【怎么测试载噪比】NASA第三代跟踪和数据中继卫星

2017年夏天，最后三代追踪和数据中继卫星(TDRS)-TDRS-M在东部实验靶场通过Atlas V火箭发射。2018年第一季度，TDRS-M通信和导航卫星完成了最终测试和集成，加入了20世纪80年代初开始服役的TDRS星座。第三代TDRS卫星(TDRS-K、TDRS-L和TDRS-M)提供了多种有用的系统工程经验，包括处理射频异常和多普勒干扰、将新卫星集成到老化的地面系统设施中，以及为NASA提供有价值的测试场。

一个，前言

NASA (NASA)跟踪和数据中继卫星(TDRS)系统(TDRSS)也称为天网(SN)，经度包括10条倾斜的地球同步轨道，横跨大西洋、太平洋和印度洋三个大洋地区。地面站位于拉斯克鲁塞斯、新墨西哥、关岛和布鲁索姆半岛(见图1)。地面系统提供时间和频率参考、信号处理、命令数据调制、TDRS和用户服务信号的遥测调整，并提供测距和多普勒无线电测量。SN支持许多用户，特别是国际空间站和货物补给任务、运载火箭、对地观测系统系列任务、空间科学任务等。支持这种操作的卫星称为用户星(USAT)，从发射台到低地球轨道再到高椭圆轨道，SN在三个波段(S、Ku、Ka)提供远程控制、遥测和无线电测量跟踪服务。在最近发射的6颗TDRS卫星中，每颗容量都是由多址(MA)S波段控制阵列提供的2个前向和5个返回服务，以及由2个S波段和K波段4.6 m抛物线架单地址(SA) 3个馈送天线提供的前向和返回服务。一次只能有一个用户星使用SA天线，但如果需要，可以同时获得多个服务。图2显示了第三代TDRS卫星的概况。

图1天基网全球分布图

图2第三代跟踪和数据中继卫星概述

新加入星座的三颗TDRS卫星由波音公司建造并进入轨道，交付物包括根据第三代TDRS KLM卫星更新要求控制地面的白沙综合站(WSC)硬件、软件、测试和仿真系统的修改。发射后，各第三代TDRS卫星与传输轨道进行了综合轨道测试(OOT)，验证了预期性能。验收后，卫星名称改为表1所示的工作星座卫星号码。TDRS KLM使SN能够处理未来10年的用户操作。

2，第三代TDRS卫星

TDRS KLM卫星是基于波音公司的601平台构建的，在地球同步轨道高度运行，以地球为中心的三轴稳定配置，2.5 m3的平台安装了工作所需的所有部件。发射时卫星重3500公斤，TDRS完全展开后为13.6 X21米。卫星可以提供11年地球同步轨道服务和4年轨道存储。TDRS KLM在功能上与以前的TDRS HIJ相似，但最大的区别是它将多址返回(MAR)波束形成器移动到地面上。平台配备2个能产生3.5千瓦电力的太阳跟踪太阳能电池阵列和1个123 Amp时间电池，提供电力需求。平台电压在一定电压下保持稳定，在有光或没有光的时间段内，提供自身平滑的转换。热环境控制是通过恒温控制的加热器、隔热层、热导管、散热器组和羽毛保护器自行完成的。

当负载配置为服役模式时，测量控制(TTC)通过万向架1.8米抛物线卫星链路(SGL)天线保持在Ku频段。两个全方位S波段天线(一个在底部，一个在顶部)在发射后一直使用到轨道上升和平台测试为止，可用于存储和应急操作。必要时，系统冗馀和交叉服务功能可实现S和Ku双频操作，而双Ku频率计划可与其他TDRS一起使用。相位调制遥测和遥控链路使用垂直极化Ku频段和右侧单极S频段。测量测音距离

提供无线电测量跟踪方法。

入轨、轨道保持以及姿态控制由一个二元推进剂液体推进系统管理，其包括两个甲基联氨（燃料）罐、两个二氧化氮（氧化剂）罐、两个氦（受压物体）罐、12个10 N推进器以及一个490 N液体远地点发动机（LAM）。推进系统在入轨时能进行压力调节，一旦进入位置保持就释放。490 N发动机仅在入轨时使用，一旦卫星进入位置保持就停用。12个10 N的推进器中，8个位于卫星平台北面的几个角和平台顶部，用于姿态控制，另外4个中的两个一个在东面一个在西面，靠近质心，用于径向、沿轨以及交叉轨道维护。

