第八章 航空航天测控技术概论.ppt

1 第八章航空航天测控技术概论 孟维晓 2 航空航天技术是20世纪对人类社会生活最有影响的科学技术领域之一 也是表征一个国家科学技术先进性的重要标志 而测控技术是航天航空中最重要的环节之一 航空是指在地球周围稠密大气层内的航行活动 航天是指在大气层之外的近地空间 行星际空间 行星附近以及恒星际空间的航行活动 但是 在地面发射航天飞行器或者当航天飞行器返回地面时 都要经过大气层 特别水平起降的航天飞机 虽然主要活动在大气层之外的空间中 但其起飞和降落过程与飞机极为相似 就兼有航空和航天的特点 所以从科学技术上看 航空与航天不仅是紧密联系的 有时甚至是难以区别的 3 航空航天测控系统是指对火箭 导弹 卫星等飞行器的各个阶段进行跟踪 测量和控制的专用技术设施 航空航天测控系统的测量分为两大类 一类是精密测量飞行器的飞行弹 轨 道参数 如坐标 速度 加速度等 称为外弹道测量 简称外测 另一类是测量飞行器内部的工作状态 如工作参数 有效载荷参数 宇航员生理参数等 称为内弹道测量 简称内测 亦称为遥测 对飞行器的控制也可分为两大类 一类是一次性控制 如对故障火箭 导弹实施 自毁 的安全指令控制 简称 安控 另一类是对飞行器运行情况的调整和控制 如对星船的姿态控制 变轨 交会及回收等各种机动控制 4 8 1空间飞行器轨道 在地球大气层内或大气层之外的空间飞行的器械通称飞行器 飞行器的飞行轨迹由主动段和被动段组成 主动段 飞行器发动机工作的飞行轨迹段 被动段 飞行器发动机不工作的飞行轨迹段 在整个飞行过程中 主动段和被动段可能交替出现 边界点 在飞行轨迹上对应发动机关机的点 5 图8 1弹道导弹 人造卫星及宇宙飞船的轨道 6 1 弹道导弹的飞行弹道 7 2 人造卫星的发射轨道 8 8 2坐标系统与时间系统8 2 1坐标系统及换算 1 地心赤道坐标系如图8 4所示坐标系的原点是地心 基准平面是赤道平面 X轴指向某一确定时刻的春分点 9 2 地心轨道坐标系地心轨道坐标系OX1Y1Z1如图8 5所示 坐标系的原点O为地心 基准平面是轨道平面 Y1轴的方向指向近地点 轨道上距离地心最近的点 X1轴位于轨道平面上 它的指向与飞行器在近地点上的运动方向一致 而Z1轴的指向应使坐标系构成右旋坐标系 10 3 大地测量坐标系大地测量坐标系的原点就是地心 基准平面为赤道平面 X 轴为零子午线平面与赤道平面的相交线 Z 轴为穿过北极点的轴线 而Y 轴的指向应使坐标系构成右旋坐标系 11 4 测量坐标系在对飞行器进行观测时 常采用测量坐标系 测量坐标系的原点OT就是地球表面上测控站或其它观测设备所在位置点 XT轴位于本地水平面上并指向正北方向 YT轴与本地垂线的方向重合 而ZT轴使坐标系构成右旋坐标系 12 5 弹体坐标系 弹体坐标系如图8 8所示 原点O位于导弹质心 XDT轴与导弹纵轴重合 指向导弹头部 YDT轴垂直于XDT轴 其指向规定为当导弹平飞时指向上方 ZDT轴与XDT YDT构成右手坐标系 13 二 坐标变换 1 坐标的旋转 1 坐标绕Z轴旋转OMIGA角度 坐标变换矩阵 14 2 坐标绕Y轴旋转FY角度 3 坐标绕X轴旋转SITA角度 15 2 坐标的平移设坐标系OXYZ经平移后得到坐标系O1X1Y1Z1 空间任意一点P在两坐标系中的坐标分别为 x y z 和 x1 y1 z1 若新坐标的原点O1在旧坐标系中的坐标为 x0 y0 z0 那么坐标平移变换关系可表示为 16 8 2 2时间系统及换算 太阳时恒星时原子时 17 8 3空间定位的原理与方法 8 3 1基本的位置测量元素在目前使用无线电和光学手段的条件下 可测量的几何参量有径向距离R 方位角A 俯仰角E 距离和S 距离差r 方向余弦l m n及高度h等几种 下面分别介绍它们的几何意义 18 1 径向距离R若目标到观测站的径向距离为R 则目标位于方程所确定的球面上 19 2 方位角A若目标方位角为A 则目标位于所表示的平面上 20 3 俯仰角 高低角 E若俯仰角为E 则目标位于所确定的锥面上 21 4 距离和R1为发站到目标距离 R2为收站到目标距离 设发站和收站间的距离为b 