航空航天測控技術概論

航空航天測控技術概論演示文稿目前一頁\總數(shù)四十七頁\編于十點1（優(yōu)選）航空航天測控技術概論目前二頁\總數(shù)四十七頁\編于十點2航空航天測控系統(tǒng)是指對火箭、導彈、衛(wèi)星等飛行器的各個階段進行跟蹤、測量和控制的專用技術設施。航空航天測控系統(tǒng)的測量分為兩大類：一類是精密測量飛行器的飛行彈（軌）道參數(shù)，如坐標、速度、加速度等，稱為外彈道測量，簡稱外測；另一類是測量飛行器內(nèi)部的工作狀態(tài)，如工作參數(shù)、有效載荷參數(shù)、宇航員生理參數(shù)等，稱為內(nèi)彈道測量，簡稱內(nèi)測，亦稱為遙測。對飛行器的控制也可分為兩大類：一類是一次性控制，如對故障火箭、導彈實施“自毀”的安全指令控制，簡稱“安控”；另一類是對飛行器運行情況的調(diào)整和控制，如對星船的姿態(tài)控制、變軌、交會及回收等各種機動控制。目前三頁\總數(shù)四十七頁\編于十點38.1空間飛行器軌道在地球大氣層內(nèi)或大氣層之外的空間飛行的器械通稱飛行器。飛行器的飛行軌跡由主動段和被動段組成。主動段：飛行器發(fā)動機工作的飛行軌跡段。被動段：飛行器發(fā)動機不工作的飛行軌跡段。在整個飛行過程中，主動段和被動段可能交替出現(xiàn)。邊界點：在飛行軌跡上對應發(fā)動機關機的點。目前四頁\總數(shù)四十七頁\編于十點4圖8-1彈道導彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船的軌道目前五頁\總數(shù)四十七頁\編于十點51.彈道導彈的飛行彈道目前六頁\總數(shù)四十七頁\編于十點62.人造衛(wèi)星的發(fā)射軌道目前七頁\總數(shù)四十七頁\編于十點78.2坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)

8.2.1坐標系統(tǒng)及換算

1.地心赤道坐標系如圖8-4所示坐標系的原點是地心，基準平面是赤道平面，X軸指向某一確定時刻的春分點目前八頁\總數(shù)四十七頁\編于十點82.地心軌道坐標系地心軌道坐標系OX1Y1Z1如圖8-5所示，坐標系的原點O為地心，基準平面是軌道平面，Y1軸的方向指向近地點（軌道上距離地心最近的點），X1軸位于軌道平面上，它的指向與飛行器在近地點上的運動方向一致，而Z1軸的指向應使坐標系構成右旋坐標系。目前九頁\總數(shù)四十七頁\編于十點93.大地測量坐標系大地測量坐標系的原點就是地心，基準平面為赤道平面，X′軸為零子午線平面與赤道平面的相交線，Z′軸為穿過北極點的軸線，而Y′

軸的指向應使坐標系構成右旋坐標系。目前十頁\總數(shù)四十七頁\編于十點104.測量坐標系在對飛行器進行觀測時，常采用測量坐標系。測量坐標系的原點OT就是地球表面上測控站或其它觀測設備所在位置點，XT軸位于本地水平面上并指向正北方向，YT軸與本地垂線的方向重合，而ZT軸使坐標系構成右旋坐標系。目前十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十點115.彈體坐標系彈體坐標系如圖8-8所示，原點O位于導彈質心；XDT軸與導彈縱軸重合，指向導彈頭部；YDT軸垂直于XDT軸，其指向規(guī)定為當導彈平飛時指向上方；ZDT軸與XDT、YDT構成右手坐標系。目前十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十點12二、坐標變換1.坐標的旋轉(1)坐標繞Z軸旋轉OMIGA角度坐標變換矩陣目前十三頁\總數(shù)四十七頁\編于十點13(2)坐標繞Y軸旋轉FY角度(3)坐標繞X軸旋轉SITA角度目前十四頁\總數(shù)四十七頁\編于十點142.坐標的平移設坐標系OXYZ經(jīng)平移后得到坐標系O1X1Y1Z1，空間任意一點P在兩坐標系中的坐標分別為（x,y,z）和(x1,y1,z1)，若新坐標的原點O1在舊坐標系中的坐標為(x0,y0,z0)，那么坐標平移變換關系可表示為目前十五頁\總數(shù)四十七頁\編于十點158.2.2時間系統(tǒng)及換算太陽時恒星時原子時目前十六頁\總數(shù)四十七頁\編于十點168.3空間定位的原理與方法8.3.1基本的位置測量元素在目前使用無線電和光學手段的條件下，可測量的幾何參量有徑向距離R、方位角A、俯仰角E、距離和S、距離差r、方向余弦l、m、n及高度h等幾種。下面分別介紹它們的幾何意義。目前十七頁\總數(shù)四十七頁\編于十點171.徑向距離R若目標到觀測站的徑向距離為R，則目標位于方程所確定的球面上目前十八頁\總數(shù)四十七頁\編于十點182.方位角A若目標方位角為A，則目標位于所表示的平面上目前十九頁\總數(shù)四十七頁\編于十點193.俯仰角（高低角）E若俯仰角為E，則目標位于

