USB技术用于深空探测器定位原理及方法.

1/20第6章USB技术用于深空探测器定位原理及方法2/20USB概念及发展USB即统一S波段测控系统(UnifiedS-BandSystem)，是指使用S波段的微波统一测控系统。这里的微波统一测控系统指的是利用公共射频信道，将航天器的跟踪测轨、遥测、遥控和天地通信等功能合成一体的无线电测控系统。3/20微波统一测控系统组成及原理微波统一测控系统一般由天线跟踪/角测量系统、发射系统、接收系统、遥测终端、遥控终端、测距/测速终端、时/频终端、监控系统、远程监控或数据传输设备以及其它附属设备组成。4/20微波统一测控系统组成及原理5/20微波统一测控系统组成及原理其基本工作原理是：将各种信息先分別调制在不同频率的副载波上，然后相加共同调制到一个载波上发出；在接收端先对载波解调，然后用不同频率的滤波器将各副载波分开；解调各副载信号得到发送时的原始信息。6/20USBMODULATIONTECHNIQUE7/20USB航天测控网USB航天测控网最早是在20世纪60年代美国执行阿波罗登月计划时首先使用的。60年代初，美国在执行水星号和双子星号载人航天任务时，由于使用了多种频段的设备分别进行不同的工作，结果飞船上天线多、重量大、可靠性差，而且地球上也相应设置了十分复杂的设备。为了改变这种情况，美国国家航空航天局提出采用USB(2000~4000兆赫)系统作为阿波罗登月计划的地面保障系统，并在60年代中期建成了以USB为主体的跟踪测控网，从而使航天测控从单一功能分散体制改进为综合多功能体制。8/20我国航天测控系统我国经过多年的发展，目前已建成了由西昌卫星发射中心、北京航天指控中心、西安测控中心、喀什站、青岛站、厦门站、南宁站等测站以及远望测量船组成的USB航天测控网，主要完成对航天器跟踪测轨、遥测接收、遥控发令、话音和图像收发任务。9/20USB技术用于探测器定轨的原理10/20定轨原理USB可以获取目标航天器相对于测控站的径向速度、距离、方位角和俯仰角等外测数据。如图所示，在轨道测量时USB系统采用的是应答工作方式，对应于目标航天器上的一部应答机，在某段时间内只允许一个地面删控站发送上行载波，该测控站能直接获取全部外测数据，而其它测控站只能接收目标航天器相关转发的下行载波，因此仅能直接获取角度外测数据。11/20定轨原理发送上行载波的测控站称为主站，而不发送上行载波的测控站称为副站。主站发送的上行载波被目标航天器接收后，航天器上的应答机以固定的转发比往地面相关转发，再由主站和各个副站同时接收下行载波。主站所接收下行载波中的多普勒频率只跟主站的多普勒效应有关，利用双程相关载波多普勒测速的原理，可以直接获取测速数据。12/20定轨原理现以双程多普勒测速原理为例介绍USB系统的定轨过程。由于发射机与接收机之间的相对运动，接收信号频率与发射信号频率不同，其差值为fd，称此现象为多普勒效应．频率差值fd为多普勒频率。主站发射的上行载波，经上行空间传播后，叠加了上行多普勒频率，被目标航天器上的应答机接收，进行载波频率相关转发(转发比为ρ)，又经下行空间传播后，叠加了下行多普勒频率，然后被主站接收机所接收，频率流程如图所示：13/20定轨原理图中fT为测控站发射载波的频率，KdU为上行多普勒倍频系数，fSR为航天器接收载波的频率，fST为航天器发射载波的频率，KdD为下行多普勒倍频系数，fRM为测控站接收载波的频率，相关转发比ρ=240/221。可见主站接收载波频率为：式中为探测器速度，c为光速。RMTdUdDTTcRccRffKKffccRcRR14/20定轨原理在主站接收机中，将实际接收频率fRM与基准接收频率fR0混频(fR0=ρfT)，以提取出双程多普勒频率：从上式可以得出双程多普勒测速的公式为：00002ddRMRRRRcRRffffffcRcR02ddRddcfRff15/20测速测距精度理论上应有较高的测量精度。但是在目前条件下，由于测站未能释放探空气球和测量气象参数，因而数据处理时，仅能利用测站的地面气象参数和简化方法修正距离R和高度角A的电波折射误差，而对则未进行修正，严重影响了测量精度的实现，因此改进数据处理方法提高测速精度成为各界的研究重点。目前研究结果表明，USB系统测速RMS约为3~6cm/s，测距RMS约为1~3m，能够满足月球探测器定轨测控要求。R16/20集成USB-VLBI技术的应用17/20集成USB-VLBI技术的应用USB的测量弧段要明显长于VLBI的测量弧段，这是因为USB观测只需单站可见，而VLBI观测需双站共视。其次，VLBI对轨道的横向约束较强，USB观测量对轨道视向(或近似径向)的约束较强，二者联合定轨，可以互为补充，提高定轨精度。我国“嫦娥一号”月球探测器利用了我国“统一S波段(USB)”航天测控网和我国天文台的甚长基线射电干涉网(VLBI系统)，联合使用USB和VLBI技术，实现了“嫦娥一号”月球探测器的导航和定定轨任务，还将用于我国“嫦娥二号”月球探测器各飞行阶段的遥测、遥控、轨道测量和导航任务。18/20APOLLOUSBNETWORK19/20更多USB详细资料ProceedingsoftheAPPOLOUSBtechniqueconference----谢谢！