作者：董光亮,李国民,王新永,石磊,魏贺佳
出版社：清华大学出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
中国深空网:系统设计与关键技术(中)S-X-Ka三频段深空测控通信系统试读：
前言
深空网是人类与深空探测器联系的桥梁与纽带。深空网拥有深空测控通信能力，是开展月球探测必须具备的前提条件，也是探月工程最具挑战性的任务之一。探月工程启动后，我国的测控工程师们以探月工程为牵引，兼顾火星、小行星等深空探测任务的需求，描绘出中国深空网的蓝图——在布局上，由分布在中国东部、西部以及南美洲的3个深空站提供全球90%以上的测控覆盖；在频段上，兼容了目前国际上深空测控任务使用的所有频段；在天线口径上，按照4亿千米火星探测的基本要求设计。
佳木斯66m S/X双频段深空测控通信系统（DSF1）和喀什35m S/X/Ka三频段深空测控通信系统（DSF2）的设计建设正是在这一蓝图下进行的。经过5年的研制建设，这两套深空测控通信系统均于2013年正式投入使用。它们的建成，极大地提升了中国远距离测控通信能力，成为中国航天测控发展史上又一个重要的里程碑。
这两套深空测控通信系统基于国内自主研发，成功实现了波束波导馈电系统、10kW速调管功放、超低温制冷场放、微弱信号超窄带接收机、氢钟建造及干涉测量等技术。按照空间数据系统咨询委员会（CCSDS）建议书中的深空测控任务标准，这两套系统已经具有音码测距、伪码测距、载波相位测量、三向测量等功能，采用空间链路扩展（SLE）协议，可以和符合CCSDS建议的其他国外深空测控站实现深空测控任务的国际联测和数据交互。
2012年，两套深空测控通信系统在嫦娥二号与图塔蒂斯小行星交会飞越探测中获得成功应用，并于2013年作为主力测控通信设备圆满完成了嫦娥三号探月飞行任务。这标志着中国深空测控通信能力的形成，使中国成为国际上第四个具有独立完成深空测控任务能力的国家。
北京跟踪与通信技术研究所是这两套深空测控通信系统的总体设计单位，西南电子技术研究所是66m S/X双频段深空测控通信系统的总体研制单位，石家庄通信测控技术研究所是35m S/X/Ka三频段深空测控通信系统和深空干涉测量系统的总体研制单位，西北电子设备研究所、中原电子技术研究所、北京遥测技术研究所、中国西安卫星测控中心、中国人民解放军装备学院、合肥低温电子研究所等单位承担了这两套系统有关分系统的研制工作。在此，对他们为中国航天测控事业作出的努力和贡献表示衷心的感谢！
中国深空网及其深空测控通信系统的研制，为设计师队伍提供了极富挑战的创新实践平台。他们积极进取，勇于探索，采用大量电子与信息技术领域的尖端技术，攻克多项关键难题，取得了许多宝贵经验和技术成果，成为航天测控领域一笔宝贵的财富。把这些来之不易的技术成果固化下来，是编写本套图书的主要目的。
本套图书由三个分册组成，分别是《S/X双频段深空测控通信系统》《S/X/Ka三频段深空测控通信系统》和《深空干涉测量系统》，对应着佳木斯66m深空测控通信系统、喀什35m深空测控通信系统以及由这两套深空系统与数据处理中心组成的甚长基线干涉测量（VLBI）系统。书中对上述设备系统级和分系统级的功能与技术指标、组成及工作原理、方案设计、关键技术等进行了系统详尽的描述，希望为我国深空测控通信系统的使用者提供详尽系统的技术资料，为我国后续深空测控通信系统的设计提供有益的参考和借鉴，也希望能为对深空测控通信感兴趣的同行们提供有用的技术资讯。
本套图书的编写人员均为中国深空网的设计和研制人员。他们在承担繁重工程任务的同时，挤出时间从事写作工作，对深空测控通信系统涉及的技术进行了细致的归纳梳理和认真的分析总结。由于我们写作水平有限，书中难免有疏漏和不当之处，恳请读者批评指正。《中国深空网：系统设计与关键技术》编审委员会2016年5月第1章系统1.1 概述
深空探测工程极大拓展了人类对宇宙认知的深度和广度，但是星际飞船即便是在太阳系的各行星之间飞行也比在地面上的任何航行距离都要远得多。以太阳系中我们的近邻火星为例，其距太阳的平均距离为1.524AU（1AU相当于149 457 000km，为地球到太阳的平均距离），与地球的星际距离在5000万~5亿km之间变化。
可以预见，星际航行中的测控、通信问题也就更加困难、复杂而且重要。1.1.1 深空测控通信系统的任务（1）跟踪测量导航
在探测器飞行过程中，地面指挥控制人员要知道探测器任何时候所处的飞行位置，探测器也要随时知道自己所在的空间位置，以便进行姿态保持或控制。这就需要通过深空网对探测器进行双向或多向测距、多普勒测速和甚长基线干涉测量来实现对探测器的跟踪测量。通过融合连续或多弧段的各类测量数据，可以对探测器的飞行轨道进行计算定轨，同时将定轨结果注入探测器，以供制导、导航与控制分系统使用。（2）任务飞行控制