则目标位于以发站和收站为焦点 以b为焦距 长半轴为S 2的旋转椭球面上 22 5 距离差距离差r表示目标至发站与收站的距离之差 设发站和收站间的距离为b 则目标位于以发站和收站为焦点 以b为焦距 距离差为r的旋转双曲面上 23 6 方向余弦方向余弦指目标和基线上坐标原点的连线与基线间的夹角的余弦 如图8 16 a 所示 若方向余弦为 则目标位于一张角为的水平锥面上 该水平锥面在如图坐标系中的方程为 24 7 高度 高程 h若已知高度h 则目标位于水平面上 其方程为 25 8 3 2几种典型的几何定位方法 确定飞行器在空间的位置是三维问题 即最少需要三个相互独立的参量才能确定其空间位置 前述7个位置测量元素 除高度元素h只在个别特殊场合 如巡航导弹 使用外 其余6个位置测量元素中 任意3个都可以确定某一时刻飞行器的空间位置 26 1 RAE定位方法精密跟踪脉冲雷达以及加装激光测距装置的光电经纬仪一般可测得每一时间点上目标的R A E 故可以单站独立定位 设单台雷达测得目标的距离 方位角和俯仰角值分别为R A E 速度和加速度参数可由多个时间点的位置参数通过一次微分和二次微分平滑求得 27 2 3定位方法 由3个距离测量元素R交会可确定空间目标的位置 加上3个径向距离变化率测量元素可测定空间目标的速度 这一系统称为3系统 测出三维坐标和三维速度 28 3 角度交会定位法 传统光学测量设备的测量元素是两角度 方位角A和俯仰角E 如电影经纬仪 弹道照相机等 通过多台设备交会测量可得到空间目标的位置参数 设a b两点各有一台光学设备 同时测量空间目标P 则目标一定处于两视线的交点上 同时记下两台设备的角度观测参数 已知a点和b点在参考坐标系中的坐标 通过计算就可确定目标P的位置 29 8 4航空航天测控技术8 4 1测控信号与信道设计 一 测控系统中常用的信号及调制方式测控系统中较多的采用二进制编码信号 即PCM信号来传输信息 这主要用在遥测 遥控和数字通信中 采用数字基带信号具有传输精度高 容量大 可利用时分多路传输技术 抗干扰性能好 便于用计算机对数据进行处理等优点 因此 在测控系统中PCM调制是一种非常重要的调制体制 同样 利用PCM信号对副载波的调角 PSK DPSK FSK 也是常用的调制体制 30 二 信号设计与载波频率选择1 基带信号的设计 1 当指令 遥测 数传等信息需要采用抗干扰编码及误差控制时 应对原始信息进行变换 2 对某些信息 如指令 数传等 进行加密时 应对原始信息进行变换 3 当要求与其它消息一起对同一射频载波进行多重调制时 为满足其相容性 应对原始信息进行变换 4 在原始信息中增设地址码或其它辅助信息时 有时也要改变原始信息的形式 31 2 副载波组合方式的选择 1 测距信号的选择对于以连续波方式工作的微波统一测控系统 测距信号有三种形式 纯侧音测距信号纯二进制的随机码测距信号 以下简称全码系统 混合测距信号 即侧音加二进制伪随机码的测距信号 这三种型式的侧距信号性能比较如表8 1所示 2 副载波频率及调制方式的选择 力求基带信号本身及其调制方法简单 力求携带信号频谱线集中 即所占带宽越小越好 应考虑到各副载波不同调制方法所占用的带宽及功率效率 32 33 从信息有效传输的角度出发 副载波频率不应逃择太高 以利于压缩中放信息带宽 各副载波的组合干扰应尽可能不落入各副载波的信息带宽内 为了保证测距精度 各副载波的组合干扰频率也不应落入高侧音窄带跟踪环的带宽内 对于移频键控 FSK 和移相键控 PSK 的副载波信道 必须保证所选副载波频率和基带信号的码速率保持相干并成整数倍的关系 以利于相干解调 为适应不同型号的飞行器的带宽要求并考虑不同信息路数和数据量 应允许副载波适当变动 以便对各种不同型号的要求作最佳安排 为了防止应答机载波环和接收机载波环的错锁 锁到副载波频率上 在可能的条件下 副载波频率应尽可能远离载波频率 为了防止火焰衰减 副载波频率应安排在离载波5 10KHz内 应尽量利用已研制的或市场上已能提供的设备 34 3 射频信号的设计所谓射频信号设计主要是指载波调制的选择 在无线电测控设备中 载波调制方式可分为三种 即调幅 AM 