1、1卫星测控系统的技术现状和作用卫星测控系统的技术现状和作用1航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计3GPS系统导航定位工作原理系统导航定位工作原理4内容航天统一测控网组成及功能航天统一测控网组成及功能5航天器测控通信的发展趋势航天器测控通信的发展趋势6卫星测控与通信工作的基本原理卫星测控与通信工作的基本原理221.卫星测控系统的技术现状和作用卫星测控系统的技术现状和作用1.1.概述概述 航空航天活动范围的分界线，一般以距离地面100km为界 广义的测控与通信系统是航天技术的大系统之一，包括航天器本体中的测控通信分机和地面通讯设备（运载与航天器测控网）。测控与通信系统的任务是对航天
2、器进行跟踪、测轨、定位、遥测、遥控和通信。测控（TT&C,Tracking,Telemetry and Command）包括三部分：跟踪、遥测和命令。通信是测控之外的另一个星地数据系统，主要目的用来传输航天器上有效载荷取得的高速率数据，有效载荷可能是通信、广播转发器，对地观测遥感仪器或科学实验仪器所取得的数据.3王新升王新升2022年12月1日航天器设计优化与动态模拟教育部重点实验室北京航空航天大学宇航学院第第8章章 测控与通信分系统测控与通信分系统Email:Email: 航航 天天 器器 设设 计计41）跟踪）跟踪 跟踪指利用航天器上信标机发出的高频谱纯度、高频率稳定度载波到达地球上跟踪站
3、后变为平面波，跟踪站检测出电磁波来波取向和地面站天线主波束电轴指向角的偏差，伺服系统利用此偏差随时校正，消除偏差，而达到天线主波束实时对准不断运动着的航天器的目的。利用天线座方位轴(A)和俯仰轴(E)上的光学码盘，可随时给出天线束的指向角(A,E)。径向速度 测量：利用航天器相对于地面站天线的相对运动、信标机的载频中产生出多普勒频移，测出频移可换算出径向速度。测距R：由地面站发射出一个高频率稳定度和高频谱纯度的正弦副载波（称为测距侧音），发射到航天器后，再转发回来和原来地面发出的侧音比较相位差，可计算出航天器和地面站之间的距离。根据得到的(A,E,R,t)即可确定航天器在三维空间中的瞬时位置。
4、对于惯性目标，跟踪足够长弧段后，可预测外推未来轨道。1.1.卫星测控系统的技术现状和作用卫星测控系统的技术现状和作用51.卫星测控系统的技术现状和作用卫星测控系统的技术现状和作用2）遥测遥测 用传感器测量航天器内部各个工程分系统、航天器的姿态、外部空间环境和有效载荷的工作状况，用无线电技术，将这些参数传到地面站，供地面的科研人员进行分析研究，用来判断航天器的工作状况。遥测是一种用来监督、检查航天器上天后工作状况的唯一手段，也是判断故障部位、原因的唯一措施。61.卫星测控系统的技术现状和作用卫星测控系统的技术现状和作用3）遥控遥控 通过对遥测参数、姿态和轨道参数的研究和分析，发现航天器的轨道、姿
5、态、某个工程分系统或有效载荷工作状况异常或出现故障，判断出故障部位和做出决策，向卫星发出有关命令，修正轨道和姿态，调整分系统和有效载荷的运行参数，甚至切换备份或部件。遥控指令动作的结果，再通过遥测信道传到地面站进行回报证实。遥测和遥控两种技术综合起来构成一种保证航天器正常运行，增加可靠性，延长寿命的重要闭环手段。71.卫星测控系统的技术现状和作用卫星测控系统的技术现状和作用1.2测控与通信系统的发展经历的四个时期测控与通信系统的发展经历的四个时期1.测控设备独立发展时期：跟踪设备、遥测设备、遥控设备、电视和语音设备独立发展，各有自己的载频、天线和收发设备。1965年前基本上处于这种状态，设备庞
6、大、众多，操作复杂。2.统一载波时期：从1965年后逐步形成了跟踪、遥测、遥控和语音的传输共用一个载频，构成了S波段统一载波测控系统(USB)，达到了简化天-地设备的效果。3.1980年前后，TTC和宽带、高速数据通信系统合并成C&T(通信与跟踪)系统。4.由陆(海)基的测控与通信网转向建立天基测控与通信网：采用陆(海)基的测控与通信网，需要在全球范围内建站才能满足载人航天任务的覆盖要求；而天基测控与通信网主要通过跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)，在地面上布一个站就能完成覆盖全轨道飞行任务。81.卫星测控系统的技术现状和作用卫星测控系统的技术现状和作用1.3 卫星测控特点卫星测控特点卫星测
7、控特点卫星测控特点多路传输多路传输涉及科学技涉及科学技术领域的广术领域的广泛性泛性精确性和精确性和可靠性可靠性信息的多信息的多样性和数样性和数据处理的据处理的复杂性复杂性92.卫星测控信道传输及测控的基本原理卫星测控信道传输及测控的基本原理2.1射频传输与无线电频率射频传输与无线电频率 102.卫星测控信道传输及测控的基本原理卫星测控信道传输及测控的基本原理2.2航天通信技术的三种情况航天通信技术的三种情况 n对地观测卫星，除测控信道(点频)外，采用另一个信道单独传送高数据率的遥感数据，该类信道是单向下行；n载人航天器，除测控信道外，其通信信道中除对地观测，空间科学实验和空间生产数据外，还有航
