用于NASA局TDRSS第二地面终端站的综合接收机的设计与性能

Ｉｎｔｅｒｓｔａｔｅ电子公司正在开发一种综合接收机，准备用于ＴＤＲＳＳ第二地面终端站的Ｓ波段多址，Ｓ波段单址，Ｋ波段单址，Ｓ波段航天收音机返向链路和Ｋ波段航天飞机返向链路。     

航天飞机的通信和测控系统

航天飞机轨道器的射频系统和数据业务包括以下内容:一台S波段相位调制(PM)发射/接收机、一台Ku波段发射/接收机、两台独立的S波段调频(FM)发射机,一台S波段载荷询问发射/接收机以及一台Ku波段交会雷达。另外,轨道器通信设备和数据系统还包括:一个计算机系统(作为载荷和射频系统之间接口的专用处理器)以及电视和磁带记录系统。地面保障系统包括地面航天跟踪和数据网(STDN)、航天指控中心(MCC)和载荷操作控制中心(POCC)。轨道器处于再入飞行轨道时,用五台雷达进行跟踪,用国内通信卫星将NASA跟踪系统连接起来。建立的话音通信系统可同时提供两条独立的双向话路,“测站会议和监视装置”可以在遍布世界的370个话音终端之间完成交换任务。航天飞机要经过四次飞行试验,进行约1100项实验。试验结束后,航天飞机将进入实用阶段:为付款的用户把卫星和其它设备送入太空。     

航天飞机S波段通信技术方案

航天飞机S波段通信系统为航天飞机提供了经由地面航天跟踪和数据网(GSTDN)的直接对地通信或经由跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS,经同步卫星转发轨道器的信息)的对地通信能力。S波段通信是航天飞机任务从发射到再入/着陆各阶段直接对地和经由TDRSS的主要通信线路。在轨道段,当TDRSS的Ku波段通信不能使用,轨道器姿态不利于Ku波段通信,或载荷舱门关闭时,轨道器都得使用S波段线路。本文介绍航天飞机S波段通信功能要求、轨道器上通信设备结构和NA-SA的S波段通信网。阐述了需要在S波段设备研制中采用专门新技术的要求和实施方案。其中包括(1)数字式话音△调制,(2)卷积编码/Viterbi解码,(3)使用Cost-as环路接收机的临界相位调制指数,(4)连续波调频的最佳数字数据调制参量,(5)副载波测距和时分复用数据信道的交调效应,(6)射频覆盖,(7)低信噪比下的解扩技术。本文评述了这些独特新型通信信道的性能,给出了性能分析和实验结果。     

跟踪和数据中继卫星系统的近期发展

一引言1984年4月,美国用航天飞机发射了第一颗 TDRS 卫星。随着这颗卫星的成功部署,开创了通过同步卫星对中、低轨道航天器进行跟踪和数据通信的新时代。这颗卫星目前有一副 S 波段单址天线有些故障,但从总的工作情况来看,性能指标都达到了设计要求。美国航空航天局共花了10亿美元,十多年时间研制并部署这种天基测控系统。这种新型     

X波段数据就地接收对改善用户服务及降低EO系统成本的重要性

通过一个大型地区性地面站系统很难满足大量潜在EO(对地观测)用户对廉价、及时获取数据的需求。由于大多数用户只需要当地数据(高仰角的),BURS公司设计建造了一个廉价X波段接收机系统,利用不到3米的天线可采集90°弧段范围内卫星(ERS-SAR,SPOT和JERS)发射的信号,其关键性部件是一个4贴片天线接收机系统。该系统锁定到S波段信标信号上,为闭环反馈跟踪系统产生位置误差信号。该系统采用了新颖液压驱动装置控制轻便型抛物面天线的俯仰,运动。接收到的X波段数据随后被送入一台或多台PC机。开发这种设备对未来EO系统的设计及运行操作具有深远意义。一种可能性就是多颗低价格/低功率小卫星配合当地自筹资金服务网建立的众多地面接收机构成EO系统。     

