統一載波測控系統

Unifiedcarrierobserveandcontrolsystem§3.1概述§3.2統一載波系統的工作原理及其組成§3.3統一載波測控系統中采用的新技術§3.4統一載波測控系統的應用作業與思考題12/9/20221§3.1概述[Introduction]在統一載波系統提出之前，測控系統多采用由功能不同的各種設備組合而成的“分離體系”。統一載波測控系統：地面測控站和飛行器測控設備都采用一個載波、一個天線、一個公用信道設備來實現測控，即：在一個載波上用幾個副載波調角，實現頻分復用的幾路信號的傳輸。從而實現測控中的多功能綜合，即將測控的多種功能統一在一個載波上，故稱為統一載波測控系統，又稱為綜合測控系統。當采用S頻段（1.55~3.4GHz）載波時，稱為統一S頻段系統（USB，UnifiedS-band）。當采用C頻段（3.4~8GHz）載波時，稱為統一C頻段系統（UCB，UnifiedC-band）。12/9/202223.1.1“統一”的基本原理[Basicprincipleof“Unified”]“統一”的基本原理是基于頻分制多路通信原理，遙測和遙控各用一個副載波傳輸（有時也增加語音副載波等其他信號），從而實現測軌（測距、測速、測角）、遙測和遙控（即TT＆C）三種功能的綜合。載波鎖相環是統一載波系統的心臟，是實現它的技術基礎。特征：測軌、遙測、遙控三類設備統為一體，頻段統為一個。采用偽碼測距或多側音測距技術，以實現無模糊測距。飛行器定軌采用A.E.R單站定軌體制。12/9/202233.1.2統一載波測控系統的特點[Thefeaturesofunifiedcarriersystem”]采用頻分制所引起的組合干擾較大，且數據速率不能太高。頻分制的一個主要缺點是組合干擾，包括多副載波和多載波的組合干擾。克服頻分制組合干擾的一個辦法是采用“時分制”，“時分制”傳輸的是數字信號，用不同的時間分路實現數據的傳輸，容量大。（“全時分”“全數字”的方案則是美國的TDRSS.）傳輸信息的副載波頻率不能太高，因而數據速率不能很高——為此組成多載波系統，如“阿波羅”登月的USB系統。12/9/20225§3.2統一載波系統的工作原理及其組成[Workingprincipleandcompositionofunifiedcarriersystem]1966年，美國的阿波羅登月工程是統一載波系統最經典的應用。之前的“水星”和“雙子星座”飛船測控網為分離測控系統。阿波羅統一S頻段測控系統。硬件：飛機應答機和地面系統：飛船上只用了一S頻段應答機，地面只用了一套S頻段地面站。“阿波羅”登月，包括兩個航天器——指揮艙和登月艙，都采用了USB測控系統，有兩個信號傳輸通道，一個是地面與登月艙之間的通道；另一個是地面站與指揮艙之間的通道。當登月艙在月球上著陸后，宇航員在月面行走時與登月艙的聯系，通過一個背負式電臺來實現。3.2.1統一載波系統的工作原理[Workingprincipleofunifiedcarriersystem]12/9/20226阿波羅統一S頻段測控系統。“阿波羅”指揮艙采用“多副載波”頻分體制，各副載波的頻譜不相重疊，接收時可用分路濾波器分開。“阿波羅”采用上行“雙載波”，一個用于對指揮艙的測控；另一個用于對登月艙的測控，從而實現雙目標測控。3.2.1統一載波系統的工作原理[Workingprincipleofunifiedcarriersystem]12/9/20227一個完整的統一載波測控系統由14個分系統組成。3.2.2統一載波系統的組成[Compositionofunifiedcarriersystem]天饋伺分系統“天饋伺”是天線、饋源和伺服的簡稱。天饋伺分系統的作用是定向輻射和接收微波信號能量，通過角跟蹤接收機檢出角誤差信號，連續穩定地跟蹤目標，從而實時地跟蹤測量出目標的角度位置。主要技術要求：測角精度高，天線增益高。12/9/20228測距分系統測距分系統的作用是測量出地面測控站與飛行器之間的徑向距離。