航天测控和通信系统(王新升)
我国载人航天器测控与通信技术发展
㊀V o l ．３１㊀N o ．６㊀１６６㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３１卷㊀第６期㊀２０２２年１２月我国载人航天器测控与通信技术发展陈晓光㊀易予生㊀丁凯(北京空间飞行器总体设计部,北京㊀１０００９４)摘㊀要㊀梳理了我国神舟载人飞船㊁天舟货运飞船和空间站的测控与通信技术设计状态和发展历程,提出了我国载人航天器测控与通信系统逐步小型化㊁集成化㊁通用化㊁高性能的发展趋势.结合未来载人航天新阶段测控与通信技术的需求,给出了未来载人航天器测控与通信可重构㊁智能化㊁批产化㊁一体化发展的重点方向和关键技术.关键词㊀载人航天器;空间站;地基测控;天基测控;出舱通信中图分类号:V ４４８㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀D O I :１０ ３９６９/ji s s n １６７３Ｇ８７４８ ２０２２ ０６ ０２０D e v e l o p m e n t o fT T &CC o m m u n i c a t i o n sT e c h n o l o g yf o rC h i n aM a n n e dS pa c e c r a f t C H E N X i a o g u a n g ㊀Y IY u s h e n g㊀D I N G K a i (B e i j i n g I n s t i t u t e o f S p a c e c r a f t S y s t e m E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g １０００９４,C h i n a )A b s t r a c t :T h e d e s i g n s t a t u s a n dd e v e l o p m e n t o fC h i n a sS h e n z h o um a n n e ds pa c e c r a f t ,T i a n z h o u c a r g o s p a c e c r a f t a n ds p a c es t a t i o n T T&C (t e l e m e t r y ,t r a c k i n g an dc o mm a n d )c o mm u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y a r es u r v e y e d ．T h ed e v e l o p m e n t t r e n do fm a n n e ds pa c e c r a f tT T&Cc o mm u n i c a t i o n s s y s t e m ,w h i c hi s g r a d u a l l y m i n i a t u r i z e d ,i n t e g r a t e d ,u n i v e r s a la n dh i g h Ｇp e r f o r m a n c ei si n t r o Ｇd u c e d ．C o mb i n e dw i t h t h e r e q u i r e m e n t s o fT T &Cc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y i n t h e n e ws t a ge of f u Ｇt u r em a n n e d s p a c e ,t h e k e y d i r e c t i o n s a n d t e c h n o l og i e s f o r th e r e c o n fi g u r a b l e ,i n t e l l i g e n t ,b a t c h p r o d u c Ｇt i o n a n d i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n t o f f u t u r em a n n e d s pa c e c r a f tT T &Cc o m m u n i c a t i o n a r e g i v e n ．K e y w o r d s :m a n n e ds p a c e c r a f t ;s p a c es t a t i o n ;g r o u n d Ｇb a s e d T T&C ;s p ac e Ｇb a s ed T T&C ;E V A c o mm u n i c a t i o n s收稿日期:２０２２Ｇ１０Ｇ０８;修回日期:２０２２Ｇ１２Ｇ１０基金项目:中国载人航天工程作者简介:陈晓光,男,硕士,研究员,研究方向为载人航天器系统设计和测控通信.E m a i l :s u n r i s e ７７＠s i n a ．c o m .㊀㊀载人航天器测控与通信技术包括测控技术及数据传输技术两部分.载人航天器入轨后,由器上测控与通信分系统和地面站系统㊁中继卫星系统一起,共同建立器地无线测控㊁测量及对地数据传输㊁中继数据传输通信链路,完成对载人航天器状态采集㊁轨道测量㊁运行控制㊁载荷数据下传地面等功能.载人航天器测控与通信系统是航天器在轨与地面沟通和数据传输通信的重要生命线,为载人航天器在轨正常工作提供各项信道保障条件[１Ｇ２].㊀㊀近年来,随着微电子㊁软件无线电等技术的发展,涌现了大量应用于测控与通信领域的新技术㊁新产品㊁新思路,呈现出一些新变化㊁新趋势[３Ｇ５].本文在梳理和总结我国载人飞船㊁货运飞船㊁空间站测控与通信技术发展现状的基础上,结合测控与通信技术的发展历程,总结提炼了载人航天器测控㊁导航㊁数传㊁星间等方面的发展趋势.最后,归纳并给出了未来载人航天器对测控与通信技术的需求,以及测控与通信技术未来发展的重点方向和关键技术.１㊀测控与通信技术发展现状载人航天测控与通信的主要任务是在天基中继卫星㊁导航星座㊁陆基测控站和海基测控船支持下,完成载人航天器(载人飞船㊁货运飞船㊁空间站)的跟踪测轨㊁遥测遥控㊁中继通信㊁高速数传㊁图像通信㊁话音通信㊁交会对接通信㊁出舱活动通信等功能,见图１.图１㊀载人航天器测控与通信系统F i g １㊀M a n n e d s p a c e c r a f tT T&Cc o mm u n i c a t i o n s s ys t e m ㊀㊀由图１可知:通过对地测控与通信链路,实现天地遥测㊁遥控㊁话音数据的上下行传输;通过中继链路,实现天基遥测和指令数据㊁图像㊁话音㊁试验数据㊁延时数据㊁平台状态信息的传输;通过我国北７６１㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀陈晓光等:我国载人航天器测控与通信技术发展斗(B D)星座,实现定位和测速;通过遥控指令系统,完成整器指令分发与执行;通过空空通信链路,实现目标飞行器㊁追踪飞行器之间的指令㊁遥测㊁定位数据及遥操作图像数据的传输;通过出舱通信链路及舱内外无线通信链路,实现航天员与空间站之间的话音及遥测数据传输.