內容簡介

目錄

第1章緒論

1.1深空探測

1.2深空測控通信

參考文獻

第2章深空測控通信係統概述

2.1深空測控通信係統的組成

2.2航天器測控通信係統

2.2.1數據管理分係統

2.2.2航天器射頻分係統

2.3地麵測控通信係統

2.3.1地麵深空測控站

2.3.2深空任務飛行控製中心

2.3.3地麵通信網絡

參考文獻

第3章深空測控通信基礎知識

3.1天文知識

3.1.1太陽係

3.1.2太陽

3.1.3行星際空間

3.1.4行星

3.1.5小行星和彗星

3.1.6月球

3.1.7火星

3.2時間係統

3.2.1世界時

3.2.2原子時

3.2.3測控通信時間術語

3.2.4曆元

3.3坐標係

3.3.1天球坐標係

3.3.2地球坐標係

3.3.3月球坐標係

3.3.4太陽坐標係

3.3.5航天器本體坐標係

3.4無綫電知識

3.4.1電磁輻射

3.4.2電磁頻譜

3.4.3射頻

3.4.4多普勒效應

3.4.5相位

3.5深空測量基礎

3.6深空通信基礎

3.6.1鎖相與相乾

3.6.2進入雙嚮模式造成數據丟失

3.6.3調製和解調、載波和副載波

3.6.4信標

3.6.5符號、比特和編碼

3.6.6多路復用技術

3.7深空測控通信術語

參考文獻

第4章係統設計過程與方法

4.1航天任務係統設計過程

4.1.1NASA航天任務設計

4.1.2ESA航天任務設計

4.1.3中國航天任務設計

4.2係統設計的方法

4.2.1要求的確定

4.2.2決策和評估準則

4.2.3最優化和縮小規模選擇

4.2.4魯棒性和靈活性

4.2.5風險評估和緩解

4.2.6確定設計餘量

4.2.7分析和權衡研究

4.2.8技術性能測量

4.3係統設計的約束

4.4測控通信係統設計概念

4.5測控通信係統設計過程

4.5.1確定測控通信係統結構

4.5.2測控通信鏈路設計

參考文獻

第5章天地測控通信係統鏈路設計

5.1測控通信鏈路的構成

5.2鏈路設計基本原理

5.2，1鏈路方程

5.2.2副載波調製信號頻譜

5.2.3不同副載波波形的功率分配

5.3鏈路指標分配

5.3.1跟蹤門限與帶寬

5.3.2精度門限

5.3.3數據門限

5.4鏈路預算方法

5.4.1接收功率計算

5.4.2噪聲溫度計算

5.4.3接收係統品質因數

5.5鏈路餘量

5.5.1載波捕獲餘量

5.5.2載波跟蹤餘量

5.5.3測速餘量

5.5.4測距餘量

5.5.5遙測和遙控餘量

附錄5.1多音調相信號頻譜結構推導

附錄5.2跟蹤正弦信號的經典鎖相環（PLL）信噪比推導

附錄5.3正態誤差函數錶

參考文獻

第6章鏈路損耗計算

6.1大氣損耗計算

6.1.1空氣和水汽損耗

6.1.2電離層閃爍損耗

6.1.3雨衰損耗

6.1.4霧、雲損耗

6.1.5實測大氣引起的衰減

6.2設備損耗計算

6.2.1指嚮誤差對天綫增益的影響

6.2.2發射／接收饋綫損耗

6.2.3極化損耗

6.2.4接收信號處理引起的損耗

參考文獻

第7章鏈路噪聲溫度分析與估算

7.1噪聲溫度的概念

7.2外部噪聲溫度的測量和計算

7.2.1大氣噪聲

7.2.2黑體噪聲

7.2.3太陽噪聲

7.2.4銀河係噪聲

7.2.5類噪聲乾擾

7.3係統噪聲溫度

7.3.1接收機有效輸入噪聲溫度

7.3.2係統噪聲溫度的測量

7.3.3不同參考點係統噪聲溫度的歸算

7.4航天器上應答機工作模式對轉發噪聲的影響

7.4.1測距通道采用非相乾AGC控製的情況

7.4.2測距通道相乾AGC控製

7.4.3測距通道前采用限幅器的情況

7.4.4采用射頻非相乾AGC控製

7.4.5采用射頻相乾AGC控製

7.4.6不同模式對噪聲影響的比較

參考文獻

第8章天地一體化鏈路設計與試驗驗證

8.1天地一體化鏈路設計

8.1.1任務概述

8.1.2測控通信要求

8.1.3地麵測控通信設施

8.1.4航天器測控通信分係統設計

8.1.5天地一體化鏈路性能分析

8.2天地一體化鏈路射頻與調製規範

8.3係統驗證

8.3.1地麵驗證

8.3.2在軌航天器驗證

參考文獻

第9章未來深空測控通信技術發展

9.1天綫組陣技術

9.2深空光通信