主要技術要求：測距精度、最大無模糊測量距離、距離捕獲時間。（最大無模糊距離由飛行器的最遠距離決定，并用相應的最低頻率側音來保證）測速分系統測速分系統的作用是測量出地面測控站與飛行器之間的徑向速度。測量方法采用載波多普勒頻率測量法。主要技術要求：測速精度和測速范圍。3.2.2統一載波系統的組成[Compositionofunifiedcarriersystem]12/9/202210應答機應答機是測控系統中的飛行器載設備，它與地面站協同工作，共同完成測距、測速、測角、遙測、遙控任務。主要技術要求：捕獲靈敏度、發射功率、頻率捕獲范圍和捕獲時間、距離零值漂移、發射信號的短穩以及體積、重量、耗電、可靠性等特殊要求。監控分系統監控分系統用來對全系統進行監視和控制。監視的內容包括設備狀態、工作參數、目標參數、設備配置情況和數據信息，并能進行數據處理格式編排與顯示，實時打印全部控制指令；控制功能能實現遠控、本控和分控，控制的內容包括：工作狀態、工作參數、設備配置、測控系統對目標的捕獲的控制和監視等。3.2.2統一載波系統的組成[Compositionofunifiedcarriersystem]12/9/202212測試標校分系統測試標校分系統的作用是進行系統的測角、測距標校系統性能測試、設備調試檢查、系統大回路測試，以及系統的模擬演練等。電視跟蹤分系統電視跟蹤分系統用作無線電信號中斷時（如，通過等離子體“黑障”時。注：溫度過高形成氣體電離層，使通信失效的現象為黑障現象）的角跟蹤；同時完成系統的角度和星體標校，可跟蹤測量飛機上的光標和標校塔上的光標。數據記錄分系統模擬記錄器或8mm旋轉頭數字記錄器、熱敏繪圖儀。3.2.2統一載波系統的組成[Compositionofunifiedcarriersystem]12/9/202214統一載波測控系統的主要任務是完成測控，因此系統工作程序首先是應建立目標和測控站之間的持續的雙向通信鏈路，即實現系統對飛行器的捕獲。全過程如下：3.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]角度引導、搜索和截獲系統捕獲的第一步是完成地面站對空中飛行器在角度上的截獲，即使地面站的天線波束對準飛行器目標。12/9/2022153.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]角度引導、搜索和截獲角度引導：幫助實現角度截獲目標的手段。最常用的有計算機（又稱數字）引導、寬波束雷達模擬引導、自帶寬波束小天線（和測控天線裝在同一個天線軸上）實現自引導。這些引導方式可以綜合使用，以提高引導的成功概率。其互聯關系：12/9/2022163.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]角度引導、搜索和截獲計算機引導（數字引導）測控天線按計算機提供的角度數據和角度變化率運動。寬波束雷達引導用作角度引導的雷達，其波束寬，覆蓋空域大，截獲目標能力強。12/9/2022173.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]角度引導、搜索和截獲角掃描截獲方式角掃描截獲方式的實現方法是使天線以多種形式在不同范圍和方向進行機械掃描（也可用電掃），以覆蓋目標軌道可能散布空域，擴大截獲目標的范圍。天線掃描速率滿足的條件：可捕條件：波束照射目標的時間應大于跟蹤接收機的頻率捕獲所定時間和系統判決時間。不漏捕條件：掃描速率和掃描范圍還應保證飛行目標以最大穿越速度運動時，在掃描周期內不出現漏掉目標的現象。機構安全條件：天線的最大掃描速度還應控制在天線軸架結構允許的極限值以內，以確保天線伺服機構的安全。12/9/2022183.