1、1,第八章 航空航天測控技術(shù)概論,孟維曉,2,航空航天技術(shù)是20世紀對人類社會生活最有影響的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一，也是表征一個國家科學(xué)技術(shù)先進性的重要標志，而測控技術(shù)是航天航空中最重要的環(huán)節(jié)之一。 航空是指在地球周圍稠密大氣層內(nèi)的航行活動。 航天是指在大氣層之外的近地空間、行星際空間、行星附近以及恒星際空間的航行活動。但是，在地面發(fā)射航天飛行器或者當航天飛行器返回地面時，都要經(jīng)過大氣層； 特別水平起降的航天飛機，雖然主要活動在大氣層之外的空間中，但其起飛和降落過程與飛機極為相似，就兼有航空和航天的特點。 所以從科學(xué)技術(shù)上看，航空與航天不僅是緊密聯(lián)系的，有時甚至是難以區(qū)別的。,3,航空航天測控系統(tǒng)是

2、指對火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等飛行器的各個階段進行跟蹤、測量和控制的專用技術(shù)設(shè)施。 航空航天測控系統(tǒng)的測量分為兩大類： 一類是精密測量飛行器的飛行彈（軌）道參數(shù)，如坐標、速度、加速度等，稱為外彈道測量，簡稱外測； 另一類是測量飛行器內(nèi)部的工作狀態(tài)，如工作參數(shù)、有效載荷參數(shù)、宇航員生理參數(shù)等，稱為內(nèi)彈道測量，簡稱內(nèi)測，亦稱為遙測。 對飛行器的控制也可分為兩大類： 一類是一次性控制，如對故障火箭、導(dǎo)彈實施“自毀”的安全指令控制，簡稱“安控”； 另一類是對飛行器運行情況的調(diào)整和控制，如對星船的姿態(tài)控制、變軌、交會及回收等各種機動控制。,4,8.1 空間飛行器軌道,在地球大氣層內(nèi)或大氣層之外的空間飛行的器械通

3、稱飛行器。 飛行器的飛行軌跡由主動段和被動段組成。 主動段：飛行器發(fā)動機工作的飛行軌跡段。 被動段：飛行器發(fā)動機不工作的飛行軌跡段。 在整個飛行過程中，主動段和被動段可能交替出現(xiàn)。 邊界點：在飛行軌跡上對應(yīng)發(fā)動機關(guān)機的點。,5,圖8-1 彈道導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船的軌道,6,1. 彈道導(dǎo)彈的飛行彈道,7,2. 人造衛(wèi)星的發(fā)射軌道,8,8.2 坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)8.2.1 坐標系統(tǒng)及換算,1. 地心赤道坐標系如圖8-4所示 坐標系的原點是地心，基準平面是赤道平面，X軸指向某一確定時刻的春分點,9,2. 地心軌道坐標系 地心軌道坐標系OX1Y1Z1如圖8-5所示，坐標系的原點O為地心，基準平面是

4、軌道平面，Y1軸的方向指向近地點（軌道上距離地心最近的點），X1軸位于軌道平面上，它的指向與飛行器在近地點上的運動方向一致，而Z1軸的指向應(yīng)使坐標系構(gòu)成右旋坐標系。,10,3. 大地測量坐標系 大地測量坐標系的原點就是地心，基準平面為赤道平面，X 軸為零子午線平面與赤道平面的相交線，Z 軸為穿過北極點的軸線，而Y 軸的指向應(yīng)使坐標系構(gòu)成右旋坐標系。,11,4. 測量坐標系 在對飛行器進行觀測時，常采用測量坐標系。測量坐標系的原點OT就是地球表面上測控站或其它觀測設(shè)備所在位置點，XT軸位于本地水平面上并指向正北方向，YT軸與本地垂線的方向重合，而ZT軸使坐標系構(gòu)成右旋坐標系。,12,5. 彈體坐

5、標系,彈體坐標系如圖8-8所示，原點O位于導(dǎo)彈質(zhì)心；XDT軸與導(dǎo)彈縱軸重合，指向?qū)楊^部；YDT軸垂直于XDT軸，其指向規(guī)定為當導(dǎo)彈平飛時指向上方；ZDT軸與XDT、YDT構(gòu)成右手坐標系。,13,二、坐標變換,1. 坐標的旋轉(zhuǎn) (1) 坐標繞Z軸旋轉(zhuǎn)OMIGA角度,坐標變換矩陣,14,(2) 坐標繞Y軸旋轉(zhuǎn)FY角度 (3) 坐標繞X軸旋轉(zhuǎn)SITA角度,15,2. 坐標的平移 設(shè)坐標系OXYZ經(jīng)平移后得到坐標系O1X1Y1Z1，空間任意一點P在兩坐標系中的坐標分別為（x,y,z）和(x1,y1,z1)，若新坐標的原點O1在舊坐標系中的坐標為(x0,y0,z0)，那么坐標平移變換關(guān)系可表示為,16