平台和天线指向由星载姿态控制分系统（ACS）管理，该分系统包括传感器、驱动器以及处理器。为确定姿态误差，需要处理来自惯性基准单元和地球以及太阳传感器的数据和卫星星历。这些误差由2轴万向动量轮或者/以及推进器依靠控制模式进行更正，姿态误差还会前向传递给SA万向架以确保指向精确度。可以循环使用太阳能电池阵偏差来抵消滚动/偏航动量的增加，另外需要定性使用推进器控制保持俯仰动量。ACS每一个部件都是全冗余的，由星载故障防护系统监控，故障防护配置用于监控组件或者系统级问题，并且自主响应以确保卫星安全。图3显示了不同分系统之间相互作用的顶层方框图，例如电能、推进、TT&C、载荷以及ACS。

图3 卫星方框图

SA程序指向模式也被称作程序跟踪，是在外侧方向方位角75.7度、内侧方向23.0度以及仰角±29.4度的视场内控制单址天线的主要方法。S频段和Ka频段SA服务的频率是可调的，而S频段MA和Ku频段SA服务工作在固定频率。卫星前向信道带宽范围是6 MHz～50 MHz，返向信道带宽是6 MHz～650 MHz。卫星支持两个225 MHz宽Ku频段或者Ka频段SA返向信道，并且能配置产生一个650 MHz宽的Ka频段返向信道。SA反射器能在右旋圆极化和左旋圆极化之间进行切换。接收返向信号时，Ku和Ka频段天线馈源能提供一种闭环指向模式，称作自跟踪。自跟踪系统包括一个星载RF系统，用于感知天线指向误差并且指挥地面生成设备闭合环路。这在Ka频段尤其重要，因为该频段的天线波束宽度窄，需要精确指向来满足预期的链路性能。

TDRS KLM MA业务由一个47阵元相控阵天线提供。该47阵元相控阵包括15个只发射阵元，其中12个用于前向业务；另外有32个只接收阵元，其中30个用于返向业务。星载波束形成器总共能形成两个前向波束，地面波束形成器能形成6个返向波束。形成的波束视场距地心±13度，该视场能从TDRS地球同步轨道支持低地球轨道卫星。

三、TDRS性能验证活动介绍

TDRS KLM在轨测试（OOT）主要是平台OOT（BOOT）以及载荷OOT（POOT），以验证发射环境没有对卫星造成影响或者使其性能下降，并且通过WSC更新的地面段以及TDRS到USAT通信验证所有端到端业务。由承包商和政府任务操作团队组成的联合团队分三个阶段进行OOT：5A级测试验证卫星；5B级测试验证卫星和地面的兼容性；6级测试验证SN通过新中继卫星提供的端到端服务。图4显示了在轨测试阶段的时间概览。

图4 基于时间的在轨测试概览

在TDRS-K发射之前，团队制定了一套综合测试流程用于确定测试目标、方法、测试装置和设备、详细的逐步说明、数据记录和工件识别以及接收/拒收标准。流程包括使用为WSC操控第三代卫星而制定的现有和新的本地操作规范（LOPs）。测试的每一阶段都遵循预定的作业顺序（SOE），该SOE具有灵活性，可以根据环境重新安排测试。

（一）发射和轨道上升

5A级测试在11天轨道转移期间由波音任务控制中心启动，进行每个分系统的总线功能检测和卫星健康检测。这些检测在通过5次LAM机动提高近地点并且降低倾角的时候进行，将卫星送到西经149.8°倾角7°的倾斜同步轨道位置保持测试位置。SA天线、太阳能电池板、全向和抛物面SGL天线在轨道上升后展开，在卫星进入ACS常规模式时结束，为将指挥控制移交给WSC做准备。