一种标定中继卫星SSA转发器距离零值的试验方法

中继卫星对用户航天器具有测距功能,中继卫星前/返向SSA(S频段单址)转发器时延引入的距离零值对用户航天器测距数据系统误差的贡献不容忽视。针对中继卫星SSA转发器距离零值不易直接测量的问题,给出了一种标定距离零值的O-C试验方法,并根据连续多天实测的中继卫星多站测距数据和中继卫星对固定模拟测试站四程测距数据标定了2颗中继卫星S频段单址转发器的距离零值,验证了试验方法的有效性。标定结果进一步分离了中继卫星对用户航天器四程测距数据的系统误差,对提高用户航天器定轨精度具有积极意义。     

数字式跳频GPS/GLONASS接收机

在很多应用场合,对大量扩频导航卫星连续跟踪将获益匪浅。当接收机跟踪多于定位所需最小卫星数目时,通过优选卫星几何可提高卫星导航精度。动态定位可利用冗余卫星来实现更迅速的整周期判决和跳周修正。陆地导航利用额外的卫星可克服建筑物、树林和地形造成的遮挡。比较多个星座的测量值能获得有关导航稳妥性的度量。跟踪大量卫星的好处已引起人们研制能同时处理美国GPS和苏联GLONASS信号的接收机的兴趣。已经推出了几种接收机设计方案,但所有这些接收机中处理GLONASS信号的硬件都是与处理GPS信号硬件分开的。本文介绍一种高度综合的GPS/GLONASS接收机,接收机中的每一卫星跟踪通道都能随意指定它接收任一个GPS或GLONASS卫星。该接收机有一个模拟射频/中频(RP/IF)前端,用一个固定频率的本振(LO)。定制的数字专用集成电路(ASIC)跟踪选定的GPS/GLONASS卫星,并提供相关测量值送软件处理。本文介绍的GPS/GLONASS接收机利用了数字信号处理技术和有限脉冲响应(FIR)滤波器的新成果。该综合接收机的模拟RF/IF前端大大地简化了,然而其性能可与使用相当复杂模拟RF/IF电路的接收机相比拟。GPS和GLONASS之间的跳频完全在数字域中进行,不必象早期设计方案中那样用昂贵的跳频本振。深入利用数字处理技术,GPS/GLONASS接收机可采用大规模集成电路,将多个通道集成在一个芯片上。这样可大大减小体积,节省成本,不久即可推出商用多通道GPS/GLONASS接收机。     

开发TDRSS对政府和商业运载火箭的全球覆盖能力

NASA天基通信网—TDRSS可为哈勃太空望远镜、Compton天文台、TOPEX以及航天飞机等多种低轨道飞行航天器提供跟踪和通信服务。当前NASA正集中研究采用最经济的办法完成其各项航天任务,这就促使它加倍努力,寻求从其TDRSS独特资源获得更大价值的一切可能性。现已证明利用3颗地球同步卫星加上高增益S波段跟踪天线能为一次性运载火箭(ELV)的发射阶段提供近全球覆盖能力。 运载火箭在上升和级间分离期间,由TDRSS提供遥测覆盖要比利用高级靶场测量飞机(ARIA)或多个航区站费用低得多。 TDRSS可望承担各类运载火箭的发射服务,其中包括德尔它、大力神/顶上级、飞马座、民兵、改进型火箭(EELV)和海射火箭以及国外运载火箭。对于装有相应转发器的顶上级,可以覆盖到转移轨道段。还在研究利用TDRSS波段前向链路传递靶场安全指令,从而还可能得到明显的经济效益。 本文详细介绍TDRSS为大力神/半人马座和阿特拉斯/半人马座发射提供通信保障所获得的经验,并叙述为各种运载火箭发射服务的余量、发射机和天线特性以及费用和前景。     