为了完成特定的深空探测任务，探测器需要从发射初始轨道经过一系列的变轨以达到目标轨道。例如，对于火星着陆探测，其主要的飞行控制包括地火转移轨道的中途修正控制、近火点制动捕获火星控制、环绕火星轨道控制和着陆火星控制等。任务飞行控制是建立在跟踪测量定轨基础上的，由任务中心根据任务设计的轨道要求计算出当前轨道到目标轨道的变轨控制量，并通过深空网注入探测器完成探测器的变轨任务。（3）探测任务操作
探测任务操作是任务控制中心根据探测器的当前状态和探测任务要求，编排一系列指令控制程序，并通过探测器相关执行机构实施的过程。探测操作可分为直接控制操作、程序控制操作和交互式操作3种基本模式。根据任务的复杂程度，一项操作任务的实施可由一种或多种不同操作模式组合完成。（4）数据传输通信
数据传输通信就是将探测器产生或获取的各类信息数据传输到地面，供各类用户使用。这些数据主要包括探测数据和视频图像信息，如果是载人活动，还包括语音信息。探测数据主要供科研人员为完成科学目标和任务而开展科学研究，图像和语音信息主要供任务中心进行任务指挥和控制使用。1.1.2 深空探测通信的特点（1）信号空间衰减大
深空测控需要对几亿千米，甚至上百亿千米的遥远探测器进行测控，信号衰减程度非常大。无线电信号功率按传播距离的平方衰减，遥远的距离带来巨大的信号路径损耗，这意味着同样强度的发射信号，传播距离越远接收方得到的信号越微弱，可传输的有效信息将急剧下降，或者为保证一定的信息量传输将花费更大的代价。
为了弥补深空测控通信巨大的信号空间衰减，通常采用增大天线口径、增加射频发射功率、降低接收系统噪声温度（简称噪温）、提高载波频率、利用高效信道编译码技术、降低传输码速率和通过数据压缩降低信息传输数据量等措施。（2）信号空间传输时延长
近地卫星测控中，电波的空间传播时延为毫秒（ms）级，在深空测控中，这个时间延长到了数分钟甚至数小时（到火星11min，1亿km；海王星8h，43.5亿km）。
常规测控模式已不再适应深空任务大时延的特点，比如要完成1亿km的距离测量，常规测距模式下距离捕获的时间将达到1.5h，而对海王星探测器测距时，上行测距音经探测器转发返回地面后，地面站可能由于地球自转而无法看到目标。
针对以上特点，地面深空站需研究适应深空任务特点的深空测距流程以及三向测距模式。（3）高精度导航困难
与近地航天器导航相比，深空探测器距离地球遥远，无法使用像全球定位系统（GPS）这样的卫星导航系统；同时，由于地面接收到的深空探测器信号非常微弱，还将导致无线电测距测速精度的恶化；此外，由于深空探测器相对于单个地面站测量的几何关系变化非常微小，也不利于实现高精度的轨道测量。
目前深空测控设备的测距、测速、测角的精度要求仍然很高，比如在信噪比20dBHz的条件下，S频段测速随机误差1mm/s、X频段测速随机误差0.1mm/s，测距随机误差1m。针对这样的要求，需要采用大口径天线、制冷超导滤波器和低噪声场放来提高系统的品质因数（G/T），其次，需要在接收基带采用超窄带的载波锁相环和副载波锁相环保证测量精度。
为实现深空探测器的高精度导航，已经开发了双差分单向测距（ΔDOR）和再生伪码测距技术。ΔDOR是一种干涉技术，它通过一条长基线两端的2个地面站接收航天器差分单向测距（DOR）音的相干来提供精确的探测器角位置，可实现5nrad的导航精度。再生伪码测距是通过深空探测器解调上行链路测距信号，然后再生转发到地面，消除了上行链路噪声的影响，从而提高测距精度。
为保证在这种长延迟条件下精确的双向或三向测速和测距，深空-15站必须配备长期稳定度（2×10/h）和准确度很高的原子频标（如铯钟、氢脉泽）。图1-1给出了美国国家航空航天局（NASA）深空网原子频标发展路线图。图1-1 NASA深空网原子频标发展路线图（4）信号传播环境复杂
深空测控通信无线电信号要穿越变化复杂的太阳等离子区，经受随时出现的太阳风暴的冲击；同时，对具有大气层的地外天体的探测中，信号还要穿过该星体的大气层，这些都会给测控通信性能带来影响。无线电信号的频率越高，电波波长越短，受电离层和太阳等离子区中带电粒子的影响就越小，从而可以提高无线电测量的精度。1.1.3 关键技术
深空测控通信任务是由全球布站的地面深空网和深空探测器共同完成的，而地面深空站则是地面深空网中的重要组成部分，其性能指标必须与深空任务特点相适应，满足在深空距离上的可靠控制、高灵敏度微弱信号接收以及高精度测量的要求。
喀什35m深空站是面向深空测控通信任务而设计的大型地面系统，其特点如下：
1）配有大口径抛物面天线以及极低噪声的波束波导（BWG）射频网络；
2）发射机输出功率高，达到1万W或更高；
3）接收机具有极高的接收灵敏度，能够对淹没在噪声以下的信号进行跟踪处理；
4）需对低信噪比和高动态的信号进行接收和处理；
5）配备高精度高稳定度的时间与频率系统；
6）系统标校流程复杂，需探索高精度深空大天线标校方法；
7）系统电磁兼容性（EMC）设计复杂。
针对地面深空站以上特点，提炼出电路设计、系统标校、微弱信号捕获跟踪以及测距体制等方面需要解决的关键技术问题。1.1.3.1 天伺馈关键技术（1）深空天线波束波导设计技术
