统一载波测控系统

统一载波测控系统

Unifiedcarrierobserveandcontrolsystem§3.1概述§3.2统一载波系统的工作原理及其组成§3.3统一载波测控系统中采用的新技术§3.4统一载波测控系统的应用作业与思考题2/4/20231§3.1概述[Introduction]在统一载波系统提出之前，测控系统多采用由功能不同的各种设备组合而成的“分离体系”。统一载波测控系统：地面测控站和飞行器测控设备都采用一个载波、一个天线、一个公用信道设备来实现测控，即：在一个载波上用几个副载波调角，实现频分复用的几路信号的传输。从而实现测控中的多功能综合，即将测控的多种功能统一在一个载波上，故称为统一载波测控系统，又称为综合测控系统。当采用S频段（1.55~3.4GHz）载波时，称为统一S频段系统（USB，UnifiedS-band）。当采用C频段（3.4~8GHz）载波时，称为统一C频段系统（UCB，UnifiedC-band）。2/4/202323.1.1“统一”的基本原理[Basicprincipleof“Unified”]“统一”的基本原理是基于频分制多路通信原理，遥测和遥控各用一个副载波传输（有时也增加语音副载波等其他信号），从而实现测轨（测距、测速、测角）、遥测和遥控（即TT＆C）三种功能的综合。载波锁相环是统一载波系统的心脏，是实现它的技术基础。特征：测轨、遥测、遥控三类设备统为一体，频段统为一个。采用伪码测距或多侧音测距技术，以实现无模糊测距。飞行器定轨采用A.E.R单站定轨体制。2/4/202333.1.2统一载波测控系统的特点[Thefeaturesofunifiedcarriersystem”]统一载波并实现多功能综合减小飞行器上设备的体积、重量，且电磁兼容性好。作用距离远采用锁相接收技术，实现了随目标回波的多普勒频率变化的跟踪滤波，由于锁相环带宽窄，大大提高信噪比。采用连续波雷达体制和伪码测距，作用距离远并实现距离无模糊测距。简化了地面设备的维护、使用，同时节约了投资。已纳入国际标准，便于国际合作。具有中等的测距定位精度。采用单站定位体制（即A.E.R定位），较适合于近距离测轨定位，以及轨道航天器的定位（如卫星、飞船）。2/4/202343.1.2统一载波测控系统的特点[Thefeaturesofunifiedcarriersystem”]采用频分制所引起的组合干扰较大，且数据速率不能太高。频分制的一个主要缺点是组合干扰，包括多副载波和多载波的组合干扰。克服频分制组合干扰的一个办法是采用“时分制”，“时分制”传输的是数字信号，用不同的时间分路实现数据的传输，容量大。（“全时分”“全数字”的方案则是美国的TDRSS.）传输信息的副载波频率不能太高，因而数据速率不能很高——为此组成多载波系统，如“阿波罗”登月的USB系统。2/4/20235§3.2统一载波系统的工作原理及其组成[Workingprincipleandcompositionofunifiedcarriersystem]1966年，美国的阿波罗登月工程是统一载波系统最经典的应用。之前的“水星”和“双子星座”飞船测控网为分离测控系统。阿波罗统一S频段测控系统。硬件：飞机应答机和地面系统：飞船上只用了一S频段应答机，地面只用了一套S频段地面站。“阿波罗”登月，包括两个航天器——指挥舱和登月舱，都采用了USB测控系统，有两个信号传输通道，一个是地面与登月舱之间的通道；另一个是地面站与指挥舱之间的通道。当登月舱在月球上着陆后，宇航员在月面行走时与登月舱的联系，通过一个背负式电台来实现。3.2.1统一载波系统的工作原理[Workingprincipleofunifiedcarriersystem]2/4/20236阿波罗统一S频段测控系统。“阿波罗”指挥舱采用“多副载波”频分体制，各副载波的频谱不相重叠，接收时可用分路滤波器分开。“阿波罗”采用上行“双载波”，一个用于对指挥舱的测控；另一个用于对登月舱的测控，从而实现双目标测控。