１ １㊀地基测控系统载人航天器地基测控系统主要采用统一S频段测控体制.如图２所示,统一S频段测控集跟踪㊁测距㊁测速㊁遥测㊁遥控等功能于一体,设备简单,可靠性高,测量精度适中,已在我国载人航天器中得到广泛应用.(１)载波调制体制.统一S频段测控采用频分复用调制体制,每个基带信号先调制到自身的副载波上,几个已调副载波合并之后,再对主载波进行角度调制.一般来说,地(海)面站上/下行载波都采用调相体制(P M/P M),航天器上的测控与通信设备采用相参工作体制;或者,地面站采用上行载波调频,下行载波调相体制(F M/P M),航天器上的测控与通信设备采用非相参体制.(２)测距㊁测速体制.纯侧音测距体制或伪随机码(P N码)测距体制,或音码混合体制.采用侧音测距时,最高侧音用来保精度,低侧音用来解距离模糊.测速采用连续播双程相干多普勒测速技术,载波同步后从载波或伪码中提取出多普勒频移进行测速.(３)遥控遥测体制.对上行遥控副载波进行脉冲编码(P C M)/相移键控(P S K)调制,或P C M/多频移键控(M F S K)调制,或P C M/幅移键控(A S K)调制等.编码遥测采用对下行遥测副载波进行P C M/ P S K调制,或P C M/差分相移键控(D P S K)调制.话音㊁数据㊁图像对通信副载波进行P S K或D P S K 调制.图２㊀载人航天器统一S频段测控系统F i g ２㊀U S BT T&Cs y s t e mo fm a n n e d s p a c e c r a f t１ ２㊀天基测控系统中继卫星系统作为天基测控通信网,能够有效扩大中㊁低轨道飞行器测控㊁通信覆盖范围;中继终端设备利用我国第２代数据中继卫星系统支持,完成天地双向高速数据传输[６].中继天线终端主要实现功能包括:捕获并跟踪中继卫星信标信号;在中继卫星的可视弧段通过中继信道向地面传输数据;在中继卫星的可视弧段通过中继信道接收地面上行数据;完成规定的前向和返向信道数据处理;进行伪码测距[７Ｇ８].天链中继卫星系统利用地球同步轨道上的２~３颗中继卫星实现对载人航天器的跟踪㊁测控㊁通信甚至导航[９],如图３所示.体制上采用扩频测控体制,同时还有高数据率数传体制.采用P C M㊁偏移四相相移键控(O Q P S K)及P C M㊁码分多址(C D M A)㊁二相相移键控(B P S K)数据传输体制,跟踪导航统一采用单通道单脉冲测角㊁伪码测距的单站定轨体制,并利用星本体测控数据提高用户的跟踪导航精度,采用I,Q双通道调制,I路传送短P N码,Q路传送长P N码,短码引导长码捕获来解决无模糊测距和快速捕获问题.８６１㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀图３㊀载人航天器天基测控系统F i g ３㊀S p a c eＧb a s e dT T&Cs y s t e mo fm a n n e d s p a c e c r a f t ㊀㊀２００８年９月,神舟七号载人飞船首次使用天链一号０１星进行天基测控和跟踪,传回的视频图像清晰,话音质量好,数据可靠,成功实现了我国天基信息传输的重大突破;２０１１年１０月,天链一号０１星和０２星形成的双星系统,圆满完成神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器的交会对接任务,极大地扩展了可数传和测控的轨道弧段,并首次实现同一波束内双目标的捕获跟踪和中继数传;２０１２年６月,神舟九号载人飞船发射升空,３名航天员成功完成与天宫一号的自动和手动对接任务,并进驻天宫一号,实现了多项首创.在轨１３天中,大量数据㊁图像㊁音频㊁电邮及神舟Ｇ天宫组合体的测控等信息,通过中继卫星系统高质量地传到地面指控中心,为此次任务的圆满完成提供了有力的保障.１ ３㊀导航定位系统载人航天器目前可同时处理我国B D二代卫星定位系统㊁G P S和格洛纳斯(G L O N A S S)卫星定位系统信号,并使用B D＋G P S㊁G P S＋G L O N A S S进行兼容定位,实现了全部B D和G P S卫星正常跟踪,在进行绝对定位解算前,优先选择B D导航卫星观测量.设备内部对导航处理板进行热备份,B DＧG P S导航板采用B D＋G P S兼容方式,处理B D卫星B１㊁B３频点和G P S卫星L１频点信号;全球导航定位系统(G N S S)导航板采用G P S＋G L O N A S S兼容方式,处理G P S卫星L１和G L O N A S S卫星L１信号.系统框图如图４所示.在交会对接和撤离阶段,追踪飞行器B DＧG P S兼容机通过空空通信设备获取目标飞行器原始测量数据,经过差分解算计算出２个飞行器间的相对位置和相对速度.绝对定位精度(３轴,１σ)不大于１５m,绝对测速精度(３轴,１σ)不大于０ ２５m/s.相对测量模式分为载波固定解㊁双差伪距㊁位置差分３种.图４㊀载人航天器定位系统F i g ４㊀P o s i t i o n i n g s y s t e mo fm a n n e d s p a c e c r a f t１ ４㊀空空通信系统空空通信子系统实现与来访飞行器间的数据交换,同时满足目标飞行器(天宫一号㊁天宫二号㊁天和核心舱)对追踪飞行器(载人飞船㊁货运飞船㊁光学舱)交会对接通信支持.在交会对接段与来访飞行器的空空通信设备建立双向空空通信链路,并实现手控遥操作任务.空空通信机根据距离远近具备９６１㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀陈晓光等:我国载人航天器测控与通信技术发展大㊁小功率切换功能.空空交会对接模式可分为自动交会对接㊁手动遥操作及径向对接３种工作模式.自动交会对接和径向交会对接模式时,双向数据传输速率较低,空空通信采用扩频方式进行通信,空空通信机a/b采用双机热备份方式工作.手控遥操作通信模式下,双向数据传输速率较高,空空通信采用非扩频方式进行通信,空空通信机a/b采用双机发射冷备份方式工作.１ ５㊀出舱通信系统在神舟七号飞船航天员出舱活动时,出舱通信子系统提供了超高频(UH F)的无线通信功能,实现了无线状态下出舱航天员与舱内航天员㊁出舱航天员与地面的双向通话及生理遥测数据的传输.空间站出舱通信方案在我国载人航天工程二期出舱方案基础上,重点解决了航天员在舱外跨小区切换和功率的远近效应问题.航天员在舱外活动时,通过在舱内配置出舱通信处理器㊁舱外配置的UH F收发天线与出舱航天服通信设备建立无线双向链路,传输数据包括语音㊁遥测信息等,并实现对舱外活动１００％的无线通信覆盖,如图５所示.图５㊀神舟七号和空间站航天员出舱F i g ５㊀A s t r o n a u tE V Ai nS h e n z h o uＧ７a n dC h i n aS p a c eS t a t i o n１ ６㊀图像话音系统我国载人航天工程一期和二期的图像话音设备采用了类似电路交换的设备进行切换,设备种类多,系统复杂,使用不便.