航天測(cè)控和通信系統(tǒng)(王新升)

1衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和作用1航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)3GPS系統(tǒng)導(dǎo)航定位工作原理4內(nèi)容BeihangUniversity航天統(tǒng)一測(cè)控網(wǎng)組成及功能5航天器測(cè)控通信的發(fā)展趨勢(shì)6衛(wèi)星測(cè)控與通信工作的基本原理22BeihangUniversity1.

衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和作用1.1.概述

航空航天活動(dòng)范圍的分界線，一般以距離地面100km為界廣義的測(cè)控與通信系統(tǒng)是航天技術(shù)的大系統(tǒng)之一，包括航天器本體中的測(cè)控通信分機(jī)和地面通訊設(shè)備（運(yùn)載與航天器測(cè)控網(wǎng)）。測(cè)控與通信系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)航天器進(jìn)行跟蹤、測(cè)軌、定位、遙測(cè)、遙控和通信。測(cè)控（TT&C,Tracking,TelemetryandCommand）包括三部分：跟蹤、遙測(cè)和命令。通信是測(cè)控之外的另一個(gè)星地?cái)?shù)據(jù)系統(tǒng)，主要目的用來(lái)傳輸航天器上有效載荷取得的高速率數(shù)據(jù)，有效載荷可能是通信、廣播轉(zhuǎn)發(fā)器，對(duì)地觀測(cè)遙感儀器或科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器所取得的數(shù)據(jù).3王新升2024年4月13日航天器設(shè)計(jì)優(yōu)化與動(dòng)態(tài)模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院第8章測(cè)控與通信分系統(tǒng)Email:xswang@

航天器設(shè)計(jì)4BeihangUniversity1）跟蹤跟蹤指利用航天器上信標(biāo)機(jī)發(fā)出的高頻譜純度、高頻率穩(wěn)定度載波到達(dá)地球上跟蹤站后變?yōu)槠矫娌?，跟蹤站檢測(cè)出電磁波來(lái)波取向和地面站天線主波束電軸指向角的偏差，伺服系統(tǒng)利用此偏差隨時(shí)校正，消除偏差，而達(dá)到天線主波束實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)不斷運(yùn)動(dòng)著的航天器的目的。利用天線座方位軸(A)和俯仰軸(E)上的光學(xué)碼盤，可隨時(shí)給出天線束的指向角(A,E)。徑向速度測(cè)量：利用航天器相對(duì)于地面站天線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、信標(biāo)機(jī)的載頻中產(chǎn)生出多普勒頻移，測(cè)出頻移可換算出徑向速度。測(cè)距R：由地面站發(fā)射出一個(gè)高頻率穩(wěn)定度和高頻譜純度的正弦副載波（稱為測(cè)距側(cè)音），發(fā)射到航天器后，再轉(zhuǎn)發(fā)回來(lái)和原來(lái)地面發(fā)出的側(cè)音比較相位差，可計(jì)算出航天器和地面站之間的距離。根據(jù)得到的(A,E,R,,t)即可確定航天器在三維空間中的瞬時(shí)位置。對(duì)于慣性目標(biāo)，跟蹤足夠長(zhǎng)弧段后，可預(yù)測(cè)外推未來(lái)軌道。1.衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和作用5BeihangUniversity1.

衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和作用2）

遙測(cè)用傳感器測(cè)量航天器內(nèi)部各個(gè)工程分系統(tǒng)、航天器的姿態(tài)、外部空間環(huán)境和有效載荷的工作狀況，用無(wú)線電技術(shù)，將這些參數(shù)傳到地面站，供地面的科研人員進(jìn)行分析研究，用來(lái)判斷航天器的工作狀況。遙測(cè)是一種用來(lái)監(jiān)督、檢查航天器上天后工作狀況的唯一手段，也是判斷故障部位、原因的唯一措施。6BeihangUniversity1.

衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和作用3）

遙控通過對(duì)遙測(cè)參數(shù)、姿態(tài)和軌道參數(shù)的研究和分析，發(fā)現(xiàn)航天器的軌道、姿態(tài)、某個(gè)工程分系統(tǒng)或有效載荷工作狀況異常或出現(xiàn)故障，判斷出故障部位和做出決策，向衛(wèi)星發(fā)出有關(guān)命令，修正軌道和姿態(tài)，調(diào)整分系統(tǒng)和有效載荷的運(yùn)行參數(shù)，甚至切換備份或部件。遙控指令動(dòng)作的結(jié)果，再通過遙測(cè)信道傳到地面站進(jìn)行回報(bào)證實(shí)。遙測(cè)和遙控兩種技術(shù)綜合起來(lái)構(gòu)成一種保證航天器正常運(yùn)行，增加可靠性，延長(zhǎng)壽命的重要閉環(huán)手段。7BeihangUniversity1.

衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和作用1.2測(cè)控與通信系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷的四個(gè)時(shí)期測(cè)控設(shè)備獨(dú)立發(fā)展時(shí)期：跟蹤設(shè)備、遙測(cè)設(shè)備、遙控設(shè)備、電視和語(yǔ)音設(shè)備獨(dú)立發(fā)展，各有自己的載頻、天線和收發(fā)設(shè)備。1965年前基本上處于這種狀態(tài)，設(shè)備龐大、眾多，操作復(fù)雜。統(tǒng)一載波時(shí)期：從1965年后逐步形成了跟蹤、遙測(cè)、遙控和語(yǔ)音的傳輸共用一個(gè)載頻，構(gòu)成了S波段統(tǒng)一載波測(cè)控系統(tǒng)(USB)，達(dá)到了簡(jiǎn)化天-地設(shè)備的效果。1980年前后，TT＆C和寬帶、高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)合并成C&T(通信與跟蹤)系統(tǒng)。由陸(海)基的測(cè)控與通信網(wǎng)轉(zhuǎn)向建立天基測(cè)控與通信網(wǎng)：采用陸(海)基的測(cè)控與通信網(wǎng)，需要在全球范圍內(nèi)建站才能滿足載人航天任務(wù)的覆蓋要求；而天基測(cè)控與通信網(wǎng)主要通過跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)，在地面上布一個(gè)站就能完成覆蓋全軌道飛行任務(wù)。8BeihangUniversity1.

衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀和作用1.3衛(wèi)星測(cè)控特點(diǎn)

衛(wèi)星測(cè)控特點(diǎn)多路傳輸涉及科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的廣泛性精確性和可靠性信息的多樣性和數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性9BeihangUniversity2.

衛(wèi)星測(cè)控信道傳輸及測(cè)控的基本原理2.1射頻傳輸與無(wú)線電頻率10BeihangUniversity2.

衛(wèi)星測(cè)控信道傳輸及測(cè)控的基本原理2.2航天通信技術(shù)的三種情況

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，除測(cè)控信道(點(diǎn)頻)外，采用另一個(gè)信道單獨(dú)傳送高數(shù)據(jù)率的遙感數(shù)據(jù)，該類信道是單向下行；載人航天器，除測(cè)控信道外，其通信信道中除對(duì)地觀測(cè)，空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間生產(chǎn)數(shù)據(jù)外，還有航天器之間的話音通信，電視信號(hào)等，數(shù)據(jù)傳輸雙向交互，具有上行和下行；專門分化出經(jīng)營(yíng)通信及廣播的衛(wèi)星，通信為雙向，廣播為單向的。三類通信情況都要求高速傳輸信息和高效率傳輸信息，即最大限度利用發(fā)射功率及盡量減少占用帶寬，基帶信號(hào)合并為一路統(tǒng)一數(shù)據(jù)流，直接對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，數(shù)據(jù)率低于1Mb/s時(shí)，采用BPSK調(diào)制體制，數(shù)據(jù)率大于1MB/s時(shí)，采用QPSK節(jié)約帶寬。11BeihangUniversity2.

衛(wèi)星測(cè)控信道傳輸及測(cè)控的基本原理1）

數(shù)據(jù)率傳輸一般采用的頻段類型 數(shù)據(jù)率在50Mb/s,采用C頻段或X頻段； 數(shù)據(jù)率大于100Mb/s，采用Ku/Ka頻段； 數(shù)據(jù)率小于12Mb/s，采用S頻段； 數(shù)據(jù)率50～100Mb/s，采用X頻段； 數(shù)據(jù)率大于100Mb/s，采用Ku/Ka/w頻段12BeihangUniversity2.

衛(wèi)星測(cè)控信道傳輸及測(cè)控的基本原理2）

S頻段和USB體制S頻段的宇宙噪聲最低；頻率范圍：2025～2300MHz；統(tǒng)一S頻段測(cè)控系統(tǒng)(USB)具有上行、下行兩個(gè)信道，上、下載波頻率相干，采用固定轉(zhuǎn)發(fā)比，上行頻率2025~2110MHz，下行頻率2200~2300MHz，上下行載頻轉(zhuǎn)發(fā)比221/240，上、下行載波采用殘余載波調(diào)制體制，即相位調(diào)制(PM)方案。13BeihangUniversity2.

