卫星测控分系统设计精品PPT课件.pptx

1、上海微小卫星工程中心上海微小卫星工程中心20142014年年3 3月月4 4日日 测控任务测控任务1 任务任务： 建立卫星与地面之间的无线传输通道。 天地通讯 轨道测量航空航天分界线，一般以距离地面100km为界广义的测控系统是航天技术的大系统之一，包括航天器本体中的测控通信系统和地面通讯设备（运载与航天器测控网）。1 几个概念跟踪测轨：地面站跟踪卫星并测出其飞行轨道遥测：采集或获取卫星工况或工程参数，并通过无线信道传输到地面，以便地面及时了解卫星的工作状况遥控：将地面的控制信息或数据通过无线信道发送给卫星，以实现地面对卫星的控制上行：遥控指令+数据注入下行：遥测（工况信息）、数传（载荷或科学

2、数据）测控（TT&C, Tracking, Telemetry and Command）包括三部分：跟踪、遥测和命令。数传、测控的区别地面测控站、船，飞行控制中心（北京、西安 ）跟踪技术 跟踪：利用航天器发出到达地球的载波，跟踪站检测出电磁波来波取向和地面站天线主波束指向角的偏差，伺服系统利用此偏差随时校正，消除偏差，而达到天线主波束实时对准不断运动着的航天器的目的。 测速：利用航天器相对于地面站天线的相对运动、信标机的载频中产生出多普勒频移，测出频移可换算出径向速度。 测距：由地面站发射出一个高频率稳定度和高频谱纯度的正弦副载波（称为测距侧音），发射到航天器后，再转发回来和原来地面发出的侧音

3、比较相位差，可计算出航天器和地面站之间的距离。 根据得到的(A, E, R, ,t)即可确定航天器在三维空间中的瞬时位置。对于惯性目标，跟踪足够长弧段后，可预测外推未来轨道。 遥测技术 用传感器测量航天器内部各个工程分系统、航天器的姿态、外部空间环境和有效载荷的工作状况，用无线电技术，将这些参数传到地面站，供地面的科研人员进行分析研究，用来判断航天器的工作状况。 遥测是一种用来监督、检查航天器上天后工作状况的唯一手段，也是判断故障部位、原因的唯一措施。 遥测数据可通过多个信道下传地面，包括不同频段和测控体制。遥控技术 通过对遥测参数、姿态和轨道参数的研究和分析，发现航天器的轨道、姿态、某个工程

4、分系统或有效载荷工作状况异常或出现故障，判断出故障部位和做出决策，向卫星发出有关命令，修正轨道和姿态，调整分系统和有效载荷的运行参数，甚至切换备份或部件。 遥控指令动作的结果，再通过遥测信道传到地面站进行回报证实。 遥测和遥控两种技术综合起来构成一种保证航天器正常运行，增加可靠性，延长寿命的重要闭环手段。测控技术发展的四个阶段1.测控设备独立发展时期：跟踪设备、遥测设备、遥控设备、电视和语音设备独立发展，各有自己的载频、天线和收发设备。1965年前基本上处于这种状态，设备庞大、众多，操作复杂。2.统一载波时期：从1965年后逐步形成了跟踪、遥测、遥控和语音的传输共用一个载频，构成了S波段统一载

5、波测控系统(USB)，达到了简化天-地设备的效果。3.1980年前后，TTC和宽带、高速数据通信系统合并成C&T(通信与跟踪)系统。4.由陆(海)基的测控与通信网转向建立天基测控与通信网： 采用陆(海)基的测控与通信网，需要在全球范围内建站才能满足载人航天任务的覆盖要求；而天基测控与通信网主要通过跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)，在地面上布一个站就能完成覆盖全轨道飞行任务。 测控功能测控功能1 功能满足飞行程序要求，在卫星全寿命期间各个阶段，包括主动段、转移轨道和工作轨道，接收地面遥控指令和注入数据，执行直接指令，同时下发遥测数据，遥测数据下发的开始和结束由地面测控覆盖范围确定；完成实时遥

