第1章 航天测控系统概述

1 航天测控系统 授课教师 董立珉donglimin 卫星技术研究所 2020 4 21 2 第2页 课程概况 2 第3页 航天测控系统课程概况 航天测控系统 航天测控系统是对航天器飞行轨道 姿态和其上各分系统工作状态进行跟踪测量 监视与控制的技术系统 用于保障航天器按照预先设计好的状态飞行与工作 以完成规定的航天任务 遥测系统 遥测系统是接收在航天器上进行测量与组织收集 经下行无线电链路传送来的各种参数数据并进行记录 处理 以及按要求发送至相应用户 如飞行控制中心 的系统 2 第4页 遥控系统 遥控系统的功能是产生指令信息和注入数据的编码 经上行无线电链路发向航天器 按任务需要对航天器进行实时控制或 和 程序定时控制 测量系统 测量系统的功能是获取航天器相对测控天线的方向角 距离及径向速度等位置运动参数 以确定航天器的运行轨道 并测控天线指向航天器 建立天地无线电链路 航天测控系统课程概况 2 第5页 主要课程内容 一 航天测控系统基础二 无线电通信基础知识三 航天器测量四 航天器遥测系统与遥控系统五 统一载波测控系统六 航天测控系统总体设计七 测控新技术 航天测控系统课程概况 2 第6页 1 周智敏 陆必应 宋千 航天无线电测控原理与系统 电子工业出版社 2008 3 2 夏南银 张守信 穆宏飞 航天测控系统 第一版 国防教育出版社 2002 10 航天测控系统课程概况 2 第7页 一 航天测控系统概述 2 第8页 1 1航天系统和航天器简介 2 第9页 航天系统是人类为探索 开发和利用地球大气层以外宇宙空间和地球以外天体的航天活动而建立的工程系统 全称为航天工程系统 按用途来分 可分为民用航天系统和军用航天系统 按航天器是否载人 分为无人航天系统和载人航天系统 基本概念及分类 航天系统 2 第10页 无人航天系统包括航天器 航天运输系统 航天发射场系统 航天测控系统和航天应用系统等五大系统 载人航天系统除上述五大系统外 还包括航天员系统和航天着陆场系统 基本概念及分类 航天系统 2 第11页 航天运输系统 运送有效载荷 即运输对象 到预定轨道的航天运输工具 根据其服务任务的不同 可分为运载器和运输器两类 运送航天器进人预定轨道的称为运载器 为在轨航天器接送人员 装备 物质和进行在轨维修 更换 补给等服务的称为运输器 各系统组成 航天系统 2 第12页 航天发射场系统 是装备有专门设施 采用运载火箭从地面陆上发射航天器的特定场区系统 航天器的发射 除上述利用运载火箭从发射场陆上发射外 还可以从空间 空中和海上发射 各系统组成 航天系统 2 第13页 航天应用系统 是直接执行航天使命为科学研究 技术实验 国民经济建设和军事目的等服务的系统 是航天工程表现效益的系统 由有效载荷 有效载荷公用设备 有效载荷应用中心和应用终端系统等部分组成 其中 前两部分装载在航天器上 是应用系统的空间部分 而后两部分为应用系统的地面部分 应用系统的有效载荷部分构成航天器的专用有效载荷系统 它是航天器的核心 不同用途的航天器相互区别主要在于装有不同的专用有效载荷系统 各系统组成 航天系统 2 第14页 航天员系统 是选拔培训合格航天员 对航天员实施医学监督与医学保障 设计合理的人工环境并研制相应专用设备 以保证在轨航天员的生命安全 生活条件和工作能力的系统 又称航天员准备中心或航天员中心 各系统组成 航天系统 2 第15页 航天着陆场系统 是提供航天器返回着陆场区 对返回着陆后的航天员及其乘器实施搜索救援与回收 并对返回轨道出黑障后部分进行跟踪测量的系统 各系统组成 航天系统 2 第16页 航天器是指运行于地球大气层以外空间 执行探索 开发和利用太空 包括地球以外天体 等航天任务的飞行器 又称空间飞行器 航天器按其是否载人 可分为无人航天器和载人航天器两大类 概念及分类 航天器概述 2 第17页 各种航天器都具有的分系统有 结构与机构分系统 热控分系统 GNC 制导 导航与控制 分系统 推进分系统 测控与通信分系统 数据管理分系统 电源分系统和有效载荷分系统 返回式航天器还特有返回着陆分系统 载人航天器还特有乘员分系统 环境控制与生命保障分系统 仪表与照明分系统和应急救生分系统 各个分系统的规模和复杂性 视航天器的具体任务和载荷情况而不相同 各系统组成 航天器概述 2 第18页 航天测控系统是对航天器飞行轨道 姿态和其上各分系统工作状态进行跟踪测量 监视与控制的技术系统 用于保障航天器按照预先设计好的状态飞行与工作 以完成规定的航天任务 