鉴于地面因特网通信技术的发展,分组交换技术已经取代电路交换技术,具有切换时间快等很多突出优点,图像话音数据可在因特网上传输㊁处理和交换,再考虑到航天员信息服务㊁显示㊁空间站信息管理等需要,设计了高速通信网,传输图像㊁话音㊁空间站信息㊁航天员办公数据等中高速数据,另外还传输系统网综合数据和舱间通信的数据,以作为系统网的备份.载人空间站舱内㊁外摄像机采用集成化㊁网络化的设计思想,将图像(含伴音)采集㊁压缩编码及网络通信功能集于一身,不需要为摄像机配置专门的图像编码及网络通信接口设备.摄像机内部完成图像模拟信号的模拟/数字(A/D)变换㊁编码压缩,形成数字图像及伴音数据后,通过以太网通信模块的以太网接口直接与通信网交换机连接,实现摄像机的网络接入.载人航天器话音通信采用集中式的话音处理方案,由话音处理器实现所有话音终端的接入㊁管理㊁通信等功能,完成天地会议通话㊁专用通话㊁出舱通信㊁舱内会议等多种模式的话音通信.中继K a频段单址(K S A)信道㊁U S B链路㊁数传链路传输天地话音,互为备份.U S B上㊁下行链路提供２条高级多带激励(AM B E)体制话音通路,包括１路任务话和１路专用话,合计３２k b i t/s.中继链路由于带宽允许,提供３条高级语音编码(A A C)体制的话音,包括１路任务话和２路专用话,合计５７６k b i t/s.２㊀载人航天测控与通信技术发展特点根据载人航天任务需求,载人航天器测控与通信系统的发展分为３个阶段.第一阶段为U S B地基测控;第二阶段为地基测控为主,天基测控为辅;第三阶段为基于天基测控的天地一体化网络通信,地基测控为辅.第一阶段,从神舟一号至神舟五号.从１９９２年载人航天工程立项至神舟五号载人飞船,测控与通信系统仅有地基测控,采用U S B统一测控体制,同时包括天地话音通信㊁图像传输㊁着落信标机等产品,本阶段测控覆盖率仅为１６％.第二阶段,从神舟六号至神舟十一号,以及天宫一号和天宫二号.从神舟六号开始搭载海事终端,神舟七号搭载我国第１套中继终端,首次在国内实现了基于中继卫星系统的天基测控,测控覆盖率在０７１㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀神舟七号达到了４４％.随着我国中继卫星系统的建设,在天宫二号时实现了３颗中继卫星的覆盖,测控覆盖率达到了８８％.第三阶段,从天舟一号至空间站建成,包括神舟十二号及后续载人飞船㊁天舟一号至后续货运飞船㊁天和核心舱㊁问天实验舱㊁梦天实验舱及后续的光学实验舱.从天舟一号开始,到空间站三舱,以及后续的光学实验舱,测控与通信系统采用天地一体化网络通信,并首次在国内实现了基于I P 网络的天地通信,实现天地话音㊁图像和载荷数据的网络传输,实现空间站三舱㊁天舟货运飞船㊁光学实验舱的在轨组网通信.表１总结了载人航天器测控与通信技术的发展特点.表１㊀载人航天器测控与通信技术的发展特点T a b l e １㊀D e v e l o p m e n t c h a r a c t e r i s t i c s o fm a n n e d s p a c e c r a f t T T &Cc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y功能测控技术技术特点应用航天器地基测控㊀统一载波S 频段,遥控为P C M ＧP S K ＧP M ,遥测为C M ＧD P S K ＧP M ,测距为３~１１０k H z ㊀分立器件㊁直插元件,遥测１６k b i t /s,质量５ １k g㊀神舟一号~神舟八号㊁天宫一号㊁天宫二号㊀集成芯片㊁表贴元件,采用了E S A 标准频率流程,遥测１６~６４k b i t /s 自适应,采用小型化设计,质量２ ５k g㊀神舟九号~神舟十四号㊁天舟一号~天舟四号㊁天和核心舱㊁问天实验舱㊁梦天实验舱数传㊀S 频段㊀两路７６８k b i t /s 数据分别为图像话音数据的I 支路㊁飞船平台数据的Q 支路㊀神舟一号~神舟十四号㊁天舟一号~天舟四号天基测控㊀S 链路㊁K a 链路:由高速通信处理器㊁中继综合单元㊁K a接收组件㊁K a 发射组件及中继天线组成,中继天线共用１套展开及伺服机构㊀S 前向:U Q P S K＋扩频,传输速率２k b i t /s ;S 返向B P S K＋扩频,传输速率２０k b i t /s ;K a 前向:S Q P S K ,传输速率５０k b i t /s ;K a 返向:S Q P S K ,传输速率１ ６M b i t /s ㊀神舟七号~神舟十四号㊀S 前向:U Q P S K＋扩频,传输速率２k b i t /s ;S 返向:B P S K＋扩频,传输速率２０k b i t /s ;K a 前向:S Q P S K ,传输速率５M b i t /s ;K a 返向:S Q P S K ,传输速率１４４M b i t /s㊀天舟一号~天舟四号㊀S 前向:U Q P S K＋扩频,传输速率２k b i t /s ;S 返向:B P S K＋扩频,传输速率３２k b i t /s ;K a 前向:S Q P S K ,传输速率１０M b i t /s ;K a 返向:S Q P S K 和８P S K ,传输速率１ ２G b i t /s㊀天和核心舱㊁问天实验舱㊁梦天实验舱(使用二代中继卫星)卫星导航系统㊀接收G P S 导航卫星信号㊀G P S :L １频段㊀神舟一号~神舟七号㊀兼容B D ,G P S ,G L O N A S S 导航卫星系统㊀B D :B １,B ３频段;G P S :L １频段;G L O N A S S :L １频段㊀神舟八号~神舟十四号㊁天舟一号~天舟四号㊁天和核心舱㊁问天实验舱㊁梦天实验舱空空通信系统㊀自动交会对接㊁手控遥操作㊁径向交会对接㊁前向交会对接及转位㊀扩频模式为B P S K 调制,传输速率为２ ８k b i t /s和２８k b i t /s ;非扩频模式为D Q P S K 调制,传输速率为３ ５５６２５M b i t /s 和５ ７２５M b i t /s ㊀神舟八号~神舟十四号㊁天舟一号~天舟四号㊁天和核心舱㊁问天实验舱㊁梦天实验舱出舱通信系统㊀UH F 无线通信:舱通信处理器＋舱内外出舱通信天线㊀UH F 无线通信(点对点通信)㊀神舟七号㊀前返向频分㊁码分体制,采用内㊁外环联合功率控制及R a k e 接收技术㊀天和核心舱㊁问天实验舱㊁梦天实验舱图像话音系统㊀M P E G ２/M P E G ４图像压缩算法/H ２６４编码㊀标清图像:M P E G ２图像压缩算法,单幅７６８k b i t /s图像(含伴音);话音采用集中混音策略,任务话㊁专用话㊀神舟一号~神舟六号㊀标清图像:M P E G ４图像压缩算法,单幅７６８k b i t /s图像(含伴音)或双幅３８４k b i t /s 图像(含伴音);图像编码器集中处理,统一调度,进行 ６选２ 或 ６选１ 图像切换;话音采用集中混音策略,任务话㊁专用话㊁协同话㊀神舟七号~神舟十四号㊀高清图像:采用H ２６４编码;舱内外摄像机采用集成化㊁网络化设计,集成图像采集㊁压缩编码;话音采用集中混音策略,任务话㊁专用话㊁协同话及在轨拨号的I P 电话㊀天舟一号~天舟四号㊁天和核心舱㊁问天实验舱㊁梦天实验舱㊀㊀(１)载人航天测控与通信系统的发展方向具有小型化㊁集成化㊁通用化㊁高性能的特点.(２)导航接收机的从单频到多频,从以G P S 为主份转换为B D 为主份.