USB技術(shù)用于深空探測(cè)器定位原理及方法

1、1/20第第6章章 USB技術(shù)用于深空探測(cè)技術(shù)用于深空探測(cè)器定位原理及方法器定位原理及方法2/20USB概念及發(fā)展USB即統(tǒng)一即統(tǒng)一S波段測(cè)控系統(tǒng)波段測(cè)控系統(tǒng)(Unified S-Band System)，是指使用，是指使用S波段的波段的微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)。這里的微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)指的是利用公共射頻信道，將微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)。這里的微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)指的是利用公共射頻信道，將航天器的跟蹤測(cè)軌、遙測(cè)、遙航天器的跟蹤測(cè)軌、遙測(cè)、遙控和天地通信等功能合成一體控和天地通信等功能合成一體的無(wú)線電測(cè)控系統(tǒng)。的無(wú)線電測(cè)控系統(tǒng)。3/20微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)組成及原理微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)一般由天線跟蹤天線跟蹤/角測(cè)量系統(tǒng)、發(fā)射

2、系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、角測(cè)量系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、遙測(cè)終端、遙控終端遙測(cè)終端、遙控終端、測(cè)距、測(cè)距/測(cè)速終端、時(shí)測(cè)速終端、時(shí)/頻頻終端、監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程終端、監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控或數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備以監(jiān)控或數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備以及其它附屬設(shè)備組成及其它附屬設(shè)備組成。4/20微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)組成及原理5/20微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)組成及原理其基本工作原理是：將各種信息先分別調(diào)制在不同頻率的副載波上，然將各種信息先分別調(diào)制在不同頻率的副載波上，然后相加共同調(diào)制到一個(gè)載后相加共同調(diào)制到一個(gè)載波上發(fā)出；在接收端先對(duì)載波波上發(fā)出；在接收端先對(duì)載波解調(diào)，然后用不同頻率的濾波解調(diào)，然后用不同頻率的濾波器將各副載波分開；解調(diào)各副器將各

3、副載波分開；解調(diào)各副載信號(hào)得到發(fā)送時(shí)的原始信息。載信號(hào)得到發(fā)送時(shí)的原始信息。6/20USB MODULATION TECHNIQUE7/20USB航天測(cè)控網(wǎng)USB航天測(cè)控網(wǎng)最早是在20世紀(jì)60年代美國(guó)執(zhí)行阿波羅登月計(jì)劃時(shí)首先使用的。60年代初，美國(guó)在執(zhí)行水星號(hào)和雙子星號(hào)載人航天任務(wù)時(shí)，由于使用了多種頻段的設(shè)備分別進(jìn)行不同的工作，結(jié)果飛船上天線多、重量大、可靠性差，而且地球上也相應(yīng)設(shè)置了十分復(fù)雜的設(shè)備。為了改變這種情況，美國(guó)國(guó)家航空航天局提出采用USB(20004000兆赫)系統(tǒng)作為阿波羅登月計(jì)劃的地面保障系統(tǒng)，并在60年代中期建成了以USB為主體的跟蹤測(cè)控網(wǎng)，從而使航天測(cè)控從單一功能分散體制改

4、進(jìn)為綜合多功能體制。8/20我國(guó)航天測(cè)控系統(tǒng)我國(guó)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前已建成了由西昌衛(wèi)星發(fā)射中心、北京航天指控中心、西安測(cè)控中心、喀什站、青島站、廈門站、南寧站等測(cè)站以及遠(yuǎn)望測(cè)量船組成的USB航天測(cè)控網(wǎng)，主要完成對(duì)航天器跟蹤測(cè)軌、遙測(cè)接收、遙控發(fā)令、話音和圖像收發(fā)任務(wù)。9/20USB技術(shù)用于探測(cè)器定軌的原技術(shù)用于探測(cè)器定軌的原理理10/20定軌原理USB可以獲取目標(biāo)航天器相對(duì)于測(cè)控站的徑向速度、距離、方位角和俯仰角等外測(cè)數(shù)據(jù)。如圖所示，在軌道測(cè)量時(shí)USB系統(tǒng)采用的是應(yīng)答工作方式，對(duì)應(yīng)于目標(biāo)航天器上的一部應(yīng)答機(jī)，在某段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)地面刪控站發(fā)送上行載波，該測(cè)控站能直接獲取全部外測(cè)數(shù)據(jù)，而其它測(cè)

