航空航天測控技術(shù)概論

航空航天測控技術(shù)概論演示文稿目前一頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)1（優(yōu)選）航空航天測控技術(shù)概論目前二頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)2航空航天測控系統(tǒng)是指對(duì)火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等飛行器的各個(gè)階段進(jìn)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(biāo)、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(duì)飛行器的控制也可分為兩大類：一類是一次性控制，如對(duì)故障火箭、導(dǎo)彈實(shí)施“自毀”的安全指令控制，簡稱“安控”；另一類是對(duì)飛行器運(yùn)行情況的調(diào)整和控制，如對(duì)星船的姿態(tài)控制、變軌、交會(huì)及回收等各種機(jī)動(dòng)控制。目前三頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)38.1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稱飛行器。飛行器的飛行軌跡由主動(dòng)段和被動(dòng)段組成。主動(dòng)段：飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)工作的飛行軌跡段。被動(dòng)段：飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的飛行軌跡段。在整個(gè)飛行過程中，主動(dòng)段和被動(dòng)段可能交替出現(xiàn)。邊界點(diǎn)：在飛行軌跡上對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)的點(diǎn)。目前四頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)4圖8-1彈道導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星及宇宙飛船的軌道目前五頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)51.彈道導(dǎo)彈的飛行彈道目前六頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)62.人造衛(wèi)星的發(fā)射軌道目前七頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)78.2坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)

8.2.1坐標(biāo)系統(tǒng)及換算

1.地心赤道坐標(biāo)系如圖8-4所示坐標(biāo)系的原點(diǎn)是地心，基準(zhǔn)平面是赤道平面，X軸指向某一確定時(shí)刻的春分點(diǎn)目前八頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)82.地心軌道坐標(biāo)系地心軌道坐標(biāo)系OX1Y1Z1如圖8-5所示，坐標(biāo)系的原點(diǎn)O為地心，基準(zhǔn)平面是軌道平面，Y1軸的方向指向近地點(diǎn)（軌道上距離地心最近的點(diǎn)），X1軸位于軌道平面上，它的指向與飛行器在近地點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)方向一致，而Z1軸的指向應(yīng)使坐標(biāo)系構(gòu)成右旋坐標(biāo)系。目前九頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)93.大地測量坐標(biāo)系大地測量坐標(biāo)系的原點(diǎn)就是地心，基準(zhǔn)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(diǎn)的軸線，而Y′

軸的指向應(yīng)使坐標(biāo)系構(gòu)成右旋坐標(biāo)系。目前十頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)104.測量坐標(biāo)系在對(duì)飛行器進(jìn)行觀測時(shí)，常采用測量坐標(biāo)系。測量坐標(biāo)系的原點(diǎn)OT就是地球表面上測控站或其它觀測設(shè)備所在位置點(diǎn)，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(biāo)系構(gòu)成右旋坐標(biāo)系。目前十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)115.彈體坐標(biāo)系彈體坐標(biāo)系如圖8-8所示，原點(diǎn)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(dāng)導(dǎo)彈平飛時(shí)指向上方；ZDT軸與XDT、YDT構(gòu)成右手坐標(biāo)系。目前十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)12二、坐標(biāo)變換1.坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)(1)坐標(biāo)繞Z軸旋轉(zhuǎn)OMIGA角度坐標(biāo)變換矩陣目前十三頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)13(2)坐標(biāo)繞Y軸旋轉(zhuǎn)FY角度(3)坐標(biāo)繞X軸旋轉(zhuǎn)SITA角度目前十四頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)142.坐標(biāo)的平移設(shè)坐標(biāo)系OXYZ經(jīng)平移后得到坐標(biāo)系O1X1Y1Z1，空間任意一點(diǎn)P在兩坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為（x,y,z）和(x1,y1,z1)，若新坐標(biāo)的原點(diǎn)O1在舊坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x0,y0,z0)，那么坐標(biāo)平移變換關(guān)系可表示為目前十五頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)158.2.2時(shí)間系統(tǒng)及換算太陽時(shí)恒星時(shí)原子時(shí)目前十六頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)168.3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。目前十七頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)171.徑向距離R若目標(biāo)到觀測站的徑向距離為R，則目標(biāo)位于方程所確定的球面上目前十八頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)182.方位角A若目標(biāo)方位角為A，則目標(biāo)位于所表示的平面上目前十九頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)193.俯仰角（高低角）E若俯仰角為E，則目標(biāo)位于

