成的着陆搜救系统。该系统具备正常返回时的快速回收能力和在轨应急返回时的全球搜救能力，支持空中搜救、地面搜救和海上搜救任务。但是，从发展的角度考虑，存在以下局限性。超短波通信机工作在甚高频（），用于实现上升段及返回段的关键遥测及话音通信。干扰信号严重，在实际飞行任务中容易出现链路干扰导致的通信中断。国际救援示位标采用 长度的短码国家位置协议，定位精度较低，最优为 ，有待进一步提升。没有引入北斗短报文，缺少全球搜救任务的备份手段。无论是航天器工程 卷国际救援示位标还是着陆搜寻信标机，都是单向发射器，无信息交互功能。针对载人飞船正常返回及应急返回的工况和需求，本文提出基于 的国际救援示位标、着陆搜寻信标机、北斗短报文收发终端、铱卫星手机及海水染色剂和回收闪光灯的载人飞船回收着陆搜救系统。该系统具备全球高精度实时快速定位搜救和系统可靠性高的优点，部分设计已经成功应用于神舟十二号至神舟十四号载人飞船陆地及海上回收场的对接试验、神舟载人飞船的回收任务，同时在开展后续系统的升级论证工作。回收着陆搜救系统设计神舟八号载人飞船回收着陆搜救系统如图所示；本文提出的新回收着陆搜救系统如图所示，包括国际救援示位标、着陆搜寻信标机、北斗短报文收发终端、铱卫星手机、天线及天线网络等。新着陆搜救系统对统一频段（）应答机的下行链路进行扩容，带宽从 扩展到 ，具备下行 话音数据的能力，覆盖超短波通信机的功能。取消超短波通信机及超短波天线配套，避免 干扰严重易导致链路失锁的问题。为了解决应急着陆工况下搜救部队需要快速获取载人飞船精确落点位置的问题，配备国际救援示位标和导航接收机。返回舱着陆后，国际救援示位标发射 的脉冲信标（简称 信标），国际救援卫星可以通过解出信标中包含的经度、纬度位置信息对返回舱定位，经度、纬度位置信息由星载导航接收机通过解算北斗、导航信号获取，同时也能根据信标的未调制数据载波部分的多普勒频移完成返回舱定位。相对于神舟八号神舟十一号载人飞船，为进一步提升国际救援示位标发送的位置精度，将国际救援示位标的传输协议由短码格式更改为长码格式，定位精度由 提高到。为了有效利用北斗短报文服务资源，增加配备北斗短报文收发终端及短报文收发天线，实现全球范围内的基于北斗短报文的搜救信息发送。相比已有的国内外搜救系统，增加了备份搜救手段，提升了系统可靠性。相比国际救援示位标和着陆搜寻信标机仅能作为单向发射器，北斗短报文收发终端提供了信息交互功能。图神舟八号回收着陆搜救系统 第期龙吟 等：载人飞船回收着陆搜救系统优化设计图新回收着陆搜救系统 为了解决国际救援示位标和北斗短报文收发终端无法语音通信的问题，沿用着陆搜寻信标机、话音处理器和铱卫星手机。着陆搜寻通信机除发送超短波信标用于搜救团队的超短波定向仪接收定位外，还可以与搜救团队进行调幅（）体制的半双工通话。航天员通过铱卫星手机实现出舱和不出舱的全球范围内的全双工数字语音通信。另外，作为国际救援示位标、着陆搜寻信标机和北斗短报文收发终端等无线电标位的辅助标位手段，沿用配置闪光灯和海水染色剂。无线电标位主要用于远距离搜索定位；辅助标位手段用于近距离目视搜索定位。为了实现无线电标位的无线信号收发，配备各种信标天线。同时，配置天线网络，通过微波重力开关自主选择位置最优的天线实现各种信标信号的收发。取消超短波通信机及天线配套传统的着陆搜救系统配套超短波通信机及天线，工作在上升段及返回段，完成以下任务。接收总线广播的 绝对定位数据下传到地面，作为返回段的辅助测轨手段。负责传输 的数字话音。下行关键遥测参数。将话音数据发送给黑匣子存储。