8、天器之间的话音通信，电视信号等，数据传输双向交互，具有上行和下行；n专门分化出经营通信及广播的卫星，通信为双向，广播为单向的。三类通信情况都要求高速传输信息和高效率传输信息，即最大限度利用发射功率及尽量减少占用带宽，基带信号合并为一路统一数据流，直接对载波进行调制，数据率低于1Mb/s时，采用BPSK调制体制，数据率大于1MB/s时，采用QPSK节约带宽。112.卫星测控信道传输及测控的基本原理卫星测控信道传输及测控的基本原理1）数据率传输一般采用的频段类型数据率传输一般采用的频段类型n数据率在50Mb/s,采用C频段或X频段；n数据率大于100Mb/s，采用Ku/Ka频段；n数据率小于12M
9、b/s，采用S频段；n数据率50100Mb/s，采用X频段；n数据率大于100Mb/s，采用Ku/Ka/w频段122.卫星测控信道传输及测控的基本原理卫星测控信道传输及测控的基本原理2）S频段和频段和USB 体体制制nS频段的宇宙噪声最低；n频率范围：20252300MHz；n统一S频段测控系统(USB)具有上行、下行两个信道，上、下载波频率相干，采用固定转发比，上行频率20252110MHz，下行频率22002300MHz，上下行载频转发比221/240，上、下行载波采用残余载波调制体制，即相位调制(PM)方案。132.卫星测控信道传输及测控的基本原理卫星测控信道传输及测控的基本原理3）通信
10、方程通信方程通信方程包括了收发双方的设备性能，电磁波传播路径的影响和通信需求。基本通信方程:RTtcTtpSAPRPRrcFPP L G L L L L L G L S通信系统模型图142.卫星测控信道传输及测控的基本原理卫星测控信道传输及测控的基本原理通信方程参数的物理意义通信方程参数的物理意义152.卫星测控信道传输及测控的基本原理卫星测控信道传输及测控的基本原理简化的通信方程简化的通信方程 0(/)()/(/)()ReSiFS N dB HzEIRP dBmGT dB KK dBmLLS163.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计3.1遥测分系统设计遥测分系统设计1)遥测
11、基带信号格式遥测帧格式结构 173.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计2)遥测分系统功能框图183.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计3.2遥控分系统设计遥控分系统设计1)遥控数据帧结构遥控帧格式说明：n遥控命令帧长定义为64字节。分系统地址码、命令码、帧计数及参数等均采用（8，4）汉明纠错编码，对于不带参数的命令帧，其参数及保留部分用55H填充（根据需要，保留部分可以重新定义）。n帧计数用于区分单帧命令、多帧命令。对单帧命令帧计数为0，对多帧命令起始帧计数为1，后继帧依次递增，如2，3，4.等等，FFH为结束帧帧计数，例如：某次飞行任务表上注指令由3帧组成
12、，则帧计数依次为1，2，FFHEB900808分系统地址码L分系统地址码H命令代码L命令代码H帧计数L帧计数H参数1L参数1H参数2L参数2H参数3L参数3H参数4L参数4H参数5L参数5H参数6L参数6H参数7L参数7H参数8L参数8H参数9L参数9H参数10L参数10H参数11L参数11H参数12L参数12H参数13L参数13H参数14L参数14H参数15L参数15H参数16L参数16H参数17L参数17H参数18L参数18H参数19L参数19H参数20L参数20H参数21L参数21H参数22L参数22H参数23L参数23H参数24L参数24H参数25L参数25H参数26L参数26H09D
13、7193.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计2)遥控分系统功能组成 203.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计3)遥控信号的调制及射频 213.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计3.3 小卫星测控系统实例小卫星测控系统实例223.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计3.3 小卫星测控系统实例小卫星测控系统实例233.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计3.4跟踪分系统设计跟踪分系统设计 跟踪分系统的功能包括：角跟踪、测距、测速功能 243.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计2）测距分机设计）
14、测距分机设计测距分系统的工作原理：首先发出高测距音，当航天器上相干应答机接收并转发高侧音到地面站后，观测站中PLL接收机，锁住高侧音和高侧音比相，求出距离差的尾数，然后将高侧音分频，求出下一个次侧音，连同高侧音一起发给航天器，对返回来的次侧音，再锁相并比较相位，如模糊度未判断出来，再发第二个次侧音，直到解出模糊为止。此系统最大测量无模糊距离为18000公里。距离模糊产生过程图 253.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计采用采用7个测距音的个测距音的USB测控系统测距方案测控系统测距方案 263.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计3）航天器的多普勒测速方法）航
