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卫星测控技术原理与应用 2020年3月19日 2020 3 19 1 2 主要内容 2020 3 19 3 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 大气层外 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 测控 TT C Tracking TelemetryandCommand 包括三部分 跟踪 遥测和命令 2020 3 19 4 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 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 1 卫星测控系统的技术现状和作用 2020 3 19 5 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 2020 3 19 6 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 2020 3 19 7 1 卫星测控系统的技术现状和作用 1 2卫星测控特点 卫星测控特点 多路传输 涉及科学技术领域的广泛性 精确性和可靠性 信息的多样性和数据处理的复杂性 2020 3 19 8 2 GPS系统导航定位技术 2 1GPS导航定位系统的组成和功能全球定位系统GPS GlobalPositioningSystem 整个星座由6条轨道上均匀分布的24颗导航星组成全球卫星覆盖网 轨道倾角为55 轨道高度为20183km 周期1小时58分 这样全球任何地点的用户在任何时间都能看到24颗卫星中的6颗以上的卫星 而且其接收的仰角均大于5 以上 最初应用于军事领域 是美军71年代初 子午仪卫星导航定位 技术上发展起来的 具有全球性 全能性 陆地 海洋 航空 全天候优势 2020 3 19 9 2 GPS系统导航定位技术 2 1GPS导航定位系统的组成和功能1 空间部分 导航卫星 空间部分使用24颗 其中3颗卫星为备用 高度为20183km的导航卫星组成卫星星座 2 地面站 地面站包括一个主控站 四个监测站和一个注入站 3 用户设备 导航卫星采用无源工作方式 凡是有GPS接收设备的用户都可以使用GPS系统 用户设备包括全向圆极化天线 接收机 微处理器等 有时也统称GPS接收机 2020 3 19 10 2 GPS系统导航定位技术 2 2GPS系统导航定位的工作原理 根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据 采用空间距离后方交会的方法 确定待测点的位置 为了求得GPS终端的位置 x y z 需要先获得两组数据 1 GPS终端到各个卫星之间的距离 r1 r2 r32 各个卫星的位置 Xn Yn Zn 2020 3 19 11 2 GPS系统导航定位技术 2 2GPS系统导航定位的工作原理 由于全球定位系统采用了单程测距原理 所以要准确地测定卫星至观测站的距离 就必须使卫星钟与用户接收机钟保持严格同步 但在实践中这是难以实现的 站在卫星角度 知道信号什么时间发射出去的 但是不知道信号是什么时间到达接收机的 站在接收机角度 知道信号什么时间收到的 但是不知道信号是什么时间发送出来的 卫星距离测量采用单程测量方法 2020 3 19 12 虽然卫星和接收机时钟不同步 但是卫星和卫星之间的时钟是同步的 这样我们可以把接收机和GPS卫星的时钟差Ta 当作一个未知量 增加一颗观察卫星 求解这四个未知数 四个等式的方程组 即可求得终端的位置 x y z 以及接收机和卫星之间的时钟差Ta 卫星越多精度越高 从方程组知道 要求出接收机的准确位置 还需要知道这四颗卫星自身的准确位置 卫星的准确位置是由GPS卫星轨道参数和参考时间计算出来的 这些信息称为卫星星历 它包含在GPS的卫星电文中 2020 3 19 13 2 GPS系统导航定位技术 2 3不断拓展的GPS在空间领域应用从利用地面的差分系统为飞行器进行精密定轨 到为了提商可靠性而将GPS系统和其它如INS 地磁 星敏感器等传感器组合等 应用空域从低轨道延伸到转移轨道 甚至地球同步轨道 从在轨运行的正常测量到入轨点和返回再入点的精确确定 最复杂的应用领域可能是空间飞行器交互对接的全过程都利用GPS 从单纯地利用GPS接收机确定空间飞行器的位置 速度和对应时间 到应用GPS来确定空间飞行器的姿态 2020 3 19 14 3 航天统一测控网组成及功能 3 1航天地面测控网地面站 包括船队 和航天测控中心组成航天测控网 由航天测控中心完成地面站的统一管理 数据的统一处理 命令的统一编排 航天测控中心航天测控中心是连接各个地面站和测量船队的枢纽 是测控网的信息和控制中心 系统组成 1 通信及时间统一勤务系统 2 计算机系统 3 显示与控制系统 我国航天测控中心功能原理图 2020 3 19 15 3 航天统一测控网组成及功能 3 2天基测控网解决实时测控通信的两种途径 1 世界范围的国际和作 把各国测控网连接起来 建立世界性的商用测控网 统一频段 统一数据格式 各国发射航天器时相互支持 2 发展以数据中继卫星系统和全球导航定位系统为代表的天基测控系统 天基测控是发射一系列卫星 能取代地面测控站和地面测量船的作用 能对空间其它飞行器跟踪 测控以及数据传输 2020 3 19 16 4 航天测控的发展方向 航天深空探测通信航天器采用自主运行技术航天器天基测控通信开发两倍GEO 地球同步轨道 高度的GPS系统航天器测控通信的国际合作 2020 3 19 17 参考书目 姜昌 范晓玲 航天通信跟踪技术导论 北京