第5章-航天遙測(cè)系統(tǒng)

1、第5章 航天遙測(cè)系統(tǒng)5.1 遙測(cè)系統(tǒng)概述遙測(cè)系統(tǒng)概述1 遙測(cè)技術(shù)：對(duì)被測(cè)量對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量的，并把測(cè)量結(jié)果傳送到接收地點(diǎn)的一種測(cè)量技術(shù)，能完成整個(gè)遙測(cè)過(guò)程的設(shè)備組合稱為遙測(cè)系統(tǒng)。2 遙測(cè)系統(tǒng)組成遙測(cè)是通過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行的。遙測(cè)系統(tǒng)由三部分組成：（1）輸入設(shè)備輸入設(shè)備，包括傳感器和變換器。傳感器把被測(cè)參數(shù)變成電信號(hào)，變換器把電信號(hào)變換成適合于多路傳輸設(shè)備輸入端要求的信遙測(cè)技術(shù)號(hào)。（2）傳輸設(shè)備傳輸設(shè)備，是一種多路通信設(shè)備。它可以是有線通信或無(wú)線電通信，既可傳輸模擬信號(hào)也可傳輸數(shù)字信號(hào)。目的是把輸入設(shè)備輸入的信號(hào)不失真地傳到終端。（3）終端設(shè)備終端設(shè)備，它的功能是接收信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行記錄，顯

2、示和處理，以獲得測(cè)量結(jié)果。3 航天測(cè)控系統(tǒng)基本原理： 航空航天遙測(cè)系統(tǒng)可分為飛行器遙測(cè)設(shè)備（系統(tǒng)）和地面遙測(cè)設(shè)備（系統(tǒng)），前者主要由遙測(cè)技術(shù)傳感器、多路組合調(diào)制器、發(fā)射機(jī)和天線組成，后者主要由接收機(jī)和天線、分路解調(diào)器等組成。 傳感器傳感器的功能是感受被測(cè)參量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。各傳感器的輸出信號(hào)(及其他需經(jīng)遙測(cè)系統(tǒng)傳送的信號(hào))同時(shí)送入多路組合調(diào)制器，各路信號(hào)按一定體制組合起來(lái)，互不干擾地通過(guò)同一個(gè)無(wú)線電信道傳送出去。 多路組合調(diào)制器多路組合調(diào)制器輸出的信號(hào)調(diào)制發(fā)射機(jī)的載波，通過(guò)天線發(fā)射出去。 接收端天線接收端天線接收信號(hào)后送入接收機(jī)。 接收機(jī)接收機(jī)把組合信號(hào)解調(diào)出來(lái)，再經(jīng)分路解調(diào)器恢復(fù)各路原始信息

3、，加以記錄、處理和顯示。 現(xiàn)代廣泛應(yīng)用的信號(hào)組合體制有時(shí)分制時(shí)分制和頻分制頻分制兩種。 (1)時(shí)分制時(shí)分制 按時(shí)間順序來(lái)區(qū)分通道。采樣開(kāi)關(guān)按順序?qū)Ω髀沸盘?hào)巡回采樣，形成圖2b中陰影條所示的一個(gè)綜合脈沖序列。接收端的分路解調(diào)器的分路開(kāi)關(guān)與發(fā)送端的采樣開(kāi)關(guān)同步工作，把各路信號(hào)分開(kāi)。如果脈沖序列中脈沖幅度反映被測(cè)參數(shù)，則稱脈沖幅度調(diào)制 （PAM）。如果采樣脈沖的寬度或位置反映被測(cè)參數(shù)，則稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖位置調(diào)制(PDM、PPM)。如用一組編碼來(lái)反映被測(cè)參數(shù)，則稱脈沖編碼調(diào)制 (PCM)。這種脈沖序列調(diào)制到發(fā)射載波上的方式可以是頻率調(diào)制(FM)、相位調(diào)制(PM)和幅度調(diào)制(AM)中的任何一種。時(shí)