6、测帧的组帧下发和延时遥测帧的组帧存储下发；满足各分系统对遥控指令、注入数据和实时延时遥测的需求；配合地面测控系统完成对卫星的跟踪、测距、测轨、遥测、遥控；提供整星校时功能； 测控系统组成测控系统组成1 组成6 6）遥测和遥控原理方框图）遥测和遥控原理方框图 测控特性测控特性16多路传输多路传输涉及科学技涉及科学技术领域的广术领域的广泛性泛性精确性和精确性和可靠性可靠性信息的多信息的多样性和数样性和数据处理的据处理的复杂性复杂性卫星测控特点2022-4-18172 测控测控特性特性 航天器的测控特性一般应包括（以往的测控包括遥测、航天器的测控特性一般应包括（以往的测控包括遥测、遥控和跟踪，目前已

7、发展成为仅仅是提供通道）：遥控和跟踪，目前已发展成为仅仅是提供通道）： 测控选用的测控选用的频段频段一般为（一般为（S S、C C、KuKu、KaKa）；）； 天线的增益天线的增益； 轨道测速精度和测距精度轨道测速精度和测距精度；特别是低轨道，对目；特别是低轨道，对目标观测有定位精度要求的任务（实时和事后处理）航天标观测有定位精度要求的任务（实时和事后处理）航天器，定轨精度指标有的情况是直接影响到目标定位精度。器，定轨精度指标有的情况是直接影响到目标定位精度。 上行码速率；上行码速率；它主要涉及到地面测控站发送遥控它主要涉及到地面测控站发送遥控和注入数据的能力。和注入数据的能力。 下行码速率；

8、下行码速率；它是航天器在轨工作时的各种工程它是航天器在轨工作时的各种工程测量参数的发送能力。测量参数的发送能力。 测控频段测控协议数据率小于12Mb/s， 采用S频段数据率在1250Mb/s, 采用C频段或X频段数据率50100Mb/s， 采用X频段数据率1001000Mb/s，采用Ku/Ka/w频段数据率大于1Gb/s， 采用光频段测控体制技术指标技术指标USB（五院）（五院）非相干扩频非相干扩频扩跳频扩跳频测控数传一体化测控数传一体化上下行数上下行数传传（中科院）（中科院）上行带宽上行带宽1MHz11MHz50MHz11MHz2MHz上行调制方式上行调制方式PCM-BPSK（副载波） PC

9、M-CDMA-BPSK PCM-CDMA-BPSK-FH PCM-CDMA-BPSKPCM-BPSK上行扩频方式上行扩频方式-直接序列扩频直接序列扩频直接序列扩频-上行扩频码速率上行扩频码速率-10.23Mchip/s10Mchip/s10.23Mchip/s-上行扩频码类型上行扩频码类型-GOLD码GOLD码GOLD码-上行扩频码码长上行扩频码码长-102310231023-上行信道编码上行信道编码-BCH-Trubo上行遥控速率上行遥控速率8000bps4000bps88bps4000bps256kbps/1Mbps上行遥控门限上行遥控门限-112dBm-112dBm-112dBm下行带宽

10、下行带宽1MHz11MHz50MHz11MHz2MHz下行调制方式下行调制方式PCM-BPSK（副载波） PCM-CDMA-BPSK PCM-CDMA-BPSK-FHPCM-BPSKPCM-BPSK下行扩频方式下行扩频方式-直接序列扩频直接序列扩频-下行扩频码速率下行扩频码速率-10.23Mchip/s10Mchip/s-下行扩频码类型下行扩频码类型-GOLD码GOLD码-下行扩频码码长下行扩频码码长-10231023-下行信道编码下行信道编码-R-S+卷积TruboTrubo下行遥测速率下行遥测速率4kbps/8kbps2048bps/32768bps1712bps256kbps/1Mbps

11、256kbps/1Mbps天线方式天线方式全向天线，收发合一，左旋圆极化导航卫星遥测信息流遥测采用AOS帧+SPP空间包的协议路由和加解密在SPP空间包上实现Ka下行备份S下行导航卫星遥控信息流遥控采用PCM帧+SPP空间包的协议路由和加解密在SPP空间包上实现S上行和L上行互备，Ka上行备份S上行和L上行 类型和要求类型和要求2022-4-1824脉冲测量系统脉冲测量系统 脉冲测量系统的工作原理是通过测量脉冲电磁波（无线电脉冲测量系统的工作原理是通过测量脉冲电磁波（无线电波）在空间传播的往返的时间间隔为基础的定位测量系统。波）在空间传播的往返的时间间隔为基础的定位测量系统。航天器采用脉冲测量