深空站高功放、低温接收机布局在地面机房，按照常规天线设计方案，馈源安装在天线中心体内，馈源至低温接收机收馈线、至高功放的发馈线很长，即使采用波导传输也会带来较大损耗，严重影响系统G/T值和等效全向辐射功率（EIRP）等技术指标的实现。
地面深空站天线设计采用波束波导方案，天线焦点处的能量被传输到地面，安装在常规天线中心体内的馈源转移到了地面机房，从而有效解决了系统设计中一系列空间和结构难题。（2）高精度位置编码技术
深空天线口径大、频段高的特点决定了其波束宽度很窄，在Ka频段半功率波束宽度只有0.017°，因此，较高的指向精度就成为完成任务的必要条件。高精度位置编码是实现高精度指向的前提，而选用高精度的测角元件则是实现高精度位置编码的重要保障。
结合本系统方位测角元件超大空心内径及高精度的要求，使用增量式光电角度编码器成为方位测角元件唯一选择，也是本系统研制中的关键技术之一。（3）大口径天线副面调整技术
重力因素引起的天线结构变形使得天线反射面精度降低，增益下降，引起天线波束指向误差。这些误差可以通过自适应调整副反射面来抵消，使天线在有效转动范围内保持增益不变，以保证天线高指向精度的要求。
如何实现高精度副面调整是地面深空系统研制的关键技术之一。（4）大口径天线标校测试技术
本工程天线射频指标测试和标校内容主要包括：
1）天线方向图测试（S/X/Ka频段）；
2）天线G/T值测试及校准；
3）角度标校，并为角度模型提供数据；
4）天线副反射面实时修正数据的标定。
实现大口径、多频段地面深空天线系统的高精度测量与标校是保证设备研制并投入使用的关键，也是系统设计关键技术之一。（5）天线热变形及补偿技术
环境温度的变化以及因太阳照射角度的不同引起的天线不同部位温度差，会引起天线反射面和天线座的变形，从而影响天线的面精度和轴系精度，进而影响天线的增益性能和指向精度。
深入研究天线热变形及其补偿技术，对优化深空大口径天线射频性能具有重要意义。（6）天线反射面精度测量及调整技术
大口径高精度地面站天线反射面精度测量及调整是地面站建设的最后一个环节，直接关系到天线反射面最终精度的形成，是本系统研制的关键技术。（7）波束波导天线三轴中心位置的确定及测量
波束波导三轴中心是系统距离、角度测量的参考点，其位置的精密测定直接影响各测量元素的精度。由于波束波导天线的三轴中心被M1反射镜占据，无法直接在此处设置测量标志，因此需要采用间接测量方案来对三轴中心位置进行标定。
波束波导天线三轴中心测量方法研究是本系统研究的关键技术之一。1.1.3.2 高功放关键技术（1）宽带大功率速调管技术
我国喀什35m深空站要求S/X频段的高功放输出功率要达到10kW。高功放设计采用大功率速调管，研制过程要解决功放宽带应用、大功率输出等多项技术难点。（2）大功率散热技术
深空站高功放工作时发热量大，必须合理设计散热方案，才能保障设备稳定可靠地工作。这对功放整机的设计提出了不同于常规测控站的更高的散热要求，是深空地面站建设的关键技术之一。（3）功率精确控制技术
系统对功放输出功率提出了0.1dB的控制精度要求，因为速调管增益受外界条件的影响比较大，高精度功率控制就成为了功放研制必须攻克的一项关键技术。1.1.3.3 高频接收关键技术（1）超低相位噪声频综设计技术
为了确保深空探测任务中高精度测量的实现，要求高频接收机本振具有极低相位噪声。总体提出的1Hz处相噪指标已经接近理论极限，要求设计指标与理论指标相比的恶化控制在1dB以内，这对高频接收频综设计提出了很大挑战，需要探索兼顾小步进（100Hz）和低相噪的最优方案。（2）低温接收机设计技术
在深空系统设计中，采用低温接收机设计技术能有效降低低噪声放大器噪声温度，S频段低温接收机噪温小于18K（常温60K），X频段低温接收机噪温小于20K（常温90K）。
深空站低温接收机设计要兼顾极低噪声接收和耐发射大功率的双重要求，需要攻克超导耐大功率设计、低温隔离器设计以及低温低噪放设计等多项技术难题。（3）超导滤波器设计技术s
在微波频率范围内，相同条件下超导薄膜的微波表面电阻R是铜的1/10~1/1000。采用超导技术设计的滤波器具有低插入损耗、高Q值以及体积小、重量轻的突出优点。
为了满足地面深空站复杂电磁兼容设计问题，对配置在收支路上的发阻滤波器提出了很高的指标要求。传统的腔体滤波器由于其体积庞大而无法实现制冷应用，较大的插入损耗严重恶化了G/T。在此背景下，采用超导滤波器就成为最佳的替代方案。（4）极低噪声测试及不确定度评估技术
地面深空站噪温是影响系统G/T指标的决定因素，而对噪温的精确测量则成为深空低温接收系统研制的关键环节。常规采用噪声系数测试仪等测量仪器的测试误差通常在10K左右，不能满足低温接收机噪温测量的精度要求，因此需探讨极低噪声测试方案及如何对测试不确定性做出准确评估。1.1.3.4 高精度时频设计
