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摘 要：航天测控通信系统是航天测控系统的关键。本文以通信、数据传输系统为重点，研究航天器测控系统如何在发射场复杂电磁环境中提升抗干扰能力。首先论述了航天测控通信系统的现状及发展趋势，随后分析了现行航天通信系统的抗干扰能力，然后介绍了 航天测控系统的电磁干扰来源及为提升电磁兼容性的3个发展阶段，之后介绍了航天测控系统抗干扰技术及电磁兼容性的应用，最后针对航天测控系统之间的电磁兼容性提升、航天测控内部电磁兼容性提升、抑制环境电磁干扰3个方面提出航天器测控系统的抗干扰能力提升方案。
关键词：航天测控系统 通信 抗干扰 提升研究
中图分类号：V44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（a）-0004-03
Research on the Improvement of Anti-Jamming Capability of Spacecraft
HU Jingmin ZHANG Yan WANG Dong LI Wanli
（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing， 100076 China）
Abstract： Aerospace TT & C communication system is the key of aerospace TT & C system. This paper focuses on the communication and data transmission system， and studies how the spacecraft measurement and control system improves the anti-jamming ability in the complex electromagnetic environment of the launch site. Firstly， this paper discusses the current situation and development trend of aerospace measurement and control communication system， then analyzes the anti-interference ability of current aerospace communication system， and then introduces the electromagnetic interference sources of aerospace TT & C system and three development stages to improve electromagnetic compatibility. Then， the anti-jamming technology and the application of electromagnetic compatibility of aerospace TT & C system are introduced. Finally， aiming at the improvement of electromagnetic compatibility between aerospace TT & C systems， the improvement of internal electromagnetic compatibility of aerospace TT & C， the anti-interference ability improvement scheme of spacecraft TT & C system is proposed from three aspects of restraining environmental electromagnetic interference.
Key Words： Aerospace TT&C system; Communication; Anti-jamming; Promotion research
人們的探索领域随着科学技术的发展已延伸到广阔的宇宙空间，航天技术得到了空前的提升，发展航天事业不仅能为人类现今的生活带来便利，且对整个人类具有深远影响。比如，航天器的应用领域越来越广泛，气象航天器、航天飞机、通信航天器、空间站等在帮助人类探索宇宙奥秘的同时也使人类的生活发生了空前的变化。
结构系统、热控制系统、电源系统、姿态控制系统、轨道控制系统、测控系统及其他的专用系统共同组成了航天器系统[1]。
航天器测控系统由跟踪测量系统、遥测系统、遥控系统、计算系统、时间统一系统、显示记录系统及通信、数据传输系统共同组成。每个系统都有其特定功能。共同完成跟踪航天器、测量参数、检测姿态、提供时标、显示数据、通信信息等功能。
靶场用于发射航天器，靶场为远离干扰，通常选择远离电磁环境复杂的人口密集地区，但随着我国通信技术的突飞猛进及航天事业的发展，近年来航天发射任务日益增加，发射数目增多，发射周期缩短，发射频率变快，测控系统所受干扰越来越大，航天器测控系统的抗干扰能力亟需提升。本文将以遥测系统、遥控系统及通信、数据传输系统为重点，研究航天器测控系统如何在发射场复杂电磁环境中提升抗干扰能力。
1 航天器测控通信系统的现状及发展趋势