12、系统，主要是以应答式的工作方式。地航天器采用脉冲测量系统，主要是以应答式的工作方式。地面的脉冲测量雷达系统接收航天器上的应答机转发的信号，面的脉冲测量雷达系统接收航天器上的应答机转发的信号，这种方式转发信号强，雷达作用距离远，抗干扰能力强，是这种方式转发信号强，雷达作用距离远，抗干扰能力强，是航天器的一种实时跟踪测量的手段。它通常由航天器上的单航天器的一种实时跟踪测量的手段。它通常由航天器上的单脉冲雷达应答机、引导信标机和地面脉冲测量雷达组成脉冲雷达应答机、引导信标机和地面脉冲测量雷达组成。 引导信标机，由于它的波束宽，用于地面雷达系统的捕获引导信标机，由于它的波束宽，用于地面雷达系统的捕获航

13、天器的目标航天器的目标， 2022-4-1825u连续波测量系统连续波测量系统 连续波测量系统分为多普勒频移系统、距离和距离变化连续波测量系统分为多普勒频移系统、距离和距离变化率测量系统、相位比较系统和这些系统的多种变化类型。率测量系统、相位比较系统和这些系统的多种变化类型。 多普勒频移系统：利用多普勒效应测定航天器的径向速度，多普勒频移系统：利用多普勒效应测定航天器的径向速度，借以测量航天器的飞行轨迹。多普勒频移是由地面向航天器借以测量航天器的飞行轨迹。多普勒频移是由地面向航天器或由航天器向地面发射固定的频率的等幅电磁波，因航天器或由航天器向地面发射固定的频率的等幅电磁波，因航天器和地面站存

14、在相对运动，接收信号的频率与发射的频率互不和地面站存在相对运动，接收信号的频率与发射的频率互不相同，其频率之差就是多普勒频移。多普勒频移正比于测控相同，其频率之差就是多普勒频移。多普勒频移正比于测控站与航天器方向上的速度分量，所以测量出多普勒频移的大站与航天器方向上的速度分量，所以测量出多普勒频移的大小，就可获得航天器相对测控站的相对径向速度。小，就可获得航天器相对测控站的相对径向速度。2022-4-1826u距离和距离变化率测量系统：距离和距离变化率测量系统：距离和距离变化率测量系统距离和距离变化率测量系统也称为连续波雷达系统，它主要用于航天器的轨道测定。由也称为连续波雷达系统，它主要用于航

15、天器的轨道测定。由航天器应答机和地面的连续波雷达组成。利用航天器上的应航天器应答机和地面的连续波雷达组成。利用航天器上的应答机，地面有多个彼此独立的雷达测量站，测量各个站到航答机，地面有多个彼此独立的雷达测量站，测量各个站到航天器的距离和距离变化率，作为确定航天器的空间位置和速天器的距离和距离变化率，作为确定航天器的空间位置和速度的测量元素度的测量元素 。测量站为中心，以测得的距离为半径形成多测量站为中心，以测得的距离为半径形成多个球面，这些球面相交于一点，这个交点的空间位置就是航个球面，这些球面相交于一点，这个交点的空间位置就是航天器的瞬时位置，用矢量合成方法处理所得的相对各站的变天器的瞬时

16、位置，用矢量合成方法处理所得的相对各站的变化率，就是航天器在这个位置上的瞬时速度化率，就是航天器在这个位置上的瞬时速度2022-4-1827u在目前航天器上采用的是距离和距离变化率测量系统：在目前航天器上采用的是距离和距离变化率测量系统：距距离和距离变化率测量系统，也称为连续波雷达系统，频段为离和距离变化率测量系统，也称为连续波雷达系统，频段为S S频段，它是国际上由国际电联确定的测控频段。频段，它是国际上由国际电联确定的测控频段。上行频率上行频率范围为范围为2025211020252110MHzMHz，下行频率范围为下行频率范围为2200229022002290MHzMHz；应答应答机的发射

17、机在所有条件下和航天器的寿命期间内机的发射机在所有条件下和航天器的寿命期间内，相干，相干转发转发比（上行比（上行/ /下行下行）为）为221/240221/240。 目前还有利用目前还有利用 GPS系统确定航天器的轨道，轨道测量精系统确定航天器的轨道，轨道测量精度可优于度可优于50 m。可以提供三维空间位置和速度以及时间等七可以提供三维空间位置和速度以及时间等七个量。个量。 扩频体制工作原理星地测控工作过程星地双向捕获测距测速 扩频体制工作原理1主要功能接收UQPSK调制的上行扩频测控信号，对同相分量(I支路)中的遥控扩频信号进行解调、解扩，恢复出遥控PCM信号并送遥控单元；捕获并跟踪上行扩频