各种航天系统都包括有航天测控系统 不同的航天系统可以有其专用的测控系统 某几个航天系统也可以按其测控需求的共同性合用一个相互兼容的测控系统 航天测控系统按其测控的航天器类型之不同 大体上可分为三类 即卫星测控系统 载人航天测控系统和深空测控系统 基本概念 航天测控系统 2 第19页 航天测控系统是任何航天系统的组成中不可缺少的一个重要系统 不论是无人航天系统 还是载人航天系统 它们在执行航天任务时都必须借助航天测控系统的支持 才能便地面人员随时掌握任务情况 做出判断 决策 发挥干预作用 达到运营使用的目的 1 天地联系窗口 2 综合技术分析和信息交换中枢 3 为备相关系统提供分析和应用处理所需基准信息 测控系统的地位和作用 航天测控系统 2 第20页 航天测控系统按其系统功能组成 可包括跟踪测轨 遥测 遥控 天 地通信与数据传输 数据处理 监控显示 地 地通信和时间统一等八个主要分系统 系统 以及有关辅助支持系统 包括两类基本单元 测控站及测控中心 测控系统的组成 航天测控系统 2 第21页 跟踪测轨系统也称跟踪测量系统 其功能是使测控天线指向航天器 建立天地无线电链路 获取航天器相对测控天线的方向角 距离及径向速度等位置运动参数 以确定航天器的运行轨道 主要采用连续发射射频信号工作方式 易于实现测速和载波信道综合利用 主要有多普勒测速系统 距离与距离变化率测量系统和微波统一系统等 微波统一系统共用一个微波载波信道和一套天线 将对航天器的跟踪测轨功能与遥测 遥控 通信等功能合理有机地结合在一起 故在航天测控与通信中得到广泛应用 跟踪测轨系统 航天测控系统 2 第22页 遥测系统是接收在航天器上进行测量与组织收集 经下行无线电链路传送来的各种参数数据并进行记录 处理 以及按要求发送至相应用户 如飞行控制中心 的系统 遥测参数大致可分为工程参数 航天员生理参数 天地大回路控制验证数据和部分或全部有效载荷应用数据等四类 遥测系统 航天测控系统 2 第23页 遥控系统的功能是产生指令信息和注入数据的编码 经上行无线电链路发向航天器 按任务需要对航天器进行实时控制或 和 程序定时控制 控制的内容主要有 航天器上设备开机 关机与备份切换控制 交轨 轨道调整 轨道维持 交对接 以及离轨返回等控制 姿态机动 姿态维持 以及自旋稳定航天器自旋转速调整等控制 向航天器上数据管理分系统 计算机或程序控制装置 注入数据 修正程序控制时间 程序控制计算用参数值以及导航有关参数等 遥控系统 航天测控系统 2 第24页 天一地通信与数据传输系统的功能是完成航天器和地面之间的话音 电报 电视 图像和特种或较高速率数据的传送 通信与数据传输系统 航天测控系统 2 第25页 监控显示系统是将数据处理系统处理后送出的 指挥控制人员关注的信息进行汇集 加工和显示 为分析决策和指挥控制提供依据的系统 监控显示系统 航天测控系统 2 第26页 地 地通信系统是连结测控系统中心和测控站以及测控系统中心和航天系统中其它系统各中心 用以传递数据 话音和图像等信息的系统 时间统一系统是为测控系统提供统一的标准时间信号和标准频率信号的系统 完整的时间统一系统由两部分组成 一部分是授对系统 即国家时间频率基准及其授时 其作用是建立和发播国家级时间和频率基准信号 另一部分是测控系统中的时统设备 或时统站 即时间统一系统 简称时统 地 地通信系统及时间统一系统 航天测控系统 2 第27页 辅助支持系统主要包括气象保障 大地测量保障 供配电 空调以及海上测量船的船位 经度 纬度 航向 航速 船姿 纵摇角 横摇角 船体形变 测量和船上跟踪天线波束指向稳定等系统 辅助支持系统 航天测控系统 2 第28页 航天控制中心是航天测控网中的中央测控单元 一般分两类 航天测控网操作控制中心和航天任务指挥控制中心 航天测控网操作控制中心的职能是负责测控网本身的组织调度和操作管理 航天任务指挥控制中心的职能是飞行任务的计划与组织 即任务控制 和航天器飞行的监视与操作控制 即航天器操作控制 航天测控中心 航天测控系统 2 第29页 航天测控站是航天测控网同航天器进行无线电联系的结点 是直接对航天器实施跟踪测量 控制和进行通信 数据传输的测控单元 其任务是在航天控制中心的组织下 跟踪测量航天器的轨道运动参数 接收解调航天器的遥测信息 向航天器发送遥控指令 含注入数据 及与航天器通信和交换数据信息 航天测控站 航天测控系统 2 第30页 由航天测控站和航天测控中心共同组成 航天测控网 航天测控系统 2 第31页 1 2近地空间环境及空间几何定位 