（二）5级测试

WSC的5A级BOOT持续5天时间。测试由一名飞行主管完成，由熟悉SN遥控遥测系统、WSC工作环境以及LOP的一名卫星控制人员执行。POOT在SA天线展开并休息45天后开始，所有载荷进行通电和配置。POOT首先对冗余组件进行SGL校准，然后SOE进行校准并且测量每一个用户业务天线的方向图。精确的校准任务包括通过轮毂底部的一个调谐装置进行天线形状测量和调节、轴线校准、SA的伪随机噪声码以及自跟踪相位校准、天线指向。每项业务特性描述包括载噪比（C/N0）OOT测量值与工厂预测值的比较、EIRP增益转换、频率响应以及为达到每个频段工作频率的频率变换。一旦完成冗余设备的测试，载荷会切换到主电子设备供团队进行重复业务描述。主设备其它测试主要是检查特定的RF激励、SA上S频段业务之间的干扰和自跟踪性能。

一旦完成了5A级卫星功能和全性能验证，5B级测试就开始验证所有用户服务和模式下WSC地面段与卫星之间的兼容性。5B级测量包括比特误差计算、C/N0、扩频和非扩频数据组中相干与非相干模式下的距离与多普勒跟踪服务有效性。POOT测试大约53天完成。

（三）6级测试

OOT阶段最后14天的主要目标是主要依靠用户星来验证接口，通过天基网从用户任务操作中心到被测TDRS再到用户星，再通过返向路径进行服务。另外，6级测试阶段包括模拟常规和应力工作场景的专业测试。这些场景包括在预期干扰下ACS维持高速率窄波束用户服务的能力、当卫星满负荷服务时测量任何业务的性能降低、TDRS操作的移交、完成无线电测量跟踪的导航验收、多种情境下捕获矢量和天线指向、以及工作推进器校准。完成112天的OOT之后，TDRS卫星配置切换为S频段存储模式直到卫星通过验收。

三、TDRS的挑战和经验

对于任何任务来说，在发射前准备和模拟整个阶段，任务操作团队都能吸取经验用于发射后的任务。例如对于TDRS系列卫星，在每颗卫星测试期间获取的经验可以用于改进下一颗卫星。对于TDRS KLM三颗卫星，团队克服了很多挑战，最终获得了宝贵的经验，这些经验不仅能用于TDRS，还能用于后续的地面段更新或者具有相同组件或方案的任务。

（一）机动管理工具

USAT需要精确的TDRS星历表预测产生它们的实时轨道信息，作为辅助的科学数据。这些预测的轨道估算必须包含计划的TDRS机动。预测的机动计划和实际执行的机动之间的误差导致了USAT轨道信息的不确定性，并且引入了额外的操作来改进轨道信息，以满足科学需要。

WSC和飞行动力学研究所（FDF）在TDRS-K运行期间发现，提供的推进模型并不能精确地代表10 N推进器，校准也缺乏反馈调谐。项目寻求一个变通方案实现第三代卫星精确的机动计划。与TDRS KLM研制和服役并行开展的一项工作是为使天基网地面段现代化而进行的更新工作，称为“天基网地面段维护”（SGSS），该工作目前正在进行。更新包括SN TDRS机动计划的改进、机动后的重建以及通过生成一个机动管理工具（MMT）完成校准功能。TDRS项目和SN利用SGSS工作在WSC提前为TDRS KLM实现了一个MMT，并加入了FDF为第三代TDRS研发的改进版推进模型。WSC的实现保持了与现有SN地面系统以及SGSS部署后的地面系统的兼容性。MMT允许WSC使用FDF机动后的定轨数据对推进模型进行校准，因此能改进delta-v预测和机动计划。早期集成和测试发生在TDRS-L接收和TDRS-M发射之间，目的是利用项目的工具、人员和活动，减少SGSS风险。校准过程在TDRS-M 6级测试时开始，计划包括至今为止的所有第三代TDRS机动。TDRS-M服役期间完成的测试对确定和解决软件脚本问题大大有益，为精确TDRS机动和星历表预测打下了基础。

（二）射频干扰（RFI）

SN WSC主地面站装有5套有源星地链路终端（SGLT）以及端到端测试天线（EET）。S、Ku以及Ka频段EET用于模拟SN用户终端。EET用于监视整个卫星寿命期间TDRS载荷的性能，以及测试新的升级或者部署到SN地面段的设备。EET用作5级和6级测试的关键资源；用EET获取的测量数据能验证发射后TDRS载荷的健康状况和性能。