所確定的錐面上目前二十頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)204.距離和R1為發(fā)站到目標(biāo)距離，R2為收站到目標(biāo)距離。設(shè)發(fā)站和收站間的距離為b，則目標(biāo)位于以發(fā)站和收站為焦點(diǎn)，以b為焦距，長半軸為S/2的旋轉(zhuǎn)橢球面上。目前二十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)215.距離差距離差r表示目標(biāo)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(biāo)位于以發(fā)站和收站為焦點(diǎn)，以b為焦距，距離差為r的旋轉(zhuǎn)雙曲面上。目前二十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)226.方向余弦方向余弦指目標(biāo)和基線上坐標(biāo)原點(diǎn)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(biāo)位于一張角為的水平錐面上。該水平錐面在如圖坐標(biāo)系中的方程為目前二十三頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)237.高度(高程)h若已知高度h，則目標(biāo)位于水平面上。其方程為目前二十四頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)248.3.2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(gè)相互獨(dú)立的參量才能確定其空間位置。前述7個(gè)位置測量元素，除高度元素h只在個(gè)別特殊場合（如巡航導(dǎo)彈）使用外，其余6個(gè)位置測量元素中，任意3個(gè)都可以確定某一時(shí)刻飛行器的空間位置。目前二十五頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)251.RAE定位方法精密跟蹤脈沖雷達(dá)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(shí)間點(diǎn)上目標(biāo)的R、A、E，故可以單站獨(dú)立定位。設(shè)單臺(tái)雷達(dá)測得目標(biāo)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(gè)時(shí)間點(diǎn)的位置參數(shù)通過一次微分和二次微分平滑求得。

目前二十六頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)262.3

定位方法由3個(gè)距離測量元素R交會(huì)可確定空間目標(biāo)的位置，加上3個(gè)徑向距離變化率測量元素可測定空間目標(biāo)的速度，這一系統(tǒng)稱為3系統(tǒng)。測出三維坐標(biāo)和三維速度。目前二十七頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)273.角度交會(huì)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(jī)等，通過多臺(tái)設(shè)備交會(huì)測量可得到空間目標(biāo)的位置參數(shù)。設(shè)a、b兩點(diǎn)各有一臺(tái)光學(xué)設(shè)備，同時(shí)測量空間目標(biāo)P，則目標(biāo)一定處于兩視線的交點(diǎn)上。同時(shí)記下兩臺(tái)設(shè)備的角度觀測參數(shù)，已知a點(diǎn)和b點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，通過計(jì)算就可確定目標(biāo)P的位置。目前二十八頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)288.4航空航天測控技術(shù)

8.4.1測控信號(hào)與信道設(shè)計(jì)

一、測控系統(tǒng)中常用的信號(hào)及調(diào)制方式測控系統(tǒng)中較多的采用二進(jìn)制編碼信號(hào)，即PCM信號(hào)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(hào)具有傳輸精度高，容量大，可利用時(shí)分多路傳輸技術(shù)，抗干擾性能好，便于用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)對(duì)副載波的調(diào)角（PSK，DPSK，F(xiàn)SK）也是常用的調(diào)制體制。目前二十九頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)29二、信號(hào)設(shè)計(jì)與載波頻率選擇1.基帶信號(hào)的設(shè)計(jì)(1)當(dāng)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(shí)，應(yīng)對(duì)原始信息進(jìn)行變換；(2)對(duì)某些信息（如指令、數(shù)傳等）進(jìn)行加密時(shí)，應(yīng)對(duì)原始信息進(jìn)行變換；(3)當(dāng)要求與其它消息一起對(duì)同一射頻載波進(jìn)行多重調(diào)制時(shí)，為滿足其相容性，應(yīng)對(duì)原始信息進(jìn)行變換；(4)在原始信息中增設(shè)地址碼或其它輔助信息時(shí)．有時(shí)也要改變原始信息的形式。目前三十頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)302.副載波組合方式的選擇(1)測距信號(hào)的選擇對(duì)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(hào)有三種形式：純側(cè)音測距信號(hào)純二進(jìn)制的隨機(jī)碼測距信號(hào)（以下簡稱全碼系統(tǒng)）混合測距信號(hào)（即側(cè)音加二進(jìn)制偽隨機(jī)碼的測距信號(hào)）這三種型式的側(cè)距信號(hào)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①力求基帶信號(hào)本身及其調(diào)制方法簡單；②力求攜帶信號(hào)頻譜線集中（即所占帶寬越小越好）；③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；目前三十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)31信號(hào)型式純側(cè)音測距信號(hào)型式全碼測距信號(hào)型式混合測距信號(hào)型式抗干擾能力保密性距離分辨度解距離模糊能力弱差好差強(qiáng)好差好中中好好副載波調(diào)制的靈活性三者均相同捕獲時(shí)間近距離，S/N大的情況下短長中遠(yuǎn)距離情況下三者相近系統(tǒng)定標(biāo)的難易三者相同設(shè)備復(fù)雜程度三者相同使用和維護(hù)要求較簡單較復(fù)雜一般自動(dòng)操作的適應(yīng)性好差中所需研制經(jīng)費(fèi)三者相同目前三十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)32④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；⑤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，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)；⑥對(duì)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(hào)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)；⑦為適應(yīng)不同型號(hào)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(dāng)變動(dòng)，以便對(duì)各種不同型號(hào)的要求作最佳安排；⑧為了防止應(yīng)答機(jī)載波環(huán)和接收機(jī)載波環(huán)的錯(cuò)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(yuǎn)離載波頻率；⑨為了防止火焰衰減，副載波頻率應(yīng)安排在離載波5~10KHz內(nèi)；⑩應(yīng)盡量利用已研制的或市場上已能提供的設(shè)備。目前三十三頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)333.射頻信號(hào)的設(shè)計(jì)所謂射頻信號(hào)設(shè)計(jì)主要是指載波調(diào)制的選擇。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(dòng)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。目前三十四頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)344.載波頻率的選擇上、下行頻率的選擇①