从世界范围看，航天器测控通信系统主要经历了4个阶段。
20世纪50年代，这一阶段测控系统的特点为各子系统独立制造，是航天测控通信系统各设备独立发展阶段。其缺点是设备较多、可靠性较低、操作较复杂、成本也较高。 20世纪60年代，出现了航天测控系统历史上的里程碑技术，即统一载波系统。在统一载波系统出现之前，测控系统处于独立发展阶段，设备间不仅独立制造，而且各自使用不同频率，需要不同的收发信机和跟踪系统为之配套，导致各设备之前互相干扰，测控系统设备多、可靠性低。20世纪60年代中期，出现了跟踪、遥控、测距等设备只用一个上行波、一个下行波解决测控中全部问题的方法，这样多个设备便可使用一套收发设备和跟踪系统，大大减少设备量。1966年美国阿波罗登月工程就是统一载波系统的经典应用[2]。
20世纪70年代，航天器在空间中需要进行持续的测控，所以对测控通信网的要求也有所提高，由此形成了陆海基测控通信网。
20世纪80年代，陆海基测控通信网进一步发展成为天基测控通信网，提高了空间覆盖率，充分发挥各位置测控通信系统的优势，不断提升航天测控通信系统的整体性、准确性及实时性。
2 现行航天测控通信系统抗干扰能力分析
统一载波测控系统采用统一共用信道和一套天线完成对航天器的多种测控，相较于分散独立的无线电通信系统，在电磁兼容、经济性能及管理方面都具有显著优势，简化了地面设备，所以在出现以来一直是航天器测控系统的主要制式，得到了广泛的应用[3]。分立的基带信号和基带设备实质上是分频系统的混合系统，抗干扰能力较差[4]。
在统一载波时需要将各基带设备的副载波加以调整，在调制过程中必然会产生多副载波相互干扰，交调干扰控制在合理范围，整个测控系统才能正常工作。减少交调干扰常用的方法是提高调制器解调器的线性，降低由于调制固有的非线性特征而使副载波产生高次谐波，从而减少各副载波之间的组合波干扰。另外一种更简单的方法是将遥控、测距等测控工作分开，但这样一来测控系统各设备很难同时工作，不利于对航天器连续跟踪测量，大大降低了效率。
3 航天测控系统的电磁干扰及电磁兼容性
航天测控系统是非常复杂及精密的电子系统，受到干扰后会大大降低其测控准确性及效率性。为缓解干扰对航天测控系统的影响，必须提高航天测控系统的电磁兼容能力。
电磁干扰是指由于自然干扰源或人为干扰源等，使涉及电磁波变换的电子设备的运行质量下降。形成电磁干扰的过程如图1所示。
从电磁干扰过程分析，防止电磁干扰可从3个方面入手：抑制干扰源;切断干扰传播途径;加强电子设备自身抗电磁干扰能力。下文将主要从第三个方面即加强设备抗干扰能力入手。
航天测控系统受到干扰的来源众多，但需要在干扰环境中保持高度的准确性，所以提高航天器测控系统的抗干扰能力对于整个航天事业的发展都具有重要意义。
4 航天测控系统抗干扰技术及电磁兼容性的应用
为提高航天器测控系统的抗干扰能力，提高其准确性和可靠性，同时保证其及时性，通常可以运用硬件抗干扰技术及软件抗干扰技术来实现。
4.1 硬件抗干扰技术
4.1.1 静电放电保护
静电放电保护即对电缆、键盘及金属框架是容易产生静电放电的部位，采取屏蔽、安装滤波器、接地保护、减小电路板回路面积等措施。
4.1.2 屏蔽技术
屏蔽技术指运用金属隔离的原理，切断被隔离部分的耦合通道，以控制一个区域地电磁波对另一个区域的感应和辐射。被隔离部分可以是干扰源，也可以是需要屏蔽的测试仪器。
屏蔽技术的类型主要有电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽。其重点是根据不同的屏蔽对象选择不同的屏蔽材料、屏蔽体厚度、缝隙及开口等。
4.2 软件抗干扰技术
软件抗干扰技术相较于硬件抗干扰技术其优点是更为灵活，成本较低。软件抗干扰技术根据不同的阶段可分为在输入或输出通道、数据采集误差软件及程序执行过程中3个阶段的软件抗干扰技术，主要方法有如下几种[5]。
4.2.1 减小数据采集误差
在传感器和采集器之间距离较大，干扰信息较多时，采集到的数据必须经过处理，一般处理方法有算术平均值法、比较取舍法及一阶递推数字滤波法。
4.2.2 数字滤波软件技术
数字滤波软件的使用需要与硬件滤波器结合使用，滤除不需要的波段，减少干扰信息，但需要在计算机中提前处理好滤波信息，确保滤波决策的可靠性，才能达到预计滤波效果。
4.2.3 使用监控定时器
使用監控定时器可以及时检测到偏离预定路径的测控系统并将其复位，从而保证测控系统的有序运行，保证其可靠性[6]。
5 航天器测控系统的抗干扰能力提升方案
航天器测控系统在抗干扰提升方面应将硬件抗干扰与软件抗干扰相结合，从而使航天器测控系统更具可靠性与及时性。在航天测控系统内部，存在系统之间、设备内部、外在环境各方面的干扰，针对这种情况，有以下提升方案。
5.1 航天测控系统之间的电磁兼容性提升
5.1.1 按标准确定工作频带，注意信号设计
首先根据不同设备的具体情况确定工作频带，然后选择合适的工作频率的间隔，然后按需设计信号的功率、频谱等。避免系统之间的交调干扰，提升测控系统准确性。
5.1.2 注意设备分布
设备的数量、距离、分布情况等都会影响电磁干扰的大小，要根据具体情况调整最合适的设备分布。
5.1.3 运用软件仿真系统对干扰情况进行预测
运用计算机技术模拟接收与发射系统的传播，在减少时间、经济成本的同时得出最佳抗干扰方案。
5.2 航天测控内部电磁兼容性提升
每组航天测控系统内部都有发射机和接收机，发射机及接收机抗干扰能力的提升是整个航天测控系统准确性的关键。
5.2.1 发射机的抗干扰能力提升
