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2. 卫星测控信道传输及测控的基本原理
2.2航天通信技术的三种情况



对地观测卫星，除测控信道(点频)外，采用另一个 信道单独传送高数据率的遥感数据，该类信道是单 向下行； 载人航天器，除测控信道外，其通信信道中除对地 观测，空间科学实验和空间生产数据外，还有航天 器之间的话音通信，电视信号等，数据传输双向交 互，具有上行和下行； 专门分化出经营通信及广播的卫星，通信为双向， 广播为单向的。
LS LA LP
极化损耗；
L RP
为接收天线指向损耗； 为天线增益；
GR
L r c 接收天线至接收机之间馈线带来的馈线损耗； SF
为系统设计时预留的安全因素
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3. 航天器测控与通信分系统设计
3.1遥测分系统设计
1)遥测基带信号格式
帧同 步码 帧号 1路 2路 3路 全帧 计数 副1'路 副2'路 N-3 路 N-2 路
d l ct l
；其中距离差是由两
个接收点接收电磁波的相位差 t 计统、角饲服系统、天线机座及与上述系统相配套的计算 机、时统、角引导设备等组成，原理是直接测出接收跟踪天线波束的指向，测角的精度取决于天线波 束的宽度，跟踪饲服系统的精度，接收机灵敏度等因素。
CAST2000平台
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3. 航天器测控与通信分系统设计
3.3 小卫星测控系统实例
*小卫星的主要技术指标
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3. 航天器测控与通信分系统设计
3.4跟踪分系统设计
跟踪分系统的功能包括：角跟踪、测距、测速功能
1)角跟踪方法
a)干涉仪法 卫星发出的无线电传输到地面相距为 L 的两个不同接收点 R1、R2 的距离差 d，则 c o s
通信方程参数的物理意义
PR PT
为接收机的前置低噪声放大器（LNA）输入收到的信号功率； 为发射机辐射功率； RF （射频） 电缆或波导引起的馈电损耗；
L t c 为发射机到发射天线端口之间的
GT
L tp
为发射天线增益； 为发射天线损耗； 为电磁波在空间传播的路径损耗； 为电磁波穿过地球大气层的大气损耗； 为发射天线和接收天线之间电波极化不匹配（极化方向不一致）引起的
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3. 航天器测控与通信分系统设计
2)遥控分系统功能组成
航天器 用户 命令分配 单元 遥控验证 器 匹配滤波 副载波 解调器 载波 接收机
帧同步
位同步
星上部分 地面部分
命令、指令产 生器
送遥测
测距侧音
格式化 编码器
副载波调 制器
载频 发射机
测距侧音
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3. 航天器测控与通信分系统设计
3)遥控信号的调制及射频
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1. 卫星测控系统的技术现状和作用
2） 遥测
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。
2） S频段和USB 体制


S频段的宇宙噪声最低；
频率范围：2025～2300MHz； 统一S频段测控系统(USB)具有上行、 下行两个信道，上、下载波频率相干 ，采用固定转发比，上行频率 2025~2110MHz，下行频率 2200~2300MHz，上下行载频转发比 221/240，上、下行载波采用残余载 波调制体制，即相位调制(PM)方案。
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1. 卫星测控系统的技术现状和作用
1.2测控与通信系统的发展经历的四个时期
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。 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 波测控系统(USB)，达到了简化天-地设备的效果。 1980年前后，TT＆C和宽带、高速数据通信系统合并成 C&T(通信与跟踪)系统。 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。
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1. 卫星测控系统的技术现状和作用
3） 遥控
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。
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3. 航天器测控与通信分系统设计
2）测距分机设计
测距分系统的工作原理： 首先发出高测距音，当航天器上相干应 答机接收并转发高侧音到地面站后，观 测站中PLL接收机，锁住高侧音和高侧音 比相，求出距离差的尾数，然后将高侧 音分频，求出下一个次侧音，连同高侧 音一起发给航天器，对返回来的次侧音 ，再锁相并比较相位，如模糊度未判断 出来，再发第二个次侧音，直到解出模 糊为止。此系统最大测量无模糊距离为 18000公里。
PSK遥测副 载波解调
PM载波锁相 解调
帧同步码 检出
位同步 提取
测距侧音
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3. 航天器测控与通信分系统设计
3.2遥控分系统设计
1)遥控数据帧结构 遥控帧格式说明：
遥控命令帧长定义为64字节。分系统 地址码、命令码、帧计数及参数等均 采用（8，4）汉明纠错编码，对于不 带参数的命令帧，其参数及保留部分 用55H填充（根据需要，保留部分可以 重新定义）。 帧计数用于区分单帧命令、多帧命令 。对单帧命令帧计数为0，对多帧命令 起始帧计数为1，后继帧依次递增，如 2，3，4......等等，FFH为结束帧帧 计数，例如：某次飞行任务表上注指 令由3帧组成，则帧计数依次为1，2， FFH
90 EB 分系统地址码 L 帧计数L 参数2L 分系统地址码 H 帧计数H 参数2H 命令代码L 参数1L 参数3L 命令代码H 参数1H 参数3H 08 08
参数4L
参数6L 参数8L 参数10L 参数12L 参数14L 参数16L 参数18L 参数20L 参数22L 参数24L 参数26L
参数4H