3.2.1统一载波系统的工作原理[Workingprincipleofunifiedcarriersystem]2/4/20237一个完整的统一载波测控系统由14个分系统组成。3.2.2统一载波系统的组成[Compositionofunifiedcarriersystem]天馈伺分系统“天馈伺”是天线、馈源和伺服的简称。天馈伺分系统的作用是定向辐射和接收微波信号能量，通过角跟踪接收机检出角误差信号，连续稳定地跟踪目标，从而实时地跟踪测量出目标的角度位置。主要技术要求：测角精度高，天线增益高。2/4/20238发射分系统发射分系统的作用是对载波信号进行调制和功率放大。主要技术要求：输出功率和短期频率稳定度。接收分系统接收分系统的作用是在强噪声背景中检测出微弱信号，并能以最小的失真复现信号。主要技术指标：噪声温度、本振的短期频率稳定度、群时延漂移、角跟踪通道的相移及增益一致性、锁相环的最窄带宽和捕获灵敏度。3.2.2统一载波系统的组成[Compositionofunifiedcarriersystem]2/4/20239测距分系统测距分系统的作用是测量出地面测控站与飞行器之间的径向距离。主要技术要求：测距精度、最大无模糊测量距离、距离捕获时间。（最大无模糊距离由飞行器的最远距离决定，并用相应的最低频率侧音来保证）测速分系统测速分系统的作用是测量出地面测控站与飞行器之间的径向速度。测量方法采用载波多普勒频率测量法。主要技术要求：测速精度和测速范围。3.2.2统一载波系统的组成[Compositionofunifiedcarriersystem]2/4/202310遥测分系统遥测分系统的作用是接收和处理由飞行器上遥测设备下发的遥测信号，并恢复遥测数据。主要技术要求：误码率、最大码速率、可解调的最高副载波频率和调制解调方式等。遥控分系统遥控分系统的作用是接收测控中心送来的（或本地应急产生的）指令或注入数据，调制到副载波上，再调制到载波上，通过天线实时或定时地向空间发射到飞行器应答机，经应答机解调出已调副载波，再二次解调出遥控指令（或注入数据）。控制执行部件以实现对飞行器的控制。另外，还能将遥控指令和教校验信息经下行信道反馈送回地面站，即经遥测完成校验作用。主要技术要求：漏指令概率、虚指令概率、最大码速率、可解调的最高副载波频率和调制解调方式。3.2.2统一载波系统的组成[Compositionofunifiedcarriersystem]2/4/202311应答机应答机是测控系统中的飞行器载设备，它与地面站协同工作，共同完成测距、测速、测角、遥测、遥控任务。主要技术要求：捕获灵敏度、发射功率、频率捕获范围和捕获时间、距离零值漂移、发射信号的短稳以及体积、重量、耗电、可靠性等特殊要求。监控分系统监控分系统用来对全系统进行监视和控制。监视的内容包括设备状态、工作参数、目标参数、设备配置情况和数据信息，并能进行数据处理格式编排与显示，实时打印全部控制指令；控制功能能实现远控、本控和分控，控制的内容包括：工作状态、工作参数、设备配置、测控系统对目标的捕获的控制和监视等。3.2.2统一载波系统的组成[Compositionofunifiedcarriersystem]2/4/202312时/频终端时/频终端的任务就是将这些设备在时间上和频率上统一联系起来，使不同地点的测控站点在时间和频率上保持严格同步，并满足一定的精度和稳定度要求，从而使测得的数据有统一的时标和相干频率源。数据传输分系统数据传输分系统是测控站的对外接口设备，负责收集和编排测控站测得数据和监控分系统的监视信息，并送往测控中心或其他有关部门；同时也将这些部门发送来的遥控指令（或其他注入数据），远程监控命令，以及测距、测速、测角的指令信号等发往测控站。3.2.2统一载波系统的组成[Compositionofunifiedcarriersystem]2/4/202313测试标校分系统测试标校分系统的作用是进行系统的测角、测距标校系统性能测试、设备调试检查、系统大回路测试，以及系统的模拟演练等。电视跟踪分系统电视跟踪分系统用作无线电信号中断时（如，通过等离子体“黑障”时。