１７１㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀陈晓光等:我国载人航天器测控与通信技术发展(３)在对地数据传输通信方面,数据传输在数据率㊁传输频段㊁设备集成度等方面均取得了较大的进展.速率由低向高㊁单通道向双通道发展㊁分立单机向集成化发展㊁空间站中继数传达到１ ２G b i t/s.(４)测控与通信系统为增加鲁棒性,普遍采用了自主管理设计,当诊断出信道或基带因空间环境影响出现故障时进行自主复位或断电操作,使系统能够快速㊁自主恢复,减少了地面人为干预,提升了效率.(５)高速测控与通信㊁B D短报文㊁二代测控中继终端㊁在无地面干预自主测控技术,均已在载人航天器中得到应用验证.３㊀载人航天测控与通信技术发展趋势为满足载人航天发展新阶段对测控与通信技术的需求,载人航天测控与通信技术有以下发展趋势.(１)批产化㊁通用化.通过测控通信产品的标准化㊁模块化,以满足测控通信产品状态统一和批产化的需求.在批生产方面,需要由分立单机装配方式向采用先进构架㊁集成统一单板和无缆化装配方式转换,如采用统一功能板,通过配备不同软件来实现各种功能[１０].(２)测控管理自主化㊁高效化.通过无依托自主测控㊁星间数据交互等有效测控手段,满足大规模多航天器的高效测控管理需求.(３)数字化㊁小型化.采用先进的数字技术降低成本,用软件技术实现相关功能,借用先进的工业技术成果,使设备集成度更高㊁性价比更高㊁成本更低.(４)通过推动以激光㊁K a频段高速数据传输为代表的先进技术应用,满足提升通信性能的需求.４㊀发展建议在载人航天测控与通信技术发展趋势牵引下,后续重点研究的几项测控与通信领域关键技术如下.(１)应答机抗干扰抗截获技术.充分利用在研载人航天器,推进扩跳频应答机在轨验证,建立型谱.开展宽带扩跳频技术研究,提升抗干扰性能.(２)导航接收机抗干扰技术.开展高精度抗干扰㊁干扰检测等技术攻关.(３)多模通用化测控终端设计技术.开展 技术状态系列化,硬件平台通用化,特殊模块组合化 先进硬件技术研究工作,应用软件无线电技术,形成多功能㊁多体制㊁通用化的多模测控终端工程化产品.(４)一体化通信架构技术.开展先进通信系统架构研究,基于标准化㊁通用化通信接口及平台处理模块,实现具有可重构㊁智能化能力的批产化一体通信产品.(５)新体制高速数传技术.针对Q/K a频段开展１６A P S K/３２A P S K高阶调制技术研究,实现自适应编码调制(AM C)技术,完成在轨载人航天器与地面数据传输平均速率最大化.参考文献(R e f e r e n c e s)[１]张越,洪家财．G N S S星间测控技术发展现状与趋势[J]．电子测量技术,２０１８,４１(２３):１１７Ｇ１２２Z h a n g Y u e,H o n g J i a c a i．D e v e l o p m e n t t r e n d so fG N S S i n t e rＧs a t e l l i t e st e c h n o l o g i e s[J]．E l e c t r o n i c M e a s u r eＧm e n tT e c h n o l o g y,２０１８,４１(２３):１１７Ｇ１２２(i nC h i n e s e) [２]单长胜,李于衡,孙海忠．中继卫星支持海量航天器在轨测控技术[J]．中国空间科学技术,２０１７,３７(１):８９Ｇ９６S h a nC h a n g s h e n g,L i Y u h e n g,S u nH a i z h o n g．T r a c k i n g a n dd a t a r e l a y s a t e l l i t e s y s t e mf o r h u g e n u m b e r s a t e l l i t e c o n t 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lC o n f e r e n c eo nS p a c eO p e r a t i o n s．W a s h i n g t o nD．C．:A I A A,２０１６:１Ｇ１０[６]李佩珊．一体化测控通信传输体制研究[D]．成都:电子科技大学,２０１６L i P e i s h a n．R e s e a r c ho nt h e i n t e g r a t e dT T&Ca n dc oＧmm u n i c a t i o n t r a n s m i s s i o ns y s t e m[D]．C h e n g d u:U n iＧv e r s i t y o fE l e c t r o n i cS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y o fC h i n a,２０１６(i nC h i n e s e)[７]I s r a e lDJ,H e c k l e rG W,M e n r a dRJ,e t a l．E n a b l i n g c o mm u n i c a t i o na n d n a v i g a t i o nt e c h n o l o g i e sf o rf u t u r e２７１㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀n e a r e a r t hs c i e n c em i s s i o n s[C]//P r o c e e d i n g so f I n t e rＧn a t i o n a lC o n f e r e n c eo nS p a c e O p e r a t i o n s,２０１６．W a s hＧi n g t o nD．C．:A I A A,２０１６:１Ｇ９[８]雷厉．航天测控通信技术发展态势与展望[J]．电讯技术,２０１７,５７(１２):１４６４Ｇ１４７０L e i L i．D e v e l o p m e n t s t a t u sa n dt r e n d so f s p a c eT T&C a n d c o mm u n i c a t i o n t e c h n o l o g y[J]．T e l e c o mm u n i c a t i o n E n g i n e e r i n g,２０１７,５７(１２):１４６４Ｇ１４７０(i nC h i n e s e) [９]蒋罗婷．国外小卫星测控通信网发展现状和趋势[J]．电讯技术,２０１７,５７(１１):１３４１Ｇ１３４８J i a n g L u o t i n g．D e v e l o p m e n t a n d t r e n d s o f f o r e i g n T T&Ca n d c o mm u n i c a t i o nn e t w o r k s f o r s m a l l s a t e l l i t e s [J]．T e l e c o mm u n i c a t i o n E n g i n e e r i n g,２０１７,５７(１１):１３４１Ｇ１３４８(i nC h i n e s e)[１０]饶启龙．航天测控技术及其发展发向[J]．信息通信技术,２０１１,５(３):７７Ｇ８３R a oQ i l o n g．S u r v e y o nd e e p s p a c eT T&Ca n d c o mm uＧn i c a t i o n t e c h n o l o g y[J]．I n f o r m a t i o na n dC o mm u n i c aＧt i o n sT e c h n o l o g i e s,２０１１,５(３):７７Ｇ８３(i nC h i n e s e)(编辑:夏光)３７１㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀陈晓光等:我国载人航天器测控与通信技术发展。