4、分制遙測(cè)系統(tǒng)常用的方式是PAM-FM和PCM-FM。時(shí)分制多用于被測(cè)信號(hào)較多而變化緩慢的緩變參數(shù)的測(cè)量。其中PCM體制的應(yīng)用更為廣泛。(3)頻分制頻分制 按不同的頻率來(lái)區(qū)分通道。各路被測(cè)信號(hào)對(duì)各自的副載波調(diào)制，將這些調(diào)制后的信號(hào)相加得到圖3b所示的頻譜。這一組合信號(hào)再去調(diào)制載波，經(jīng)天線發(fā)出，在接收端經(jīng)載波解調(diào)后，用一組濾波器濾出各路副載波，再各自解調(diào)出信號(hào)。同樣，組合信號(hào)對(duì)發(fā)射載波的調(diào)制也可以采用上述三種方式中的任何一種。頻分制遙測(cè)系統(tǒng)中常用的是FMFM體制。頻分制多用于被測(cè)信號(hào)較少且變化較快的速變參數(shù)的測(cè)量。4 航天遙測(cè)特點(diǎn)航天遙測(cè)特點(diǎn)(1)被測(cè)參數(shù)多，系統(tǒng)復(fù)雜；(2)作用距離遠(yuǎn)，格式復(fù)雜，

5、采用的新技術(shù)多；(3)系統(tǒng)可靠性要求高；(4)實(shí)時(shí)性強(qiáng)。5 應(yīng)用應(yīng)用 遙測(cè)不僅為了獲得數(shù)據(jù)，而是要為遙控目標(biāo)物體提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，常和遙控結(jié)合在一起。遙測(cè)作為一門綜合技術(shù)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，應(yīng)用十分廣泛。 在宇宙探索中，遙測(cè)技術(shù)幫助了解太陽(yáng)系遙遠(yuǎn)天體上的氣溫、大氣構(gòu)成和表面情況；投放在敵方的遙測(cè)儀器能傳回許多情報(bào)；取得導(dǎo)彈和飛機(jī)的飛行數(shù)據(jù)；收集核試驗(yàn)情況也要靠遙測(cè)技術(shù)。在工業(yè)上遙測(cè)技術(shù)使許多龐大的系統(tǒng)高效安全運(yùn)行，如電力、輸油、輸氣系統(tǒng)、城市自來(lái)水、煤氣和供暖系統(tǒng)等。在研究動(dòng)物的生活習(xí)性中，遙測(cè)技術(shù)也是有力的手段，動(dòng)物帶上有傳感器的發(fā)報(bào)機(jī)后，在實(shí)驗(yàn)室就可研究野外動(dòng)物的動(dòng)態(tài)。遙測(cè)技術(shù)也用

6、在醫(yī)學(xué)上，如測(cè)定宇航員和登山隊(duì)員身體情況。醫(yī)術(shù)高明的大夫利用遙測(cè)技術(shù)能為偏僻地區(qū)的病人服務(wù)。5.2 遙測(cè)信號(hào)調(diào)制基本理論遙測(cè)信號(hào)調(diào)制基本理論在遙測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)制的主要目的：（1） 把遙測(cè)信號(hào)調(diào)制到射頻載波上，以便通過(guò)天線向空間輻射；（2）實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。調(diào)制方式 模擬調(diào)制（連續(xù)波調(diào)制）數(shù)字調(diào)制幅度調(diào)制（AM）頻率調(diào)制（FM）相位調(diào)制（PM）幅移鍵控調(diào)制（ASK）頻移鍵控調(diào)制（FSK）相移鍵控調(diào)制（PSK）調(diào)制方式分類5.3 信道編碼與擴(kuò)頻調(diào)制信道編碼與擴(kuò)頻調(diào)制1 編碼編碼是信息從一種形式或格式轉(zhuǎn)換為另一種形式的過(guò)程。用預(yù)先規(guī)定的方法將文字、數(shù)字或其他對(duì)象編成數(shù)碼，或?qū)⑿畔?、?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成規(guī)定的電脈

7、沖信號(hào)。編碼在電子計(jì)算機(jī)、電視、遙控和通訊等方面廣泛使用。編碼是信息從一種形式或格式轉(zhuǎn)換為另一種形式的過(guò)程。解碼，是編碼的逆過(guò)程。2 遙測(cè)常用碼型遙測(cè)常用碼型Types of Digital to Digital Encodingn單極性碼（單電平） 非零電平代表一種信號(hào)邏輯狀態(tài)，零電平代表另一種n極性碼 (雙電平) 正電平代表一種信號(hào)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平代表另一種n雙極性碼（多電平） 無(wú)線路信號(hào)代表一種信號(hào)邏輯狀態(tài)，正電平和負(fù)電平交替代表另一種l傳送數(shù)字信號(hào)最簡(jiǎn)單的方法l只用一個(gè)電平即可表示兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字。通常0是用零電平即空閑的線路狀態(tài)表示。注：脈沖的極性指其電平的正負(fù)?！皢螛O性”得名于它的電