所確定的錐面上目前二十頁\總數(shù)四十七頁\編于十點204.距離和R1為發(fā)站到目標距離，R2為收站到目標距離。設發(fā)站和收站間的距離為b，則目標位于以發(fā)站和收站為焦點，以b為焦距，長半軸為S/2的旋轉橢球面上。目前二十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十點215.距離差距離差r表示目標至發(fā)站與收站的距離之差。設發(fā)站和收站間的距離為b，則目標位于以發(fā)站和收站為焦點，以b為焦距，距離差為r的旋轉雙曲面上。目前二十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十點226.方向余弦方向余弦指目標和基線上坐標原點的連線與基線間的夾角的余弦，如圖8-16(a)所示。若方向余弦為，則目標位于一張角為的水平錐面上。該水平錐面在如圖坐標系中的方程為目前二十三頁\總數(shù)四十七頁\編于十點237.高度(高程)h若已知高度h，則目標位于水平面上。其方程為目前二十四頁\總數(shù)四十七頁\編于十點248.3.2幾種典型的幾何定位方法確定飛行器在空間的位置是三維問題，即最少需要三個相互獨立的參量才能確定其空間位置。前述7個位置測量元素，除高度元素h只在個別特殊場合（如巡航導彈）使用外，其余6個位置測量元素中，任意3個都可以確定某一時刻飛行器的空間位置。目前二十五頁\總數(shù)四十七頁\編于十點251.RAE定位方法精密跟蹤脈沖雷達以及加裝激光測距裝置的光電經(jīng)緯儀一般可測得每一時間點上目標的R、A、E，故可以單站獨立定位。設單臺雷達測得目標的距離、方位角和俯仰角值分別為R、A、E

。速度和加速度參數(shù)可由多個時間點的位置參數(shù)通過一次微分和二次微分平滑求得。

目前二十六頁\總數(shù)四十七頁\編于十點262.3

定位方法由3個距離測量元素R交會可確定空間目標的位置，加上3個徑向距離變化率測量元素可測定空間目標的速度，這一系統(tǒng)稱為3系統(tǒng)。測出三維坐標和三維速度。目前二十七頁\總數(shù)四十七頁\編于十點273.角度交會定位法傳統(tǒng)光學測量設備的測量元素是兩角度——方位角A和俯仰角E，如電影經(jīng)緯儀、彈道照相機等，通過多臺設備交會測量可得到空間目標的位置參數(shù)。設a、b兩點各有一臺光學設備，同時測量空間目標P，則目標一定處于兩視線的交點上。同時記下兩臺設備的角度觀測參數(shù)，已知a點和b點在參考坐標系中的坐標，通過計算就可確定目標P的位置。目前二十八頁\總數(shù)四十七頁\編于十點288.4航空航天測控技術