5、控站只能接收目標(biāo)航天器相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的下行載波，因此僅能直接獲取角度外測(cè)數(shù)據(jù)。11/20定軌原理發(fā)送上行載波的測(cè)控站稱為主站，而不發(fā)送上行載波的測(cè)控站稱為副站發(fā)送上行載波的測(cè)控站稱為主站，而不發(fā)送上行載波的測(cè)控站稱為副站。主站發(fā)送的上行載波被目標(biāo)航天器接收后，航天器上的應(yīng)答機(jī)以固定的轉(zhuǎn)發(fā)比往地面相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)，再由主站和各個(gè)副站同時(shí)接收下行載波。主站所接收下行載波中的多普勒頻率只跟主站的多普勒效應(yīng)有關(guān)，利用雙程相關(guān)載波多普勒測(cè)速的原理，可以直接獲取測(cè)速數(shù)據(jù)。12/20定軌原理現(xiàn)以雙程多普勒測(cè)速原理為例介紹USB系統(tǒng)的定軌過(guò)程。由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收信號(hào)頻率與發(fā)射信號(hào)頻率不同，其差值為fd，

6、稱此現(xiàn)象為多普勒效應(yīng)頻率差值fd為多普勒頻率。主站發(fā)射的上行載波，經(jīng)上行空間傳播后，疊加了上行多普勒頻率，被目標(biāo)航天器上的應(yīng)答機(jī)接收，進(jìn)行載波頻率相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)(轉(zhuǎn)發(fā)比為)，又經(jīng)下行空間傳播后，疊加了下行多普勒頻率，然后被主站接收機(jī)所接收，頻率流程如圖所示：13/20定軌原理圖中fT為測(cè)控站發(fā)射載波的頻率，KdU為上行多普勒倍頻系數(shù)，fSR為航天器接收載波的頻率，fST為航天器發(fā)射載波的頻率，KdD為下行多普勒倍頻系數(shù)，fRM為測(cè)控站接收載波的頻率，相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)比 =240/221。可見主站接收載波頻率為：式中為探測(cè)器速度，c為光速。 RMTdUdDTTcRccRffKKffccRcRR14/20定軌原

7、理在主站接收機(jī)中，將實(shí)際接收頻率fRM與基準(zhǔn)接收頻率fR0混頻(fR0= fT )，以提取出雙程多普勒頻率：從上式可以得出雙程多普勒測(cè)速的公式為：00002ddRMRRRRcRRffffffcRcR 02ddRddcfRff15/20測(cè)速測(cè)距精度理論上 應(yīng)有較高的測(cè)量精度。但是在目前條件下，由于測(cè)站未能釋放探空氣球和測(cè)量氣象參數(shù)，因而數(shù)據(jù)處理時(shí)，僅能利用測(cè)站的地面氣象參數(shù)和簡(jiǎn)化方法修正距離R和高度角A的電波折射誤差，而對(duì)則未進(jìn)行修正，嚴(yán)重影響了測(cè)量精度的實(shí)現(xiàn)，因此改進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法提高測(cè)速精度成為各界的研究重點(diǎn)。目前研究結(jié)果表明，USB系統(tǒng)測(cè)速RMS約為36 cm/s，測(cè)距RMS約為13m，能夠

8、滿足月球探測(cè)器定軌測(cè)控要求。R16/20集成集成USB-VLBI技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用17/20集成USB-VLBI技術(shù)的應(yīng)用USB的測(cè)量弧段要明顯長(zhǎng)于VLBI的測(cè)量弧段，這是因?yàn)閁SB觀測(cè)只需單站可見，而VLBI觀測(cè)需雙站共視。其次，VLBI對(duì)軌道的橫向約束較強(qiáng)，USB觀測(cè)量對(duì)軌道視向(或近似徑向)的約束較強(qiáng)，二者聯(lián)合定軌，可以互為補(bǔ)充，提高定軌精度。我國(guó)“嫦娥一號(hào)”月球探測(cè)器利用了我國(guó)“統(tǒng)一S波段(USB)”航天測(cè)控網(wǎng)和我國(guó)天文臺(tái)的甚長(zhǎng)基線射電干涉網(wǎng)(VLBI系統(tǒng))，聯(lián)合使用USB和VLBI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“嫦娥一號(hào)” 月球探測(cè)器的導(dǎo)航和定定軌任務(wù)，還將用于我國(guó)“嫦娥二號(hào)”月球探測(cè)器各飛行階段的遙測(cè)、遙控、軌道測(cè)量和導(dǎo)航任務(wù)。18/20APOLL