8、平只有一“極”。極性碼 不歸零型 歸零型 雙相位型 不歸零電平編碼不歸零反相編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼采用兩個(gè)電壓值編碼：一個(gè)正電壓，一個(gè)負(fù)電壓。l不歸零電平編碼不歸零電平編碼（NRZ-L）l負(fù)電平用于表示一個(gè)二進(jìn)制值，正電平用于表示另一個(gè)二進(jìn)制值l由比特值決定信號(hào)的電平。l 不歸零反相編碼不歸零反相編碼（不歸零1制，NRZI）l用一個(gè)比特間隔開(kāi)始時(shí)是否出現(xiàn)電平跳變表示 或 。l屬于差分編碼，可靠性更好。l比特值決定正負(fù)電壓之間是否跳變，而非決定電平正負(fù)。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月l數(shù)據(jù)由電平變化而非電平高低表示。l檢測(cè)信號(hào)跳變比檢測(cè)信號(hào)電平高低更可靠。l在復(fù)雜傳輸系統(tǒng)中，

9、信號(hào)的正負(fù)極性可能失去意義。如在一條多支路雙絞線線路上，當(dāng)雙絞線與某相連設(shè)備引腳的接線接反時(shí)，如果采用NRZ-L編碼，所有的0和1都將顛倒。采用差分編碼則不會(huì)出現(xiàn)這種顛倒現(xiàn)象。l對(duì)工程師而言，實(shí)施容易。l能充分利用帶寬。l仍含有一定的直流分量，且缺乏同步能力。l因其簡(jiǎn)單性和較低的頻率響應(yīng)特性，常用于終端設(shè)備、接口和數(shù)字磁記錄。信號(hào)傳輸中則不常單獨(dú)用之。應(yīng)用實(shí)例：連接優(yōu)盤的USB串行接口通常使用NRZI作為信號(hào)的編碼。為了解決一長(zhǎng)串連續(xù)比特 引起的同步問(wèn)題，采用了所謂“位填充技術(shù)”。即在連續(xù)傳輸6個(gè)比特 的情況下強(qiáng)行插入一個(gè)比特 。說(shuō)明：USB接口使用的NRZI編碼規(guī)則是遇到比特 時(shí)發(fā)生跳變，遇

10、到比特 時(shí)保持不變。l歸零編碼使用兩組電平值： 正-零，負(fù)-零l信號(hào)變化不是發(fā)生在比特之間而是發(fā)生在每個(gè)比特內(nèi)。在每個(gè)比特間隙的中段，信號(hào)將歸零。l比特“1”實(shí)際上是用正電平跳變到零表示，比特“0”則用負(fù)電平跳變到零表示，而不是僅僅通過(guò)電平的正負(fù)來(lái)表示。l在每個(gè)比特內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)變化可以解決同步問(wèn)題。但這種編碼方案中每比特需要兩次信號(hào)變化，從而占用了更多的帶寬。l目前，絕大多數(shù)的信號(hào)均采用了非歸零碼（NRZ）的編碼方式，這種方式可以降低信號(hào)的譜寬，但由于占空比較大，前后脈沖的間隔較小，較容易發(fā)生重疊，造成碼間串?dāng)_。而歸零碼（RZ）的占空比通常只有普通非歸零碼的3467，拉開(kāi)了相鄰脈沖的間隔，在信號(hào)

11、平均能量不變的基礎(chǔ)上，大大提高了峰值功率，為接收端提供了更高的光信噪比，同時(shí)也提高了對(duì)光纖中極化模色散造成的時(shí)延的抵抗能力。朗訊科技公司在其最新的40G遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)采用了一種稱為載波抑制的歸零碼調(diào)制技術(shù)(CSRZ)，該技術(shù)可以最大程度地減小編碼造成的頻譜展寬，同時(shí)保留了歸零碼所擁有的一切優(yōu)點(diǎn)。資料來(lái)源資料來(lái)源 http:/www.c- 2005年9月每個(gè)比特間隔的中間位置處都存在一個(gè)跳變。這種中間處的跳變既含有時(shí)鐘信息，也含有數(shù)據(jù)信息：從低到高的跳變代表1，從高到低的跳變代表0 (注意有些系統(tǒng)也可能相反)。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月比特間隔中間位置處的跳變僅含有時(shí)鐘信息。在比特