WSC地面站还有3副19 m孔径S和Ka频段天线，它们是NASA近地网（NEN）的一部分。这些系统能支持太阳动力学观测（SDO）以及月球勘测轨道器（LRO）任务。

EET和NEN天线同处一地产生了一个会影响5级和6级测试的远近效应问题。Ka频段EET和NEN天线相距足够远，不需要正式的工作来消除NEN Ka频段下行链路和EET辐射的冲突。然而，S频段EET和SDO天线相距仅175 m，与LRO天线相距仅280 m，距离以及相关的路径损耗不会在S频段EET和NEN天线之间提供足够的隔离。

图5 WSC有频段干扰的天线

用于测试TDRS返向业务所需的S频段EET辐射可能会对NEN S频段遥测下行链路产生干扰。反过来也一样，NEN S频段遥控上行链路有可能与TDRS前向服务测试相干扰。无论哪个方向的干扰都是不确定的，都受到干扰天线和被干扰天线相对方向、发射-接收频率隔离以及干扰天线发射功率的影响。图5显示了干扰和被干扰天线及其工作频率范围。在某些情况下，EET的S频段辐射强到可以使与NEN天线相连的调制解调器饱和。测试中干扰TDRS前向业务的NEN天线辐射都会阻止有效测试结果的搜集。

5级有效载荷测试是全天时进行的，然而，5级测试的时间却是动态的，当某个指定业务遇到问题时，载荷测试团队会从一个频率或业务转移到另外一个频率或者业务。测试时间的不确定性促使NEN用户每天执行一个减少干扰过程，尽量减少对载荷测试活动的影响，同时保护NEN用户过顶时不受干扰。

图6 每天的射频干扰协调过程

这个过程发展成日常工作，如图6所示，其中波音公司的测试管理人员每天都会为NASA RFI协调官提供一个带注解的测试时间表。协调官生成一个3天计划，列出有高度潜在干扰可能性的TDRS测试和NEN用户过顶。在NEN用户活动会影响TDRS测试的情况下，波音测试团队会接到通知，并且改变测试地点或者尝试在个别事件发生期间工作。会干扰NEN用户事件的TDRS测试受到高度重视，不能改变地点的测试在受影响的NEN事件进行期间必须暂时停止工作。RFI团队会采取其他策略，例如协调载荷测试时间以使NEN用户未来的关键事件安排合理（例如轨道机动或者仪器校准）。对于TDRS-K和TDRS-L，一些频率分配与TDRS MA业务相同的NEN用户也不再使用NEN天线。这些用户被安排到商业NEN地面站，费用由TDRS项目承担。

对于TDRS-M，WSC的RFI环境更具挑战。NEN天线的使用自2014年开始显著增长，会对TDRS测试产生更大的潜在干扰。同时，拉斯克鲁斯当地的蜂窝电话提供商已经部署了新的4G/LET蜂窝，其工作在先进无线业务（AWS）-1频段（2110～2155 MHz）。AWS-1蜂窝直接干扰了MA前向（MAF）业务（2106.5 MHz）的测试以及S频段单址（SSA）前向业务（TBD-2117.5 MHz）的高频区域。更具挑战的RFI环境导致NASA采取了以下三项减小干扰的措施。

第一，除了LRO和SDO任务以外，TDRS项目负责协商并负担NEN天线的全部卸载费用。第二，取消受到AWS-1蜂窝干扰影响的特定测试程序以修改测试频率。第三，哥达德航天飞行中心（GSFC）的频谱管理人员与AWS-1蜂窝供应商协商蜂窝停机时间，测试团队在此期间搜集频谱干净的MAF测试结果。发展TDRS RFI抗干扰主要是为了保护NEN用户的下行链路。在3项任务和7个月的全天时测试期间，仅有一例NEN用户丢失数据的记录，对5级测试的影响非常小。

（三）多普勒异常

在TDRS-K 6级测试期间，安排了8个用户跟踪服务。因为还有5级卫星测试，2013年5月和6月分别进行了两部分（A和B）6级测试。虽然在与对地观测系统（EOS）、Terra、Aqua、Aura连接期间，TDRS-K提供的所有通信服务都被验证完全成功，但是SSA业务的双向多普勒数据出现0.5 Hz的较大偏差和4.4×10-4 Hz/sec的较大频移，与TDRSS整个星座的多普勒数据不同。使用逐点评估得到的TDRS-K数据在50%时间里都不满足无线电测量多普勒跟踪均方根相位噪声系统指标，2σ点的测量数据是0.032Hz（均方根）指标的2.5倍。