发射机的抗干扰能力提升可从信号设计、干扰屏蔽、静电防护这几个方面着手。
5.2.2 接收机抗干扰能力提升
接收机的抗干扰方案主要包括3种：一是防止保护过载，采用合适方法使接收通道的干扰从非线性效应转为线性化;二是鉴别干扰信号及应对，利用信号和干扰的性质与参数等区别，将干扰分离;三是干扰对消，例如可通过调整天线方向将干扰抑制在一定范围内。
5.3 抑制环境电磁干扰
环境电磁干扰的类型有很多，如城市电磁干扰、雷电电磁干扰、静电电磁干扰、黑障效应等。针对不同的干扰环境，要采取不同的抑制措施。基本思路为识别环境干扰来源及性质—研究抑制干扰方案—选取合适方案。
6 结语
本文以通信、数据传输系统为重点，研究航天器测控系统如何在发射场复杂电磁环境中提升抗干扰能力。首先论述了航天测控通信系统的现状及发展趋势，随后分析了现行航天通信系统的抗干扰能力，然后分析了航天测控系统的电磁干扰来源及为提升电磁兼容性的3个发展阶段，之后介绍了航天测控系统抗干扰技术及电磁兼容性的应用，最后针对航天测控系统之间的电磁兼容性提升、航天测控内部电磁兼容性提升、抑制环境电磁干扰3个方面提航天器测控系统的抗干扰能力提升方案。
参考文献
[1] 陈海涛.航天器姿态跟踪及姿态协同有限时间控制方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.
[2] 钱方亮.微小卫星姿轨控系统软件设计与半物理仿真[D].上海：上海交通大学，2019.
[3] 李晓萌.航天测控与数传任务动态处理模式与响应流程研究[D].长沙：国防科技大学，2017.
[4] 许双伟，陆法.航天测控任务可靠性模型的统一描述框架研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2018，36（5）：42-46.
[5] 张家叶子，吕游.计算机测控系统的软件抗干扰技术研究[J].电子制作，2018（17）：70-71.
[6] 张力.煤矿四旋翼飞行机器人测控系统研发[D].西安：西安科技大学，2020.
关键词：航天测控系统 通信 抗干扰 提升研究
中图分类号：V44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（a）-0004-03
Research on the Improvement of Anti-Jamming Capability of Spacecraft
HU Jingmin ZHANG Yan WANG Dong LI Wanli
（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing， 100076 China）
Abstract： Aerospace TT & C communication system is the key of aerospace TT & C system. This paper focuses on the communication and data transmission system， and studies how the spacecraft measurement and control system improves the anti-jamming ability in the complex electromagnetic environment of the launch site. Firstly， this paper discusses the current situation and development trend of aerospace measurement and control communication system， then analyzes the anti-interference ability of current aerospace communication system， and then introduces the electromagnetic interference sources of aerospace TT & C system and three development stages to improve electromagnetic compatibility. Then， the anti-jamming technology and the application of electromagnetic compatibility of aerospace TT & C system are introduced. Finally， aiming at the improvement of electromagnetic compatibility between aerospace TT & C systems， the improvement of internal electromagnetic compatibility of aerospace TT & C， the anti-interference ability improvement scheme of spacecraft TT & C system is proposed from three aspects of restraining environmental electromagnetic interference.
