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1、航天测控航天测控 航天测控系统航天测控系统 v定义定义v发展概况发展概况v系统组成系统组成v航天测控网航天测控网v总体设计总体设计v总体设计中必须解决的问题总体设计中必须解决的问题v电子测控系统电子测控系统v航天电子测控系统的新发展航天电子测控系统的新发展v计算系统计算系统v测控的其他应用测控的其他应用v展望展望定义vspace tracking,telemetering and command system v对运行中的航天器（运载火箭、人造地球卫星、宇宙飞船和其他空间飞行器）进行跟踪、测量和控制的大型电子系统。 发展概况发展概况 v 第二次世界大战以后不久第二次世界大战以后不久,在火箭试验
2、中就已采用某些光学和电子测量系统，在火箭试验中就已采用某些光学和电子测量系统，例如光学跟踪经纬仪和多普勒测速仪。但是作为完整的航天测控系统，则是在人例如光学跟踪经纬仪和多普勒测速仪。但是作为完整的航天测控系统，则是在人造地球卫星出现之后才逐步形成的。最早的较为完整的航天测控系统是美国航空造地球卫星出现之后才逐步形成的。最早的较为完整的航天测控系统是美国航空航天局航天局(NASA)于于1961年发射年发射“水星水星”号载人飞船时使用的全球跟踪网。这个系号载人飞船时使用的全球跟踪网。这个系统在全球布有统在全球布有16个跟踪站，其中个跟踪站，其中14个站有雷达测量系统，个站有雷达测量系统，15个站有
3、遥测接收系个站有遥测接收系统，统，6个站有遥控系统个站有遥控系统,14个站有对飞船的通信系统。每个站均有自己的时间统一个站有对飞船的通信系统。每个站均有自己的时间统一系统，全系统的时间则经与天文时间发播台的时号相比对而统一起来。测控中心系统，全系统的时间则经与天文时间发播台的时号相比对而统一起来。测控中心设在戈达德航天中心设在戈达德航天中心,配有配有2台台IBM-7090计算机作为实时计算、决策和控制之用。计算机作为实时计算、决策和控制之用。全系统靠全球性的通信网来相互连接，但其中相当一部分线路是租用的。随后，全系统靠全球性的通信网来相互连接，但其中相当一部分线路是租用的。随后，“阿波罗阿波罗
4、”号登月飞船、同步通信卫星、同步气象卫星和航天飞机相继发射号登月飞船、同步通信卫星、同步气象卫星和航天飞机相继发射,测测控系统更趋完善控系统更趋完善,特别是实时控制方面的功能和自动化程度均有很大的提高。除特别是实时控制方面的功能和自动化程度均有很大的提高。除了对近地卫星和飞船的测控系统外，还建立了对行星际探测的深空测控网。了对近地卫星和飞船的测控系统外，还建立了对行星际探测的深空测控网。 v中国航天测控系统也是在航天事业的发展中逐步臻于完善的。在大陆上已经中国航天测控系统也是在航天事业的发展中逐步臻于完善的。在大陆上已经建立了多个测控站和一个测控通信中心。为了扩展观测范围建立了多个测控站和一个
5、测控通信中心。为了扩展观测范围,还建造了海上测量还建造了海上测量船船,以便驶往远洋对航天器进行跟踪观测。在整个测控系统中使用了多台计算机，以便驶往远洋对航天器进行跟踪观测。在整个测控系统中使用了多台计算机，并有贯通各个测控站、测量船和测控中心的通信网络。并有贯通各个测控站、测量船和测控中心的通信网络。 系统组成系统组成跟踪测量系统：跟踪航天器，测定其弹道或轨道。 遥测系统：测量和传送航天器内部的工程参数和用敏感器测得的空间物理参数。 遥控系统：通过无线电对航天器的姿态、轨道和其他状态进行控制。 计算系统：用于弹道、轨道和姿态的确定和实时控制中的计算。 时间统一系统：为整个测控系统提供标准时刻和