巧揽神舟游九霄——载人航天工程测控通信系统探密
系 统 的重 要 地 位 由
要 了 解航 天 器 在 空 间 中 的位 置 以 及 工 作 状
器 或 设 备 的 开机 关 机
获得 数 据 的 向下 发
酒泉 航 天 指挥 控 制 中心 的技 术 人 员 正 在 观 察 飞 船 的技术状 态 ( 秦 宪安 摄 )
46
太 《 空 探 索 》2 0 0 8 年第
、
艘 其中 远
神舟 七 号 飞 船 飞 行 任 务 的测 控通 信保 障 与 神舟六 号
、
控 制在 我 国 是 第 是 比 较先 进 的
在
3
，
一
次
，
这 种 技 术在 国 际 上
11
期
送
，
都 要 通 过 地 面 控 制有 效 地 对航 天 器 进
。
行 指控 调 度
对 载人 航 天 工 程 而 言
基本 功 能之 外
，
，
除 了上 面 两 个
个更 加 重 要 的
，
系 统还 有
一
任 务 ： 神舟 飞 船 上 面 有航 天 员
必 须 要 有 顺 畅 的通 信 联 系
保 持通话
，
。
天 地之 间
，
根 据 相关 数 据 了 解 和 掌 握 它
、
通过 建 设 航 天 测控 网 为神舟
，
的工 作 平 台
、
有效 载荷 以及
。
一
些 辅助 设
飞 船 架 起 了 天 地 之 间 的沟 通 桥梁
让航 天
设 备 的 工 作状 态
一
控制 的主 要 目 的有
，
在航 天 活 动 中 航 天 器 包 括 飞 船 进入
航天测控通信系统多业务传送设备(SMSTP)设计及实现
关键词： 测控通信系 ： 统 多业务传送： 网络监控
Ｉ
航 天 测 控 通 信 系 统 是 完 成 运 载 火 箭 、航 天 器
跟 踪 剁 轨 、 测 信 号 接 收 与 处 理 、 控 信 号 发 送 任 遥 遥
的 设 备 。 可 以 同 时 实 现 ＴＤＭ 、 Ｍ 、 太 网 业 务 ＡＴ 以
当工作 于 分 插复 用方 式 时 ． ＨＤＢ３编 码 的 准
同步 Ｅ １信 号 在 Ｅ １支 路 处 理 盘 经 ｃ一１ 一 ｖ 一 ２ ｃ
１ 一 Ｔｕ一１ ２ ２异 步 映 射 和 指 针 处 理 后 ． 经 ＴＵＧ一 再
同一 通 道 减 少 了 对 带 宽 的 需 求 ．支持 点 对 点和 环
路 由 交 换 功 能 ． 提 供 统 一 的 网管 ， 功 能 框 图 如 并 其
图 １所 示 其 关 键 特 征 为 ： 以 太 网 业 务 适 配 到
Ｍ Ｐ Ｓ屡 ． 后 映 射 到 Ｓ Ｌ 然 ＤＨ 通 道 中 传 送 ： 可 以 是 也
以 太 同 业 务 适 配 到 Ｍ Ｐ Ｓ层 ． 然 后 映 射 到 Ｐ Ｐ ： Ｌ ． Ｉ ．Ｌ
等 业 务 接 人 处 理 和 传 送 ．集 成 了 ＤＸＣ 和 Ｉ １ ＝ 缘 ）边
务 的 综 合 电子 系 统 ＝ 系统 有 指 挥 通 信 、 据 传 输 、 数
天 地 通 信 、 间 同 步 、 况 电 视 监 视 及 传 输 、 音 时 实 晤 通 信 、 中继交 换等 系统 。由于地 球曲 率的影 响 ， 帧 以 无 线 电 微 波 传 播 为 基 础 的 涮 控 系 统 ． 用 一 个 地 点 的 地 面 站 不 可 能 实 现 对 运 载 火 箭 ．航 天 器 进 行
小卫星地面站测控模拟软件及其数据库设计
关 键 词 ： 遥 控 与 遥 测 ； 无 线 网 络 ；小 卫 星
中图分类 号 ：Ｔ ２ ３ Ｐ ７
文献标 识码 ：Ａ
文章 编号 ：１ ０ — ６ ３ （０ ７ ５ ０ ６ ０ ０ ２ ６ ７ ２ ０ ）０ — ０ — ３
Ｖｏ１ ， ． ． Ｎｏ ５ ２０ Ｓｅ ，０ ｐ． ０７ ２
小 卫星 地 面 站 测控 模 拟 软 件 及 其数 据 库 设计
王 新 升 ．杨 眉
（ 京 航 空 航 天 大学 宇航 学 院 ，北 京 １０ ８ ） 北 ００ ３
摘 要 ：介 绍 一种 具有遥 测 遥控 功能 的 Ｂ Ａ 小卫 星 地面 站测控 模 拟软 件设 计 。其软 件 开发 平 台采 用 了 ｕＡ Ｌ ｂ ｉｄ ｗｓＣＶ 。应 用模 块化 方 法 设 计 的地 面站 测 控模 拟 软 件 ，可 实现 遥 测数 据 接 收 、解码 、 ａＷ ｎ ｏ ／ Ｉ 显 示、存 储 和数 据 回放 功 能 ，并能 通过 无 线 网络 向小 卫 星发送 遥 控指 令 。试 验 结果 表 明 ．小卫
中 读 取 相 应 数 据 进 行 回放 处 理 阐 。
１ 地 面 站 测 控 模 拟 软 件 功 能 分 析
小卫 星 地 面 站 遥 测／ 控 模 拟 软 件 需 要 完 成 的 任 务 遥
主要 有三 个方 面 ：
１１ 遥控 指 令的发 送 ．
（ ）即时执行 类指令 ：这类 指令主要 是一些 状态 参数 １ 选择指令和控制 指令 ，卫星接收到该类 指令 后立 即执行 。 （ ）带 有 时 间戳 的指令 ：这类 指令 用 于延 时 到 指定 ２
收稿 日期 ：２ ０ — ８ １ ０７０—３
航天测控和通信系统(王新升)
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)。
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。
5
1. 卫星测控系统的技术现状和作用
3） 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。
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
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，TT＆C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。
测控与通信
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※
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第四届计算机技能大赛成绩表
办公自动化竞赛成绩
打字
Word
Excel
多媒体作品
总成绩
张三
男
26
40
20
15