Key Words： Aerospace TT&C system; Communication; Anti-jamming; Promotion research
人們的探索领域随着科学技术的发展已延伸到广阔的宇宙空间，航天技术得到了空前的提升，发展航天事业不仅能为人类现今的生活带来便利，且对整个人类具有深远影响。比如，航天器的应用领域越来越广泛，气象航天器、航天飞机、通信航天器、空间站等在帮助人类探索宇宙奥秘的同时也使人类的生活发生了空前的变化。
结构系统、热控制系统、电源系统、姿态控制系统、轨道控制系统、测控系统及其他的专用系统共同组成了航天器系统[1]。
航天器测控系统由跟踪测量系统、遥测系统、遥控系统、计算系统、时间统一系统、显示记录系统及通信、数据传输系统共同组成。每个系统都有其特定功能。共同完成跟踪航天器、测量参数、检测姿态、提供时标、显示数据、通信信息等功能。
靶场用于发射航天器，靶场为远离干扰，通常选择远离电磁环境复杂的人口密集地区，但随着我国通信技术的突飞猛进及航天事业的发展，近年来航天发射任务日益增加，发射数目增多，发射周期缩短，发射频率变快，测控系统所受干扰越来越大，航天器测控系统的抗干扰能力亟需提升。本文将以遥测系统、遥控系统及通信、数据传输系统为重点，研究航天器测控系统如何在发射场复杂电磁环境中提升抗干扰能力。
1 航天器测控通信系统的现状及发展趋势
从世界范围看，航天器测控通信系统主要经历了4个阶段。
20世纪50年代，这一阶段测控系统的特点为各子系统独立制造，是航天测控通信系统各设备独立发展阶段。其缺点是设备较多、可靠性较低、操作较复杂、成本也较高。 20世纪60年代，出现了航天测控系统历史上的里程碑技术，即统一载波系统。在统一载波系统出现之前，测控系统处于独立发展阶段，设备间不仅独立制造，而且各自使用不同频率，需要不同的收发信机和跟踪系统为之配套，导致各设备之前互相干扰，测控系统设备多、可靠性低。20世纪60年代中期，出现了跟踪、遥控、测距等设备只用一个上行波、一个下行波解决测控中全部问题的方法，这样多个设备便可使用一套收发设备和跟踪系统，大大减少设备量。1966年美国阿波罗登月工程就是统一载波系统的经典应用[2]。
20世纪70年代，航天器在空间中需要进行持续的测控，所以对测控通信网的要求也有所提高，由此形成了陆海基测控通信网。
20世纪80年代，陆海基测控通信网进一步发展成为天基测控通信网，提高了空间覆盖率，充分发挥各位置测控通信系统的优势，不断提升航天测控通信系统的整体性、准确性及实时性。
2 现行航天测控通信系统抗干扰能力分析
统一载波测控系统采用统一共用信道和一套天线完成对航天器的多种测控，相较于分散独立的无线电通信系统，在电磁兼容、经济性能及管理方面都具有显著优势，简化了地面设备，所以在出现以来一直是航天器测控系统的主要制式，得到了广泛的应用[3]。分立的基带信号和基带设备实质上是分频系统的混合系统，抗干扰能力较差[4]。
在统一载波时需要将各基带设备的副载波加以调整，在调制过程中必然会产生多副载波相互干扰，交调干扰控制在合理范围，整个测控系统才能正常工作。减少交调干扰常用的方法是提高调制器解调器的线性，降低由于调制固有的非线性特征而使副载波产生高次谐波，从而减少各副载波之间的组合波干扰。另外一种更简单的方法是将遥控、测距等测控工作分开，但这样一来测控系统各设备很难同时工作，不利于对航天器连续跟踪测量，大大降低了效率。
3 航天测控系统的电磁干扰及电磁兼容性
航天测控系统是非常复杂及精密的电子系统，受到干扰后会大大降低其测控准确性及效率性。为缓解干扰对航天测控系统的影响，必须提高航天测控系统的电磁兼容能力。
电磁干扰是指由于自然干扰源或人为干扰源等，使涉及电磁波变换的电子设备的运行质量下降。形成电磁干扰的过程如图1所示。
从电磁干扰过程分析，防止电磁干扰可从3个方面入手：抑制干扰源;切断干扰传播途径;加强电子设备自身抗电磁干扰能力。下文将主要从第三个方面即加强设备抗干扰能力入手。
航天测控系统受到干扰的来源众多，但需要在干扰环境中保持高度的准确性，所以提高航天器测控系统的抗干扰能力对于整个航天事业的发展都具有重要意义。
4 航天测控系统抗干扰技术及电磁兼容性的应用
为提高航天器测控系统的抗干扰能力，提高其准确性和可靠性，同时保证其及时性，通常可以运用硬件抗干扰技术及软件抗干扰技术来实现。
4.1 硬件抗干扰技术
4.1.1 静电放电保护
静电放电保护即对电缆、键盘及金属框架是容易产生静电放电的部位，采取屏蔽、安装滤波器、接地保护、减小电路板回路面积等措施。