利用数字直接综合技术的空地链路指令数据编码

空地链路分系统(SGLS)在航天器与地面站之间提供全双工通信链路,完成遥控、跟踪、遥测和测距。上行指令信号是-S波段载波,用频移键控(FSK)指令数据对其调相。指令数据格式为三元(空,1,0)信号。指令数据速率为1,2和10Kb/s。本文所用方法利用数字直接综合技术(DDS)来产生SGLS指令数据和时钟信号。三元指令数据和时钟信号都输进编码器,数字式产生一个FSK副载波,该副载波带幅度调制的时钟。指令数据速率确定S,1,0单音的频率。数字直接综合技术能确保相位连续性,频率稳定度取决于微处理器晶振精度。从直流到2MHz以上范围内,频率分辨率可保持在几周以内。这就可以产生1和2kb/s指令格式,以及更新的10kb/s格式。软件加以修改即可适应其它指令格式。利用数字技术使编码器具有更强的自测试和更完善的出错报告能力。     

中继卫星S频段多址系统应用服务模式

通过深入分析TDRSS(Tracking and Data Relay Satellite System,跟踪与数据中继卫星系统)多址业务的主要能力、业务类型以及服务对象,概括总结出了TDRSS多址业务的2种应用服务模式,即周计划模式和按需接入模式。在此基础之上,设计了我国中继卫星SMA(S-band Multiple Access,S频段多址系统)的预分配服务模式、周计划服务模式和按需接入服务模式等3种应用服务模式。针对这些,建议:低速测控及数传需求的用户平台在安装S频段中继终端时,考虑兼容S频段单址和多址业务;用户中心S频段低速测控及数传服务尽可能使用SMA;用户在单独使用返向SMA资源时,必须确保中继终端处于开机状态,并指向中继卫星。     

中继卫星S/Ka双频地面站天线共用跟踪接收机

论述了Ka频段圆波导TE11和TE21模自跟踪体制和S频段正十字排列四喇叭自跟踪体制共用两信道自跟踪接收机问题.导出了来波及地面天线S频段和、差信道极化特性引起的角误差电压的交叉耦合系数公式.还可以进一步使S/Ka两个频段共用一套能跟踪（直接序列）扩频信号源的伪单脉冲（单信道单脉冲）自跟踪接收机.     

跟踪和数据中继卫星系统地面站的软件和数据自动处理装置

一简介跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)可以跟踪其它(用户)卫星并中继其数据。该系统的地面站可同时对K波段和S波段的19条正向(到用户星)和32条反向(来自用户星)的数据信道进行调制解调。中继卫星系统本身对数据是直通的,它与国家航空航天局之间直接传输同步信息流。四颗通信卫星都有这种数据信道,通过6个单址和3个多址天线进行。中继卫星系统每周7天、全天24小时都进行数据中继服务。用一个中继卫星的个别(井力)务最长可持续24小时;用3颗中继卫星,便可连续不断地为用户星服务。中继卫星系统地面站是一个自动化程度极高的通信电子设备的集合体。这种自动化是依赖于软件实现的,使用了一个庞大的计算机组合——9台DEC PDP11/70计算机和一台双处理机Univac 1110。该软件要完成三项主要功能:     

GPS/GLONASS双卫星接收机

本文介绍一种GPS/GLONASS双卫星接收机的设计和制造。该接收机从数字化跟踪的L波段(1.6GHz)-130dBm卫星信号提取数据。利用数字Costas环及全时早一晚码跟踪环跟踪输入信号并对扩频信号解码。对卫星数据解码并将用于定位和时间传递的各种必要参数记录下来。     

日本数据中继卫星计划

本文介绍了空间站时代日本的一种可能的数据中继卫星系统方案。该数据中继和跟踪卫星系统(DRTSS)将为高达300Mb/s数传速率的轨道航天器提供S波段和Ka波段通信及跟踪勤务。本方讨论了DRTSS的任务要求并进行了分析,还介绍了有关ETS-Ⅵ实验计划的情况。     