图7 TDRS-K多普勒异常鱼骨图的潜在根源问题

TDRS项目请来了相关领域的专家，按照影响多普勒观测和计算的所有潜在错误源鱼骨图开展了一次根本原因调查，多普勒观测值和计算值用于形成“观测值减计算值”残差（图7）。除了TDRS-K卫星以外，地面上最主要的备选误差源就是新的TDRS-K调制解调器单元、涉及多普勒观测的SGLT链路以及复合铯/GPS参考通用时间和频率系统。一旦地面分系统和配置作为问题源被排除，那么调查就会聚焦到TDRS-K卫星上。在2013年8月的6C级测试期间，另一用户利用不同的SGLT与TDRS-K连接，情况有所改善，但是出现一个双峰分布，指标不满足的数量超过了星座里剩余的卫星。图8显示的是通过一个累计密度函数得到的TDRS-K异常多普勒性能与运行的TDRS星座的比较。由于TDRS-L计划2014年1月发射升空，因此必须确定根源问题是否与TDRS-K有关，或者在TDRS-L运走之前确定其没有问题。

图8 TDRS-K测试期间EOS任务累计密度函数与星座的比较

在一个高精度序列估算器中使用双峰多普勒数据集对EOS任务进行定轨分析得到的最终结果是：20 m3σ轨道信息要求的误差增加了22%，大多数问题都在轨道的交轨跟踪分量上。在太阳辐射通量动态变化较低期间，基于输出协方差的序列估算器的用户典型性能是15 m。少量多普勒数据的22%误差增长极大地耗尽了所需的5 m余量，这些余量是针对太阳辐射通量导致的动态变化（如太阳风暴、日冕物质抛射事件期间）引入的偏移要求而设置的。

调查一直持续到临时工作能力（IOC）期间，设计了特定的测试绕过TDRS-K独有的调制解调器地面设备与TDRS-K中继卫星之间的链路。测试连接的第一天持续显示6AB级测试提到的错误特性。然而从第二天测试开始，指标内得到的TDRS-K多普勒数据显示完全的高斯分布，产生的结果类似于TDRSS星座的其它卫星。在接下来一个月，测试连接的多普勒数据一直满足指标要求。

调查发现问题不是由主要的备选原因（包括卫星）引起，测试也没有得到任何涉及单个备选原因或者唯一因素的结论性证据。所有调查的鱼骨元素都显示隔离在指标性能内。通过将多普勒跟踪数据通用于星座中的其它卫星，证明大部分计算预期多普勒值和处理多普勒残差（观测值减预测值）的地面分系统和系统都没有问题。对卫星参考频率生成和分发系统的分析和单元级测试确定，对卫星多普勒测量噪声有少量影响。从6AB级发现异常的最初测试，到改进的6C级测试，到得到与星座一致的指标内性能而结束的IOC测试，系统在多普勒性能测量所有阶段都依赖相同的载荷有源单元。因此，考虑到从6AB级到IOC测试不可能获得在轨性能提升，排除将TDRS-K卫星作为多普勒异常的原因。

在验收TDRS-K之后，TDRS项目安装了一套由国家标准技术局提供的时间测量分析系统，通过TDRS-M验收监视SGLT时间和频率参考系统的性能。TDRS-L和TDRS-M都在104次EOS连接中显示在多普勒性能指标内。

（四）老化的地面站

WSC老化的地面站对TDRS KLM的成功服役提出了挑战。STGT站于20世纪90年代初建成，虽然这些年尽力在服务，但是一些组件已经开始出现故障。在TDRS-K发射前，WSC进行了地面段升级，但是范围仅局限在提供可适应TDRS HIJ和TDRS KLM之间操作差异所需的软件和组件。

因为在TT&C路径中集成这些组件产生了新的信号损失，造成意料之外的RF测量和偶然的信号失锁。这些新的损失，对确定问题源自卫星还是地面系统又提出了新的挑战。信号损失还引起了测距数据的模糊，导致定轨困难。使用更短的电缆以及线路放大器可以减少损耗。