12、間隔開(kāi)始處如果出現(xiàn)跳變表示0，如果沒(méi)有跳變表示1。3 信息傳遞過(guò)程中信息編碼和信道編碼信息傳遞過(guò)程中信息編碼和信道編碼 信源編碼信源編碼是對(duì)視頻, 音頻, 數(shù)據(jù)進(jìn)行的編碼，即對(duì)信息進(jìn)行編碼以便處理，而信道編碼信道編碼是指在信息傳輸?shù)倪^(guò)程中對(duì)信息進(jìn)行的處理。 信源編碼信號(hào)信源編碼信號(hào)：例如語(yǔ)音信號(hào)（頻率范圍300-3400Hz)、圖象信號(hào)（頻率范圍0-6MHz)基帶信號(hào)（基帶：信號(hào)的頻率從零頻附近開(kāi)始）。在發(fā)送端把連續(xù)消息變換成原始電信號(hào)，這種變換由信源來(lái)完成。 信道編碼信號(hào)信道編碼信號(hào)：例如二進(jìn)制信號(hào)、2PSK信號(hào)已調(diào)信號(hào)（也叫帶通信號(hào)、頻帶信號(hào)）。這種信號(hào)有兩個(gè)基本特征：一是攜帶信息；二是適

13、應(yīng)在信道中傳輸，把基帶信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)完成這樣的變換是調(diào)制器。一信源編碼一信源編碼 信源編碼的作用之一是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即通常所說(shuō)的數(shù)據(jù)壓縮。碼元速率將直接影響傳輸所占的帶寬，而傳輸帶寬又直接反映了通信的有效性。 作用之二是當(dāng)信息源給出的是模擬語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，信源編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。模擬信號(hào)數(shù)字化傳輸?shù)膬煞N方式：脈沖編碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制(M)。信源譯碼是信源編碼的逆過(guò)程。 1.脈沖編碼調(diào)制(PCM)簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制:一種用一組二進(jìn)制數(shù)字代碼來(lái)代替連續(xù)信號(hào)的抽樣值，從而實(shí)現(xiàn)通信的方式。由于這種通信方式抗干擾能力強(qiáng)，它在光纖通信、數(shù)

14、字微波通信、衛(wèi)星通信中均獲得了極為廣泛的應(yīng)用。 2.增量調(diào)制(M):將差值編碼傳輸， 同樣可傳輸模擬信號(hào)所含的信息。此差值又稱“增量”，其值可正可負(fù)。 這種用差值編碼進(jìn)行通信的方式，就稱為“增量調(diào)制”（Delta Modulation），縮寫為DM或M，主要用于軍方通信中。二信道編碼二信道編碼 數(shù)字信號(hào)在信道傳輸時(shí)，由于噪聲、衰落以及人為干擾等，將會(huì)引起差錯(cuò)。為了減少差錯(cuò)，信道編碼器對(duì)傳輸?shù)男畔⒋a元按一定的規(guī)則加入保護(hù)成分（監(jiān)督元），組成所謂“抗干擾編碼”。接收端的信道譯碼器按一定規(guī)則進(jìn)行解碼，從解碼過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或糾正錯(cuò)誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)可靠通信。 信道編碼通常按信源序列處

15、理方式的不同分為分組碼和卷積嗎兩大類 分組編碼是按照代數(shù)規(guī)律構(gòu)造的，故又稱為代數(shù)編碼。其編碼原理框圖見(jiàn)圖2-1。將k個(gè)信息比特編成n個(gè)比特的碼組，每個(gè)碼組的r=nk個(gè)監(jiān)督碼元僅與本碼組的k個(gè)信息位有關(guān)，而與其他碼組無(wú)關(guān)，一般可用(n，k)表示。n為碼長(zhǎng)，k表示信息位數(shù)目，R=k/n為分組碼的編碼效率。4 R-S 分組編碼分組編碼 5 卷積碼 卷積碼由連續(xù)輸入的信息序列得到連續(xù)輸出的已編碼序列。卷積碼中編碼后的n個(gè)碼元不但與當(dāng)前段的k個(gè)信息有關(guān)，而且與前面N-1段的信息有關(guān)，編碼過(guò)程中相互關(guān)聯(lián)的碼元為Nn個(gè)。其糾錯(cuò)能力隨著N的增加而增大，而差錯(cuò)率隨著N的增加而呈指數(shù)下降。 在同樣的復(fù)雜度下卷積碼