注：温度过高形成气体电离层，使通信失效的现象为黑障现象）的角跟踪；同时完成系统的角度和星体标校，可跟踪测量飞机上的光标和标校塔上的光标。数据记录分系统模拟记录器或8mm旋转头数字记录器、热敏绘图仪。3.2.2统一载波系统的组成[Compositionofunifiedcarriersystem]2/4/202314统一载波测控系统的主要任务是完成测控，因此系统工作程序首先是应建立目标和测控站之间的持续的双向通信链路，即实现系统对飞行器的捕获。全过程如下：3.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]角度引导、搜索和截获系统捕获的第一步是完成地面站对空中飞行器在角度上的截获，即使地面站的天线波束对准飞行器目标。2/4/2023153.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]角度引导、搜索和截获角度引导：帮助实现角度截获目标的手段。最常用的有计算机（又称数字）引导、宽波束雷达模拟引导、自带宽波束小天线（和测控天线装在同一个天线轴上）实现自引导。这些引导方式可以综合使用，以提高引导的成功概率。其互联关系：2/4/2023163.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]角度引导、搜索和截获计算机引导（数字引导）测控天线按计算机提供的角度数据和角度变化率运动。宽波束雷达引导用作角度引导的雷达，其波束宽，覆盖空域大，截获目标能力强。2/4/2023173.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]角度引导、搜索和截获角扫描截获方式角扫描截获方式的实现方法是使天线以多种形式在不同范围和方向进行机械扫描（也可用电扫），以覆盖目标轨道可能散布空域，扩大截获目标的范围。天线扫描速率满足的条件：可捕条件：波束照射目标的时间应大于跟踪接收机的频率捕获所定时间和系统判决时间。不漏捕条件：扫描速率和扫描范围还应保证飞行目标以最大穿越速度运动时，在扫描周期内不出现漏掉目标的现象。机构安全条件：天线的最大扫描速度还应控制在天线轴架结构允许的极限值以内，以确保天线伺服机构的安全。2/4/2023183.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]频率引导和频率捕获地面站在完成对飞行器目标的角截获之后，就应进行对飞行器发回的信标频率的捕获。对于用锁相相干解调方式的跟踪接收机载波频率捕获锁定是完成自动角跟踪的先决条件。为使测控系统的跟踪接收机能捕获锁定信标频率，通常在接收机中加频率扫描和频率引导来帮助捕获。2/4/2023193.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]频率引导和频率捕获频率扫描法在跟踪接收机的锁相环的压控振荡器（VCO，VoltageControlOscillator）的控制端加一个单独的扫描三角波电压，当压控振荡器输出频率和收到信号的频率基本对准时，环路即刻进入捕获锁定状态，并跟踪信号频率的变化，此时自动切断扫描电压。特点：简单适用，但平均捕获时间稍长。2/4/2023203.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]频率引导和频率捕获频率引导法分为模拟频率引导和数字式频率引导两种方法。模拟频率引导由多个窄带滤波器组成，所有滤波器输出送入判决电路，当收到目标信号频率时，输出最大的滤波器的中心频率值就是回波信号频率值，即用滤波器完成回波频率的测量。特点：设备量大而复杂，频率捕获时间决定于每个滤波器输出信号的建立稳定时间。2/4/2023213.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]频率引导和频率捕获频率引导法数字式频率引导模拟频率引导的数字化，基于快速傅里叶变换（FFT），完成频谱分析计算和判决。