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]頻率引導和頻率捕獲頻率掃描法在跟蹤接收機的鎖相環的壓控振蕩器（VCO，VoltageControlOscillator）的控制端加一個單獨的掃描三角波電壓，當壓控振蕩器輸出頻率和收到信號的頻率基本對準時，環路即刻進入捕獲鎖定狀態，并跟蹤信號頻率的變化，此時自動切斷掃描電壓。特點：簡單適用，但平均捕獲時間稍長。12/9/2022203.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]頻率引導和頻率捕獲頻率引導法分為模擬頻率引導和數字式頻率引導兩種方法。模擬頻率引導由多個窄帶濾波器組成，所有濾波器輸出送入判決電路，當收到目標信號頻率時，輸出最大的濾波器的中心頻率值就是回波信號頻率值，即用濾波器完成回波頻率的測量。特點：設備量大而復雜，頻率捕獲時間決定于每個濾波器輸出信號的建立穩定時間。12/9/2022213.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]雙向載波捕獲和距離捕獲測控系統在完成對飛行器信標頻率的捕獲之后，還應完成雙向載波捕獲和距離捕獲。雙向載波捕獲即應答機捕獲上行載波和地面接收機捕獲下行載波。有相干和非相干兩種雙向載波捕獲及距離捕獲過程。12/9/2022233.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]雙向載波捕獲和距離捕獲相干轉發系統的捕獲過程硬件：飛行器上裝配鎖相相干轉發應答機。它一般采用調相制和相干解調。在捕獲鎖定前，其壓控振蕩器處于恒壓控制振蕩狀態。地面測控站發射機具有頻率掃描能力。在統一載波系統中一般都采用地面發射機掃頻來實現雙向載波頻率捕獲。12/9/2022243.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]雙向載波捕獲和距離捕獲相干轉發系統的捕獲過程“雙捕”的特征（“雙捕”的判決依據）“雙鎖”判決應答機的鎖相環鎖定和地面接收機載波環鎖定，都給出“已鎖定”指示，則已“雙捕”。特點：優點是最直接，缺點是雙捕時間長，且可靠性下降。12/9/2022263.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]雙向載波捕獲和距離捕獲相干轉發系統的捕獲過程“雙捕”的特征（“雙捕”的判決依據）“隨掃”判決當上、下行捕獲后，其特征是接收機的VCO隨發射機掃頻，可借此作為“雙捕”判決。特點：可靠性高，捕獲概率高，速度快，成本低。“環回”判決利用“調制入”和“調制出”的環回比較，可作雙捕判決。特點：優點是判決簡單，缺點是上行要加調制信號，下行解調器和濾波器。12/9/2022273.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]雙向載波捕獲和距離捕獲相干轉發系統的捕獲過程雙捕方案自動雙捕：“雙鎖”判決或“隨掃”判決。人工雙捕：利用三重判決，即“隨掃指示燈”判決，或“雙鎖指示燈”判決，或“隨掃電表”判決。“雙捕”保持：用“環回”判決。12/9/2022283.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]雙向載波捕獲和距離捕獲非相干轉發系統捕獲有多種類型，介紹常見的地面站用調頻，飛行應答機為鑒頻調相轉發方式的典型情況。未捕獲前，應答機不斷向地面發回信標信號，系統捕獲過程如下：角引導：在未捕獲目標前，借助角引導和頻率引導手段，捕獲和跟蹤目標應答機信標載波信號頻率，并使測控天線自動跟蹤目標。12/9/2022303.2.3系統捕獲的工作過程[Workingprocessofsystemcapture/acquisition]雙向載波捕獲和距離捕獲非相干轉發系統捕獲地面發送上行載波調零：適當調整上行載波頻率，使上行載波頻率和應答機鑒頻器零點對準。雙向載波捕獲完成：調零或發送上行載波完成后，監控臺形成“雙捕”信號，啟動測距機及遙控終端。