符合國際、國內(nèi)頻段的劃分準(zhǔn)則；②

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；③現(xiàn)有器件和儀器設(shè)備的條件；④遠(yuǎn)近結(jié)合，既保證眼前使用，又能適應(yīng)將來發(fā)展的需要；⑤有繼承性，能繼承性現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)；⑥考慮到系統(tǒng)的測量和信息容量，希望載頻選得高一些；⑦避免和其它電子設(shè)備產(chǎn)生相互干擾。其它（略）目前三十五頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)35信號(hào)設(shè)計(jì)流程微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)信號(hào)設(shè)計(jì)的一般過程目前三十六頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)368.4.2再入遙測技術(shù)定義：再入遙測是指對(duì)再次進(jìn)入大氣層的目標(biāo)的遙測參數(shù)進(jìn)行測量。特點(diǎn)1.信號(hào)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(shí)將引起衰減，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使無線電信號(hào)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(yàn)要求測量頻帶很寬的特快變化信號(hào)，有些特快信號(hào)的脈沖寬度只有幾十納秒，要從噪聲中準(zhǔn)確判斷信號(hào)的有無及出現(xiàn)時(shí)間并精確測量脈沖的前沿或兩脈沖之間的時(shí)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，接收天線的仰角越來越低，觸地（水）信號(hào)時(shí)，地面遙測設(shè)備的天線可能工作在負(fù)仰角。低高度接收時(shí)存在嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，使接收信號(hào)造成很大的強(qiáng)度變化和衰減，變化范圍可達(dá)10－40dB(快衰落)目前三十七頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)37再入遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的若干問題解決再入信號(hào)中斷的途徑避開法：①提高載波頻率（晚進(jìn)明顯，早出不明顯），②回收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體（黑匣子），③記憶重發(fā)（出黑障區(qū)后）④提高發(fā)射功率（航天器）和接收機(jī)靈敏度（地面接收機(jī)），多方面受限。減緩法：①附加磁場法，可以束縛自由電子的游動(dòng)，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(qiáng)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(shí)現(xiàn)起來比較困難。②噴射消電子液體，可以降低電子濃度2－3個(gè)量級(jí)。③改善再入體防熱材料。特快信號(hào)的測量體制PCM-PPK（略）目前三十八頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)388.4.3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(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用過程，這些應(yīng)用過程都被看作是數(shù)據(jù)源，每個(gè)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(jìn)行傳輸，地面系統(tǒng)可靠恢復(fù)成單獨(dú)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(gè)實(shí)際的物理信道被設(shè)計(jì)為邏輯上的64個(gè)虛擬信道。所謂虛擬信道，就是利用信號(hào)分時(shí)傳輸原理，向用戶提供若干（分包遙測中定義為64個(gè)）性能相同的信道，多個(gè)用戶可以同時(shí)使用其中的一個(gè)或幾個(gè)來傳輸自己的數(shù)據(jù)，但在航天器下行信道管理單元的控制下，在一段時(shí)間內(nèi)僅有一個(gè)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。目前三十九頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)398.4.3.1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(gè)或幾個(gè)用戶應(yīng)用。目前四十頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)408.4.3.2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)。目前四十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)418.5航天測控系統(tǒng)的功能與組成目前四十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十點(diǎn)428.5.1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(gè)階段（發(fā)射、運(yùn)行、回收等），完成對(duì)其測量和控制這樣兩大任務(wù)的那些技術(shù)系統(tǒng)。按測控對(duì)象的不同測控系統(tǒng)可