第6章 USB技术用于深空探测 器定位原理及方法
பைடு நூலகம்
1/20
USB概念及发展
USB即统一S波段测控系统(Unified S-Band System)，是指使用S波段的 微波统一测控系统。这里的微波统一测控系统指的是利用公共射频信道，将 航天器的跟踪测轨、遥测、遥 控和天地通信等功能合成一体 的无线电测控系统。
7/20
我国航天测控系统
我国经过多年的发展，目前已建成了由西昌卫星发射中心、北京航天指 控中心、西安测控中心、喀什站、青岛站、厦门站、南宁站等测站以及远望 测量船组成的USB航天测控网，主要完成对航天器跟踪测轨、遥测接收、遥 控发令、话音和图像收发任务。
8/20
USB技术用于探测器定轨的原 理
9/20
11/20
定轨原理
现以双程多普勒测速原理为例介绍USB系统的定轨过程。由于发射机与 接收机之间的相对运动，接收信号频率与发射信号频率不同，其差值为fd，称 此现象为多普勒效应．频率差值fd为多普勒频率。 主站发射的上行载波，经上行空间传播后，叠加了上行多普勒频率，被 目标航天器上的应答机接收，进行载波频率相关转发(转发比为ρ)，又经下行 空间传播后，叠加了下行多普勒频率，然后被主站接收机所接收，频率流程 如图所示：
2/20
微波统一测控系统组成及原理
微波统一测控系统一般由天线跟踪 /角测量系统、发射系统、接收系统、 遥测终端、遥控终端 、测距/测速终端、时/频 终端、监控系统、远程 监控或数据传输设备以 及其它附属设备组成。
3/20
微波统一测控系统组成及原理
4/20
微波统一测控系统组成及原理
其基本工作原理是：将各种信息先分別调制在不同频率的副载波上，然 后相加共同调制到一个载 波上发出；在接收端先对载波 解调，然后用不同频率的滤波 器将各副载波分开；解调各副 载信号得到发送时的原始信息。
从上式可以得出双程多普勒测速的公式为：
cf dd R 2 f R 0 f dd
14/20
测速测距精度
理论上 R 应有较高的测量精度。但是在目前条件下，由于测站未能释 放探空气球和测量气象参数，因而数据处理时，仅能利用测站的地面气象参 数和简化方法修正距离R和高度角A的电波折射误差，而对则未进行修正，严 重影响了测量精度的实现，因此改进数据处理方法提高测速精度成为各界的 研究重点。目前研究结果表明，USB系统测速RMS约为3~6 cm/s，测距RMS 约为1~3m，能够满足月球探测器定轨测控要求。
10/20
定轨原理
发送上行载波的测控站称为主站，而不发送上行载波的测控站称为副 站。主站发送的上行载波被目标航天器接收后，航天器上的应答机以固定的 转发比往地面相关转发，再由主站和各个副站同时接收下行载波。主站所接 收下行载波中的多普勒频率只跟主站的多普勒效应有关，利用双程相关载波 多普勒测速的原理，可以直接获取测速数据。
定轨原理
USB可以获取目标航天器相对于测控站的径向速度、距离、方位角和俯 仰角等外测数据。如图所示，在轨道测量时USB系统采用的是应答工作方式， 对应于目标航天器上的一部应答机，在某段时间内只允许一个地面删控站发 送上行载波，该测控站能直接获取全部外测数据，而其它测控站只能接收目 标航天器相关转发的下行载波，因此仅能直接获取角度外测数据。
15/20
集成USB-VLBI技术的应用
16/20
集成USB-VLBI技术的应用
USB 的测量弧段要明显长于 VLBI 的测量弧段，这是因为 USB 观测只需 单站可见，而 VLBI 观测需双站共视。其次， VLBI 对轨道的横向约束较强， USB观测量对轨道视向(或近似径向)的约束较强，二者联合定轨，可以互为补 充，提高定轨精度。 我国“嫦娥一号”月球探测器利用了我国“统一S波段(USB)”航天测控 网和我国天文台的甚长基线射电干涉网 (VLBI系统)，联合使用USB和VLBI技 术，实现了“嫦娥一号” 月球探测器的导航和定定轨任务，还将用于我国 “嫦娥二号”月球探测器各飞行阶段的遥测、遥控、轨道测量和导航任务。
式中
cR c cR fT c cR cR
R 为探测器速度，c为光速。
13/20
定轨原理
在主站接收机中，将实际接收频率fRM与基准接收频率fR0混频(fR0= ρ fT )， 以提取出双程多普勒频率：
f dd f RM f R 0
cR 2R fR0 fR0 fR0 cR cR
12/20
定轨原理
图中fT为测控站发射载波的频率，KdU为上行多普勒倍频系数，fSR为航天 器接收载波的频率，fST为航天器发射载波的频率，KdD为下行多普勒倍频系数， fRM为测控站接收载波的频率，相关转发比ρ =240/221。可见主站接收载波频 率为：
f RM fT KdU KdD fT
17/20
APOLLO USB NETWORK
18/20
更多USB详细资料
Proceedings of the APPOLO USB technique conference---/alsj/NASA-SP-87.pdf
19/20
谢谢！
20/20
5/20
USB MODULATION TECHNIQUE
6/20
USB航天测控网
USB航天测控网最早是在20世纪60年代美国执行阿波罗登月计划时首先 使用的。60年代初，美国在执行水星号和双子星号载人航天任务时，由于使 用了多种频段的设备分别进行不同的工作，结果飞船上天线多、重量大、可 靠性差，而且地球上也相应设置了十分复杂的设备。为了改变这种情况，美 国国家航空航天局提出采用USB(2000~4000兆赫)系统作为阿波罗登月计划的 地面保障系统，并在60年代中期建成了以USB为主体的跟踪测控网，从而使 航天测控从单一功能分散体制改进为综合多功能体制。