挑战影响最大的是与TT&C系统RF基础设施相关的测试和操作。高功率放大器（HPA）和天线控制单元（ACU）部件故障导致了TDRS上行链路的丢失，使得自主TDRS重配置需要至少45分钟进行恢复。ACU相关的故障包括：偏振器校准电子设备、驱动电动机电源、俯仰控制电动机鼓风机、驱动逻辑控制卡芯片以及应急停机开关的故障。其中一些事件需要在解决问题时将TDRS转移到一个不同的S频段TT&C资源。与ACU相关的故障中，其中一个故障还导致TDRS驻留在S频段TT&C资源长达近三周。RF基础设施出现的问题只能通过受到限制的常规防护性维护减轻。例如，应急停机（e-stop）开关靠近天线结构的外部入口，暴露于元件。E-stop包括安装在密封外壳中天线结构上的开关电子器件，有一个外部柱塞，技术人员在紧急情况下可以压下该柱塞。作为一个封装单元，内部电子设备不能在没有打破密封和破坏外壳完整性的情况下进行检查。

用户业务测试设备也面临类似挑战。S/Ku频段天线系统需要频繁的维护以提供足够的服务；因为一些不同的故障模式，用于信号生成的HPA需要频繁的重建或者更换。用于保持指向的电位计和齿轮出现过度磨损迹象，导致需要频繁中断测试并且重新竖起天线。指向不精确的一些症状包括最低噪声的快速波动以及信号电平日变化较大。为了减少已知的天线指向、时间计划以及单项测试的一些关键部分的不精确性和不稳定性问题，增加了天线峰值函数。

MA系统的OOT验证依赖于HIJ时代的测试集。HIJ项目交付了两个完全相同的机柜，在HIJ OOT和TDRS-K发射间隔期间对它们进行了维护。为了完成TDRS-K和L OOT，备用机柜的组件用于替换主机柜的故障单元，使得TDRS-M只剩下一个没有冗余的老化机柜。GSFC工程师为备份机柜设计、制造、测试并且交付了一个替换单元。

（五）多址前向天线校准设备

TDRS KLM载荷在轨测试项目包括在卫星上校准MAF相控阵的程序。MAF阵列校准程序需要地面站的用户测试设备处理接收的MAF载波，为每个MAF阵元生成相位和幅度误差估算值。生产商的载荷系统工程团队使用相位和幅度误差估算值上载新的相位和幅度系数到MAF星载波束形成器以优化发射阵列的增益。

早前的TDRS项目（HIJ）生产了两个多址阵列校准单元，被称为MA Autocal。MA Autocal能校准第二代卫星上的MAF和MAR阵列。2013年在TDRS-K POOT期间，2个MA Autocal单元之中的一个发生了故障，因为零件报废而无法维修。在2014年，使用第二个MA Autocal单元成功完成了TDRS-L POOT，但是导致了TDRS-M POOT面临风险，因为TDRS-L和计划于2017年8月发射的TDRS-M之间有三年的间隔。

在TDRS-L IOC测试期间，基于软件定义无线电（SDR）设备的MA Autocal更换方案验证系统成功证实了其性能，TDRS项目决定研发多址更换校准器（MARC）作为TDRS-M POOT的应急设备。MARC基于通用软件无线电外设（USRP），USRP是一个在SDR领域很火的软件无线电设备。图9显示了MARC硬件的功能。

图9 MARC架构

MARC采用一个带有UBX子卡的USRP版N210。USRP完成上/下变频、滤波、放大以及采样，将微波输入信号转换成数字信号。UBX子卡提供了一个10 MHz～6 GHz的可协调范围，包括WSC使用的中频（IF）（370 MHz）以及RF（2016.4 MHz）测试端口。USRP用于在校准期间以200 ksps速率对MAF载波采样，得到的数字信号存储到MARC笔记本电脑硬盘驱动器中。包括一个USRP API插件的MATLAB用于配置USRP、开启信号记录，并且处理记录的信号以生成阵列校准估算值以及生成一个和老校准器类似的报告。虽然所有的校准步骤都能通过MATLAB指令线完成，但是仍然开发了一个GUI易于WSC操作员使用。GUI允许用户配置测试装置并且启用以及禁用MATLAB编码中的特性。GSFC文职人员开发了MARC GUI、校准编码以及仿真编码（试验台）。

