深空导航无线电干涉测量技术的发展历程和展望

结合世界各航天大国和组织所开展的深空探测活动和深空测控系统建设中,对无线电干涉测量技术的开发、应用以及深空导航技术试验验证情况,系统地梳理和总结了深空导航无线电干涉测量技术的发展历程,并通过该技术未来在国际上几个主要深空探测任务中的应用规划,分析了无线电干涉测量领域未来的发展方向.该领域技术的最新发展对我国深空测控网无线电干涉测量系统的后续建设也具有重要的借鉴意义.     

天基测控系统应用发展趋势探讨

基于中继卫星的天基测控系统将在我国航天测控系统中扮演越来越重要的角色,研究天基测控系统应用发展趋势,对支撑天基测控系统发展、引导技术及应用研究都有着重要意义。本文从我国基于中继卫星的天基测控系统应用需求分析入手,介绍了国内外天基测控系统应用现状,对我国天基测控系统应用发展趋势和相关关键技术进行了深入探讨,指出今后应加强中继链路设计分析与模拟验证工作,建议重点开展抗干扰抗截获技术、更高码速率传输技术以及多用户网络化技术等关键技术的研究和应用。     

中继卫星系统在我国航天测控中的应用

中继卫星系统高覆盖、数据传输能力强,是航天测控网的重要组成部分。随着我国中继卫星系统的建设和不断完善,其对优化我国航天测控网结构、提升中低轨道航天器测控能力的作用日益明显。本文结合中继卫星系统的特点,分析了我国航天测控任务对中继卫星系统的应用需求,提出了在运载火箭测控、航天器入轨段测控、载人航天测控、卫星在轨长期管理等方面开展中继卫星系统应用的思路,梳理了运载火箭测控、航天器入轨及早期轨道段测控、飞船返回段测控、多址链路测控等方面需要解决的关键技术。     

科学实验卫星高速上行链路设计

为保障在卫星与地面之间开展空间量子科学实验的条件,必须为科学实验载荷建立一条星—地高速数据双向传输链路.通过跟踪CCSDS-SLS-NGU（空间数据系统咨询委员会-空间链路业务-下一代上行链路）工作组对NGU的研究进展,结合科学实验卫星有效载荷建立高速上行链路的需求,采用高带宽利用率调制技术、高效信道编码方式及适用的链路数据传输协议,设计了一种传输速率为1Mbit/s、误码率优于1×10-9的高速上行链路方案,并给出星载设备实现方案和地面初步测试结果.该方案在技术体制上兼容已有CCSDS规范,便于地面站及星载接收机实现,完全满足开展空间量子科学实验的需要.     

中继卫星系统链路操作影响因素分析

中继卫星系统链路建立和维持是中继卫星系统的关键技术,其直接影响中继卫星系统为用户提供数据中继服务的质量。影响链路建立和维持等操作的因素较多,有些还存在一定的关联性。本文分析给出了影响中继卫星系统捕获跟踪用户平台性能的几个主要因素,如链路建立时间、链路建立概率、中继卫星对用户平台的程序跟踪误差、中继卫星对用户平台的自动跟踪误差等,并就各种因素对中继卫星系统链路操作的影响进行初步评估。     

新世纪技术验证计划的小卫星通信

NASA下一世纪科学探索方式将基于廉价频繁的卫星发射,这些卫星将是轻型、低成本、高度自主的小卫星。通过“新世纪计划”(NMP),NASA准备创建一种新的高度综合的方法,对实现这些卫星目标的一系列技术进行开发和空间验证。要满足这些想象的任务要求,并突出降低寿命期成本的目标,对卫星设计、制造和操作各方面将提出挑战。本文集中讨论先进通信系统的体系结构和技术,这些都是NMP已明确的关键性能需求,也是空间验证计划当前选定的内容。这些系统主要分三大类:小型深空通信,极高码速率近地通信和短程通信。其应用包括:空—地链路,行星间飞行器及其着陆器和漫游年之间数据中继的航天器间链路,以及通过星间交叉链路和数据中继卫星的近地卫星通信。本文将从用途和关键性能参数(如质量、体积、效率和成本)来讨论射频(400MHz-32GHz)和光通信技术。     

空天地一体化飞行器测控通信网技术探讨

未来对飞行器的测控已从单一的航天测控通信发展到对中低空的无人机、高空及临近空间的飞行器、卫星以及深空探测的航天器等飞行器的测控与通信体系结构。针对空中及空间飞行器系统对空天地一体化测控通信网络的需求,提出了利用宽带通信导航链路进行组网的总体思路,对其系统体系结构以及相应的关键技术进行了简要介绍。     

