USB技術(shù)用于深空探測器定位原理及方法

1、1第第6章章 USB技術(shù)用于深空探測技術(shù)用于深空探測器定位原理及方法器定位原理及方法2USB概念及發(fā)展USB即統(tǒng)一即統(tǒng)一S波段測控系統(tǒng)波段測控系統(tǒng)(Unified S-Band System)，是指使用，是指使用S波段的波段的微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)。這里的微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)指的是利用公共射頻信道，將微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)。這里的微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)指的是利用公共射頻信道，將航天器的跟蹤測軌、遙測、遙航天器的跟蹤測軌、遙測、遙控和天地通信等功能合成一體控和天地通信等功能合成一體的無線電測控系統(tǒng)。的無線電測控系統(tǒng)。3微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)組成及原理微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)一般由天線跟蹤天線跟蹤/角測量系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、角

2、測量系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、遙測終端、遙控終端遙測終端、遙控終端、測距、測距/測速終端、時測速終端、時/頻頻終端、監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程終端、監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控或數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備以監(jiān)控或數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備以及其它附屬設(shè)備組成及其它附屬設(shè)備組成。4微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)組成及原理5微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)組成及原理其基本工作原理是：將各種信息先分別調(diào)制在不同頻率的副載波上，然將各種信息先分別調(diào)制在不同頻率的副載波上，然后相加共同調(diào)制到一個載后相加共同調(diào)制到一個載波上發(fā)出；在接收端先對載波波上發(fā)出；在接收端先對載波解調(diào)，然后用不同頻率的濾波解調(diào)，然后用不同頻率的濾波器將各副載波分開；解調(diào)各副器將各副載波分開；解調(diào)各副載信號得到

3、發(fā)送時的原始信息。載信號得到發(fā)送時的原始信息。6USB MODULATION TECHNIQUE7USB航天測控網(wǎng)USB航天測控網(wǎng)最早是在20世紀(jì)60年代美國執(zhí)行阿波羅登月計(jì)劃時首先使用的。60年代初，美國在執(zhí)行水星號和雙子星號載人航天任務(wù)時，由于使用了多種頻段的設(shè)備分別進(jìn)行不同的工作，結(jié)果飛船上天線多、重量大、可靠性差，而且地球上也相應(yīng)設(shè)置了十分復(fù)雜的設(shè)備。為了改變這種情況，美國國家航空航天局提出采用USB(20004000兆赫)系統(tǒng)作為阿波羅登月計(jì)劃的地面保障系統(tǒng)，并在60年代中期建成了以USB為主體的跟蹤測控網(wǎng)，從而使航天測控從單一功能分散體制改進(jìn)為綜合多功能體制。8我國航天測控系統(tǒng)我國

4、經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已建成了由西昌衛(wèi)星發(fā)射中心、北京航天指控中心、西安測控中心、喀什站、青島站、廈門站、南寧站等測站以及遠(yuǎn)望測量船組成的USB航天測控網(wǎng)，主要完成對航天器跟蹤測軌、遙測接收、遙控發(fā)令、話音和圖像收發(fā)任務(wù)。9USB技術(shù)用于探測器定軌的原技術(shù)用于探測器定軌的原理理10定軌原理USB可以獲取目標(biāo)航天器相對于測控站的徑向速度、距離、方位角和俯仰角等外測數(shù)據(jù)。如圖所示，在軌道測量時USB系統(tǒng)采用的是應(yīng)答工作方式，對應(yīng)于目標(biāo)航天器上的一部應(yīng)答機(jī)，在某段時間內(nèi)只允許一個地面刪控站發(fā)送上行載波，該測控站能直接獲取全部外測數(shù)據(jù)，而其它測控站只能接收目標(biāo)航天器相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的下行載波，因此僅能直接獲取角

5、度外測數(shù)據(jù)。11定軌原理發(fā)送上行載波的測控站稱為主站，而不發(fā)送上行載波的測控站稱為副站發(fā)送上行載波的測控站稱為主站，而不發(fā)送上行載波的測控站稱為副站。主站發(fā)送的上行載波被目標(biāo)航天器接收后，航天器上的應(yīng)答機(jī)以固定的轉(zhuǎn)發(fā)比往地面相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)，再由主站和各個副站同時接收下行載波。主站所接收下行載波中的多普勒頻率只跟主站的多普勒效應(yīng)有關(guān)，利用雙程相關(guān)載波多普勒測速的原理，可以直接獲取測速數(shù)據(jù)。12定軌原理現(xiàn)以雙程多普勒測速原理為例介紹USB系統(tǒng)的定軌過程。由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的相對運(yùn)動，接收信號頻率與發(fā)射信號頻率不同，其差值為fd，稱此現(xiàn)象為多普勒效應(yīng)頻率差值fd為多普勒頻率。主站發(fā)射的上行載波，經(jīng)上行

6、空間傳播后，疊加了上行多普勒頻率，被目標(biāo)航天器上的應(yīng)答機(jī)接收，進(jìn)行載波頻率相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)(轉(zhuǎn)發(fā)比為)，又經(jīng)下行空間傳播后，疊加了下行多普勒頻率，然后被主站接收機(jī)所接收，頻率流程如圖所示：13定軌原理圖中fT為測控站發(fā)射載波的頻率，KdU為上行多普勒倍頻系數(shù)，fSR為航天器接收載波的頻率，fST為航天器發(fā)射載波的頻率，KdD為下行多普勒倍頻系數(shù)，fRM為測控站接收載波的頻率，相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)比 =240/221?？梢娭髡窘邮蛰d波頻率為：式中為探測器速度，c為光速。 RMTdUdDTTcRccRffKKffccRcRR14定軌原理在主站接收機(jī)中，將實(shí)際接收頻率fRM與基準(zhǔn)接收頻率fR0混頻(fR0= fT )，

7、以提取出雙程多普勒頻率：從上式可以得出雙程多普勒測速的公式為：00002ddRMRRRRcRRffffffcRcR 02ddRddcfRff15測速測距精度理論上 應(yīng)有較高的測量精度。但是在目前條件下，由于測站未能釋放探空氣球和測量氣象參數(shù)，因而數(shù)據(jù)處理時，僅能利用測站的地面氣象參數(shù)和簡化方法修正距離R和高度角A的電波折射誤差，而對則未進(jìn)行修正，嚴(yán)重影響了測量精度的實(shí)現(xiàn)，因此改進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法提高測速精度成為各界的研究重點(diǎn)。目前研究結(jié)果表明，USB系統(tǒng)測速RMS約為36 cm/s，測距RMS約為13m，能夠滿足月球探測器定軌測控要求。R16集成集成USB-VLBI技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用17集成USB-VLBI技術(shù)的應(yīng)用USB的測量弧段要明顯長于VLBI的測量弧段，這是因?yàn)閁SB觀測只需單站可見，而VLBI觀測需雙站共視。其次，VLBI對軌道的橫向約束較強(qiáng)，USB觀測量對軌道視向(或近似徑向)的約束較強(qiáng)，二者聯(lián)合定軌，可以互為補(bǔ)充，提高定軌精度。我國“嫦娥一號”月球探測器利用了我國“統(tǒng)一S波段(USB)”航天測控網(wǎng)和我國天文臺的甚長基線射電干涉網(wǎng)(VLBI系統(tǒng))，聯(lián)合使用USB和VLBI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“嫦娥一號” 月球探測器的導(dǎo)航和定定軌任務(wù)，還將用于我國“嫦娥二號”月球探測器各飛行階段的遙測、遙控、軌道測量和導(dǎo)航任務(wù)。18AP