除独立完成各项测控任务外，地面深空站还作为深空网的一个节点来完成任务赋予的使命，比如与其他深空站联合进行三向测距、甚长基线干涉测量（VLBI）观测等。
深空任务要求站间时间同步精度优于20ns，频标的稳定度优于2-15×10/h。
本系统通过采用高精度站间时间同步技术和配置主动型氢钟来满足上述要求。1.1.3.5 多功能基带关键技术（1）极低信噪比信号捕获技术
深空任务中，地面接收机接收信号的信噪比非常微弱（低于20dBHz），在特定轨道上，下行信号的频率动态很高，Ka频段下行信号多普勒变化范围为[-4.8MHz, 4.8MHz]，多普勒频率变化率为1600Hz/s。常规快速傅里叶变换（FFT）频率捕获方案已无法在上述条件下可靠工作。
高精度的频率捕获是载波跟踪的基础和前提，研究在极低信噪比、大动态条件下对各种体制信号接收的高精度频率捕获算法是深空系统接收终端设计的首要任务。（2）极窄带锁相环跟踪技术
由于接收信号极其微弱，载波和副载波锁相环要正常工作，环路带宽要压窄到赫兹（Hz）级甚至小于1Hz以提高接收机的灵敏度，并恢复出随机抖动更小的本地相干参考信号以提高测速测距精度，而深空目标的速度已达第二宇宙速度，多普勒频率变化率高达1600Hz/s。采用二阶锁相环，10Hz的环路带宽能够跟踪的信号动态也仅为7Hz/s，无法顺利完成深空任务。
采用三阶锁相环进行相位跟踪，并用高精度频率捕获算法来辅助环路工作，是实现极窄带锁相环跟踪技术的有效途径。（3）低损耗解调译码技术
为了提高数据通信能力，在深空系统中广泛采用了信道编译码技术。卷积码和里德－所罗门编码（RS码）组成的级联码被空间数据系统咨询委员会（CCSDS）推荐为遥测信道的标准编码结构，Turbo码可以获得比级联码更高的编码增益，其在深空测控系统中的应用潜力更大。
高增益信道编译码往往在低符号信噪比情况下的很小范围内存在-5明显的“瀑布”效应。如采用1/6 Turbo编码时，在误码率为10量级时，符号信噪比低于-7dB，且编译码输入信噪比每变化0.1dB，其误码率将有一个量级的变化，因此低损耗解调译码技术尤其需要关注低信噪比下的解调性能和译码过程中的量化等损失。1.1.3.6 系统校零校相
深空天线由于天线口径大、工作频段高，满足天线远场工作条件的标校塔建设难度大，因此需探索无塔条件下校零和校相方案。（1）距离零值标校
在无塔情况下，深空系统主用偏馈校零的方案完成地面系统距离零值的标定。
偏馈校零方式下，校零天线被安装在天线主面特定位置，接收天线发射的上行射频，并通过转换变频器转换到下行接收频段，回馈给接收大天线接收机，形成测距闭环。
深空系统偏馈距离零值标校的任务是通过对偏馈环路下电波在深空天线系统中的几何传输路径的研究，获取高精度的测距零值。（2）相位零值标校
深空地面站跟踪接收机和差通道相位校准有2个方案：一是射电星校相，二是快速校相。
射电星校相受2个条件限制：一是要求射电源流量能够满足数字信号处理的信噪比要求；二是射电源尽量为点源，角径要小于天线波束宽度。
快速校相的基本原理是首先在数引方式下控制天线对准目标并进行跟踪，此时波束指向与目标空间位置保持相对固定，等效于静态条件下的天线对塔过程。在此基础上进行天线顶偏设置，完成校相，其基本流程与常规对塔校相一致，算法上要增加波束波导坐标变换，这是波束波导系统的固有要求。
深空任务目标角速度非常小的特点利于快速校相方案的实施。1.1.3.7 系统电磁兼容性设计
35m S/X/Ka三频段深空测控设备（DSF2）工作频段多，上行链路工作在S频段和X频段，最大发射功率10kW。下行链路工作在S/X/Ka三个频段，并且最小可接收信号低至热噪声电平以下，具有极高的接收灵敏度。
深空站采用波束波导射频传输方案来完成上行功率发射和下行高灵敏度信号接收。
在整个波束波导网络中，收发端口之间存在的多条互耦通道将上行大功率信号在各个频段上的频谱分量耦合到接收链路，处理不当会造成严重的电磁兼容性问题。
系统电磁兼容设计的基本要点有2个：一是当高功放输出功率为10kW时，其上行基波频谱泄漏到接收链路前级场放入口的能量不能对S/X/Ka接收链路形成阻塞，从而确保接收链路工作在线性状态；二是高功率放大器输出频谱中，在S/X/Ka接收频段的噪声功率耦合到接收链路场放入口后引起的系统噪声温度升高不超过1K，同时功放输出基波及其谐波与接收链路本振组合产生的中频带内交调分量要小于接收系统的最小接收信号灵敏度。1.2 系统功能与技术指标1.2.1 主要功能
1）具备对深空探测器平台及载荷的测距、测速及跟踪能力；
2）具备对深空探测器下行遥测（TM）、数传的接收能力；
3）具备对1个目标上行遥控（TC）和数据注入的能力；
4）具备对同一波束内2个目标下行信号同时接收的能力；
5）具备与国际同体制深空设备进行联网工作的能力；
6）具备VLBI干涉测量信号采集记录能力。1.2.2 技术指标（1）工作频段
• S频段：发射2.025~2.120GHz；接收2.2~2.3GHz。