防错锁问题例如：利用旁频频谱对称特性，用两个窄带滤波器，中心频率分别取上旁频和下旁频。如果锁频正确，两滤波器的输出电平几乎相等，如果锁频错误，两滤波器输出相差很大。2/4/2023223.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]双向载波捕获和距离捕获测控系统在完成对飞行器信标频率的捕获之后，还应完成双向载波捕获和距离捕获。双向载波捕获即应答机捕获上行载波和地面接收机捕获下行载波。有相干和非相干两种双向载波捕获及距离捕获过程。2/4/2023233.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]双向载波捕获和距离捕获相干转发系统的捕获过程硬件：飞行器上装配锁相相干转发应答机。它一般采用调相制和相干解调。在捕获锁定前，其压控振荡器处于恒压控制振荡状态。地面测控站发射机具有频率扫描能力。在统一载波系统中一般都采用地面发射机扫频来实现双向载波频率捕获。2/4/2023243.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]双向载波捕获和距离捕获相干转发系统的捕获过程工作过程：地面发射机扫频上行载波应答机锁相捕获（扫至应答机锁相环捕获带内）上行载波捕获锁定应答机扫频（发射机随扫）下行载波地面接收机扫频地面接收机捕获（扫至接收机载波环捕获带内）下行载波捕获锁定令发射机停扫，回到中心频率双捕过程结束2/4/2023253.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]双向载波捕获和距离捕获相干转发系统的捕获过程“双捕”的特征（“双捕”的判决依据）“双锁”判决应答机的锁相环锁定和地面接收机载波环锁定，都给出“已锁定”指示，则已“双捕”。特点：优点是最直接，缺点是双捕时间长，且可靠性下降。2/4/2023263.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]双向载波捕获和距离捕获相干转发系统的捕获过程“双捕”的特征（“双捕”的判决依据）“随扫”判决当上、下行捕获后，其特征是接收机的VCO随发射机扫频，可借此作为“双捕”判决。特点：可靠性高，捕获概率高，速度快，成本低。“环回”判决利用“调制入”和“调制出”的环回比较，可作双捕判决。特点：优点是判决简单，缺点是上行要加调制信号，下行解调器和滤波器。2/4/2023273.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]双向载波捕获和距离捕获相干转发系统的捕获过程双捕方案自动双捕：“双锁”判决或“随扫”判决。人工双捕：利用三重判决，即“随扫指示灯”判决，或“双锁指示灯”判决，或“随扫电表”判决。“双捕”保持：用“环回”判决。2/4/2023283.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]双向载波捕获和距离捕获相干转发系统的捕获过程全系统的捕获过程角引导：伺服和天线完成此功能。频率捕获：数字载波环和FFT完成此功能，这时遥测已实现，是实现角跟踪的先决条件。角跟踪：天馈伺服系统和接收机参加，这时测角已实现。发载波和启扫：发射机、扫频图像产生器和频率合成器完成此功能，并由监控台控制。随扫判决：由数字载波环完成。停扫回零：扫频图像产生器和频率合成器完成，由监控台控制。距离捕获：测距机完成，由监控台送给“已双捕”信号，控制距离捕获开始。测距数据形成：由测距机完成。2/4/2023293.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]双向载波捕获和距离捕获非相干转发系统捕获有多种类型，介绍常见的地面站用调频，飞行应答机为鉴频调相转发方式的典型情况。