衛(wèi)星測(cè)控信道傳輸及測(cè)控的基本原理3）通信方程通信方程包括了收發(fā)雙方的設(shè)備性能，電磁波傳播路徑的影響和通信需求?；就ㄐ欧匠?通信系統(tǒng)模型圖14BeihangUniversity2.

衛(wèi)星測(cè)控信道傳輸及測(cè)控的基本原理通信方程參數(shù)的物理意義15BeihangUniversity2.

衛(wèi)星測(cè)控信道傳輸及測(cè)控的基本原理簡(jiǎn)化的通信方程16BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1遙測(cè)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)1)遙測(cè)基帶信號(hào)格式遙測(cè)幀格式結(jié)構(gòu)

17BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)2)遙測(cè)分系統(tǒng)功能框圖18BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2遙控分系統(tǒng)設(shè)計(jì)1)遙控?cái)?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)遙控幀格式說(shuō)明：遙控命令幀長(zhǎng)定義為64字節(jié)。分系統(tǒng)地址碼、命令碼、幀計(jì)數(shù)及參數(shù)等均采用（8，4）漢明糾錯(cuò)編碼，對(duì)于不帶參數(shù)的命令幀，其參數(shù)及保留部分用55H填充（根據(jù)需要，保留部分可以重新定義）。幀計(jì)數(shù)用于區(qū)分單幀命令、多幀命令。對(duì)單幀命令幀計(jì)數(shù)為0，對(duì)多幀命令起始幀計(jì)數(shù)為1，后繼幀依次遞增，如2，3，4......等等，F(xiàn)FH為結(jié)束幀幀計(jì)數(shù)，例如：某次飛行任務(wù)表上注指令由3幀組成，則幀計(jì)數(shù)依次為1，2，F(xiàn)FHEB900808分系統(tǒng)地址碼L分系統(tǒng)地址碼H命令代碼L命令代碼H幀計(jì)數(shù)L幀計(jì)數(shù)H參數(shù)1L參數(shù)1H參數(shù)2L參數(shù)2H參數(shù)3L參數(shù)3H參數(shù)4L參數(shù)4H參數(shù)5L參數(shù)5H參數(shù)6L參數(shù)6H參數(shù)7L參數(shù)7H參數(shù)8L參數(shù)8H參數(shù)9L參數(shù)9H參數(shù)10L參數(shù)10H參數(shù)11L參數(shù)11H參數(shù)12L參數(shù)12H參數(shù)13L參數(shù)13H參數(shù)14L參數(shù)14H參數(shù)15L參數(shù)15H參數(shù)16L參數(shù)16H參數(shù)17L參數(shù)17H參數(shù)18L參數(shù)18H參數(shù)19L參數(shù)19H參數(shù)20L參數(shù)20H參數(shù)21L參數(shù)21H參數(shù)22L參數(shù)22H參數(shù)23L參數(shù)23H參數(shù)24L參數(shù)24H參數(shù)25L參數(shù)25H參數(shù)26L參數(shù)26H09D719BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)2)遙控分系統(tǒng)功能組成20BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)3)遙控信號(hào)的調(diào)制及射頻21BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3小衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)實(shí)例CAST2000平臺(tái)22BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3小衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)實(shí)例*小衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)23BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4跟蹤分系統(tǒng)設(shè)計(jì)跟蹤分系統(tǒng)的功能包括：角跟蹤、測(cè)距、測(cè)速功能

24BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)2）測(cè)距分機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)距分系統(tǒng)的工作原理：首先發(fā)出高測(cè)距音，當(dāng)航天器上相干應(yīng)答機(jī)接收并轉(zhuǎn)發(fā)高側(cè)音到地面站后，觀測(cè)站中PLL接收機(jī)，鎖住高側(cè)音和高側(cè)音比相，求出距離差的尾數(shù)，然后將高側(cè)音分頻，求出下一個(gè)次側(cè)音，連同高側(cè)音一起發(fā)給航天器，對(duì)返回來(lái)的次側(cè)音，再鎖相并比較相位，如模糊度未判斷出來(lái)，再發(fā)第二個(gè)次側(cè)音，直到解出模糊為止。此系統(tǒng)最大測(cè)量無(wú)模糊距離為18000公里。

距離模糊產(chǎn)生過程圖

25BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用7個(gè)測(cè)距音的USB測(cè)控系統(tǒng)測(cè)距方案

26BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)3）航天器的多普勒測(cè)速方法

27BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)多普勒測(cè)速工作原理框圖28BeihangUniversity4.