• X频段：发射7.145~7.235GHz；接收8.4~8.5GHz。
• Ka频段：接收31.8~32.3GHz。（2）系统品质因数00
• S频段：≥37+20lg(F/F)(dB/K)(F=2200MHz，E≥10°)。00
• X频段：≥49+20lg(F/F)(dB/K)(F=8400MHz，E≥10°)。00
• Ka频段：≥56+20lg(F/F)(dB/K)(F=31 800MHz，E≥10°)。（3）等效全向辐射功率
• S频段：≥93dBW。
• X频段：≥104dBW。（4）接收灵敏度和接收信号动态范围
• 接收灵敏度：-190dBW（双边环路带宽10Hz，无多普勒预报）；
-210dBW（双边环路带宽0.1Hz，有多普勒预报）。
• 接收信号动态范围：120dB。（5）测量精度
1）测距精度（双向）
• 侧音测距随机误差：R载波L主音
σ≤1m（S/Φ=20dBHz，2B=10Hz，S/Φ=10dBHz，6R2B=0.001Hz，R≤2×10km，主音频率500kHz）。
• 音码混合测距随机误差：R载波L测距音
σ≤1m（S/Φ=20dBHz，2B=10Hz，S/Φ=10dBHz，6R2B=0.01Hz，R≤2×10km，主音频率1.5MHz）。
• 测距系统误差：≤4m。
2）测距精度（三向）
• 测距随机误差：≤2m。
• 测距系统误差：≤8m（含校零残差、站间时间同步误差等）。
3）测速精度0L
• S频段：σ≤1mm/s（C/N=20dBHz，2B=10Hz，积分时间10s）。0L
• X频段：σ≤0.1mm/s（C/N=20dBHz，2B=10Hz，积分时间60s）。
4）测角精度
• 跟踪精度：0.025°（S频段）、0.007°（X频段）、0.002°（Ka频段）。
• 指向精度：0.03°（S频段）、0.01°（X频段）、0.006°（Ka频段）。（6）数据采样率
• 测速采样率：1Hz、20Hz，并且300s范围内任意整秒可选。
• 测距采样率：1Hz。
• 测角采样率：1Hz。（7）捕获时间（从信号到达天线口面开始计算）0
• 载波捕获时间：≤10s（当C/N=20dBHz，载波捕获范围为±20kHz时）；0
≤5s（当C/N=30dBHz，载波捕获范围为±50kHz时）；0
≤1s（当C/N=40dBHz，载波捕获范围为±180kHz时）。0
• 测距捕获时间：≤10s（测距音S/N≥50dBHz）；0
≤30s（测距音S/N≥30dBHz）；0
≤100s（测距音S/N≥10dBHz）。（8）误码率b0
解调门限：E/N较理论值恶化≤2dB（含链路和解调损耗）。（9）遥控指令误差
遥控小环检测正确率优于0.9999。1.3 系统组成
DSF2系统由天伺馈分系统、发射分系统、高频接收分系统、多功能数字基带分系统、监控分系统、数据传输分系统、时频分系统、空间链路扩展（SLE）服务终端分系统、标校分系统和自动测试分系统等组成，组成示意如图1-2所示。图1-2 DSF2组成框图1.3.1 天伺馈分系统
天伺馈分系统主要由天馈子系统、天线控制子系统和天线机械结构子系统组成。天线口径35m，采用波束波导的设计方案。
天馈子系统接收来自空间目标的微弱信号给接收机，并向目标辐射上行射频信号。它由天线主副反射面、波束波导、馈源辐射器与双色平面反射器组合、馈电网络、S/X/Ka频段单脉冲双通道跟踪网络和其他微波功能组件组成。
天线控制子系统主要完成对天线的各种操控，使天线指向目标，利用引导信息完成对目标的角度引导跟踪，利用跟踪误差信息完成对目标的角度自动跟踪。它由天线驱动单元、天线监控单元、天线轴角编码单元和天线控保单元等组成。
天线机械结构子系统主要完成对天线反射面的支撑和天线的各种机械运动。它由天线反射体及其支撑机构、天线俯仰组合、天线方位组合、天线保护装置等组成。1.3.2 发射分系统
发射分系统工作在S频段和X频段，每个频段均包含上变频器（含本振）、发射射频开关网络和高功放，1:1热备份。主用高功放采用速调管方案，额定输出功率10kW，同时在每个频段中配置一个1kW固态功放，应用在近距离测控场合。发射分系统设计中，应用于S/X双频段的公共设备包括中频开关矩阵、参考分路器、发射测试开关网络等。
分系统配置16×16中频开关矩阵，为上变频器、多功能数字基带、模拟测试设备、自动测试信号源的互联互通提供通道。
参考分路器接收时频分系统送来的100MHz频率基准，分路后为本分系统频率源提供参考信号。
发射测试开关网络汇集本分系统中所有自动测试信号，切换后选择1路送自动测试分系统，实现对本分系统状态的自动测试。
S/X小环下变频器安装在发射分系统机柜上，与上变频器共用上行本振。小环下变频器射频输入可选择高功放、上变频A或上变频B的射频耦合输出，通过下变频转换，输出70MHz中频信号给基带设备，完成上行遥控信息解调比对。1.3.3 高频接收分系统