6、时标。 显示记录系统：显示航天器遥测、弹道、轨道和其他参数及其变化情况，必要时予以打印记录。 通信、数据传输系统：作为各种电子设备和通信网络的中间设备，沟通各个系统之间的信息，以实现指挥调度。 航天测控网航天测控网 各种地面系统分别安装在适当地理位置的若干测控站（包括必要的测量船和测控飞机）和一个测控中心内，通过通信网络相互联接而构成整体的航天测控系统 。航天测控系统图总体设计总体设计 航天测控系统总体设计属于电子系统工程问题。对整个系统来说，首先考虑的是航天任务的要求，可以针对某一个任务，也可以兼顾多个任务，从较长远的发展要求来设计。航天测控系统的中心问题是从地面和航天器整体出发，实现信息获
7、取，即将航天器的飞行和工作数据发回地面，并用计算机进行计算、决策和实时反馈来控制航天器飞行的轨道和姿态。 总体设计中必须解决的问题总体设计中必须解决的问题 在总体设计中必须解决的问题有：全系统所要具备的功能和实现这些功能的手段;测控站布局的合理性;控制的适时性和灵活性；各种设备的性能、速度和精度；长期工作的可靠性；最低的投资和最短的建成时间。 电子测控系统电子测控系统v 跟踪测量、跟踪测量、遥测遥测和遥控系统是整个测控系统的基本部分。电子测控和遥控系统是整个测控系统的基本部分。电子测控系统的优点是可以对航天器全天候跟踪，而且有较好的灵活性和足够的系统的优点是可以对航天器全天候跟踪，而且有较好的
8、灵活性和足够的精度。从系统工程的角度来看，对航天器跟踪测量所得的数据，经过计精度。从系统工程的角度来看，对航天器跟踪测量所得的数据，经过计算，可给出弹道、轨道或位置的信息；而遥测所提供的数据，经过处理、算，可给出弹道、轨道或位置的信息；而遥测所提供的数据，经过处理、分析可给出航天器的状态信息；它们都是系统中反馈回路的重要信息源。分析可给出航天器的状态信息；它们都是系统中反馈回路的重要信息源。遥控则是控制系统中的执行机构。遥控则是控制系统中的执行机构。 v电子测量和控制系统的地面部分，必须与装在航天器上的电子设备电子测量和控制系统的地面部分，必须与装在航天器上的电子设备相配合才能完成测控任务。对
9、于测量，航天器上必须有相应的信标机或相配合才能完成测控任务。对于测量，航天器上必须有相应的信标机或应答机，它们发回地面跟踪和测速用的射频信号，应答机还发回测距信应答机，它们发回地面跟踪和测速用的射频信号，应答机还发回测距信息。对于遥测，航天器上必须有检测各种参数的传感器和发送这些参数息。对于遥测，航天器上必须有检测各种参数的传感器和发送这些参数的射频发射机。对于遥控，航天器上必须有指令接收机。因此，航天器的射频发射机。对于遥控，航天器上必须有指令接收机。因此，航天器上的和地面的两部分电子设备在设计时应该结合起来统一考虑。上的和地面的两部分电子设备在设计时应该结合起来统一考虑。 v为了提高测量的
10、精确性和扩大信息的传输量，测控设备所用的无线为了提高测量的精确性和扩大信息的传输量，测控设备所用的无线电频率大部分已经提高到微波波段。为了减少航天器上电子设备的重量、电频率大部分已经提高到微波波段。为了减少航天器上电子设备的重量、体积，特别是要减少天线的数目，将各种测控功能适当地综合在一个统体积，特别是要减少天线的数目，将各种测控功能适当地综合在一个统一的射频载波上是一个重要的发展。这种系统称为一的射频载波上是一个重要的发展。这种系统称为微波统一测控系统微波统一测控系统。中国研制的微波统一测控系统中国研制的微波统一测控系统,灵活多用灵活多用,可进行单站或多站测量。可进行单站或多站测量。 航天电