9.3行星際網絡技術

9.4自主與認知技術

9.5網絡編碼技術

9.6太赫茲通信技術

參考文獻

附錄A鏈路計算參數概率密度函數

名詞索引

前言/序言

　　仰望星空、探索宇宙是人類永恒追求的夢想。隨著科學技術水平的發展，人類已經具備瞭通過航天活動來探索地球以外天體的能力。深空探測是指脫離地球引力場，進入太陽係空間和宇宙空間的探測活動。我國嫦娥一號月球探測任務的圓滿成功，是繼人造地球衛星、載人航天飛行取得成功之後我國航天事業發展的又一座裏程碑，也開啓瞭中國人走嚮深空、探索宇宙奧秘的新時代，標誌著我國已經進入世界具備深空探測能力的國傢行列。嫦娥二號和嫦娥三號任務的連續順利實施，進一步深化瞭我國深空探測成果； 探月工程三期再入返迴飛行試驗任務的圓滿成功更是為三期工程的月球自動采樣返迴任務奠定瞭堅實的基礎。隨著我國探月工程“繞、落、迴”三步走戰略的有序推進，自主火星探測等深空探測任務也已提上瞭議事日程。

　　深空測控通信係統是對執行深空探測任務的航天器進行跟蹤測量、監視控製和信息交換的專用係統，其在深空探測任務中具有舉足輕重和不可替代的地位和作用。首先，它是天地之間進行信息交互的唯一途徑，也是航天器正常工作運行、充分發揮其應用效能的重要保證。通過地麵站建立地麵與航天器之間的天地無綫通信鏈路，完成對航天器的跟蹤測量、遙測、遙控和天地數據通信業務。其次，它是深空探測體係的重要組成部分，從深空航天器發射入軌一直到全任務周期結束，測控通信係統一直負責對航天器進行操作管理，提供長期的飛行狀態監視和飛行控製，並進行探測信息接收、處理和數據交換。此外，它還為相關係統提供航天器精確軌道與姿態數據、遙測數據，作為科學探測載荷應用數據處理的基準信息。

　　作為我國航天測控係統總體設計單位，北京跟蹤與通信技術研究所組織深空測控科研團隊，不斷跟蹤和研究國際深空測控通信技術，先後完成瞭我國深空測控網的頂層設計以及曆次探月任務的測控係統總體設計，積纍瞭深空測控通信係統設計的有益經驗。本書結閤作者親曆的探月工程經驗、相關科研成果以及國外航天大國和組織在深空測控通信方麵所取得的技術成就，從深空測控通信係統概念、技術基礎知識、係統設計過程與方法、天地係統鏈路設計、鏈路損耗計算、鏈路噪聲溫度分析與估算、天地一體化鏈路設計與試驗驗證等方麵進行瞭較為全麵的論述，試圖從技術原理和方法層麵為從事深空探測任務測控通信係統設計的工程技術人員提供一個相對比較完整的係統技術參考。

　　全書共分為9章。第1章緒論，介紹瞭深空探測和深空測控通信的概念； 第2章深空測控通信係統概述，介紹瞭天地一體的深空測控通信係統概念、全球深空測控網基本情況以及航天器測控通信分係統概況等； 第3章深空測控通信基礎知識，著重介紹瞭深空測控通信相關的天文知識、時間與坐標係、無綫電知識、深空測量和深空通信基礎等； 第4章係統設計過程與方法，藉鑒國內外係統工程應用成果，從係統工程方法論的角度描述瞭係統設計的過程與方法； 第5章天地測控通信係統鏈路設計，論述針對特定深空探測任務的測控通信係統鏈路設計，即根據地麵深空測控通信係統性能和功能以及任務需求，設計確定天地測控通信係統鏈路性能及參數的過程； 第6章鏈路損耗計算，詳細介紹瞭鏈路估算過程中，準確評估計算大氣損耗和設備損耗的原理和方法； 第7章鏈路噪聲溫度分析與估算，重點探討影響接收係統外部噪聲溫度的各種因素及其在鏈路計算過程中的估算方法； 第8章天地一體化鏈路設計與試驗驗證，針對深空航天器直接對地的測控通信情況，通過實例介紹瞭天地一體化鏈路設計，並總結瞭試驗驗證方法； 第9章未來深空測控通信技術發展，結閤未來深空測控通信需求，對天綫組陣技術、深空光通信技術、行星際網絡技術、自主與認知技術、網絡編碼技術和太赫茲通信技術等深空測控通信新技術進行介紹和展望。

　　本書的主要特點是理論與實際相結閤，突齣基礎理論分析，內容較為全麵，工程實用性強。相信本書的齣版不僅對從事深空測控通信領域的工程技術人員具有較高的參考價值，而且對深空測控通信相關技術研究也具有一定的指導意義。

　　在本書的編寫過程中，北京跟蹤與通信技術研究所的樊敏、郝萬宏、李贊、張波等提供瞭相關文獻資料和有益幫助，在此一並錶示感謝。

　　由於編寫時間緊促，加之編者學識和水平有限，書中難免有錯誤或疏漏之處，誠請讀者批評指正。

　　作者

　　2014年7月

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