传统 应答机的下行带宽仅有 ，全部用于传输遥测参数。新 应答机进行了扩容设计，返向带宽从 增加至 ，其中 仍然用于传输遥测参数，用于传输双路 的数字话音，并且话音效果优于超短波通信机。话音设备将 话音数据发送给遥测设备，遥测设备将话音数据和遥测参数进行组帧，再通过扩容后的 应答机下行。同时，遥测设备在返回段将 数字话音发送给黑匣子存储。综上所述，新回收着陆搜救系统具备下行话音并在返回段发送给黑匣子存储的能力，原有的超短波通信机通信需求已被完全覆盖，并且 应答机分为 机和机的独立套设备，提升了系统可靠性。因此，为减少整船资源占用，优化系统设计，取消超短波通信机和超短波天线配套。国际救援示位标更改为长码格式 是由加拿大、法国、美国和苏联联合开发的全球性搜救卫星系统。该系统最初使用至少颗低高度（）极轨卫星，星下点经过同一地区的最长时间间隔为 。随着搭载搜救载荷的低轨卫星入网，比如北斗系统搭载的个卫星搜救载荷符合全球中轨卫星搜救系统空间段标准要求，实现了全球实时覆盖。工作系统见图，信标发出的报警信号都可航天器工程 卷以被该系统卫星上的接收机收到，然后再中继到地区用户终端，对信号进行处理后确定信标的位置。该报警信号及其位置数据再经过任务控制中心，或者直接送到有关的搜救机构，直接开展救助工作。注：为个人定位信标；为应急无线电示位标；为应急定位发射器；为搜救控制中心；为任务控制中心；为本地用户终端。图国际救援示位标工作系统 国际救援示位标组成如图所示，划分为温度补偿晶体振荡器、锁相调相频率源、功率放大器、微处理机控制电路、电源电路。晶振的参考信号送入锁相环路进行锁相倍频，锁相环的输出信号送入相位调制器，将规定的报文信息调制在 的载波上，再通过功率放大器将该信号放大经隔离器后输出。国际救援示位标具备种工作模式，分别是基于 的工作模式和基于多普勒定位原理的工作模式。在基于 的工作模式中，国际救援示位标实时接收导航接收机解算的经度和纬度的位置信息，并按照国际标准搜救的长码格式进行组包，按照国际搜救的标准频点和调制方式完成信息调制放大后，经过发射天线发送给 搜救卫星。短码和长码格式分别如表和表所示。传统的搜救系统采用了短码格式，短码格式的 表示纬度信息的度和分，表示经度信息的度和分，定位精度为分。本文设计的新系统采用长码格式，表示纬度信息的度、分和秒，表示经度信息的度、分和秒，定位精度为秒。数据帧格式从 增加至 ，定位精度分辨率由 提高为，即由 提高到，因此定位精度大大提高。图国际救援示位标组成 表短码格式的数据域 短码格式位同步帧同步第一保护数据域 非保护数据域未调载波（）位同步段帧同步段格式标志协议标志国家码 或 位置 码紧急码国内使用或补充数据位号 数据长度 注：为博斯乔赫里霍克文黑姆码。表长码格式的数据域 长码格式位同步帧同步第一保护数据域 第二保护数据域 未调载波（）位同步段帧同步段格式标志协议标志国家码 或 位置 码紧急码国内使用或补充数据 码位号 数据长度 第期龙吟 等：载人飞船回收着陆搜救系统优化设计 新增北斗短报文收发终端为进一步提升系统可靠性，利用已经建成的全球北斗导航系统，以及提供的短报文服务功能，在载人飞船上增加套北斗短报文通信子系统，在其他无线电信标手段均不可用的极端情况下，为载人飞船提供一条独立的通信链路，用于搜救信号的传递。北斗短报文通信子系统采用北斗三号短报文服务（区域全球）作为通信信道，为载人飞船提供覆盖全球的搜救位置信息下行，以及地面与航天员之间的双向应急通信数据传输支持。它具备遥测通信模式、待机通信模式及航天员通信模式。