18、测控信号正交分量(Q支路)中调制的上行测距码；对来自遥测单元的遥测PCM数据流进行扩频调制后对下行载波的同相分量(I支路)进行BPSK调制；扩频应答机生成的下行测距码对下行载波的正交分量(Q支路)进行BPSK调制；下行扩频测控信号为UQPSK调制，载波被抑制，地面站可以从该信号中恢复出被抑制的载波，并作为信标。 扩频体制工作原理2扩频应答机组成：接收通道、发射通道、数字基带等模块 扩频体制工作原理(1)接收通道接收通道上行扩频测控信号在扩频应答机的接收通道完成上行扩频测控信号在扩频应答机的接收通道完成低噪声放大、下变频、中频滤波、中频信号放大低噪声放大、下变频、中频滤波、中频信号放大和和AGC

19、控制，接收通道采用二次变频的超外差控制，接收通道采用二次变频的超外差接收机接收机。（2）发射发射通道通道下行中频下行中频UQPSK调制信号在发射通道中进行上调制信号在发射通道中进行上变频和射频滤波处理，形成下行扩频测控信号。变频和射频滤波处理，形成下行扩频测控信号。发射通道采用低本振、二次变频的方案。发射通道采用低本振、二次变频的方案。 扩频体制工作原理（3）数字数字基带基带以以DSP为控制核心，扩频解扩、解调和调制等软件无为控制核心，扩频解扩、解调和调制等软件无线电核心运算主要由线电核心运算主要由FPGA完成，主要完成以下功能：完成，主要完成以下功能：上行遥控扩频码捕获与跟踪；上行载波恢复与

20、跟踪；上行遥控扩频码捕获与跟踪；上行载波恢复与跟踪；上行测距码捕获、跟踪；上行测距码捕获、跟踪；遥控遥控PCM数据解扩与比特同步，经比特同步后的遥控数据解扩与比特同步，经比特同步后的遥控PCM码和同步时钟送遥控单元进行后继处理；码和同步时钟送遥控单元进行后继处理；接收来自遥测单元的遥测接收来自遥测单元的遥测PCM码和同步时钟，对遥测码和同步时钟，对遥测PCM码进行扩频后在下行中频信号的同相支路进行码进行扩频后在下行中频信号的同相支路进行BPSK调制，同时将同步于上行测距码的下行测距码调制，同时将同步于上行测距码的下行测距码在下行中频信号的正交支路进行在下行中频信号的正交支路进行BPSK调制调制

21、。 扩频体制工作原理3扩频应答机扩频应答机软件软件从硬件上来说，从硬件上来说，FPGA+DSP等等构成构成了基带的了基带的核心处理模块，而真正关键的是固化在其中的核心处理模块，而真正关键的是固化在其中的软件，该软件将完成下变频、解扩、解调、软件，该软件将完成下变频、解扩、解调、PN码再生转发、调制等一系列任务，此同时码再生转发、调制等一系列任务，此同时还负责与各外部接口的通信协议的执行还负责与各外部接口的通信协议的执行。1、扩频星地双向捕获2、扩频测距扩频体制时，采扩频体制时，采用伪码测距体制。用伪码测距体制。3、扩频 测速测速在星地双向捕获完成后进行，采用双向多普勒测速。地面测控站的多功能数

22、字基带分系统将发送的上行载波频率与接收的下行载波频率进行比较，得到双向多普勒频移，计算得出卫星的径向速度。 USB体制工作原理1. USB应答机主要功能接收、放大上行遥控信号并对上行载波进行解调,将解调出的遥控PSK信号送往遥控单元；调制并发送遥测单元送来的遥测PSK信号；接收、解调并调制转发测距信号；为地面测控站提供跟踪信标。 USB体制工作原理2. USB应答机组成和工作原理USB应答机由接收机和发射机等模块组成接收机为两次相位比较的二阶锁相环超外差接收机。它接收来自地面站的上行载波信号，经过放大、变频、鉴相等处理后，对载波进行捕获和跟踪，将相位解调出的遥控PSK信号送到遥控单元，将测距音