高频接收分系统工作在S/X/Ka三个频段，由低温接收机、常温低噪声单元、接收前端机柜、S/X接收本振、Ka接收本振、中频开关矩阵等组成。
S频段接收链路和路信道配置2套低温接收机、8路接收下变频器，可实现双目标、双旋向、双点频（DDT、TTC）信号同时接收。差路信道配置2套低温接收机、4路接收下变频器，左右旋工作时1:1热备份。
X频段接收链路的配置同S频段。
Ka频段左旋、右旋射频接收各配置1套低温接收机，每一套低温接收机由和差2个射频通道及第一混频单元组成。
高频接收分系统配置自动测试切换网络机箱，汇集分系统中待测试信号，通过开关切换后，选择1路送给自动测试分系统，进行分系统指标自动测试。1.3.4 多功能数字基带分系统
多功能数字基带分系统由4台基带组成。2台配置成组1基带，2台配置成组2基带，1:1热备份。
多功能数字基带分系统完成上行遥控、测距信号调制，下行遥测、测距、测速、数传信号解调以及角误差解调等功能。
多功能数字基带分系统与高频接收分系统之间的中频接口频率为70MHz，通过下行24×16开关矩阵进行选择切换。1.3.5 监控分系统
监控分系统包括计算机、监控软件、接口转换单元、各分系统监控单元、B码板、网卡、网络交换机、工业电视、打印机等。
监控分系统具备对全系统设备的监视功能、控制功能、信息交换功能和记录功能等。
监控分系统采用服务器／客户机体系结构，监控分系统配置的服务器计算机和客户机计算机以及配套软件、计算机板卡等均为1:1热备份。
监控分系统采用分控、本控和远控三级监控体制。三种监控方式的控制优先级为分控最高，本控次之，远控最低。而使用优先级由高到低为远控、本控和分控。监控分系统远控功能通过在远程部署系统监控客户端实现。1.3.6 数据传输分系统
数据传输分系统由1:1热备份的数据传输设备构成。数据传输设备包括计算机、网卡、数传网络交换机、远程传输设备、数据处理软件等。
数据传输分系统完成监控分系统、多功能数字基带分系统、天伺馈分系统与中心之间的透明信息交换。1.3.7 SLE服务终端分系统
SLE服务终端分系统由4台设备终端组成，包括计算机、网络设备、应用软件等。每台计算机分别与1台基带设备一对一直连，再与位于任务中心的SLE客户终端进行基于SLE协议的数据交互。
SLE服务终端接收基带设备的遥测和数传数据。实现与任务中心之间基于SLE协议遥测、遥控和数传数据的交互，兼顾以PDXP协议向任务中心传输数传数据。1.3.8 时频分系统
时频分系统由高精度主动型氢钟、频率和时间信号产生器、实时测试与完好性检测设备、时频监控以及联试时频五部分组成。时频分系统配置独立的铷钟，辅助系统联试。
时频分系统配备2台主动型氢钟和频率净化器（CLEAN），为其他分系统提供高精度频率基准、时间信号和时标脉冲。1.3.9 标校分系统
标校分系统包括输入切换单元、中频模拟信号源、射频模拟源、小环下变频器、联试应答机、校零变频器、标校公共单元以及深空目标模拟器等设备。
标校设备中，中频模拟信号源分为两类：一是遥测中频模拟源，与上行中频信号通过加载不同的软件实现复用；二是数传校验中频，可生成不同数传调制方式和误码率的中频信号，配合数传链路自检，独立中频输出信号。中频模拟信号源和噪声源在基带设备中实现。
射频模拟源即测试上变频，将中频信号变频为下行信号，主要用于误码率测试等，包括S射频模拟源、X射频模拟源。
小环下变频器包含在发射分系统中，实现上行射频的环回，输出中频信号，提供给小环接收机完成解调和比对。
联试应答机1套，实现上行X/下行S、上行X/下行X、上行S/下行S、上行S/下行X四种转发模式。
距离校零变频器1套，实现X/X转发、X/S转发、S/X转发和S/S转发。
深空动态目标模拟器对上、下行信号进行存储转发，通过时延和频率控制，模拟产生给定工作场景下的信号动态特性，产生时延、多普勒、电平变化与真实任务场景一致的信号。目标模拟器具备中频和射频两种系统接入方式。1.3.10 自动测试分系统
自动测试分系统包括测试计算机、测试软件、测试仪器、测试开关网络等。在监控分系统的调度和配合下，自动测试分系统能够完成系统所要求的各项指标测试。1.4 系统工作原理
深空任务中，地面深空站可独立对探测器进行距离测量、速度测量，向探测器发送遥控指令，同时接收下行的遥测和数传信息。同时，35m深空站还可以与其他深空站一起，建立起高精度测量基线，完成三向测距以及VLBI角度测量。
地面天线在程序跟踪或者自动跟踪模式下，控制天线主波束对准目标，建立测控通信链路。自跟踪时，可送出测角信息。1.4.1 测距
飞行器与测控站之间的距离R是通过测量测控站发射信号与航天器返回信号之间的时间延迟实现的。对于连续波测量，时延通过测量接收信号与发射信号之间的相位差得到。设无线电波的传播路径为均匀介质，则：
式中 R——距离（m）；
c——光在真空中的传播速度，取299 792 458m/s；
τ——测控站返回信号与发射信号之间的时间延迟（s）；
ΔΦ——测距接收信号与发射信号之间的相差；R