李四
男
28
43
22
16
Rose
女
27
41
25
18
测控与通信——航天员 舱英姿
神
舟七号载人飞行任务将完成航天员出舱活动壮举，这是中国人第一次触摸舱外世界，也是中国在航天领域取得的又一重大突破。如何才能保证航天员在风船舱外复杂的通信环境下能过完成于舱内航天员和地面支持人员的紧密联系，如何才能将这个辉煌时刻记录下来并传递给世界，如何才能充分展示“中国航天员”在出舱活动的壮丽景象？
航天测控知识点总结高中
航天测控知识点总结高中一、航天测控概述航天测控是指对航天器进行姿态测量、轨道测量、姿态控制及导航等操作，是航天领域的重要组成部分。
航天测控系统是航天任务成败的关键，主要包括航天器姿态测量与控制、航天器轨道测量与控制、通信与地面站、数据处理与传输、导航与授时等内容。
下面将结合航天测控系统的构成以及关键技术进行详细的介绍。
二、航天测控系统构成航天测控系统主要由地面站和航天器组成，地面站是航天器与地面之间的桥梁，起到与航天器通信、接收数据、发送指令等作用。
而航天器中包含了姿态测量与控制、轨道测量与控制、通信与数据系统等子系统。
1.姿态测量与控制姿态测量与控制是指对航天器的姿态（包括姿态角、角速度、角加速度等）进行测量与控制，以确保航天器在航天任务中保持特定的姿态。
姿态测量可以通过陀螺仪、陀螺组和星敏感器等设备来进行，而姿态控制可以通过推进装置、姿态控制装置等设备来实现。
2.轨道测量与控制轨道测量与控制是指对航天器轨道的测量与控制，在航天任务中保持航天器的轨道稳定。
轨道测量可以通过地面测控系统和航天器自身测控设备来实现，而轨道控制则可以通过推进装置、空气动力学控制等来实现。
3.通信与地面站通信与地面站是指航天器与地面之间的通信与数据传输系统，地面站主要包括地面测控站和卫星通信站等，通过这些地面站与航天器进行通信。
4.导航与授时导航与授时是指航天器在航天任务中的导航与定位系统，以及时间授时系统。
导航与授时可以通过全球定位系统、星座定位系统、时间授时系统等来实现。
5.数据处理与传输数据处理与传输是指航天器中的数据处理系统、存储系统以及数据传输系统，用于对航天器的数据进行处理、存储和传输。
三、航天测控关键技术航天测控系统中，涉及了许多关键技术，下面将对其中的一些关键技术进行介绍。
1.姿态测量与控制技术姿态测量与控制技术是航天测控中的关键技术，主要包括陀螺仪、星敏感器、姿态控制装置等技术。
陀螺仪是一种能够测量角速度和角度的装置，可以通过陀螺仪来实现对航天器姿态的测量。
航天测控通信系统多业务传送设备(SMSTP)技术
源 Ｉ 通 盘 盘 ｃ ｃ 盘 （ 盘 源 西１ 东１ Ｂ） 盘 １ 盘 道 （ 或数 （ Ａ） Ｃ）
（ ） （ ） 盘 １ １ ２ 据盘
盘 盘 理 盘
音 通信 、帧中继交换等子 系统 。由于地
球 曲率的影响 ，以无线 电微 波传播为基 础的测控 系统 ，用一个地 点的地面站不 可能实现对运 载火箭 ，航 天器进行全航
程 观 测 ，需 要 用 分 布 在 不 同 地 点 的 多 个
以太 网 接
口
一 Ｌ 园ｊ
］窭 垫厂
一
＾Ｐ ，ＡＳ Ｉ
公 公务话机 务 Ｅ １ 支
Ｅｌ
叉 路
Ｅ １ 支
ｒ 监 时 Ｏ ＇Ｑ Ｔ 路 Ｈｆ Ｈ 数 控 钵 ， ， 处
电 Ｉ 据 电
ＯＬ Ｔ Ｔ ＯＬ
处 理
路 处
理 。结合综合 网管系统 ，提供对各单 元 接 ，来 自东侧的 Ｓ ＴＭ一１ 光信号 则经东
图 １ ＭＳ Ｐ 能原理模 型 Ｓ Ｔ 功
Ｌ 图像 、电视和 电话 等信息 的互 连互通 ， 也 可以将 以太 网业 务适配 到 ＭＰ Ｓ层 ，
是 关系航天任务 成败的关键 所在 。
了网管配 置难 度 。Ｌ ＡＳ可以根据业务 Ｃ
然 后 映 射 到 ＲＰ 层 ，最 后 映 射 到 Ｓ Ｒ ＤＨ 流量对所分配 的虚容器带宽进行动态调 通 道 中传 送 。
路带 宽 ，提 高 了传送效 率 ，并大大简 化 能力 ，在 实际应 用中既可以配置作传输
圈 今・３ 电０ 日２月 子０ ８ 年
维普资讯
航天器测控系统的抗干扰能力提升研究
航天器测控系统的抗干扰能力提升研究作者：胡经民张妍王东李万利来源：《科技创新导报》2021年第19期摘要：航天测控通信系统是航天测控系统的关键。
本文以通信、数据传输系统为重点，研究航天器测控系统如何在发射场复杂电磁环境中提升抗干扰能力。
首先论述了航天测控通信系统的现状及发展趋势，随后分析了现行航天通信系统的抗干扰能力，然后介绍了航天测控系统的电磁干扰来源及为提升电磁兼容性的3个发展阶段，之后介绍了航天测控系统抗干扰技术及电磁兼容性的应用，最后针对航天测控系统之间的电磁兼容性提升、航天测控内部电磁兼容性提升、抑制环境电磁干扰3个方面提出航天器测控系统的抗干扰能力提升方案。
关键词：航天测控系统通信抗干扰提升研究中图分类号：V44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（a）-0004-03Research on the Improvement of Anti-Jamming Capability of SpacecraftHU Jingmin ZHANG Yan WANG Dong LI Wanli（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing， 100076 China）Abstract： Aerospace TT & C communication system is the key of aerospace TT & C system. This paper focuses on the communication and data transmission system， and studies how the spacecraft measurement and control system improves the anti-jamming ability in the complex electromagnetic environment of the launch site. Firstly， this paper discusses the current situation and development trend of aerospace measurement and control communication system， then analyzes the anti-interference ability of current aerospace communication system， and then introduces the electromagnetic interference sources of aerospace TT & C system and three development stages toimprove electromagnetic compatibility. Then， the anti-jamming technology and the application of electromagnetic compatibility of