未捕获前，应答机不断向地面发回信标信号，系统捕获过程如下：角引导：在未捕获目标前，借助角引导和频率引导手段，捕获和跟踪目标应答机信标载波信号频率，并使测控天线自动跟踪目标。2/4/2023303.2.3系统捕获的工作过程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]双向载波捕获和距离捕获非相干转发系统捕获地面发送上行载波调零：适当调整上行载波频率，使上行载波频率和应答机鉴频器零点对准。双向载波捕获完成：调零或发送上行载波完成后，监控台形成“双捕”信号，启动测距机及遥控终端。距离捕获：测距机收到“双捕”信号，完成距离捕获。2/4/202331§3.3统一载波测控系统中采用的新技术[Newtechnologyusedinunifiedcarriersystem]相位锁定技术锁相环是一种自动调节系统，包括三个最基本的部分：鉴相器（PD）、低通滤波器（校正网络，LF）、电压控制振荡器（VCO）。3.3.1数字载波环[Digitalcarrierloop]2/4/202332相位锁定技术鉴相器（PD）：误差鉴别部件，测量输入信号和本地压控振荡器信号之间的相位差。低通滤波器（LF）：将误差电压低通滤波。压控振荡器（VCO）：由一个感受电压变化的变容二极管和普通的振荡器组成。变容二极管电容的变化使振荡器的频率发生变化，从而达到压控振荡频率的目的，故称压控振荡器。3.3.1数字载波环[Digitalcarrierloop]2/4/202333相位锁定技术锁相环的优点：没有频率差；相位相干且相位差可以减到很小；带宽窄；跟踪滤波；相位特性极其平坦；门限较低。锁相环是统一载波系统的核心，表现在：统一载波测控地面站和应答机中都采用了锁相环，从而实现了全系统的相干。弱信号接收是基于锁相环的跟踪滤波作用，并利用锁相环产生的相干信号实现低门限的相干解调。接收机和发射机本振所采用的频率综合器、角跟踪接收机的角误差解调、极化分集合成的同相合成，均利用了相位锁定技术。发射机的调制器和接收机门限扩展解调器也采用了锁相技术。3.3.1数字载波环[Digitalcarrierloop]2/4/202334中频锁相接收机3.3.1数字载波环[Digitalcarrierloop]中频锁相环与简单锁相环的区别：环内增加混频器、中频放大器等，与锁相环共同构成一个大环，故称中频锁相接收机。由于采用稳定度很高的固定不变的基准信号（f0），则（fi-fc）=f0，即通过中频放大器的信号频率固定不变（f0

）。由于中频固定频带可以做的很窄，故信噪比很高。2/4/202335数字锁相环3.3.1数字载波环[Digitalcarrierloop]数字环的优点：可靠性高；性能好；集成度高。数字环的工作原理：组成：数字鉴相器（DPD）、环路数字滤波器（DLF）、数控振荡器（DCO）三部分组成。形式：过零型数字锁相环（ZC-DPLL）触发器型数字锁相环（FF-DPLL,Flip-Flop）导前/滞后型数字锁相环（LL-DPLL）奈奎斯特采样型数字锁相环（NR-DPLL）2/4/202336数字锁相环3.3.1数字载波环[Digitalcarrierloop]过零型数字锁相环的组成及原理采样鉴相器（DPD）：A/D转换器同时完成模数变换和鉴相功能。环路数字滤波器（DLP）：数字滤波器，滤除鉴相器输出的噪声干扰。数控振荡器：由相位累加器和正弦函数只读存储器构成。由只读存储器得到的正弦信号数字波形，由数模变换器（D/A）变成模拟正弦信号，经滤波后作为数控振荡器的输出，另一路经过零电路形成采样脉冲送到数字鉴相器。2/4/202337数字锁相环3.3.1数字载波环[Digitalcarrierloop]数字环的应用测控系统中用来做接收信号处理，主要用在中频接收机和测距机中。（1）中频接收机中的应用卫星下行信号的频谱分析（用于频率引导）频率引导方法：对频率信号进行频谱分析，利用环路数字滤波器中的CPU，在环路捕获之前对鉴相器的输出信号进行FFT变换（快速傅里叶变换），确定载波位置，以此将数控振荡器的频率拉到与其相同，要求FFT分析带宽小于环路带宽，就可以完成正确引导和锁定。