距離捕獲：測距機收到“雙捕”信號，完成距離捕獲。12/9/202231§3.3統一載波測控系統中采用的新技術[Newtechnologyusedinunifiedcarriersystem]相位鎖定技術鎖相環是一種自動調節系統，包括三個最基本的部分：鑒相器（PD）、低通濾波器（校正網絡，LF）、電壓控制振蕩器（VCO）。3.3.1數字載波環[Digitalcarrierloop]12/9/202232相位鎖定技術鑒相器（PD）：誤差鑒別部件，測量輸入信號和本地壓控振蕩器信號之間的相位差。低通濾波器（LF）：將誤差電壓低通濾波。壓控振蕩器（VCO）：由一個感受電壓變化的變容二極管和普通的振蕩器組成。變容二極管電容的變化使振蕩器的頻率發生變化，從而達到壓控振蕩頻率的目的，故稱壓控振蕩器。3.3.1數字載波環[Digitalcarrierloop]12/9/202233相位鎖定技術鎖相環的優點：沒有頻率差；相位相干且相位差可以減到很小；帶寬窄；跟蹤濾波；相位特性極其平坦；門限較低。鎖相環是統一載波系統的核心，表現在：統一載波測控地面站和應答機中都采用了鎖相環，從而實現了全系統的相干。弱信號接收是基于鎖相環的跟蹤濾波作用，并利用鎖相環產生的相干信號實現低門限的相干解調。接收機和發射機本振所采用的頻率綜合器、角跟蹤接收機的角誤差解調、極化分集合成的同相合成，均利用了相位鎖定技術。發射機的調制器和接收機門限擴展解調器也采用了鎖相技術。3.3.1數字載波環[Digitalcarrierloop]12/9/202234中頻鎖相接收機3.3.1數字載波環[Digitalcarrierloop]中頻鎖相環與簡單鎖相環的區別：環內增加混頻器、中頻放大器等，與鎖相環共同構成一個大環，故稱中頻鎖相接收機。由于采用穩定度很高的固定不變的基準信號（f0），則（fi-fc）=f0，即通過中頻放大器的信號頻率固定不變（f0

）。由于中頻固定頻帶可以做的很窄，故信噪比很高。12/9/202235數字鎖相環3.3.1數字載波環[Digitalcarrierloop]數字環的優點：可靠性高；性能好；集成度高。數字環的工作原理：組成：數字鑒相器（DPD）、環路數字濾波器（DLF）、數控振蕩器（DCO）三部分組成。形式：過零型數字鎖相環（ZC-DPLL）觸發器型數字鎖相環（FF-DPLL,Flip-Flop）導前/滯后型數字鎖相環（LL-DPLL）奈奎斯特采樣型數字鎖相環（NR-DPLL）12/9/202236數字鎖相環3.3.1數字載波環[Digitalcarrierloop]過零型數字鎖相環的組成及原理采樣鑒相器（DPD）：A/D轉換器同時完成模數變換和鑒相功能。環路數字濾波器（DLP）：數字濾波器，濾除鑒相器輸出的噪聲干擾。數控振蕩器：由相位累加器和正弦函數只讀存儲器構成。由只讀存儲器得到的正弦信號數字波形，由數模變換器（D/A）變成模擬正弦信號，經濾波后作為數控振蕩器的輸出，另一路經過零電路形成采樣脈沖送到數字鑒相器。12/9/202237數字鎖相環3.3.1數字載波環[Digitalcarrierloop]數字環的應用測控系統中用來做接收信號處理，主要用在中頻接收機和測距機中。（1）中頻接收機中的應用衛星下行信號的頻譜分析（用于頻率引導）頻率引導方法：對頻率信號進行頻譜分析，利用環路數字濾波器中的CPU，在環路捕獲之前對鑒相器的輸出信號進行FFT變換（快速傅里葉變換），確定載波位置，以此將數控振蕩器的頻率拉到與其相同，要求FFT分析帶寬小于環路帶寬，就可以完成正確引導和鎖定。12/9/202238數字鎖相環3.3.1數字載波環[Digitalcarrierloop]數字環的應用（1）中頻接收機中的應用載波捕捉與跟蹤載波捕獲與跟蹤是數字環的主要功能。數字環的捕捉帶和同步帶比模擬環大得多，而且很容易實現頻率引導，容易捕獲。同時對輸入頻率偏移沒有靜態相位誤差。數字環的數控振蕩器，主體為數字合成器，輸出頻率穩定。環路帶寬可以做的很窄，對中心頻率附近的噪聲和干擾濾除能力很強。