6、,8.2.2 時間系統(tǒng)及換算,太陽時 恒星時 原子時,17,8.3 空間定位的原理與方法,8.3.1 基本的位置測量元素 在目前使用無線電和光學(xué)手段的條件下，可測量的幾何參量有徑向距離R、方位角A、俯仰角E、距離和S、距離差r、方向余弦l、m、n及高度h等幾種。下面分別介紹它們的幾何意義。,18,1. 徑向距離R 若目標到觀測站的徑向距離為R，則目標位于方程 所確定的球面上,19,2. 方位角A 若目標方位角為A，則目標位于 所表示的平面上,20,3. 俯仰角（高低角）E 若俯仰角為E，則目標位于 所確定的錐面上,21,4. 距離和 R1為發(fā)站到目標距離，R2為收站到目標距離。設(shè)發(fā)站和收站間的

7、距離為b，則目標位于以發(fā)站和收站為焦點，以b為焦距，長半軸為S/2的旋轉(zhuǎn)橢球面上。,22,5. 距離差 距離差r表示目標至發(fā)站與收站的距離之差。設(shè)發(fā)站和收站間的距離為b，則目標位于以發(fā)站和收站為焦點，以b為焦距，距離差為r的旋轉(zhuǎn)雙曲面上。,23,6. 方向余弦 方向余弦指目標和基線上坐標原點的連線與基線間的夾角的余弦，如圖8-16(a)所示。若方向余弦為 ，則目標位于一張角為 的水平錐面上。該水平錐面在如圖坐標系中的方程為,24,7. 高度(高程)h 若已知高度h，則目標位于水平面上。其方程為,25,8.3.2 幾種典型的幾何定位方法,確定飛行器在空間的位置是三維問題，即最少需要三個相互獨立的

8、參量才能確定其空間位置。 前述7個位置測量元素，除高度元素h只在個別特殊場合（如巡航導(dǎo)彈）使用外，其余6個位置測量元素中，任意3個都可以確定某一時刻飛行器的空間位置。,26,1. RAE定位方法 精密跟蹤脈沖雷達以及加裝激光測距裝置的光電經(jīng)緯儀一般可測得每一時間點上目標的R、A、E，故可以單站獨立定位。設(shè)單臺雷達測得目標的距離、方位角和俯仰角值分別為R、A、E 。 速度和加速度參數(shù)可由多個時間點的位置參數(shù)通過一次微分和二次微分平滑求得。,27,2. 3 定位方法,由3個距離測量元素R交會可確定空間目標的位置，加上3個徑向距離變化率測量元素可測定空間目標的速度 ，這一系統(tǒng)稱為3 系統(tǒng)。測出三維坐

9、標和三維速度。,28,3. 角度交會定位法,傳統(tǒng)光學(xué)測量設(shè)備的測量元素是兩角度方位角A和俯仰角E，如電影經(jīng)緯儀、彈道照相機等，通過多臺設(shè)備交會測量可得到空間目標的位置參數(shù)。設(shè)a、b兩點各有一臺光學(xué)設(shè)備，同時測量空間目標P，則目標一定處于兩視線的交點上。同時記下兩臺設(shè)備的角度觀測參數(shù)，已知a點和b點在參考坐標系中的坐標，通過計算就可確定目標P的位置。,29,8.4 航空航天測控技術(shù)8.4.1 測控信號與信道設(shè)計,一、測控系統(tǒng)中常用的信號及調(diào)制方式 測控系統(tǒng)中較多的采用二進制編碼信號，即PCM信號來傳輸信息。 這主要用在遙測、遙控和數(shù)字通信中。采用數(shù)字基帶信號具有傳輸精度高，容量大，可利用時分多路

10、傳輸技術(shù)，抗干擾性能好，便于用計算機對數(shù)據(jù)進行處理等優(yōu)點。因此，在測控系統(tǒng)中PCM調(diào)制是一種非常重要的調(diào)制體制。 同樣，利用PCM信號對副載波的調(diào)角（PSK，DPSK，F(xiàn)SK）也是常用的調(diào)制體制。,30,二、信號設(shè)計與載波頻率選擇 1. 基帶信號的設(shè)計 (1) 當指令、遙測、數(shù)傳等信息需要采用抗干擾編碼及誤差控制時，應(yīng)對原始信息進行變換； (2) 對某些信息（如指令、數(shù)傳等）進行加密時，應(yīng)對原始信息進行變換； (3) 當要求與其它消息一起對同一射頻載波進行多重調(diào)制時，為滿足其相容性，應(yīng)對原始信息進行變換； (4) 在原始信息中增設(shè)地址碼或其它輔助信息時有時也要改變原始信息的形式。,31,2.