北斗短报文通信子系统在轨处于长开机状态，周期循环地判别外部输入条件，并根据判别结果工作在遥测通信模式、待机通信模式或者航天员通信模式。设备上电默认为遥测通信模式。在遥测通信模式时，通过 总线接收载人飞船上的关键遥测信息，并通过短报文入站链路发送至地面；当从 收到航天员手持终端上输入的消息时，自动转为航天员通信模式，在该模式下只发送来自航天员的消息，并且在航天员消息发送完成前忽略从总线接收到的关键遥测数据，航天员消息发送完成后自动转入遥测通信模式；当长期未收到载人飞船上的关键遥测及航天员手持终端的消息时，自动转为待机通信模式，在这种模式下将自身定位解算获得的位置、速度及时间信息发送至地面。图和图分别为北斗短报文收发终端的组成和工作流程。图北斗短报文收发终端组成 载人飞船天线及天线网络设计相对于传统系统，新系统的天线和天线网络减少了副超短波天线，增加了副北斗短报文收发天线和个重力水平开关。考虑到新增北斗短报文收发终端，为了同时满足北斗短报文业务的发送及接收频点，采用双极化天线设计，发送采用左旋圆极化，接收采用右旋圆极化。同时，为了满足返回舱着陆后各种姿态，以及北斗短报文天线对北斗星座的可视性，分别在返回舱壁和大底各设计副双极化北斗短报文收发天线。通过重力水平开关，自主选择视场较好的副天线进行通信。新系统配置副 发射天线，副 收发天线（搜救频率收发天线），副铱卫星天线，副导航接收天线，副北斗短报文天线和台返回舱天线网络。副 发射天线分别布局在返回舱的侧壁和大底。副 收发天线分别布局在航天器工程 卷返回舱的头部和大底。副北斗短报文天线分别布局在返回舱的侧壁和大底。副铱卫星天线分别布局在返回舱的侧壁和大底。副导航接收天线分别布局在返回舱的象限和 象限。发射天线、收发天线、铱卫星天线、北斗短报文天线均采用备份设计，并且布局位置实现高低冗余，提升系统的可靠性。副天线网络分别是 天线网络和 天线网络。天线网络通过重力水平开关，实现 发射天线，和 收发天线，的位置择优选择。天线网络通过重力水平开关，自动选择导航接收天线，以及北斗短报文天线，中位置较高的一副工作。载人飞船返回舱天线网络是天线和收发信机之间的一个高频通道，在飞船的主动段、轨道运行段、返回段及返回舱着陆后，把发射机发射的通信、测控、定位及求救信号通过此网络传送给指定的天线，再把从天线接收的信号传送给指定的接收机。返回舱天线及天线网络组成见图。载人飞船回收着陆搜救系统的各子系统协同工作流程见图。图北斗短报文收发终端工作流程 图返回舱天线及天线网络组成 第期龙吟 等：载人飞船回收着陆搜救系统优化设计图回收着陆搜救系统工作流程 小结回收着陆搜救系统的主要设计指标包括定位时间、定位区域、发射周期、定位精度、语音通信、质量、功耗和可靠性。比较新旧回收着陆搜救系统的设计指标，如表所示。新系统在配套数量、定位区域、定位精度、质量、功耗和可靠性方面更优，在定位时间、发射周期和语音通信能力上与传统系统保持一致。表回收着陆搜救系统指标比较 项目传统回收着陆搜救系统新回收着陆搜救系统比较结果系统配套数量国际救援示位标（短码）、着陆搜寻信标机、铱卫星手机、导航接收机及前置放大器（套）、话音处理设备、超短波通信机、天线（副）、天线网络（套）国际救援示位标（长码）、着陆搜寻信标机、铱卫星手机、导航接收机及前置放大器（套）、话音处理设备、北斗短报文收发终端、天线（副）、天线网络（套）增配副天线，新系统更优定位时间 一致定位区域仅国际救援示位标支持全球范围国际救援示位标和北斗短报文收发终端均支持全球范围新系统更优发射周期（）（）一致定位精度定位精度最大误差为，对应距离 