4.1.2 屏蔽技术
屏蔽技术指运用金属隔离的原理，切断被隔离部分的耦合通道，以控制一个区域地电磁波对另一个区域的感应和辐射。被隔离部分可以是干扰源，也可以是需要屏蔽的测试仪器。
屏蔽技术的类型主要有电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽。其重点是根据不同的屏蔽对象选择不同的屏蔽材料、屏蔽体厚度、缝隙及开口等。
4.2 软件抗干扰技术
软件抗干扰技术相较于硬件抗干扰技术其优点是更为灵活，成本较低。软件抗干扰技术根据不同的阶段可分为在输入或输出通道、数据采集误差软件及程序执行过程中3个阶段的软件抗干扰技术，主要方法有如下几种[5]。
4.2.1 减小数据采集误差
在传感器和采集器之间距离较大，干扰信息较多时，采集到的数据必须经过处理，一般处理方法有算术平均值法、比较取舍法及一阶递推数字滤波法。
4.2.2 数字滤波软件技术
数字滤波软件的使用需要与硬件滤波器结合使用，滤除不需要的波段，减少干扰信息，但需要在计算机中提前处理好滤波信息，确保滤波决策的可靠性，才能达到预计滤波效果。
4.2.3 使用监控定时器
使用監控定时器可以及时检测到偏离预定路径的测控系统并将其复位，从而保证测控系统的有序运行，保证其可靠性[6]。
5 航天器测控系统的抗干扰能力提升方案
航天器测控系统在抗干扰提升方面应将硬件抗干扰与软件抗干扰相结合，从而使航天器测控系统更具可靠性与及时性。在航天测控系统内部，存在系统之间、设备内部、外在环境各方面的干扰，针对这种情况，有以下提升方案。
5.1 航天测控系统之间的电磁兼容性提升
5.1.1 按标准确定工作频带，注意信号设计
首先根据不同设备的具体情况确定工作频带，然后选择合适的工作频率的间隔，然后按需设计信号的功率、频谱等。避免系统之间的交调干扰，提升测控系统准确性。
5.1.2 注意设备分布
设备的数量、距离、分布情况等都会影响电磁干扰的大小，要根据具体情况调整最合适的设备分布。
5.1.3 运用软件仿真系统对干扰情况进行预测
运用计算机技术模拟接收与发射系统的传播，在减少时间、经济成本的同时得出最佳抗干扰方案。
5.2 航天测控内部电磁兼容性提升
每组航天测控系统内部都有发射机和接收机，发射机及接收机抗干扰能力的提升是整个航天测控系统准确性的关键。
5.2.1 发射机的抗干扰能力提升
发射机的抗干扰能力提升可从信号设计、干扰屏蔽、静电防护这几个方面着手。
5.2.2 接收机抗干扰能力提升
接收机的抗干扰方案主要包括3种：一是防止保护过载，采用合适方法使接收通道的干扰从非线性效应转为线性化;二是鉴别干扰信号及应对，利用信号和干扰的性质与参数等区别，将干扰分离;三是干扰对消，例如可通过调整天线方向将干扰抑制在一定范围内。
5.3 抑制环境电磁干扰
环境电磁干扰的类型有很多，如城市电磁干扰、雷电电磁干扰、静电电磁干扰、黑障效应等。针对不同的干扰环境，要采取不同的抑制措施。基本思路为识别环境干扰来源及性质—研究抑制干扰方案—选取合适方案。
6 结语
本文以通信、数据传输系统为重点，研究航天器测控系统如何在发射场复杂电磁环境中提升抗干扰能力。首先论述了航天测控通信系统的现状及发展趋势，随后分析了现行航天通信系统的抗干扰能力，然后分析了航天测控系统的电磁干扰来源及为提升电磁兼容性的3个发展阶段，之后介绍了航天测控系统抗干扰技术及电磁兼容性的应用，最后针对航天测控系统之间的电磁兼容性提升、航天测控内部电磁兼容性提升、抑制环境电磁干扰3个方面提航天器测控系统的抗干扰能力提升方案。
参考文献
[1] 陈海涛.航天器姿态跟踪及姿态协同有限时间控制方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.
[2] 钱方亮.微小卫星姿轨控系统软件设计与半物理仿真[D].上海：上海交通大学，2019.
[3] 李晓萌.航天测控与数传任务动态处理模式与响应流程研究[D].长沙：国防科技大学，2017.
[4] 许双伟，陆法.航天测控任务可靠性模型的统一描述框架研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2018，36（5）：42-46.
[5] 张家叶子，吕游.计算机测控系统的软件抗干扰技术研究[J].电子制作，2018（17）：70-71.
[6] 张力.煤矿四旋翼飞行机器人测控系统研发[D].西安：西安科技大学，2020.