先进转发处理系统的试验结果

在商业小革新研究奖金的支持下,研制了一种先进的转发处理系统(ATPS)。这是一种低成本跟踪转发GPS信号的方法。它与目前正在ERLS(大气层外再入体拦截器系统)试验计划中使用的弹道导弹转发器(BMT)后向兼容。NAVSYS公司还研制了一种BMT兼容转发器,正按此计划进行测试。该ATPS的关键部件是前置放大器/下变频器(P/DC)模块。该模块由NAVSYS公司研制,用来调节接收到的转发信号,以便用常规C/A码接收机进行跟踪。该P/DC由装在IBM PC机内的高速数字信号处理卡控制,该PC机还为操作人员提供接口并完成数据采集与分析。目前正在用XR3-PC/A码接收机跟踪转发的GPS信号。然而,本ATPS的设计方案与多种GPS接收机相兼容。按照RAYPO(靶场应用计划联合办公室)弹道导弹和转发处理系统指标对ATPS和NAVSYS公司转发器作了测试。本文报导了这些测试结果,验证了在不同工作条件下转发器和ATPS的性能。     

飞船测控跟踪功能备份方案设计与实现

针对＂神舟＂飞船测控跟踪功能没有备份的难题,首次提出利用FM（调频）跟踪接收机跟踪接收数传信号来实现跟踪功能备份。从数传信号调制特性、FM跟踪接收机组成及载波接收解调3个方面进行了理论分析,并通过FM跟踪接收机的数传信号接收解调、静态跟踪和动态跟踪试验验证了该方案的可行性和有效性。该技术在不增加辅助设备功能的基础上,通过船载测控设备中FM跟踪接收机来实现对飞船跟踪功能的备份,显著降低对飞船目标跟踪失效的风险。     

统一S波段测控系统的发展及现状

统一S波段测控系统(USB)是在Apollo任务中发展起来的一种综合测控体制。它将跟踪、遥测、遥控、话音信号调制在同一无线电载波上,从而大大减少了星载设备的数量和重量,简化了测控操作。由于统一S波段测控系统所具备的显著优点,Apollo任务之后该体制迅速为各国航天测控系统所采用。到了八十年代,欧空局、法国、日本、德国等相继建立了自己的统一S波段测控网,并能同美国的统一S波段地面网络联网。八十年代以后,随着跟踪与数据中继卫星系统的不断完善以及航天器自主程度的不断提高,地面站存在的价值曾一度为人们所怀疑。然而事实证明,地面测控系统在航天任务保障中仍占有不可取代的重要地位。国内外已有大量文献介绍了Apollo统一S波段测控系统,因而本文重点介绍继Apollo任务之后统一S波段测控系统的发展以及现状。着重论述自动化程度的提高,硬件的改造及小型化,可移动地面站的出现等几个方面。并简要分析了今后可能的发展动向。     

美国NASA天基测控网的按需接入系统

NASA天基网按需接入系统(DAS)可为航天操作提供一种新的开创性的服务；这种业务通过跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)构成连续和自动化的通信链路。2002年10月投入运行的DAS扩展了TDRSS多址返向(航天器至地面)容量。该系统利用地基商业成品(COTS)设备，例如第三代多址波束形成分系(TGBFS)和可编程遥测处理器(PTP)，并利用包括TCP／IP及基于web的接口在内的联网标准。     

X波段数据就地接收对改善用户服务及降低EO系统成本的重要性

通过一个大型地区性地面站系统很难满足大量潜在ＥＯ（对地观测）用户对廉价、及时获取数据的需求。由于大多数用户只需要当地数据（高仰角的），ＢＵＲＳ公司设计建造了一个廉价Ｘ波段接收机系统，利用不到３米的天线可采集９０°弧段范围内卫星（ＥＲＳ－ＳＡＲ，ＳＰＯＴ和ＪＥＲＳ）发射的信号，其关键性部件是一个４贴片天线接收机系统。该系统锁定到Ｓ波段信标信号上，为闭环反馈跟踪系统产生位置误差信号。该系统锁定到Ｓ波段     

K波段基片集成波导带通滤波器的设计

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)是一种低插损、低辐射、高品质因素的导波结构。文章利用基片集成波导技术设计了一种K波段带通滤波器,其中心频率为19.4GHz,相对带宽为7.48%,插损小于1dB,该滤波器具有体积小、重量轻、易于加工和集成等优点。