GPS系統(tǒng)導(dǎo)航定位技術(shù)4.1GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成和功能

全球定位系統(tǒng)GPS（Global

Positioning

System）整個(gè)星座由6條軌道上均勻分布的24顆導(dǎo)航星組成全球衛(wèi)星覆蓋網(wǎng)，軌道傾角為55°，軌道高度為20183km，周期1小時(shí)58分。這樣全球任何地點(diǎn)的用戶在任何時(shí)間都能看到24顆衛(wèi)星中的6顆以上的衛(wèi)星，而且其接收的仰角均大于5°以上。最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，是美軍71年代初“子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航定位”技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的，具有全球性，全能性（陸地，海洋，航空），全天候優(yōu)勢(shì)。GPS信號(hào)載頻L1＝1575.42MHz;L2=1227.60MHz;便于校正電離層的影響；載波被調(diào)制了兩種偽隨機(jī)測(cè)距碼和導(dǎo)航信息。P碼是精測(cè)距碼（美國(guó)軍方用），碼速率10.23Mbit/s,P碼同時(shí)調(diào)制在兩個(gè)載波上，用于電離層延遲測(cè)定和校正。C/A碼是粗捕獲碼（民用），碼速率1.023Mbit/s,C/A碼只調(diào)制在L1載波上。29BeihangUniversity4.

GPS系統(tǒng)導(dǎo)航定位技術(shù)4.1GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成和功能

1.空間部分(導(dǎo)航衛(wèi)星).空間部分使用24顆(其中3顆衛(wèi)星為備用)高度為20183km的導(dǎo)航衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座.2.地面站.地面站包括一個(gè)主控站、四個(gè)監(jiān)測(cè)站和一個(gè)注入站。3.用戶設(shè)備.

導(dǎo)航衛(wèi)星采用無(wú)源工作方式，

凡是有GPS接收設(shè)備的用戶都可以使用GPS系統(tǒng)。用戶設(shè)備包括全向圓極化天線、接收機(jī)、微處理器等，有時(shí)也統(tǒng)稱GPS接收機(jī)。30BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.2GPS系統(tǒng)導(dǎo)航定位的工作原理31BeihangUniversity3.

航天器測(cè)控與通信分系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.2GPS系統(tǒng)導(dǎo)航定位的工作原理32BeihangUniversity4.

GPS系統(tǒng)導(dǎo)航定位技術(shù)4.3GPS用于空間飛行器時(shí)定位性能指標(biāo)低軌道GPS用戶（1000km以內(nèi)），平均可觀測(cè)到的GPS星數(shù)目及收到的GPS信號(hào)電平與地面狀況相當(dāng)，因此可達(dá)到的精度與地面用戶相當(dāng)，近地點(diǎn)一般為740km或更低，遠(yuǎn)地點(diǎn)39660km橢圓軌道用戶星（即發(fā)射靜止軌道衛(wèi)星時(shí)在初期的大橢圓軌道時(shí)），近地點(diǎn)定位精度可達(dá)9～15m，遠(yuǎn)地點(diǎn)可達(dá)61～91m；高度接近或高于GPS衛(wèi)星工作軌道（如靜止衛(wèi)星軌道）的用戶星需要高增益天線才能捕獲和跟蹤至少4顆在視場(chǎng)范圍內(nèi)的衛(wèi)星，定位精度在100m以上。33BeihangUniversity5.

航天統(tǒng)一測(cè)控網(wǎng)組成及功能5.1航天地面測(cè)控網(wǎng)

地面站（包括船隊(duì)）和航天測(cè)控中心組成航天測(cè)控網(wǎng)。由航天測(cè)控中心完成地面站的統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，命令的統(tǒng)一編排。航天測(cè)控中心

航天測(cè)控中心是連接各個(gè)地面站和測(cè)量船隊(duì)的樞紐，是測(cè)控網(wǎng)的信息和控制中心。

系統(tǒng)組成：

1)通信及時(shí)間統(tǒng)一勤務(wù)系統(tǒng)；

2)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；

3)顯示與控制系統(tǒng)

我國(guó)航天測(cè)控中心功能原理圖34BeihangUniversity5.

航天統(tǒng)一測(cè)控網(wǎng)組成及功能5.2天基測(cè)控網(wǎng)解決實(shí)時(shí)測(cè)控通信的兩種途徑：1）世界范圍的國(guó)際和作，把各國(guó)測(cè)控網(wǎng)連接起來(lái)，建立世界性的商用測(cè)控網(wǎng)，統(tǒng)一頻段、統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，各國(guó)發(fā)射航天器時(shí)相互支持。2）發(fā)展以數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和全