航天测控和通信系统(王新升)

2. 3. 4.
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1. 卫星测控系统的技术现状和作用
1.3 卫星测控特点
多路传输 精确性和 可靠性
信息的多 样性和数 据处理的 复杂性
涉及科学技 术领域的广 泛性
卫星测控特点
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2. 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
波段
短波 超短波 高频HF 甚高频VHF 特高频UHF L波段 微 S C X 波 Ku K Ka 毫米波
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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。
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
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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。
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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航天器设计
第8章 测控与通信分系统
王新升
Email:xswang@buaa.edu.cn
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
2013年2月24日
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1.卫星测控系统的技术现状和作用 1）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。 对于惯性目标，跟踪足够长弧段后，可预测外推未来轨道。
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
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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。
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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。
CAST2000平台
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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
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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
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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。
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Baidu Nhomakorabea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
频率
3～30MHz 30～300MHz 300～1000MHz 1～2GHz 2～4GHz 4～8GHz 8～12GHz 12～18GHz 18～27GHz 27～40GHz 40～300GHz
波长 100～10m 10～1m 1～0.3m 30～15m 15～7.5m 7.5～7.35m 3.75～2.5m 2.5～1.67m 1.67～1.11m 1.11～0.75m 0.75～0.1m
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
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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
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. 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.


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
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 计算得到
b)单脉冲测角系统 单脉冲测角系统由天线馈电系统、跟踪接收系统、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。
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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
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)
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。
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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
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
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。
参数6H 参数8H 参数10H 参数12H 参数14H 参数16H 参数18H 参数20H 参数22H 参数24H 参数26H
参数5L
参数7L 参数9L 参数11L 参数13L 参数15L 参数17L 参数19L 参数21L 参数23L 参数25L 09
参数5H
参数7H 参数9H 参数11H 参数13H 参数15H 参数17H 参数19H 参数21H 参数23H 参数25H D7