16、可以比分組碼獲得更大的編碼增益。 卷積碼至今未找到如此嚴(yán)密的數(shù)學(xué)手段，把糾錯(cuò)性能與碼的構(gòu)成有規(guī)律地聯(lián)系起來(lái)，目前大都采用計(jì)算機(jī)來(lái)搜索好碼。 卷積碼雖然可以采用適用于分組碼的門限譯碼，但性能不如Viterbi譯碼和序列譯碼。 卷積碼是一種對(duì)付突發(fā)錯(cuò)碼的有效編碼方法，通常記作（n，k，N），它將k個(gè)信息比特編為n個(gè)比特，即編碼效率為Rc = k/n，N為約束長(zhǎng)度，也就是說(shuō)該編碼器有Nk個(gè)移位寄存器，n個(gè)模2加法器，n個(gè)移位寄存器為輸出。 卷積碼編碼器的結(jié)構(gòu)如圖。整個(gè)編碼過(guò)程可以看成是輸入序列與由移位寄存器和模二和連接方式所決定的另一個(gè)序列的卷積 6 遙測(cè)信道編碼的具體應(yīng)用遙測(cè)信道編碼的具體應(yīng)用2

17、航天遙測(cè)系統(tǒng)要求不高于10-5誤碼率。1 CCSDS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定遙測(cè)信道編碼規(guī)范為：以編碼效率為1/2或1/3，編碼約束長(zhǎng)度N=7，采用8電平軟判決，維特比最大擬然譯碼的卷積為內(nèi)碼。7 擴(kuò)頻調(diào)制擴(kuò)頻調(diào)制航天遙測(cè)中廣泛采用的另一個(gè)技術(shù)是擴(kuò)頻調(diào)制。擴(kuò)頻擴(kuò)頻：將數(shù)據(jù)信號(hào)介入帶有白噪聲特性的偽隨機(jī)序列進(jìn)行傳輸，使傳輸帶寬較原數(shù)據(jù)所需最小帶寬大到數(shù)百、上千萬(wàn)倍以上，稱為擴(kuò)頻。其主要作用提高系統(tǒng)的干擾性能，能實(shí)現(xiàn)碼分多址。按結(jié)構(gòu)和調(diào)制方式，大體分為以下幾類：（1）直接序列擴(kuò)頻（DS-SS Direct-sequence/spread spectrum）并包括CDMA（碼分多址）（2）跳頻（FHFreque

18、ncy-Hop），并包括慢跳頻（SFH）CDMA和快跳頻（FFH）系統(tǒng)（3）載波意義上的多址（CSMA）擴(kuò)頻（4）時(shí)跳擴(kuò)頻（THTime-Hop）（5）線性調(diào)頻（鳥聲信號(hào)bird-sound）（6）混和擴(kuò)頻方式擴(kuò)頻調(diào)制基本方式主要包括直接序列擴(kuò)頻（DS或DS-SS）、跳頻擴(kuò)頻（FH）。擴(kuò)頻通信可實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)共享公用信道來(lái)傳輸信息此種技術(shù)稱作碼分多址（CDMA）。直接序列擴(kuò)頻調(diào)制原理直接序列擴(kuò)頻調(diào)制原理 （1）第一種碼分直擴(kuò)系統(tǒng)第一種碼分直擴(kuò)系統(tǒng)構(gòu)成的簡(jiǎn)單框圖如圖構(gòu)成的簡(jiǎn)單框圖如圖所示。所示。在這種系統(tǒng)中，發(fā)端的用戶信息數(shù)據(jù)發(fā)端的用戶信息數(shù)據(jù)a ai i首先與其首先與其對(duì)應(yīng)的地址碼對(duì)應(yīng)的地址碼W Wi i相乘相乘( (或?；蚰? 2加加) )，進(jìn)行地址碼調(diào)制；再再與高速偽隨機(jī)碼與高速偽隨機(jī)碼(PN(PN碼碼) )相乘相乘( (或?；蚰? 2加加) )，進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制擴(kuò)頻調(diào)制。 ( (進(jìn)行了兩次調(diào)制）進(jìn)行了兩次調(diào)制） 在收端收端，擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)由本地產(chǎn)生的與發(fā)端偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼“完全相同（包括碼型和相位相同）”的PN碼解擴(kuò)后，再與相應(yīng)的地址碼(WkWi)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)相關(guān)檢測(cè)，得到所需的用戶信息(