8.4.1測控信號與信道設計

一、測控系統(tǒng)中常用的信號及調(diào)制方式測控系統(tǒng)中較多的采用二進制編碼信號，即PCM信號來傳輸信息。這主要用在遙測、遙控和數(shù)字通信中。采用數(shù)字基帶信號具有傳輸精度高，容量大，可利用時分多路傳輸技術，抗干擾性能好，便于用計算機對數(shù)據(jù)進行處理等優(yōu)點。因此，在測控系統(tǒng)中PCM調(diào)制是一種非常重要的調(diào)制體制。同樣，利用PCM信號對副載波的調(diào)角（PSK，DPSK，F(xiàn)SK）也是常用的調(diào)制體制。目前二十九頁\總數(shù)四十七頁\編于十點29二、信號設計與載波頻率選擇1.基帶信號的設計(1)當指令、遙測、數(shù)傳等信息需要采用抗干擾編碼及誤差控制時，應對原始信息進行變換；(2)對某些信息（如指令、數(shù)傳等）進行加密時，應對原始信息進行變換；(3)當要求與其它消息一起對同一射頻載波進行多重調(diào)制時，為滿足其相容性，應對原始信息進行變換；(4)在原始信息中增設地址碼或其它輔助信息時．有時也要改變原始信息的形式。目前三十頁\總數(shù)四十七頁\編于十點302.副載波組合方式的選擇(1)測距信號的選擇對于以連續(xù)波方式工作的微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)，測距信號有三種形式：純側音測距信號純二進制的隨機碼測距信號（以下簡稱全碼系統(tǒng)）混合測距信號（即側音加二進制偽隨機碼的測距信號）這三種型式的側距信號性能比較如表8-1所示。(2)副載波頻率及調(diào)制方式的選擇①力求基帶信號本身及其調(diào)制方法簡單；②力求攜帶信號頻譜線集中（即所占帶寬越小越好）；③應考慮到各副載波不同調(diào)制方法所占用的帶寬及功率效率；目前三十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十點31信號型式純側音測距信號型式全碼測距信號型式混合測距信號型式抗干擾能力保密性距離分辨度解距離模糊能力弱差好差強好差好中中好好副載波調(diào)制的靈活性三者均相同捕獲時間近距離，S/N大的情況下短長中遠距離情況下三者相近系統(tǒng)定標的難易三者相同設備復雜程度三者相同使用和維護要求較簡單較復雜一般自動操作的適應性好差中所需研制經(jīng)費三者相同目前三十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十點32④從信息有效傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，副載波頻率不應逃擇太高，以利于壓縮中放信息帶寬；⑤各副載波的組合干擾應盡可能不落入各副載波的信息帶寬內(nèi)，為了保證測距精度，各副載波的組合干擾頻率也不應落入高側音窄帶跟蹤環(huán)的帶寬內(nèi)；⑥對于移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）的副載波信道，必須保證所選副載波頻率和基帶信號的碼速率保持相干并成整數(shù)倍的關系，以利于相干解調(diào)；⑦為適應不同型號的飛行器的帶寬要求并考慮不同信息路數(shù)和數(shù)據(jù)量，應允許副載波適當變動，以便對各種不同型號的要求作最佳安排；⑧為了防止應答機載波環(huán)和接收機載波環(huán)的錯鎖（鎖到副載波頻率上），在可能的條件下，副載波頻率應盡可能遠離載波頻率；⑨為了防止火焰衰減，副載波頻率應安排在離載波5~10KHz內(nèi)；⑩應盡量利用已研制的或市場上已能提供的設備。目前三十三頁\總數(shù)四十七頁\編于十點333.射頻信號的設計所謂射頻信號設計主要是指載波調(diào)制的選擇。在無線電測控設備中，載波調(diào)制方式可分為三種，即調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）。在高精度跟蹤測量系統(tǒng)中采用調(diào)相方式是比較合適的。但某些專業(yè)系統(tǒng)，如用于火箭主動階段的遙控系統(tǒng)，為避免火焰干擾，其載波也可采用調(diào)頻方式。目前三十四頁\總數(shù)四十七頁\編于十點344.載波頻率的選擇上、下行頻率的選擇①