f——测距信号频率（Hz）；R
λ——测距信号波长（m）。
飞行器与测控站之间的距离R一般远大于测距信号波长，设R内包括整数M个测距信号波长与小数倍测距信号波长，则ΔΦ可以表示为M个2π和一个小于2π的相位Δφ之和，Δφ=mod(ΔΦ, 2π)，mod(x, y)表示取x/y的余数。
无线电测距过程最终可以归结为两点，一是精确测量收发信号相差Δφ，二是求解整周模糊M。Δφ和M的确定与测距体制相关。
深空探测中一般采用双向（或三向）相干测距方式，地面站设备发射携带有测距信号的射频信号，装载于深空探测器的应答机完成对上行测距信号的锁相接收和相干转发，地面站设备完成对应答机下行测距信号的接收，并通过比较收、发测距信号的时延差获得距离测量值。原始距离测量值除了深空探测器至测控站间的视在距离外，还包含地面设备距离零值、电磁波在传输媒介中由于折射（主要包括大气层和电离层）引入的附加距离值、探测器应答机距离零值3部分。所以，要得到精确的探测器至测控站间的视在距离，需要进行距离零值的标校。
距离测量值组成示意图如图1-3所示。1.4.1.1 测距体制
目前在深空测控中采用的测距体制主要包括纯侧音测距、音码混合测距和伪随机码测距3种。在深空测距体制的选择上，还需要考虑以下原则：测距精度足够高、无模糊距离大、捕获跟踪时间短、占用带宽受限、测距信号占用功率合理等。图1-3 距离测量值组成示意图（1）纯侧音测距体制
1）信号形式
纯侧音测距体制中，测距信号由一组不同频率的正弦波或方波组成，这些正弦波或者方波又称为侧音。纯侧音测距信号形式如式（1-2）：u
式中 S——上行信号功率；tx
f——上行载波频率；r
f——侧音频率；r
m——测距信号对载波调制系数。
该测距体制的最大无模糊测量距离由最低频率侧音决定，测量精度由最高频率侧音（又称主侧音）决定。主侧音以外的其他侧音称为次侧音，次侧音按照频率顺序依次完成相邻高频率侧音的距离模糊解算。
2）测距流程
纯侧音测距体制的测量过程可分为捕获和测量两个阶段，捕获阶段完成侧音匹配解模糊，测量阶段提供高精度的距离数据。捕获阶段主侧音常发，次侧音轮发，在得到各个侧音收发相位差后，根据主侧音相位差变化将不同时刻的各个侧音相位差测量值推算到同一时刻，完成距离解模糊。距离捕获阶段完成后进入测量阶段，测量阶段只发主侧音，通过跟踪主侧音的整周变化情况，不断调整主侧音整周数，保证测距结果的正确性。
测距音轮发过程如图1-4所示。图1-4 测距音轮发过程（2）音码混合测距体制
1）信号形式
上行信号为遥控副载波及测距信号对载波PM调制。上行测距信nn号包括高侧音和由其分谐波得到的码C(t)，C(t)对高侧音PM调制后，再将高侧音对载波PM调制，得到音码混合测距信号：u
式中 S——上行信号功率；tx
f——上行载波频率；tc
m——遥控信号对载波调制系数；
d(t)——遥控数据流；tc
f——遥控副载波频率；tc
φ——遥控副载波相位；ru
m——测距信号对载波调制系数；r
f——侧音频率；tone
k——测距码对高侧音调制系数；n
C(t)——高侧音分谐波得到的n级测距码。n
下面对解模糊序列码C(t)做详细说明。n
C(t)由高侧音分谐波产生，分为n级，各级顺序发送，首先发送01高侧音Q，待地面系统捕获高侧音后，发送第1级码C(t)：101其中Q为高侧音Q二分频得到。地面系统捕获C(t)后，再发送第2级2码C(t)：21Q为Q二分频得到，顺序发送至n级码：nnnnrr
C(t)的周期为T=2/f，f为高侧音频率，2为n阶码的长度，n的取值取决于无模糊距离。在主音频率500kHz时，如果要得到与0.5Hz侧音相当的无模糊距离，n需取20。
2）测距流程
音码混合测距体制时，测距信号为序列码对主音PM调制，主音再对载波PM调制。主接收机锁定后，解调测距信号送测距单元。测距过程分为两步。
①距离捕获过程中，上行发主音，应答机转发，地面主接收机解调出主音送测距单元主音环，主音环捕获跟踪，捕获时可以利用载波多普勒对主音频率进行补偿，辅助主音环快速捕获。主音锁定后，主音二分频构成分频链，将各二分频信号异或产生各级序列码。上行由1nC(t)~C(t)顺序发送各级序列码，应答机转发，地面测距单元将本地序列码与接收序列码相关，根据相关值调整分频链相位，完成序列码n捕获，解模糊码C(t)捕获后，距离捕获完成。
②距离捕获完成后，继续发送主音，利用分频链恢复本地解模糊nn码C(t)（相当于接收C(t)）进行距离提取。双向测距时，测量上行nnC(t)与本地C(t)间的时延就可以提取双向传输距离。三向测距时，只需保证两个站之间的时间同步，两站序列码发送时刻相同，则在本站n测量收发C(t)间的时延，同样可以完成距离提取。由于距离提取时，nC(t)由主音经分频链分频产生，其相位抖动完全取决于主音环的相位抖动，所以测距精度由主音决定。距离捕获完成后，除发送主音外，nnn同时发送解模糊码C(t)，由码相关器定时将本地C(t)与接收C(t)求相关，可以监测主音环及分频链状态，一旦出现主音环瞬时失锁或分频链跳周等问题，可以重新启动距离捕获，避免距离出现不可逆转的跳大数。（3）伪随机码测距