调频 FM 和调相 PM 在高精度跟踪测量系统中采用调相方式是比较合适的 但某些专业系统 如用于火箭主动阶段的遥控系统 为避免火焰干扰 其载波也可采用调频方式 35 4 载波频率的选择 上 下行频率的选择 符合国际 国内频段的划分准则 电波的传播特性 通过大气层的衰减 折射性能及穿透等离子区的能力等 现有器件和仪器设备的条件 远近结合 既保证眼前使用 又能适应将来发展的需要 有继承性 能继承性现有设备和技术 考虑到系统的测量和信息容量 希望载频选得高一些 避免和其它电子设备产生相互干扰 其它 略 36 信号设计流程 微波统一测控系统信号设计的一般过程 37 8 4 2再入遥测技术 定义 再入遥测是指对再次进入大气层的目标的遥测参数进行测量 特点1 信号起伏和衰减大 高速飞行体再入大气层后 与周围的大气发生剧烈的摩擦和挤压 在其周围形成一定厚度的等离子体 无线电波通过等离子体传播时将引起衰减 严重时会使无线电信号中断 这种现象称为无线电黑障现象 2 测量频带宽 再入试验要求测量频带很宽的特快变化信号 有些特快信号的脉冲宽度只有几十纳秒 要从噪声中准确判断信号的有无及出现时间并精确测量脉冲的前沿或两脉冲之间的时间间隔是十分困难的 3 低仰角接收 随着再入体飞行高度的下降 接收天线的仰角越来越低 触地 水 信号时 地面遥测设备的天线可能工作在负仰角 低高度接收时存在严重的多径效应 使接收信号造成很大的强度变化和衰减 变化范围可达10 40dB 快衰落 38 再入遥测系统设计中的若干问题解决再入信号中断的途径避开法 提高载波频率 晚进明显 早出不明显 回收数据存储体 黑匣子 记忆重发 出黑障区后 提高发射功率 航天器 和接收机灵敏度 地面接收机 多方面受限 减缓法 附加磁场法 可以束缚自由电子的游动 碰撞频率v越低 则衰减越小 要获得明显效果 所需外加磁场强度将很高 则再入体天线附近附加设备的体积 重量很大 故这种办法实现起来比较困难 喷射消电子液体 可以降低电子浓度2 3个量级 改善再入体防热材料 特快信号的测量体制PCM PPK 略 39 8 4 3分包遥测技术 类似分组交换 分包遥测是一种航天器遥测数据流的数据结构 概念的基础是允许航天器上同时运行多个应用过程 这些应用过程都被看作是数据源 每个数据源都产生数据单元 这些数据单元通过空 地信道进行传输 地面系统可靠恢复成单独的数据单元 并顺序地提供给数据用户 在分包遥测中 一个实际的物理信道被设计为逻辑上的64个虚拟信道 所谓虚拟信道 就是利用信号分时传输原理 向用户提供若干 分包遥测中定义为64个 性能相同的信道 多个用户可以同时使用其中的一个或几个来传输自己的数据 但在航天器下行信道管理单元的控制下 在一段时间内仅有一个虚拟信道的数据被物理信道所传送 为完成这些功能 分包遥测定义了两种数据结构 源包和传送帧 40 8 4 3 1源包结构 源包 也可称为包 包含一组观测数据和辅助数据 这些数据从空间的应用过程传输给地面的一个或几个用户应用 41 8 4 3 2传送帧 源包的上层定义的一种新的数据结构 即传送帧 传送帧包含源包 闲置数据和专门定义数据 42 8 5航天测控系统的功能与组成 43 8 5 1航天测控系统的分类 航天测控系统是指在导弹及各类航天飞行器飞行的各个阶段 发射 运行 回收等 完成对其测量和控制这样两大任务的那些技术系统 按测控对象的不同测控系统可分为 导弹测控系统 卫星测控系统和飞船测控系统三大类 航天测控系统也可按照作用距离范围的不同分为 导弹靶场测控系统 近地卫星测控系统 高轨道卫星测控系统和深空测控系统四种 各类测控系统的特点 笔记 44 8 5 2航天测控系统的功能 1 外弹道测量指精密测量航天器的飞行轨道与姿态参数 如坐标 速度等 目前常用的外测系统有两类 光学跟踪测量系统和无线电跟踪测量系统 光学跟踪测量系统包括可见光设备 红外设备和激光设备 其特点是 测量精度高 无需在弹上或卫星上设置复杂的转发设备 不易受电磁干扰 作用距离近 受天候影响大 不易实现精确测速 因此 它常被用于导弹起飞段和弹头再入段的测量 无线电跟踪测量系统包括各种精密跟踪脉冲雷达 连续波雷达系统 连