符合國際、國內(nèi)頻段的劃分準則；②

電波的傳播特性，通過大氣層的衰減、折射性能及穿透等離子區(qū)的能力等；③現(xiàn)有器件和儀器設備的條件；④遠近結合，既保證眼前使用，又能適應將來發(fā)展的需要；⑤有繼承性，能繼承性現(xiàn)有設備和技術；⑥考慮到系統(tǒng)的測量和信息容量，希望載頻選得高一些；⑦避免和其它電子設備產(chǎn)生相互干擾。其它（略）目前三十五頁\總數(shù)四十七頁\編于十點35信號設計流程微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)信號設計的一般過程目前三十六頁\總數(shù)四十七頁\編于十點368.4.2再入遙測技術定義：再入遙測是指對再次進入大氣層的目標的遙測參數(shù)進行測量。特點1.信號起伏和衰減大。高速飛行體再入大氣層后，與周圍的大氣發(fā)生劇烈的摩擦和擠壓，在其周圍形成一定厚度的等離子體。無線電波通過等離子體傳播時將引起衰減，嚴重時會使無線電信號中斷，這種現(xiàn)象稱為無線電黑障現(xiàn)象。2.測量頻帶寬。再入試驗要求測量頻帶很寬的特快變化信號，有些特快信號的脈沖寬度只有幾十納秒，要從噪聲中準確判斷信號的有無及出現(xiàn)時間并精確測量脈沖的前沿或兩脈沖之間的時間間隔是十分困難的。3.低仰角接收。隨著再入體飛行高度的下降，接收天線的仰角越來越低，觸地（水）信號時，地面遙測設備的天線可能工作在負仰角。低高度接收時存在嚴重的多徑效應，使接收信號造成很大的強度變化和衰減，變化范圍可達10－40dB(快衰落)目前三十七頁\總數(shù)四十七頁\編于十點37再入遙測系統(tǒng)設計中的若干問題解決再入信號中斷的途徑避開法：①提高載波頻率（晚進明顯，早出不明顯），②回收數(shù)據(jù)存儲體（黑匣子），③記憶重發(fā)（出黑障區(qū)后）④提高發(fā)射功率（航天器）和接收機靈敏度（地面接收機），多方面受限。減緩法：①附加磁場法，可以束縛自由電子的游動，碰撞頻率v越低，則衰減越小。要獲得明顯效果，所需外加磁場強度將很高，則再入體天線附近附加設備的體積、重量很大，故這種辦法實現(xiàn)起來比較困難。②噴射消電子液體，可以降低電子濃度2－3個量級。③改善再入體防熱材料。特快信號的測量體制PCM-PPK（略）目前三十八頁\總數(shù)四十七頁\編于十點388.4.3分包遙測技術（類似分組交換）分包遙測是一種航天器遙測數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)結構。概念的基礎是允許航天器上同時運行多個應用過程，這些應用過程都被看作是數(shù)據(jù)源，每個數(shù)據(jù)源都產(chǎn)生數(shù)據(jù)單元，這些數(shù)據(jù)單元通過空—地信道進行傳輸，地面系統(tǒng)可靠恢復成單獨的數(shù)據(jù)單元，并順序地提供給數(shù)據(jù)用戶。在分包遙測中，一個實際的物理信道被設計為邏輯上的64個虛擬信道。所謂虛擬信道，就是利用信號分時傳輸原理，向用戶提供若干（分包遙測中定義為64個）性能相同的信道，多個用戶可以同時使用其中的一個或幾個來傳輸自己的數(shù)據(jù)，但在航天器下行信道管理單元的控制下，在一段時間內(nèi)僅有一個虛擬信道的數(shù)據(jù)被物理信道所傳送。為完成這些功能，分包遙測定義了兩種數(shù)據(jù)結構：源包和傳送幀。目前三十九頁\總數(shù)四十七頁\編于十點398.4.3.1源包結構源包（也可稱為包）包含一組觀測數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)從空間的應用過程傳輸給地面的一個或幾個用戶應用。目前四十頁\總數(shù)四十七頁\編于十點408.4.3.2傳送幀源包的上層定義的一種新的數(shù)據(jù)結構，即傳送幀。傳送幀包含源包、閑置數(shù)據(jù)和專門定義數(shù)據(jù)。目前四十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十點418.5航天測控系統(tǒng)的功能與組成目前四十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十點428.5.1航天測控系統(tǒng)的分類航天測控系統(tǒng)是指在導彈及各類航天飛行器飛行的各個階段（發(fā)射、運行、回收等），完成對其測量和控制這樣兩大任務的那些技術系統(tǒng)。按測控對象的不同測控系統(tǒng)可