太阳噪声对地面站噪声温度影响分析

分析了太阳噪声对NASA深空站天线接收系统噪声温度的影响,并根据目前我国航天测控系统各种口径天线接收系统噪声温度的实测数据,给出了太阳噪声对系统噪声温度影响的测量方法、数学模型,从而为月球探测和深空探测通信链路估算中外部噪声温度的计算提供技术依据。     

CCSDS建议在深空通信导航中的应用研究

结合深空通信导航技术的发展趋势,通过分析CCSDS(空间数据系统咨询委员会)的研究领域、应用CCS-DS建议的空间任务,梳理出与深空通信导航相关的CCSDS建议。详细论述了深空任务中射频与调制、带宽频率调制、再生伪码测距以及相对差分单向测距等技术体制的CCSDS建议内容。并重点分析了CCSDS建议对我国深空测控网建设的影响,提出了我国深空测控设备符合CCSDS标准的技术要求。     

卫星测控系统多通道地面测试平台设计

一般地面测试平台无法同时支持卫星对地测控测试和中继测控测试,需要开发多通道地面测试平台满足卫星测试需求.基于此,对卫星测控系统多通道地面测试平台设计进行讨论,采用彼此相对独立的2套地面测试设备,通过特定连接关系同时接入卫星对地测控链路和中继测控链路中,实现卫星多通道测控并行测试和地面测试设备的双机备份,在无须更改外部连接关系的基础上,通过模式选择、参数配置,可适用于不同模式下卫星测控通道地面测试需求.经过分析,该平台具有功能完善、适用性广、稳定性好等优点,已应用于某卫星的地面测试.测试结果表明,平台运行稳定,具有良好的使用效果.     

14.5-14.8 GHz Frequency Sharing by Data Relay Satellite Uplinks and Broadcasting-Satellite Uplinks

Data relay satellites are being developed to provide real-time data links between research satellites in low earth orbits and central data acquisition and processing facilities. Frequency assignments for data relay satellite links will be made in bands allocated internationally to the space research service. One of the bands which will be used lies between 14.5 and 15.35 GHz, where the space research service has had a frequency allocation as a secondary service since 1971. During the General World Administrative Radio Conference of the International Telecommunication Union, held in Geneva in 1979, a primary frequency allocation was made in the band 14.5-14.8 GHz to the fixed-satellite service, specifically for use by earth-to-space links of the broadcasting satellite service. The feasibility of shared band operation is evaluated between data relay satellite uplinks and broadcasting-satellite feeder links in the band 14.5-14.8 GHz. Relationships for predicting interference power levels are formulated, as functions of satellite separation and of earth station separation. Tradeoffs between satellite separation angle and earth station separation are explored, and conclusions are drawn regarding the feasibility of band sharing. Co-channel operation is demonstrated to be technically feasible for typical systems, provided appropriate separations are maintained.     

无人机系统的卫星中继数据链

针对大中型无人机系统实现远程测控与信息传输的技术需求,在参考国外＂捕食者＂、＂全球鹰＂等先进无人机系统技术体制和实现方案的基础上,提出了利用商业或军用通信卫星作为空中中继平台,建立无人机卫星中继数据链,实现我国远程无人机系统的超视距遥控、遥测和侦察信息实时传输的解决方案,这对延伸无人机系统的作用距离、提高作战效能具有重要意义。文中分析了无人机系统卫星中继数据链的技术体制,提出了工程应用中的关键技术,对具体的工程实现具有一定的指导意义。     

Tracking and data acquisition for space exploration

The tracking and data acquisition systems provide the key link between the remote spacecraft and the scientific experimenter on the ground. The operation of the space experiment takes place through the links of command, telemetry and tracking. The evolution from the early very simple spacecraft missions toward more complex and sophisticated missions has been paralleled by a similar evolution in the tracking and data acquisition systems. The early Minitrack interferometer tracking system still carries the major tracking workload for space missions; however greater tracking accuracy requirements for more recent missions, such as the Orbiting Geophysical Observatory and the Apollo mission, have brought about the development of unified tracking and data acquisition systems which utilize hybrid pseudo-random code/sidetone ranging techniques. The data acquisition has evolved from analog telemetry systems to the present day heavy use of PCM digital telemetry. Likewise the command systems have evolved from early simple on/off command systems into PCM digital command data systems. The trend is toward greater real time control of more complex functions on board the spacecraft. Newer spacecraft are incorporating computer-type systems in the spacecraft which require programming and memory load through the ground command link. The most attractive concept for the next generation network for tracking and data acquisition is a network consisting of synchronous-orbit Tracking and Data Relay Satellites for covering launches and low-orbit earth satellites plus a few selected ground stations for supporting spacecraft in high earth orbit and lunar orbit.     