2 第32页 一般将距地面高度在50km以下的空间范围称为低空大气层 50km以上至行星际的空间范围为近地空间 太阳系以外恒星际的范围为宇宙空间 人造地球卫星 远程弹道导弹 航天飞机大多在近地空间飞行 因此研究航天器的空间飞行环境将主要是考察近地空间的物理特性 近地空间中对航天器运行和航天测控存在较大影响的环境因素主要有电离厚 太阳电磁镉射以及空间带电粒子镉射等 概述 近地空间环境 2 第33页 从海平面60km到大气层外缘 由于太阳紫外线 微粒流 宇宙射线等作用 部分大气分子被电离 这样的大气层被称为电离层 对电磁波产生折射 反射 散射 吸收 色散和法拉第旋转等现象 导致电波延时和信号衰落 电离层 近地空间环境 2 第34页 太阳不断发射能量为4 1026J S的电磁辐射 包含从波长小于l0 14m的 射线到波长大于10km的无线电波 太阳辐射是地球能量的主要来源 在航天活动中 太阳辐射是航天器电源的主要能量来源 太阳电磁辐射 近地空间环境 太阳存在黑子和耀斑为代表的活动 可见光和红外辐射随太阳活动的变化较小 但粒子辐射 X射线 紫外辐射和无线电波有急剧变化 2 第35页 在地球周围空间存在强度很大的带电粒子 被地球磁场俘获 形成不同强度和通量的粒子辐射区域 称为地球辐射带 按位置不同 分为内辐射带和外辐射带 地球辐射带 带电粒子辐射 内辐射带 赤道上方600 1000Km处 南北纬40 500keV能量外辐射带 赤道上空10000 60000Km处 纬度在南北55 70 外辐射带受太阳影响大 能量几十keV至几百keV 2 第36页 太阳大躍斑发生时 伴随着辐射大量高能粒子 形成太阳宇宙线 因其绝大部分是质子 故又称质子事件 质子事件主要集中在髙纬度地带 能量大于30MeV 质子事件在每年三 四月份和八 九月份出现较多 春分 秋分附近较为集中 一月 十二月较少或没有 太阳宇宙线 带电粒子辐射 2 第37页 1 银河系宇宙线的剂量贡献只有5 15rad A 相比之下可忽略 2 对于1000km到几个地球半径之间的任何倾角的轨道卫星的长期飞行 辐射带粒子的剂量贡献具有决定性影响 必须考虑防护措施和限制飞行时间 以确保飞行安全 3 在倾角小于50 高度几千千米以下 与辐射带相比 可忽略太阳质子事件的威胁 对于大倾角轨道 特别是地磁场范围以外的空间飞行 太阳质子事件有极严重的威胁 粒子辐射对飞行器的影响 带电粒子辐射 2 第38页 地球的球心叫地心 地球自转的轴线叫地轴 地轴通过地心同地面相交于两点 北极 南极 通过地心垂直于地轴的平面叫 赤道面 赤道面与地球表面相割形成的圆 叫 赤道 常用天文术语 航天器运行轨道 2 第39页 以赤道为0 南纬和北纬均以90 为最大值 地球表面某点P所在子午线同赤道相交于B点 则弧线BP所对应的弧度即是地点P的纬度 以首子午线为起始线 分为东经和西经 各自0 180 地球上某点P的经度定义为 首子午线与赤道相交于A 本地子午线与赤道相交于B 则弧AB所对应的角度即为本地的经度 常用天文术语 航天器运行轨道 2 第40页 通常所说的天球都是地心天球 即以地心为球心的天球 天赤道是地球赤道平而无限扩大 同天球相割而成的天球大圆 而黄道则是地球绕日公转平面无限扩大 同天球相割而成的天球大圆 天赤道和黄道的交点是白羊宫第一点和天秤宫第一点 即 春分点 和 秋分点 春分点又称升分点 秋分点又称降分点 常用天文术语 航天器运行轨道 2 第41页 飞行器轨道参数可由6根数确定 半长轴a 轨道偏心率e 决定轨道大小和形状 轨道倾角i 升交点赤经 决定椭圆在轨道上的位置 近地点俯角 决定椭圆在轨道面的方位 和过近地点时刻tp 决定卫星在轨道上的时间关系 轨道参数 航天器运行轨道 2 第42页 已知某时刻卫星的位置和速度三矢量 可确定轨道6根数 从而确定卫星的轨道 因此需要通过测量卫星的具体几个几何参量 可推算出位置和速度三矢量 从而得到卫星的轨道参数 常用的几何参量有 距离R 方位角A 俯仰角E 距离和S 距离差r 方位余弦l m n以及高度h等 采用的坐标系通常为测站坐标系 空间定位几何参量及意义 空间定位几何 2 第43页 距离R 目标位于方程确定的球面上方位角A 目标位于方程确定的平面上俯仰角E目标位于方程确定的平面上 空间定位几何参量及意义 空间定位几何 2 第44页 距离和 S R1 R2 若巳知发射站到目标距离R1与接收站到自标距离R2之和 即S R1 R2 则目标位于旋转椭球面上 收 发站为旋转椭球的两个焦点 对应旋转