【ESCAPADE火星双星任务X波段遥测信号解码分析】ESCAPADE是美国加州大学伯克利分校空间科学实验室（UC Berkeley Space Sciences Laboratory）主导、火箭实验室（Rocket Lab）建造的双星火星磁层探测任务。该任务于11月13日搭乘蓝色起源（Blue Origin）新格伦（New Glenn）运载火箭的第二次飞行任务NG-2发射。两颗探测器将首先在日地拉格朗日L2点驻留约一年，待火星发射窗口开启时返回地球实施引力弹弓，随后进入霍曼转移轨道飞向火星。此类飞行轨迹在航天史上尚属首次。发射次日，地面站在距地球约20万公里的距离上成功捕获两颗探测器的X波段遥测信号。本文基于艾伦望远镜阵列（Allen Telescope Array, ATA）的实测数据，系统阐述信号接收、解码及遥测分析结果。观测时间为11月14日，系探测器发射后首次在美国西海岸上空可见。观测者利用喷气推进实验室HORIZONS系统提供的星历数据计算方位角与仰角指向序列。采样频率设为10.24 Msps，中心频率8420 MHz，可覆盖双星下行链路。德国AMSAT-DL组织此前已观测到信号并分享瀑布图，因此无需额外搜索频率。事后核查HORIZONS数据可知，两颗探测器采用不同下行频率：- ESCAPADE-Blue：8417.165797 MHz（X波段60厘米固定天线）- ESCAPADE-Gold：8423.148147 MHz（同为X波段60厘米固定天线）值得注意的是，Gold星使用标准深空网（DSN）第20信道频率，而Blue星频率为非标准分配。初始计划使用阵列1a天线，但该天线采用旧馈源设计，高频灵敏度不足。未见信号后，切换至配备新型"安东尼奥"（Antonio）馈源的1b与3c天线，高频灵敏度显著提升，成功捕获稳定信号并持续跟踪至目标没入地平。3c天线记录的Stokes I瀑布图显示双星信号均存在，但强度剧烈波动，推测探测器可能使用低增益或中增益天线并持续调整姿态。图中段白色中断为存储磁盘满溢所致，数据迁移后恢复记录。平均频谱显示，在双星载波两侧约1 MHz处存在测距单音信号。1b天线的信噪比显著劣于3c天线，原因尚不明确。鉴于3c天线数据质量更优且信号强度足以支持单天线解码，后续分析仅采用3c天线数据。Blue星瀑布图细节显示，在14:37:24 UTC前信号极弱，之后功率突增，表明天线切换。IQ文件分析表明，此时发射机开启（遥测调制建立耗时数秒），并出现地面站频率扫描与跳频现象。Gold星在14:22:47 UTC信号完全消失，后出现极弱低速率信号，疑似启用另一副天线。中断前后均存在地面站扫频、跳频及信号功率的渐变与突变，表明多次天线切换。中断后调制方式转为更低符号速率。遥测采用PCM/PSK/PM体制：遥测数据经BPSK调制到副载波，再相位调制至射频载波，保留残余载波。本记录识别出两套配置：- 高速模式：符号速率16 kbaud，副载波频率64 kHz- 低速模式：符号速率2.5 kbaud，副载波频率25 kHz两种配置的副载波与符号速率之比均为整数，符合空间数据系统咨询委员会（CCSDS）关于残余载波频率处遥测功率为零的推荐标准。编码方式为CCSDS Turbo码（码率1/2），帧长1115字节。遥测帧结构符合CCSDS TM空间数据链路层协议。存在一项特殊机制：无数据发送时，发射机重复发送最后一帧而非空闲帧。该机制导致主信道与虚拟信道帧计数重复，初期造成协议识别混淆。最终确认全帧内容完全一致，确为CCSDS标准帧。Blue星航天器标识符（SCID）为0x7b，Gold星为0x56，均未在SANA（Spacecraft ID Assignment Authority）注册表中查询到对应分配，尽管双星已在该机构注册。帧结构含帧差错控制域（Frame Error Control Field），但无操作控制域（Operational Control Field）。仅虚拟信道2被启用，副帧头标志位有效。副帧头为8字节时间戳，采用64位大端序整数，单位2⁻¹⁶秒，起算历元为1970年1月1日00:00:00 UTC（未验证是否计入闰秒）。该格式不符合CCSDS蓝皮书规定的次帧头标识域与长度域结构。通过统计重复帧数量间接计算下行链路利用率，Blue星在约19:00 UTC开始大量传输数据。基于主信道帧计数统计的丢帧数显示，除信号衰落段与上行扫频期间外，解码基本无误。虚拟信道2承载CCSDS空间包，仅使用APID 51。数据包无次级帧头，序列计数字段恒为零。包长多样，但若干特定长度频繁出现。载荷中包含大量ASCII字符串，疑似Linux系统日志，例如：```/mnt/mmc0/logs/compton/inv_sts/inv_sts-1763132730.mtc.gzE_CMD_HIST: [ OK ] EPS_SPOC_DIO_ST_OCP_EN ENABLE_STATE=[0, Off]E_INFO: SetThermostatMode: Setting thermostat 'EESA' to mode ClosedLoop```消息中的"FJ"指FlightJAS，即MAX飞行软件所使用的序列化语言。MAX软件最初由Aerospace Sciences Institute（ASI）开发，现为Rocket Lab所有。鉴于ESCAPADE基于Rocket Lab光子（Photon）平台，采用MAX系统符合预期。深空任务遥测中出现此类详细明文日志，与传统高度压缩的纯数值遥测形成鲜明对比，反映出现代航天器采用基于Linux的软件体系，而非传统定制软件架构。推测这些ASCII字符串嵌于包含数值数据的序列化结构体中，完整协议逆向有待后续研究。本次观测的IQ数据已以"Recording of ESCAPADE X-band telemetry with the Allen Telescope Array shortly after launch"为题发布于Zenodo平台。用于天线跟踪计算、瀑布图生成的Jupyter笔记本及GNU Radio预处理流程图、解码流程图、帧分析笔记本与全部解码帧二进制文件已同步开源。