为了完成MAR或者MAF阵列校准，给定的一个波束所有阵元相位都被初始化，指向一个固定地面站。这些设置构成了0°设置。为了校准一个天线阵元，该阵元的相位通过相对于参考状态180°、90°、270°对应的相位状态，能按顺序排列。周期中的每一个之前都有一个同步脉冲。MARC MATLAB编码找到同步脉冲，进行功率测量，由四个相位状态的功率测量值计算阵元的相位和幅度误差。阵列中的每一个阵元都会重复这个过程。

在TDRS-M发射之前，MARC测试包含三个阶段。（1）强调MATLAB校准编码的软件测试；（2）验证GUI的使用、与USRP的连接性以及用仿真IF/RF输入验证校准的试验台测试；（3）使用工作星和MA Autocal的实际测试，完成MARC校准结果与原MA Autocal之间的对照比较。

假如最终验证测试在TDRS工作星上进行，改变卫星上的MAF配置风险太大。因此，验证测试不会与卫星闭环，也就是说，校准结果不会用来调节星上的MAF校准。2016年12月进行了一次初始测试，2017年2月执行了记录测试，两次测试都使用了STGT East EET和TDRS-12。MA Autocal在所有测试中都和EET IF端口进行了连接，而MARC根据测试配置要么连接到IF端口要么连接到RF端口（带有一个3 dB分流器）。MARC测试合格/不合格标准包括重新生成MA Autocal报告并且将相位误差校准到MA波束形成ASIC的可控相位调节的50%之内。

两次MARC测试都成功证实MARC性能满足所有合格/不合格标准。在最终测试之后，WSC接收到了硬件、配置管理软件以及包括用户手册和验证测试报告的相关文档。第二套设备仍存储在GSFC。2017年秋天波音公司进行TDRS-M POOT期间，原MA Autocal没有发生故障，因此MARC没有用于MAF校准。然而，系统作为老系统的备份留在WSC，并且作为记录数字化IF/RF原始数据的工具，未来载荷调试需要用到。

五、未来架构

天基网架构于20世纪70年代开始构思，20世纪80年代开始运营。技术的进步以及TDRS提供的独特性能通过航天飞机计划、对地观测卫星星座、国际空间站以及改进型一次性运载火箭（EELV）计划保持了直至今日网络的重要性和实用性。然而，NASA预计今后10年是一个转型期。光通信和导航技术为NASA提供了一个利用新技术曲线满足新科学和探索任务需求的机会。NASA将以自主按需的方式提供通信和导航服务，以减少或者消除服务的预先调度。

转型第一步就是更新天基网以满足当前和一直到21世纪20年代用户的需求。TDRS KLM项目更新了天基网的空间段，而SGSS计划将更新整个SN地面系统。在更新SN的同时，NASA通过验证任务和关键探路者任务正在发展和部署激光通信与导航系统。三项早期验证可以在接下来的5年内细化下一代需求和架构，并在21世纪20年代中到晚期进行部署。

（一）天基网地面段维护

20世纪90年代的SN地面段已经超过了其计划寿命，现在正被SGSS项目所取代。SGSS的目标是替换所有地面段硬件，除了服务每颗TDRS卫星的18 m星地天线以外。SGSS架构通过使用装有虚拟机的商品服务器将地面段设备占地面积减少10倍。SGSS将用连接到一个数字调制解调器池的10 Gb以太网数字IF底板替换当前地面架构的模拟RF和IF信号分配器。新的SGSS调制解调器将支持Ka频段业务1.2 Gbps速率的低密度奇偶校验码。SGSS现代化架构将提供一种扩大和升级SN业务的方法，同时解决当前现役老化地面设备的可靠性问题。