11、副載波組合方式的選擇 (1) 測距信號的選擇 對于以連續(xù)波方式工作的微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)，測距信號有三種形式： 純側(cè)音測距信號 純二進制的隨機碼測距信號（以下簡稱全碼系統(tǒng)） 混合測距信號（即側(cè)音加二進制偽隨機碼的測距信號） 這三種型式的側(cè)距信號性能比較如表8-1所示。 (2) 副載波頻率及調(diào)制方式的選擇 力求基帶信號本身及其調(diào)制方法簡單； 力求攜帶信號頻譜線集中（即所占帶寬越小越好）； 應(yīng)考慮到各副載波不同調(diào)制方法所占用的帶寬及功率效率；,32,33, 從信息有效傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，副載波頻率不應(yīng)逃擇太高，以利于壓縮中放信息帶寬； 各副載波的組合干擾應(yīng)盡可能不落入各副載波的信息帶寬內(nèi)，為了保證測距精度

12、，各副載波的組合干擾頻率也不應(yīng)落入高側(cè)音窄帶跟蹤環(huán)的帶寬內(nèi)； 對于移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）的副載波信道，必須保證所選副載波頻率和基帶信號的碼速率保持相干并成整數(shù)倍的關(guān)系，以利于相干解調(diào)； 為適應(yīng)不同型號的飛行器的帶寬要求并考慮不同信息路數(shù)和數(shù)據(jù)量，應(yīng)允許副載波適當變動，以便對各種不同型號的要求作最佳安排； 為了防止應(yīng)答機載波環(huán)和接收機載波環(huán)的錯鎖（鎖到副載波頻率上），在可能的條件下，副載波頻率應(yīng)盡可能遠離載波頻率； 為了防止火焰衰減，副載波頻率應(yīng)安排在離載波510KHz內(nèi)； 應(yīng)盡量利用已研制的或市場上已能提供的設(shè)備。,34,3. 射頻信號的設(shè)計 所謂射頻信號設(shè)計主要是指載波調(diào)制的

13、選擇。在無線電測控設(shè)備中，載波調(diào)制方式可分為三種，即調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）。 在高精度跟蹤測量系統(tǒng)中采用調(diào)相方式是比較合適的。 但某些專業(yè)系統(tǒng)，如用于火箭主動階段的遙控系統(tǒng)，為避免火焰干擾，其載波也可采用調(diào)頻方式。,35,4. 載波頻率的選擇,上、下行頻率的選擇 符合國際、國內(nèi)頻段的劃分準則； 電波的傳播特性，通過大氣層的衰減、折射性能及穿透等離子區(qū)的能力等； 現(xiàn)有器件和儀器設(shè)備的條件； 遠近結(jié)合，既保證眼前使用，又能適應(yīng)將來發(fā)展的需要； 有繼承性，能繼承性現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)； 考慮到系統(tǒng)的測量和信息容量，希望載頻選得高一些； 避免和其它電子設(shè)備產(chǎn)生相互干擾。 其它（略）,36,

14、信號設(shè)計流程,微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)信號設(shè)計的一般過程,37,8.4.2 再入遙測技術(shù),定義：再入遙測是指對再次進入大氣層的目標的遙測參數(shù)進行測量 。 特點 1. 信號起伏和衰減大。高速飛行體再入大氣層后，與周圍的大氣發(fā)生劇烈的摩擦和擠壓，在其周圍形成一定厚度的等離子體。無線電波通過等離子體傳播時將引起衰減，嚴重時會使無線電信號中斷，這種現(xiàn)象稱為無線電黑障現(xiàn)象。 2. 測量頻帶寬。再入試驗要求測量頻帶很寬的特快變化信號，有些特快信號的脈沖寬度只有幾十納秒，要從噪聲中準確判斷信號的有無及出現(xiàn)時間并精確測量脈沖的前沿或兩脈沖之間的時間間隔是十分困難的。 3. 低仰角接收。隨著再入體飛行高度的下降，接收天