11、子测控系统的新发展航天电子测控系统的新发展v 从地面上对航天器跟踪测量和控制，往往需要在很大范围内布置相当数目的从地面上对航天器跟踪测量和控制，往往需要在很大范围内布置相当数目的测控站，疆域较小的国家不具备这种条件。为了解决这一困难测控站，疆域较小的国家不具备这种条件。为了解决这一困难,国际间的协作十国际间的协作十分必要分必要,为此需要使各国测控系统的频率和体制统一起来。为此需要使各国测控系统的频率和体制统一起来。70年代初期，美国发年代初期，美国发射射“阿波罗阿波罗”号登月载人飞船时，开始应用号登月载人飞船时，开始应用S波段波段(2吉赫频段吉赫频段)统一系统并经实统一系统并经实践证明了这种系
12、统的优越性。现在美国的地面测控网已逐步改建践证明了这种系统的优越性。现在美国的地面测控网已逐步改建,采用采用S波段统波段统一系统作为主要的测控手段。西欧和日本也采用了频段相同而体制类似的系统，一系统作为主要的测控手段。西欧和日本也采用了频段相同而体制类似的系统，并且已应用到不同类型的卫星和航天器上。各国的测控频率和体制的统一，有利并且已应用到不同类型的卫星和航天器上。各国的测控频率和体制的统一，有利于互相利用。这是航天测控系统的发展趋势。于互相利用。这是航天测控系统的发展趋势。 v对于较低轨道的卫星或其他航天器来说，一个地面测控站的跟踪范围毕竟有对于较低轨道的卫星或其他航天器来说，一个地面测控
13、站的跟踪范围毕竟有限，而设置测控站的数目又受到种种限制，不能无限增加。为了扩大跟踪范围，限，而设置测控站的数目又受到种种限制，不能无限增加。为了扩大跟踪范围，将测控站搬到同步定点卫星上将测控站搬到同步定点卫星上,从从35800公里的高空来观测低轨道卫星是解决这公里的高空来观测低轨道卫星是解决这一困难的一个办法。一困难的一个办法。1983年年 5月美国利用航天飞机发射的一颗跟踪与数据中继卫月美国利用航天飞机发射的一颗跟踪与数据中继卫星星(TDRS)是实现这个设想的第一步。两颗定点在赤道上空，经度相隔约是实现这个设想的第一步。两颗定点在赤道上空，经度相隔约 140的的跟踪与数据中继卫星和一个相应的
14、地面控制接收站组成跟踪与数据中继卫星系统跟踪与数据中继卫星和一个相应的地面控制接收站组成跟踪与数据中继卫星系统 (TDRSS)。这种系统将能对多颗低轨卫星进行全球性不间断的跟踪、测控和数据。这种系统将能对多颗低轨卫星进行全球性不间断的跟踪、测控和数据中继。从测控的角度来看，系统的工作原理和微波统一测控系统类似。测控点站中继。从测控的角度来看，系统的工作原理和微波统一测控系统类似。测控点站仍设在地面（但减少到一个），而两颗跟踪与数据中继卫星实际上是起了将测控仍设在地面（但减少到一个），而两颗跟踪与数据中继卫星实际上是起了将测控信号转接和扩大到全球范围的作用。信号转接和扩大到全球范围的作用。 统一
15、S波段（USB） 我国月球探测一期工程的测控通信我国月球探测一期工程的测控通信系统将立足现有的系统将立足现有的“统一统一S波段波段（USB）”航天测控网和我国天文航天测控网和我国天文台的甚长基线射电干涉网（台的甚长基线射电干涉网（VLBI系系统），通过适当的技术改造，满足统），通过适当的技术改造，满足“嫦娥嫦娥1号号”月球探测器各飞行阶段的月球探测器各飞行阶段的遥测、遥控、轨道测量和导航任务。遥测、遥控、轨道测量和导航任务。 统一统一S波段（波段（USB）航天测控网是指）航天测控网是指使用使用S波段的微波统一测控系统。这波段的微波统一测控系统。这里的微波统一测控系统是指利用公共里的微波统一测控
16、系统是指利用公共射频信道，将航天器的跟踪测轨、遥射频信道，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测、遥控和天地通信等功能合成一体的无线电测控系统。微波统一系统的的无线电测控系统。微波统一系统的基本工作原理是：将各种信息先分別基本工作原理是：将各种信息先分別调制在不同频率的副载波上调制在不同频率的副载波上然后相然后相加共同调制到一个载波上发出；在接加共同调制到一个载波上发出；在接收端先对载波解调收端先对载波解调然后用不同频率然后用不同频率的滤波器将各副载波分开：解调各副的滤波器将各副载波分开：解调各副载信号使得到发送时的原始信息。微载信号使得到发送时的原始信息。微波统一测控系统一