aerospace TT & C system are introduced. Finally， aiming at the improvement of electromagnetic compatibility between aerospace TT & C systems， the improvement of internal electromagnetic compatibility of aerospace TT & C， the anti-interference ability improvement scheme of spacecraft TT & C system is proposed from three aspects of restraining environmental electromagnetic interference.Key Words： Aerospace TT&C system; Communication; Anti-jamming; Promotion research人們的探索领域随着科学技术的发展已延伸到广阔的宇宙空间，航天技术得到了空前的提升，发展航天事业不仅能为人类现今的生活带来便利，且对整个人类具有深远影响。
航天测控通信原理及应用新视角
航天测控通信原理及应用新视角航天测控通信是指在航天器发射、在轨运行和返回过程中，通过测量、控制和通信手段对航天器的运行状况进行监测和控制，并与地面设备进行数据交流的技术。
在航天工程中，测控通信起着至关重要的作用，它不仅直接影响到航天器的运行安全和任务成功，还对科学研究和遥感探测等领域的发展起到推动作用。
本文将从新视角探讨航天测控通信原理及应用的多个方面。
一、航天测控通信的原理及技术1. 测量技术航天测控通信中的测量技术包括航天器的姿态测量、轨道测量和运行参数测量等。
姿态测量可以通过陀螺仪、星敏感器和加速度计等传感器来实现；轨道测量则可以利用地面站的测角、测频和测时等手段来获取航天器的轨道信息；而运行参数测量主要是监测航天器的电力、温度和气压等运行参数。
这些测量技术的准确性和精度对航天任务的顺利进行起着决定性的作用。
2. 控制技术航天测控通信中的控制技术包括航天器轨道控制、姿态控制和能源管理等方面。
轨道控制旨在根据任务需求，通过火箭发动机的点火、停火和推力调整等手段，使航天器达到预定的轨道；姿态控制则通过推进器、陀螺仪和姿态控制器等设备，对航天器的姿态进行控制，保证其朝向正确的方向，并稳定运行。
能源管理是指对航天器电力系统的管理和优化，以提供稳定的电源供应和有效能量利用。
控制技术的高效应用能够保证航天器的准确运行和稳定控制。
3. 通信技术航天测控通信中的通信技术主要包括天线系统、调制解调器和通信协议等。
天线系统负责航天器与地面站之间的信号传输，通过天线的定向接收和发射，实现双向通信。
调制解调器则是将数字信号转换为模拟信号，或将模拟信号转换为数字信号，以实现航天器与地面设备之间的信号转换和数据传输。
通信协议则是约定双方通信规则和数据格式的一系列约定。
二、航天测控通信的应用领域1. 载人航天载人航天是航天工程中最具挑战性和技术含量最高的领域之一。
测控通信在载人航天中起着重要作用，如实时监测航天器的状态、提供与地面的通信以及保障航天器的安全返回等。
基于LabWindows／CVI的小卫星气浮台测控终端模拟器设计与实现
Ｍ ｉｒ － ａ ｅｌ ｅ Ａｉ ｌ ａ ｉ ｇ Ｐ ａ ｆ ｒ Ｂａ ｅ ｎ Ｌａ Ｗ ｉ ｄ ｗｓ ＣＶＩ ｃ ｏ Ｓ ｔｌ ｔ ｒ Ｆ ｏ ｔ ｌ ｔｏ ｍ ｓ ｄ ｏ ｂ ｎ ｏ ／ ｉ ｎ
（． １ 北京航空航天大学 宇航学 院， 北京
靖 黄振远 梁 ， ，
斌
１０ ０ ） ５ ０ １
１０ ８ ； ．哈尔滨工业 大学 空间智能系统研 究所 。 江 哈尔滨 ００３ ２ 黑龙
摘要 ： 介绍一种使 用工业计 算机和无 线网卡研 制的小卫星气浮 台测控 终端模拟 器。测控终端模 拟器 的主要 任务是模拟地
面 站 的 遥 测 遥控 功 能 ， 软 件 开发 平 台采 用 了 Ｎ 公 司的 Ｌ ｂ ｎｏ ｓＣ Ｉ 应 用模 块 化 方 法 设 计 的 测 控 终 端模 拟 器 软 件 ， 其 Ｉ ａＷｉｄｗ／ Ｖ 。
可 实现遥测数据接 收 、 解码 、 显示 、 存储和 数据 回放 功 能， 能通过无 线 网络 向小卫 星气浮 台发送遥 控指令 。试验 结果表 并
明， 小卫 星 气浮 台与 地 面测 控 站 之 间通 信 过 程 模 拟 效果 令 人 满 意 。 关 键 词 ： 浮 台 ； 控 与 遥 测 ； 线 网络 ； 气 遥 无 小卫 星
中图分类号 ： Ｐ７ Ｔ２３
文献标识码 ： Ａ
文章 编号 ：００— ８９ ２０ ）５— ０ ５— ３ １０ ８ ２ （０ ８ ０ ０ ５ ０
２ ｐｃ ｔ ｌｅ ｃ ｙｔｍ Ｉｓｔｔ， ａｂｎＩｓｔｔ ｆ ｅｈ ｏｏｙ Ｈａ ｉ ５ ０ １ Ｃ ｉａ ．Ｓ ａｅＩ ｅ ｉ ｎｅＳ ｓ ｎｔｕｅ Ｈ ｒｉ ｔｕｅｏ ｃｎｌｇ， ｒ ｎ１０ ０ ， ｈｎ） ｎ ｌｇ ｅ ｉ ｎｉ Ｔ ｂ
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9
2. 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
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； 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； 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。
LS LA LP
极化损耗；
L RP
为接收天线指向损耗； 为天线增益；
GR
L r c 接收天线至接收机之间馈线带来的馈线损耗； SF
为系统设计时预留的安全因素
14
3. 航天器测控与通信分系统设计
3.1遥测分系统设计
1)遥测基带信号格式
帧同 步码 帧号 1路 2路 3路 全帧 计数 副1'路 副2'路 N-3 路 N-2 路
d l ct l
；其中距离差是由两
个接收点接收电磁波的相位差 t 计统、角饲服系统、天线机座及与上述系统相配套的计算 机、时统、角引导设备等组成，原理是直接测出接收跟踪天线波束的指向，测角的精度取决于天线波 束的宽度，跟踪饲服系统的精度，接收机灵敏度等因素。
CAST2000平台
21
3. 航天器测控与通信分系统设计
3.3 小卫星测控系统实例
*小卫星的主要技术指标
22
3. 航天器测控与通信分系统设计
3.4跟踪分系统设计
跟踪分系统的功能包括：角跟踪、测距、测速功能
1)角跟踪方法
a)干涉仪法 卫星发出的无线电传输到地面相距为 L 的两个不同接收点 R1、R2 的距离差 d，则 c o s
通信方程参数的物理意义
PR PT
为接收机的前置低噪声放大器（LNA）输入收到的信号功率； 为发射机辐射功率； RF （射频） 电缆或波导引起的馈电损耗；
L t c 为发射机到发射天线端口之间的
GT
L tp