15、天器的多普勒测速方法 273.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计多普勒测速工作原理框图多普勒测速工作原理框图 284.GPS系统导航定位技术系统导航定位技术 4.1 GPS导航定位系统的组成和功能导航定位系统的组成和功能 全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）整个星座由6条轨道上均匀分布的24颗导航星组成全球卫星覆盖网，轨道倾角为55，轨道高度为20183km，周期1小时58分。这样全球任何地点的用户在任何时间都能看到24颗卫星中的6颗以上的卫星，而且其接收的仰角均大于5以上。最初应用于军事领域，是美军71年代初“子午仪卫星导航定位”技术上发展起
16、来的，具有全球性，全能性（陆地，海洋，航空），全天候优势。GPS信号载频L11575.42MHz;L2=1227.60MHz;便于校正电离层的影响；载波被调制了两种伪随机测距码和导航信息。P码是精测距码（美国军方用），码速率10.23Mbit/s,P码同时调制在两个载波上，用于电离层延迟测定和校正。C/A码是粗捕获码（民用），码速率1.023Mbit/s,C/A码只调制在L1载波上。294.GPS系统导航定位技术系统导航定位技术 4.1 GPS导航定位系统的组成和功能导航定位系统的组成和功能 1.空间部分(导航卫星).空间部分使用24颗(其中3颗卫星为备用)高度为20183km的导航卫星组成卫
17、星星座.2.地面站.地面站包括一个主控站、四个监测站和一个注入站。3.用户设备.导航卫星采用无源工作方式，凡是有GPS接收设备的用户都可以使用GPS系统。用户设备包括全向圆极化天线、接收机、微处理器等，有时也统称GPS接收机。303.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计4.2 GPS系统导航定位的工作原理系统导航定位的工作原理 313.航天器测控与通信分系统设计航天器测控与通信分系统设计4.2 GPS系统导航定位的工作原理系统导航定位的工作原理 324.GPS系统导航定位技术系统导航定位技术 4.3 GPS用于空间飞行器时定位性能指标用于空间飞行器时定位性能指标 n低轨道GPS
18、用户（1000km以内），平均可观测到的GPS星数目及收到的GPS信号电平与地面状况相当，因此可达到的精度与地面用户相当，n近地点一般为740km或更低，远地点39660km椭圆轨道用户星（即发射静止轨道卫星时在初期的大椭圆轨道时），近地点定位精度可达915m，远地点可达6191m；n高度接近或高于GPS卫星工作轨道（如静止卫星轨道）的用户星需要高增益天线才能捕获和跟踪至少4颗在视场范围内的卫星，定位精度在100m以上。335.航天统一测控网组成及功能航天统一测控网组成及功能5.1 航天地面测控网航天地面测控网 n 地面站（包括船队）和航天测控中心组成航天测控网。由航天测控中心完成地面站的统一
19、管理，数据的统一处理，命令的统一编排。n航天测控中心 航天测控中心是连接各个地面站和测量船队的枢纽，是测控网的信息和控制中心。系统组成：1)通信及时间统一勤务系统；2)计算机系统；3)显示与控制系统 我国航天测控中心功能原理图345.航天统一测控网组成及功能航天统一测控网组成及功能5.2 天基测控网天基测控网解决实时测控通信的两种途径：1）世界范围的国际和作，把各国测控网连接起来，建立世界性的商用测控网，统一频段、统一数据格式，各国发射航天器时相互支持。2）发展以数据中继卫星系统和全球导航定位系统为代表的天基测控系统，天基测控是发射一系列卫星，能取代地面测控站和地面测量船的作用，能对空间其它飞
20、行器跟踪、测控以及数据传输。355.航天统一测控网组成及功能航天统一测控网组成及功能n利用空间的高远位置资源，把地面测控及通信站搬到地球同步轨道（静止轨道）上去。只要发射两颗对地心空间角距130左右的跟踪和数据中继卫星，即可对所有轨道高度为120012000km的飞行器实现100的连续跟踪覆盖，对轨道高度在2001200km的飞行器实现85以上的连续跟踪覆盖。n对用户星的测距和测速，是由地面站向TDRS星发出测距信号，通过TDRS转发给用户星；用户星返回此测距信号也是通过TDRS转发回地面。用户星的遥测遥控也是通过由TDRS转发的信道与地面站连接。实例分析：跟踪和数据中继卫星系统实例分析：跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)(TDRSS)366.航天测控的发展方向航天测控的发展方向n航天深空探测通信n航天器采用自主运行技术n航天器天基测控通信n开发两倍GEO高度的GPS系统n航天器测控通信的国际合作 37参考书目参考书目n姜昌，范晓玲，航天通信跟踪技术导论，北京工业大学出版社，2003.n褚桂柏主编航天技术概论n徐福祥主编卫星工程概论（上、下）nWertz J R，Larson W J.航天任务的分析与设计.第一版.北京：航空工业出版社，1992.