15、線的仰角越來越低，觸地（水）信號時，地面遙測設(shè)備的天線可能工作在負仰角。低高度接收時存在嚴重的多徑效應(yīng)，使接收信號造成很大的強度變化和衰減，變化范圍可達1040dB(快衰落),38,再入遙測系統(tǒng)設(shè)計中的若干問題 解決再入信號中斷的途徑 避開法： 提高載波頻率（晚進明顯，早出不明顯）， 回收數(shù)據(jù)存儲體（黑匣子）， 記憶重發(fā)（出黑障區(qū)后） 提高發(fā)射功率（航天器）和接收機靈敏度（地面接收機），多方面受限。 減緩法： 附加磁場法，可以束縛自由電子的游動 ，碰撞頻率v越低，則衰減越小 。要獲得明顯效果，所需外加磁場強度將很高，則再入體天線附近附加設(shè)備的體積、重量很大，故這種辦法實現(xiàn)起來比較困難。 噴射消

16、電子液體，可以降低電子濃度23個量級。 改善再入體防熱材料。 特快信號的測量體制 PCM-PPK（略）,39,8.4.3 分包遙測技術(shù)（類似分組交換）,分包遙測是一種航天器遙測數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 概念的基礎(chǔ)是允許航天器上同時運行多個應(yīng)用過程，這些應(yīng)用過程都被看作是數(shù)據(jù)源，每個數(shù)據(jù)源都產(chǎn)生數(shù)據(jù)單元，這些數(shù)據(jù)單元通過空地信道進行傳輸，地面系統(tǒng)可靠恢復(fù)成單獨的數(shù)據(jù)單元，并順序地提供給數(shù)據(jù)用戶。 在分包遙測中，一個實際的物理信道被設(shè)計為邏輯上的64個虛擬信道。所謂虛擬信道，就是利用信號分時傳輸原理，向用戶提供若干（分包遙測中定義為64個）性能相同的信道，多個用戶可以同時使用其中的一個或幾個來傳輸自己的

17、數(shù)據(jù)，但在航天器下行信道管理單元的控制下，在一段時間內(nèi)僅有一個虛擬信道的數(shù)據(jù)被物理信道所傳送。 為完成這些功能，分包遙測定義了兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：源包和傳送幀。,40,8.4.3.1 源包結(jié)構(gòu),源包（也可稱為包）包含一組觀測數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)從空間的應(yīng)用過程傳輸給地面的一個或幾個用戶應(yīng)用。,41,8.4.3.2 傳送幀,源包的上層定義的一種新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即傳送幀。傳送幀包含源包、閑置數(shù)據(jù)和專門定義數(shù)據(jù)。,42,8.5 航天測控系統(tǒng)的功能與組成,43,8.5.1航天測控系統(tǒng)的分類,航天測控系統(tǒng)是指在導(dǎo)彈及各類航天飛行器飛行的各個階段（發(fā)射、運行、回收等），完成對其測量和控制這樣兩大任務(wù)的那些技術(shù)

18、系統(tǒng)。 按測控對象的不同測控系統(tǒng)可分為： 導(dǎo)彈測控系統(tǒng)、衛(wèi)星測控系統(tǒng)和飛船測控系統(tǒng)三大類。 航天測控系統(tǒng)也可按照作用距離范圍的不同分為： 導(dǎo)彈靶場測控系統(tǒng)、近地衛(wèi)星測控系統(tǒng)、高軌道衛(wèi)星測控系統(tǒng)和深空測控系統(tǒng)四種。 各類測控系統(tǒng)的特點（筆記）,44,8.5.2 航天測控系統(tǒng)的功能,1.外彈道測量 指精密測量航天器的飛行軌道與姿態(tài)參數(shù)，如坐標、速度等。目前常用的外測系統(tǒng)有兩類：光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)和無線電跟蹤測量系統(tǒng)。 光學(xué)跟蹤測量系統(tǒng)包括可見光設(shè)備、紅外設(shè)備和激光設(shè)備，其特點是：測量精度高；無需在彈上或衛(wèi)星上設(shè)置復(fù)雜的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備；不易受電磁干擾；作用距離近；受天候影響大；不易實現(xiàn)精確測速。因此，它常被用于導(dǎo)彈起飛段和彈頭再入段的測量。 無線電跟蹤測量系統(tǒng)包括各種精密跟蹤脈沖雷達、連續(xù)波雷達系統(tǒng)、連