17、般由天线跟踪波统一测控系统一般由天线跟踪/角角测量系统、发射系统、接收系统、遥测量系统、发射系统、接收系统、遥测终端、遥控终端、测距测终端、遥控终端、测距/测速终端、测速终端、时时/频终端、监控系统、远程监控或频终端、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。数据传输设备以及其它附属设备组成。 遥测系统计算系统计算系统v计算系统是整个测控系统的核心。各个测控站和各个设备都计算系统是整个测控系统的核心。各个测控站和各个设备都可用自己的计算机来处理本站和本机的数据，但大数据量的可用自己的计算机来处理本站和本机的数据，但大数据量的计算以及根据计算结果进行分析和做出控制决策等，一般都计算以
18、及根据计算结果进行分析和做出控制决策等，一般都要集中到测控中心来做。因此，在测控中心应装有容量大、要集中到测控中心来做。因此，在测控中心应装有容量大、速度高的计算机，并能双工工作以保证可靠性。在主机前端速度高的计算机，并能双工工作以保证可靠性。在主机前端则可采用较小的计算机来进行数据的编辑、选择和预处理。则可采用较小的计算机来进行数据的编辑、选择和预处理。主机的计算结果，一方面输入显示系统加以显示，以便指挥主机的计算结果，一方面输入显示系统加以显示，以便指挥控制人员能据此作出决策；另一方面也可以由计算机在人的控制人员能据此作出决策；另一方面也可以由计算机在人的监视下进行自动分析、决策，直接选择
19、控制参数，通过遥控监视下进行自动分析、决策，直接选择控制参数，通过遥控信道发出指令。这些计算、分析、人信道发出指令。这些计算、分析、人-机对话和决策机对话和决策,都须依都须依靠计算机软件系统来实现。因此，编制适当的软件，经过演靠计算机软件系统来实现。因此，编制适当的软件，经过演练确认其正确性，定型后并在实际中使用，是测控系统在练确认其正确性，定型后并在实际中使用，是测控系统在航航天器发射天器发射和管理中的一项十分重要的工作和管理中的一项十分重要的工作 测控的其他应用 汽车 锅炉 智能建筑 化工厂 电厂 海洋 环保 医疗 家居 v太湖蓝藻、环保v安保（奥运、上海世界博览会） v医学检查v家居智能
20、化、楼宇自动化、小区自动化、刷卡、城市视频监控v汽车安全及导航、飞机自动巡航、船用导航v灾难救援v汽车测控、锅炉测控、化工厂测控、电厂测控、海洋探测、v等等。家居智能化展望展望 随着应用卫星的发展，特别是导航卫星、高分辨随着应用卫星的发展，特别是导航卫星、高分辨率遥感卫星、载人飞船的会合和对接、航天飞机以率遥感卫星、载人飞船的会合和对接、航天飞机以及行星际和更远距离的航行，对航天测控系统提出及行星际和更远距离的航行，对航天测控系统提出了更高的要求：了更高的要求：提高卫星测轨、定位和姿态测定提高卫星测轨、定位和姿态测定的精度；的精度；提高卫星或飞船机动控制的实时性和精提高卫星或飞船机动控制的实时性和精确性；确性；特远距离时的跟踪测量和高速数据传输。特远距离时的跟踪测量和高速数据传输。 更精密的光学和电子测控系统，更大容量和更高更精密的光学和电子测控系统，更大容量和更高运算速率的计算机，更高精确度的时间标准和更高运算速率的计算机，更高精确度的时间标准和更高效率的通信体制等，都是为解决上述问题需要研究效率的通信体制等，都是为解决上述问题需要研究的课题的课题 谢谢大家！谢谢大家！