数据率在50Mb/s,
采用C频段或X频段；
数据率大于100Mb/s，采用Ku/Ka频段； 数据率小于12Mb/s， 采用S频段； 数据率50～100Mb/s，采用X频段； 数据率大于100Mb/s，采用Ku/Ka/w频段
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2. 卫星测控信道传输及测控的基本原理
发 收
t
A'
t
发
收
A'
A
t
t
距离模糊产生过程图
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3. 航天器测控与通信分系统设计
采用7个测距音的USB测控系统测距方案
/10 F1(100kHz) /5 F2(20kHz) 单边带 调幅 PM
/5
F3(4.0kHz)
1MHz频标
/5
F4(800Hz)
内容
1 2 3
卫星测控系统的技术现状和作用 卫星测控与通信工作的基本原理 航天器测控与通信分系统设计 GPS系统导航定位工作原理 航天统一测控网组成及功能 航天器测控通信的发展趋势
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5 6
1
1. 卫星测控系统的技术现状和作用
1.1. 概述
航空航天活动范围的分界线，一般以距离地面100km为界 广义的测控与通信系统是航天技术的大系统之一，包括航天器本 体中的测控通信分机和地面通讯设备（运载与航天器测控网）。 测控与通信系统的任务是对航天器进行跟踪、测轨、定位、遥测 、遥控和通信。 测控（TT&C, Tracking, Telemetry and Command）包括三部分： 跟踪、遥测和命令。 通信是测控之外的另一个星地数据系统，主要目的用来传输航天 器上有效载荷取得的高速率数据，有效载荷可能是通信、广播转 发器，对地观测遥感仪器或科学实验仪器所取得的数据.
副N’2路 帧同 步码 帧号 1路 2路 3路 副N’1路 N-3 路 N-2 路
遥测帧格式结构
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3. 航天器测控与通信分系统设计
2)遥测分系统功能框图
交换子取样
A/D
帧格式化 器
遥测副载波 PSK调制
载波PM调制
帧同步码及数 字信号
测距侧音
航天器部分 地面站部分
遥测数据 用户
串/并 转换
分路
匹配 滤波器
三类通信情况都要求高速传输信息和高效率传输信息 ，即最大限度利用发射功率及尽量减少占用带宽，基 带信号合并为一路统一数据流，直接对载波进行调制 ，数据率低于1Mb/s时，采用BPSK调制体制，数据率 大于1MB/s时，采用QPSK节约带宽。
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2. 卫星测控信道传输及测控的基本原理
1） 数据率传输一般采用的频段类型
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2. 卫星测控信道传输及测控的基本原理
3）通信方程
通信方程包括了收发双方的设备性能，电 磁波传播路径的影响和通信需求。基本通 信方程:
PR PT L tc G T L tp L S L A L P L R P G R L r c S F
通信系统模型图
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2. 卫星测控信道传输及测控的基本原理
遥测基带数据的调制方法： a) PCM-PSK（副载波）-PM/AM(载波) b) PCM-PSK-FM(中间副载波)- PM/AM(载波); 副载波对载波的调制，目前多采用 PM 调制，调制后的 残余载波分量，用来做双程多普勒测速及角跟踪。