（二）向光通信转型

第13颗跟踪与数据中继卫星TDRS-M大约是最后一颗该类卫星。NASA目前对成熟的光通信技术下了重资，希望通过飞行技术验证任务实现这个目标。两个相关的任务是2013年开始的“月球激光通信验证”任务以及2019年将要发射的“激光通信中继验证”任务。这些在光技术方面的初始投资将光学地球中继星、近地地面终端、深空地面终端以及用户终端融合在一起。光通信能使LEO直接对地任务的数据传输速率达到100 Gbps。相干光通信使激光测距精度达数十纳米，比当前微波技术提高了4~5倍。包括100 Gbps激光交联链路的地球中继架构不需要美国以外的中继地面站，用户服务的优势以及更小的终端为部署光通信技术提供了动力。NASA从微波通信转型到混合光通信将在下个10年进行。

天基网当前支持40个机器人和载人任务，并且在持续扩大其用户基础。由于更老的TDRS已经不再提供服务，需要持续的微波中继容量为这些已经在工作的任务服务。地球中继卫星作为TDRS项目的后继计划已经开始，NASA于2017年和2018年发布了相关需求书。NASA正在开辟新的方法提供向下兼容的微波中继容量；用几分之一的中继星只提供当前TDRS卫星的部分服务、混合光/微波中继星、或与商业卫星通信供应商一同提供用户所需的服务。在下一个10年，我们将欣喜地看到，NASA从20世纪80年代的天基网架构转型到能满足新NASA任务的基于光的架构。

（三）下一代架构服务

TDRS-M代表了当前TDRS星座最后时期，NASA已经在展望未来的通信与跟踪需求，重新设想网络架构。“地球空间网络发展研究”（ERNESt）计划提出了发展一个包括新一代地面和天基通信资产的近地通信网络，该网络将摒弃当前由阿波罗时代载人航天飞行网络和航天飞机时代天基网定义的网络结构，转型到实现当前地面无线网络的架构概念。ERNESt的空间移动网络（SMN）将提供能与现代智能手机服务相媲美的用户体验，尤其是自动提供通信服务以及持续可用的导航与授时能力。

从一个集中管理、全面调度的确定性网络拓扑结构转型到一个用户发起、去中心的容延迟非确定性网络拓扑结构，需要转向单向、非相干观测和自主星上导航。这会带来一些挑战。对定轨有用的单向观测值的产生以发射机和接收机与共同的时间基准和稳定的频率参考精确同步为基础。另外，信号捕获成为自主网络调度的关键限制，如果网络没有用户星准确的预测星历表，那么它就不能捕获其信号，也不能自主可靠地调度网络资源以满足用户接入需求。自主的星上导航变得非常重要。

下一代广播服务（NGBS）概念解决了这两个问题。通过NGBS，TDRS卫星和网络地面资源发送可辨识的信号和数据以改进用户飞行，通过广播信标服务实现自主星上导航。基线信标设计从地球静止轨道中继星提供对地球和LEO的覆盖，通过由4个MAF阵元组成的特殊结构产生。发射的消息提供太空环境数据（例如电离层）、地球定向参数、中继星星历表和机动窗口、全球差分GPS修正以及GPS完好性数据。另外，还会提供消息域用于无调度按需用户星指挥。信标信号包括一个与全球通用时间以及频率参考同步的PN测距用于传输时间、单向前向多普勒和伪码测距。NGBS的导航特性能够支持用3个信标进行LEO单立导航。

提供一些用户导航手段对于未来网络的许多成员来说非常关键，包括用户发起服务（UIS）。UIS是一个响应计划外事件的网络接入方法。如果平台能切换操作来支持基于事件的现象或者瞬时现象的时候（例如伽马射线爆发以及引力波），以及参与自组织多天文台协作的时候，就可能实现新的任务概念。在2017年晚些时候，国际空间站上的SCaN试验台执行了一个初始UIS在轨实验，不远的将来，计划在SMN用户验证卫星上进行一个UIS演示。通信与导航相互紧密依存，在光通信时代一样重要，系统将能支持高精确激光测距和测速。

六、结束语

TDRS-M于2018年初验收，标志着80年代投入使用的TDRSS通信与导航卫星星座的完成。从TDRS-K和TDRS-L的发射和轨道上升以及在轨测试中获取的经验教训被传承并应用于TDRS-M。同时，TDRS KLM的经验还可以应用于未来地面段的更新和未来NASA具有类似组成或者方案的任务，为用户提供持续的通信与导航服务。来源：天地一体化信息网络