23、信号送到发射机进行转发，将接收机锁定后的VCXO信号送到发射机，进行下行载波的相干转发。发射机完成遥测副载波和/或测距音信号对下行载波的相位调制。遥测副载波信号始终对下行载波进行相位调制；而是否转发测距音信号则取决于接收机的工作状态和遥控指令对测距音转发开关的控制。 USB体制工作原理2. USB应答机组成和工作原理下行载波既可由接收机VCXO相干驱动，也可由独立的TCXO(辅助温补晶体振荡器)非相干驱动。发射机内提供一个开关由遥控指令控制其开合以控制相干/非相干模式的转换。在相干模式下工作时，若接收机锁定，则自动选用接收机的压控振荡器(VCXO)输出的频率信号作为下行载波的频率源；若接收机未

24、锁定，则自动转入非相干模式工作。在非相干模式下工作时，下行载波频率源由独立的TCXO产生，与接收机的锁定状态无关。 USB体制工作原理3、USB体制星地测控工作过程星地双向捕获测距测速1、USB 星地双向捕获2、USB 测距测距精度由主测距音的测距精度由主测距音的测量精度决定，低测距测量精度决定，低测距音用来在距离测量中解音用来在距离测量中解模糊。模糊。3、USB 测速测速在星地双向捕获完成后进行，采用双向多普勒测速。地面测控站的多功能数字基带分系统将发送的上行载波频率与接收的下行载波频率进行比较，得到双向多普勒频移，计算得出卫星的径向速度。 测控链路预算测控链路预算项目项目XX卫星卫星USB

25、体制余量体制余量/dB扩频体制余量扩频体制余量/dB上行载波恢复16.118.2遥控7.719.1上行测距码恢复/17.7下行载波恢复18.49.7遥测3.38.2下行测距码恢复 12.7主音8.1 次音7.1 测角6.9 测速6.9 初样研制总结 汇报内容一、引言二、初样研制依据和任务三、测控分系统方案介绍四、初样研制过程五、初样产品生产六、初样试验七、初样软件研制八、安全可靠性分析评估九、初样阶段复查复算十、风险分析与控制十一、测试覆盖性总结 十二、关键项目控制情况十三、初样技术状态更改十四、初样产品技术状态十五、产品使用与维护十六、待协调问题十七、正样生产和试验准备十八、初样研制总结主

26、要 汇 报 内 容一、引言二、初样存在问题分析三、正样状态更改四、分系统正样设计五、分系统软件设计六、安全性可靠性分析七、数据处理要求八、试验安排与设计九、正样研制技术和计划流程十、总装和发射场测试试验方案十一、在轨运控流程十二、正样生产准备情况十三、在轨故障及处理对策十四、风险识别与控制十五、指标符合性分析十六、结论难点及序号序号 航天器测控航天器测控难点难点解决措施解决措施1频段紧张码分多址（扩频体制）2境外测控星间链路转发卫星遥测遥控（Ka频段100kbps，激光2Gbps）3安全防护数据加密+身份认证4高速率上下行数传技术（S频段1Mbps，激光2Gbps）5抗辐照三模冗余+动态刷新（

27、FPGA）抗辐照加固专用芯片（ASIC）6抗干扰扩跳频技术（每秒2万跳，100MHz带宽，信道编码）7发射后可升级主要程序在轨可重构（FPGA+FLASH）8高可靠长寿命抗辐照加固专用芯片（ASIC+FLASH）9空间网络传输星地星间测控运控一体化设计（传输协议和加解密）10测试有效性严格按照飞行程序配置地面测试设备状态，确保卫星在轨飞行测试状态与地面测试一致11卫星批生产星上产品标准化+地面测试全自动化航天器测控发展趋势星地一体化设计 所有航天器和地面支持系统之间合并同类项，采用统一标准协议，实现空天一体网络传输，最大程度上减小不同系统之间的数据转发和处理开销。星上产品标准化、模块化、芯片化

28、 所有航天器之间合并同类项，相同功能的部分采用标准模块，定型后安排流片，最终采用抗辐照加固的专用芯片。尽可能减少星上产品元器件类型和数量，减少元器件筛选和焊接的环节。地面测试全自动化 所有航天器地面测试设备全部操作支持网络远程配置，均通过网口连接综测主控计算机。测试前仅需手动加电，设备自动加载程序，之后由主控计算机远程切换模式和加载参数。操作人员在主控计算机上加载细则，系统自动完成测试并生成报告，测试结束后由主控计算机远程断电。 58写在最后写在最后成功的基础在于好的学习习惯成功的基础在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits谢谢聆听 学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal