USB技术用于深空探测器定位原理及方法

1、1/20第第6章章 USB技术用于深空探测技术用于深空探测器定位原理及方法器定位原理及方法2/20USB概念及发展USB即统一即统一S波段测控系统波段测控系统(Unified S-Band System)，是指使用，是指使用S波段的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、遥航天器的跟踪测轨、遥测、遥控和天地通信等功能合成一体控和天地通信等功能合成一体的无线电测控系统。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天线跟踪/角测量系统、发射

2、系统、接收系统、角测量系统、发射系统、接收系统、遥测终端、遥控终端遥测终端、遥控终端、测距、测距/测速终端、时测速终端、时/频频终端、监控系统、远程终端、监控系统、远程监控或数据传输设备以监控或数据传输设备以及其它附属设备组成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后相加共同调制到一个载波上发出；在接收端先对载波波上发出；在接收端先对载波解调，然后用不同频率的滤波解调，然后用不同频率的滤波器将各副载波分开；解调各副器将各

3、副载波分开；解调各副载信号得到发送时的原始信息。载信号得到发送时的原始信息。6/20USB MODULATION TECHNIQUE7/20USB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(20004000兆赫)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

4、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技术用于探测器定轨的原理理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

5、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，

6、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)，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 =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。 RMTdUdDTTcRccRffKKffccRcRR14/20定轨原

7、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= fT )，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 02ddRddcfRff15/20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36 cm/s，测距RMS约为13m，能够

8、满足月球探测器定轨测控要求。R16/20集成集成USB-VLBI技术的应用技术的应用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。18/20APOLL