12/9/202239數字鎖相環3.3.1數字載波環[Digitalcarrierloop]數字環的應用（1）中頻接收機中的應用測距與遙測信號數字解調特別針對側音信號的解調，解調后的側音的相位很穩定，對于提高測距精度有一定好處。載波多普勒頻率提取環路鎖定后，數字環數控振蕩器頻率偏移量準確地等于載波多普勒頻移。數字濾波器輸出量（頻率碼）直接代表載波多普勒偏移的大小，完成系統多普勒頻率提取的功能。采用中頻數字環后，測速機變得非常簡單，中頻環的輸出口通過并口送給終端計算機，根據系統參數可實時求出目標速度（距離變化率）12/9/202240數字鎖相環3.3.1數字載波環[Digitalcarrierloop]數字環的應用（1）中頻接收機中的應用雙向載波捕獲的判決采用數字濾波環時，可利用控制DCO頻率的頻率控制碼（簡稱頻率碼），在數字載波環已有的高速單片機中進行掃頻斜率的計算，并由軟件進行濾波運算和門限判決運算。AGC（Auto-GainController）（自動增益控制器）控制功能。12/9/202241數字鎖相環3.3.1數字載波環[Digitalcarrierloop]數字環的應用（2）測距機中的應用數字鎖相環濾波，測距精度高。數字鎖相環的應用有利于收發相移的測量：當發端的側音產生器和環路數控振蕩器由相位累加器和正弦只讀存儲器構成時，兩個相位累加器的輸出值代表收發兩端信號的瞬時相位，將其輸出并送到計算機進行相減，即可求出收發相移。12/9/202242綜合基帶設備的應用將遙測、遙控、測距、測速和中頻接收機及中頻調制器進行統一設計，構成綜合基帶設備。優點：設備大大簡化，提高了可靠性，降低成本。提高了設備的計算機化的水平。提高了自動化水平。使用維護方便，縮小人員編制。3.3.2綜合基帶設備[Comprehensivebasebandequipment]12/9/202243基帶設備的組成與功能3.3.2綜合基帶設備[Comprehensivebasebandequipment]基帶設備的組成完整的綜合基帶設備由中頻接收單元、中頻調制器、中頻開關陣列、視頻開關陣列、遙測、遙控、測距、時間碼、信息處理、監控等單元及遙測、遙控操作單元組成。12/9/202244基帶設備的組成與功能基帶設備的功能中頻接收：接收70MHZ衛星下行信號，完成頻率引導、載波捕獲與跟蹤、解調輸出遙測信號和測距信號。中頻調制：完成測距和遙控副載波信號對載波的PM或PM的上行調制，產生載波頻率掃描。遙測：遙測單元完成PCM-FSK（脈沖編碼調制-二進制頻移鍵控）衛星遙測信號解調，恢復基帶PCM信號，實現比特同步，提取字同步、幀同步、副幀同步信號，恢復遙測幀信息。全透明地把遙測數據（帶時標）經信息處理單元送遙測、遙控操作單元，具有自檢功能，利用遙測模擬器進行誤碼率、誤幀概率測試。3.3.2綜合基帶設備[Comprehensivebasebandequipment]12/9/202245基帶設備的組成與功能基帶設備的功能遙控：接收并處理由網控中心來的遙控指令，完成指令編碼、PSK或FSK副載波調制，通過上行鏈路實現對星上設備的控制，實時或延時發送并返回操作單元。具有比對功能。采用大回路反饋校驗指令體制，通過大環比對確認發送信息是否正確；還可自環和小環比對，實現監視遙控終端機遙控操作單元是否正常。測距：采用純側音測距體制，上行發射端產生一組順序發送的側音波形，下行接收端提取衛星轉發側音，測量各側音收發相移，確定衛星距離。3.3.2綜合基帶設備[Comprehensivebasebandequipment]12/9/202246基帶設備的組成與功能基帶設備的功能時間/頻率產生：接收站時統送來的時間碼和頻標，產生所需時間和各種時鐘頻率，對時間能進行預置和修改。實現遙測測距數據加入時間標志，遙控完成時間符合發令及產生執行脈沖。監控：監控單元通過以太網與監控臺相連，完成以下功能：遙控時，接收監控臺命令，對基帶設備的工作參數、狀態進行設置。本控時，通過面板對基帶設備的工作參數、狀態