1）信号形式
伪随机码是结构可以预先确定、并可重复产生和复制、具有某种随机序列的统计特性的序列。利用伪随机码作为测距信号，测距随机误差取决于伪码时钟频率和信噪比，距离解模糊能力取决于伪码周期。
伪码测距上行信号形式如下：u
式中 S——上行信号功率；c
f——上行载波频率；
PN(t)——测距伪随机（PN）码；1
β——测距调制度；2
β——遥控副载波调制度；
D(t)——遥控数据；c
ϕ——上行载波相位；
P(t)——遥控副载波。
在早期深空系统中，测距伪码为单码结构。为了获得足够的距离解模糊能力，码长选择3 305 636chip和3 402 265chip。由于伪码周期长，所以伪码的捕获时间很长。为此，提出了复合伪码测距技术。
复合伪码由多个子码按照布尔代数运算逻辑构成，其周期为各个子码周期之积。对于复合伪码的捕获，可以采用各个子码单独捕获、多个子码并行捕获的方式，这时复合伪码的捕获时间为最长子码的捕获时间。
CCSDS所推荐的复合伪码由6个子码复合而成，如表1-1所示，3子码序列从左到右读取，如C前3个码片为全1，最后1个码片是0。表1-1 组成测距复合伪码的各个子码n
在测距过程中，每个子码不断重复，形成一个周期为λ的周期序列(t)。由于构成复合码的各个子码长度互为素数，所以复合码的n周期L是各个子码周期λ(1≤n≤6)的乘积：
伪码测距信号复合生成逻辑是由表1-1中给出的6个相同的具有周期性的成员序列通过一定的投票加权。
若将测距精度作为主要考虑因素，应当选择T4B(Balanced Tausworthe, γ=4)码，其组合逻辑如下式：
T4B码具有较强的测距时钟成分，可获得较高的测距精度。
若将伪码捕获时间作为主要考虑因素，应当选择T2B（Balanced Tausworthe，γ=2）码。复合逻辑如下式：
T2B码具有较弱的测距时钟成分，相对T4B，其捕获时间较短，而代价是测距抖动较大，测距精度略差。
2）测距流程
伪码测距属于再生伪码测距体制，地面测距单元产生测距伪码对上行载波进行相位调制，探测器应答机对上行信号进行接收解调，产生再生测距伪码，对下行载波进行调制。地面站接收解调下行载波，提取测距信号，与本地测距信号进行相关，得到测距信号收发时延，解算距离。
复合伪码体制下的距离模糊解算过程需要使用到中国剩余定理（又称孙子定理）。中国剩余定理：假设有n（n≥2）个互素的整数iiiiim(i=1,2,…,n)，每一个m对应存在一个整数w，w能够被除m以外的ii（n-1）个数整除，且w被m除后余1。如果已知整数ii相对于m(i=1,2,…,n)的余数c(i=1,2,…,n)，ii则K可以通过m(i=1,2,…,n)和c(i=1,…,n)唯一确定，即：
假设被测距离为：
式中 K——取整数；
c——真空中的光速（m/s）；RC
f——测距伪码时钟频率（Hz）。i
上述伪码测距体制中的伪码码长为λ(i=1,2,…,6)，各个收发伪码i分量所测得的伪码偏移量为c(i=1,2,…,6)个码片（或者说是测距时钟波长），则：ii
上述伪码测距体制中，各个伪码码长λ所对应的w如表1-2所示。ii表1-2 伪码码长λ所对应的w
测距过程中，各子码同时发送，得到各子码的测量值：RTLT
式中 R——被测距离（m）；——各子码的无模糊距离（m）；
int(x)——对x的取整运算。
一般情况下不是整数（即尾数不为零），而中国剩余定理只能处理整数结果，所以，需要对各子码测量值首先进行取整运算后再应RC5用中国剩余定理。例如，假设被测距离为1 009 000.5c/f，子码C和65C测量值分别为5.4chip和13.6chip，进行四舍五入运算，取子码C和6C测量值分别为5chip和13chip，然后利用中国剩余定理解模糊，在解算结果上加上尾数0.4（或0.6）chip，得到最终测量结果。（4）测距体制比较
表1-3给出纯侧音测距、音码混合测距和伪码测距的特点、优缺点以及主要应用。1.4.1.2 链路功率的分配（1）纯侧音测距和音码混合测距上行链路的功率
由于纯侧音测距和音码混合测距的调制形式相同，其残留载波、测距音、遥控的功率分配是相同的。当副载波为正弦波时，残留载波、测距音、遥控占用的功率分别是：表1-3 各种测距体制的比较
残留载波谱线功率：
式中 A——信号幅度；tc
m——遥控码调制指数；ru
m——测距音调制指数；0tctc
J(m)——变量m的零阶贝塞尔函数。
遥控信号一阶频谱功率：1tctc
式中 J(m)——变量m的一阶贝塞尔函数。
测距信号一阶频谱功率：
当调制指数m<1时，m的零阶贝塞尔函数的拟合多项式为：
m的一阶贝塞尔函数的拟合多项式为：
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]