2/4/202338数字锁相环3.3.1数字载波环[Digitalcarrierloop]数字环的应用（1）中频接收机中的应用载波捕捉与跟踪载波捕获与跟踪是数字环的主要功能。数字环的捕捉带和同步带比模拟环大得多，而且很容易实现频率引导，容易捕获。同时对输入频率偏移没有静态相位误差。数字环的数控振荡器，主体为数字合成器，输出频率稳定。环路带宽可以做的很窄，对中心频率附近的噪声和干扰滤除能力很强。2/4/202339数字锁相环3.3.1数字载波环[Digitalcarrierloop]数字环的应用（1）中频接收机中的应用测距与遥测信号数字解调特别针对侧音信号的解调，解调后的侧音的相位很稳定，对于提高测距精度有一定好处。载波多普勒频率提取环路锁定后，数字环数控振荡器频率偏移量准确地等于载波多普勒频移。数字滤波器输出量（频率码）直接代表载波多普勒偏移的大小，完成系统多普勒频率提取的功能。采用中频数字环后，测速机变得非常简单，中频环的输出口通过并口送给终端计算机，根据系统参数可实时求出目标速度（距离变化率）2/4/202340数字锁相环3.3.1数字载波环[Digitalcarrierloop]数字环的应用（1）中频接收机中的应用双向载波捕获的判决采用数字滤波环时，可利用控制DCO频率的频率控制码（简称频率码），在数字载波环已有的高速单片机中进行扫频斜率的计算，并由软件进行滤波运算和门限判决运算。AGC（Auto-GainController）（自动增益控制器）控制功能。2/4/202341数字锁相环3.3.1数字载波环[Digitalcarrierloop]数字环的应用（2）测距机中的应用数字锁相环滤波，测距精度高。数字锁相环的应用有利于收发相移的测量：当发端的侧音产生器和环路数控振荡器由相位累加器和正弦只读存储器构成时，两个相位累加器的输出值代表收发两端信号的瞬时相位，将其输出并送到计算机进行相减，即可求出收发相移。2/4/202342综合基带设备的应用将遥测、遥控、测距、测速和中频接收机及中频调制器进行统一设计，构成综合基带设备。优点：设备大大简化，提高了可靠性，降低成本。提高了设备的计算机化的水平。提高了自动化水平。使用维护方便，缩小人员编制。3.3.2综合基带设备[Comprehensivebasebandequipment]2/4/202343基带设备的组成与功能3.3.2综合基带设备[Comprehensivebasebandequipment]基带设备的组成完整的综合基带设备由中频接收单元、中频调制器、中频开关阵列、视频开关阵列、遥测、遥控、测距、时间码、信息处理、监控等单元及遥测、遥控操作单元组成。2/4/202344基带设备的组成与功能基带设备的功能中频接收：接收70MHZ卫星下行信号，完成频率引导、载波捕获与跟踪、解调输出遥测信号和测距信号。中频调制：完成测距和遥控副载波信号对载波的PM或PM的上行调制，产生载波频率扫描。遥测：遥测单元完成PCM-FSK（脉冲编码调制-二进制频移键控）卫星遥测信号解调，恢复基带PCM信号，实现比特同步，提取字同步、帧同步、副帧同步信号，恢复遥测帧信息。全透明地把遥测数据（带时标）经信息处理单元送遥测、遥控操作单元，具有自检功能，利用遥测模拟器进行误码率、误帧概率测试。3.3.2综合基带设备[Comprehensivebasebandequipment]2/4/202345基带设备的组成与功能基带设备的功能遥控：接收并处理由网控中心来的遥控指令，完成指令编码、PSK或FSK副载波调制，通过上行链路实现对星上设备的控制，实时或延时发送并返回操作单元。具有比对功能。采用大回路反馈校验指令体制，通过大环比对确认发送信息是否正确；还可自环和小环比对，实现监视遥控终端机遥控操作单元是否正常。测距：采用纯侧音测距体制，上行发射端产生一组顺序发送的侧音波形，下行接收端提取卫星转发侧音，测量各侧音收发相移，确定卫星距离。3.3.2综合基带设备[Comprehensive