为发射天线增益； 为发射天线损耗； 为电磁波在空间传播的路径损耗； 为电磁波穿过地球大气层的大气损耗； 为发射天线和接收天线之间电波极化不匹配（极化方向不一致）引起的
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3. 航天器测控与通信分系统设计
2)遥控分系统功能组成
航天器 用户 命令分配 单元 遥控验证 器 匹配滤波 副载波 解调器 载波 接收机
帧同步
位同步
星上部分 地面部分
命令、指令产 生器
送遥测
测距侧音
格式化 编码器
副载波调 制器
载频 发射机
测距侧音
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3. 航天器测控与通信分系统设计
3)遥控信号的调制及射频
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1. 卫星测控系统的技术现状和作用
2） 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。
2） S频段和USB 体制
S频段的宇宙噪声最低；
频率范围：2025～2300MHz； 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 2025~2110MHz，下行频率 2200~2300MHz，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。
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1. 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
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 备庞大、众多，操作复杂。 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。 1980年前后，TT＆C和宽带、高速数据通信系统合并成 C&T(通信与跟踪)系统。 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。
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1. 卫星测控系统的技术现状和作用
3） 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。
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3. 航天器测控与通信分系统设计
2）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。
PSK遥测副 载波解调
PM载波锁相 解调
帧同步码 检出
位同步 提取
测距侧音
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3. 航天器测控与通信分系统设计
3.2遥控分系统设计
1)遥控数据帧结构 遥控帧格式说明：
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）。 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，则帧计数依次为1，2， FFH
90 EB 分系统地址码 L 帧计数L 参数2L 分系统地址码 H 帧计数H 参数2H 命令代码L 参数1L 参数3L 命令代码H 参数1H 参数3H 08 08
参数4L
参数6L 参数8L 参数10L 参数12L 参数14L 参数16L 参数18L 参数20L 参数22L 参数24L 参数26L
参数4H
数据率在50Mb/s,
采用C频段或X频段；
数据率大于100Mb/s，采用Ku/Ka频段； 数据率小于12Mb/s， 采用S频段； 数据率50～100Mb/s，采用X频段； 数据率大于100Mb/s，采用Ku/Ka/w频段
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2. 卫星测控信道传输及测控的基本原理
发 收
t
A'
t
发
收
A'
A
t
t
距离模糊产生过程图
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3. 航天器测控与通信分系统设计
采用7个测距音的USB测控系统测距方案
/10 F1(100kHz) /5 F2(20kHz) 单边带 调幅 PM
/5
F3(4.0kHz)
1MHz频标
/5
F4(800Hz)
内容
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卫星测控系统的技术现状和作用 卫星测控与通信工作的基本原理 航天器测控与通信分系统设计 GPS系统导航定位工作原理 航天统一测控网组成及功能 航天器测控通信的发展趋势
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1
1. 卫星测控系统的技术现状和作用
1.1. 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.
副N’2路 帧同 步码 帧号 1路 2路 3路 副N’1路 N-3 路 N-2 路
遥测帧格式结构
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3. 航天器测控与通信分系统设计
2)遥测分系统功能框图
交换子取样
A/D
帧格式化 器
遥测副载波 PSK调制
载波PM调制
帧同步码及数 字信号
测距侧音
航天器部分 地面站部分
遥测数据 用户
串/并 转换
分路
匹配 滤波器
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。
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2. 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
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2. 卫星测控信道传输及测控的基本原理
3）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:
PR PT L tc G T L tp L S L A L P L R P G R L r c S F
通信系统模型图
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2. 卫星测控信道传输及测控的基本原理
遥测基带数据的调制方法： a) PCM-PSK（副载波）-PM/AM(载波) b) PCM-PSK-FM(中间副载波)- PM/AM(载波); 副载波对载波的调制，目前多采用 PM 调制，调制后的 残余载波分量，用来做双程多普勒测速及角跟踪。