定位精度最大误差为，对应距离 新系统更优语音通信支持基于 的半双工的模拟话音通信；支持基于铱卫星的全双工数字话音通信支持基于 的半双工的模拟话音通信；支持基于铱卫星的全双工数字话音通信一致可靠性全球范围全天候的搜救手段：国际救援示位标、铱卫星手机全球范围全天候的搜救手段：国际救援示位标、铱卫星手机、北斗短报文收发终端新系统更优应用验证 年 月 日：，中国搜救卫星任务控制中心接收到神舟十一号载人飞船 设备发出信标，多普勒定位及接收 数据均正常，采用接收 发送信号定位的落点位置为（，）。回收试验队通过测量，报告返回舱最终落点位置为（，），与交通部提供的位置数据一致，经度误差 ，纬度误差 。年月 日，神舟十二号载人飞船返回舱着陆，航天员手动脱伞，降落伞断开，落地后倾斜状态，见图。返回再入过程中，神舟十二号载人飞船 着陆搜寻信标机开机，空中分队通过 定向接收仪收到 信标信号并稳定跟踪。飞船载国际救援示位标开机，过境卫星接收国际救援示位标发射的 信号正常。飞船落地后最终呈 象限朝地水平着地状态，落地后天线舱盖被舱体压住。大底 收发天线、发射天线均航天器工程 卷正常展开，返回舱天线网络通过重力水平开关自动选择位于大底的 发射天线和 收发天线进行通信，飞船上着陆搜寻信标机和国际救援示位标设备均工作正常。地面搜救直升机越野车救援船根据位置信息赶赴返回落点现场。通过交通部反馈，年月 日中国搜救卫星任务控制中心接收到神舟十二号载人飞船 设备发出信标，多普勒定位及接收 数据均正常，采用接收 发送信号定位的落点位置（，），与回收试验队通过测 量 报告 返回 舱 最 终 落 点 位 置（，）进行比对，位置数据基本一致，经度误差，纬度误差。图神舟十二号载人飞船着陆搜救照片 经过神舟十一号和神舟十二号载人飞船飞行任务验证，对比种回收着陆搜救系统的定位精度，新系统的经度和纬度定位精度分别提升约 和 ，有利于地面搜救系统对返回舱精确定位，缩短救援时间。结束语本文提出一种载人飞船回收着陆搜救系统设计，由国际救援示位标、北斗短报文收发终端、着陆搜寻信标机、铱卫星手机、信标天线及天线网络等组成，可实现对载人飞船的正常及自主应急返回模式的支持，用于陆上及海上的回收着陆搜救，并已通过神舟十二号神舟十四号载人飞船着陆搜救任务验证，定位精度高，可实现全球陆上及海上搜救，系统可靠性高。参考文献（）耿艳栋，李云芝，廖学军载人航天工程主着陆场地理信息系统设计 指挥技术学院学报，（）：，（）：（）杨凡德，秦大国，耿艳栋 主着陆场通信系统设计与实现 指挥技术学院学报，（）：，（）：（）何青松，王立武，王寒冰，等航天器海上伞降回收技术发展与展望 航天器工程，（）：第期龙吟 等：载人飞船回收着陆搜救系统优化设计 ，（）：（）孙威，吴斌 实施载人飞船返回舱海上溅落搜索救援的技术分析与方案讨论载人航天，（）：，（）：（）谢堂林载人飞船海上着陆无源定位技术研究成都：电子科技大学，：，（）叶建设，孙威，吕斌涛，等 空间站工程海上应急救援保障新模式研究载人航天，（）：，（）：（）卞韩城，黄宁，袁亚军，等国外载人航天器返回着陆分析与启示载人航天，（）：，（）：（）高滨国外载人航天器回收着陆技术的进展航天返回与遥感，（）：，（）：（）曾晖，林墨，李瑞，等 全球卫星搜索与救援系统的现状与未来航天器工程，（）：，（）：（）蔡洪亮，孟轶男，耿长江，等北斗三号全球导航卫星系统服务性能评估：定位导航授时、星基增强、精密单点定位、短 报 文 通 信 与 国 际 搜 救 测 绘 学 报，（）：，：，（）：（）（编辑：夏光）航天器工程 卷