美国下一代深空网发展计划探析

为适应未来美国深空探测的任务,此前美国NASA(National Aeronautics and Space Administration,国家航空航天局)对它的深空网发展的技术现状与能力进行了评估,梳理出了它们在未来深空任务中上下行通信速率需求,从而制定了美国下一代深空网的发展战略.针对此战略,梳理分析了美国深空网近年在深空通信导航领域开展的多项重大技术革新与演示验证试验,并从中剖析总结出了它的下一步的技术发展路线,期冀为我国深空测控网技术发展策略的制定提供参考.     

全球卫星导航星座网络协议体系与运行模式

针对全球卫星导航星座网络建设初期或论证阶段所涉及的网络体系结构、协议体系及相关组网等技术问题,开展了基于导航星座星间链路构建空间信息网络的技术研究,分别提出了由子网、接入网、骨干网等节点及其相互之间星间、星地无线链路构成的分层网络系统结构,设计了兼容遥控、遥测、测量与网络交互支持等业务的基于IP over CCSDS(基于空间数据系统咨询委员会标准的空间链路承载互联网协议业务)的协议体系,给出了全系统基本通信业务运行模式等。与传统高轨卫星通信系统相比,该星座网络具有高覆盖、低时延、随遇接入等优点,可实现星座导航性能与中低轨及地面用户通信性能的全方位提升,相关结果对我国全球卫星导航星座网络技术研究具有一定的参考意义。     

飞行器测控通信技术发展趋势与建议

在研究国内外测控通信技术现状与发展动态的基础上,梳理出未来测控通信发展趋势：将走向综合化网络、高精度和航天器自主导航,发展光学测控通信技术,提升跟踪与数据中继能力,建设天基靶场,加强安全防护,以及设备高度综合化、数字化、软件化和低成本等;结合我国测控通信技术发展遇到的技术“瓶颈”与挑战,探讨了当前我国测控通信发展面临的主要任务：制定顶层规划,继续提升技术水平,满足新平台新任务测控需求,探索新概念与前沿技术等;最后,提出了我国测控通信重点发展方向及其关键技术的建议.     

宽波束中继技术在空间站任务中的应用研究

针对航天器现有窄波束中继终端天线在姿态快速变化及姿态异常条件下提供测控支持的局限性,提出了利用宽波束中继技术提供测控通信支持的方案。基于宽波束中继天线性能、天地链路性能对测控通信支持的影响分析,提出了改善链路性能的优化方案。结合空间站任务载人航天器各阶段测控通信支持的特点,分析了宽波束中继在入轨段、长期运行段和返回段的应用。分析结果表明:宽波束中继可为载人航天器从海南发射场发射时的入轨提供测控支持,也可为载人飞船返回提供测控支持。     

基带滤波调制技术深空测控应用性能分析

深空测控的下行链路包括测控和数传2种典型的传输信道,其中数传信道一般具有发射功率大和数据传输速率高的特点,其带外辐射容易对测控信道产生干扰。以典型月球探测器为例,分析比较了数传信道采用常规BPSK（二进制相移键控）调制和基带滤波BPSK调制时,对测控信道的带外辐射影响,并对基带滤波BPSK调制的误码率性能进行了仿真分析,相应结论对未来深空探测任务测控系统总体设计具有十分重要的参考意义。     

AMTEC cells challenge energy converters

Sodium-base alkali-metal-thermal-to-electric conversion (AMTEC) cells have been receiving attention. Recently they were selected for the next generation deep-space missions, which need a converter that makes electricity from radioisotope heat. The AMTEC cell, being an electrochemical converter of heat to electricity, has no moving parts and is not limited to Carnot-cycle efficiency. However, its heat source and sink have to be near each other, so the challenge in AMTEC design is to minimize thermal losses and maximize electricity production. This required clever thermal designs. By 1991, high-temperature materials and computer modeling became available. The important AMTEC application was generating power from radioisotope heat in deep space missions. These spacecraft power needs had previously been supplied by inefficient thermoelectric converters     

深空通信信道编译码技术研究

初步分析了深空通信的信道特点,参考国外深空通信系统信道编译码方案。结合我国的现状,提出了我国未来深空通信系统应采用的编译码方案,并分析了实现的难点及关键技术。同时,根据信道特点和数据传输速率的要求给出了深空通信的调制方式。