载人航天器测控与通信分系统安全工作模式设计

从载人航天器测控与通信分系统链路资源出发,提出了基于地面S频段测控及导航信号接收链路全向覆盖,宽波束中继链路自主组阵,窄波束中继天线自主跟踪的测控与通信分系统安全工作模式,确保任何情况下测控通信链路都能够稳定建立,特别是在载人航天器出现异常掉电又恢复后,测控与通信分系统能够自动恢复高、低速天地链路,确保载人航天器安全工作。该模式设计经过地面测试验证和在轨飞行验证,既能够满足正常飞行时链路余量大于3 dB的要求,又有效减少了紧急情况下载人航天器对地面的依赖,取得了良好的在轨应用效果。     

载人航天天基测控通信探析

梳理了国内外空间站天基测控通信应用的概况,针对近地载人航天对测控通信系统的高要求,分析提出中继卫星系统的发展建议,以及导航卫星和低轨卫星星座系统的特点优势。调整中继卫星轨位、增加中继激光链路、采用全景波束全时监控模式,以及导航卫星和低轨卫星星座作为必要补充等途径,可为载人航天测控通信提供更好的灵活性、可用性和效费比。为载人航天天基测控通信发展提供了参考依据。     

我国天基综合信息网构想

阐述了天基综合信息网的定义、组成和特征;介绍了美国和欧洲天基综合信息网的研究情况;提出了我国天基综合信息网的体系架构,其中包含通信卫星、导航卫星、遥感卫星、载人飞船等航天器和临近空间各种飞行器,以及地面系统。分析了该网络的特点和可用的网络协议结构;探讨了该网络的组网结构、网络协议、服务质量(QoS)路由、网络管理、网络安全防护、激光通信和星载处理交换等多项关键技术。依据国情,提出了我国天基综合信息网构想。此构想采用双层(地球静止轨道和低地球轨道)通信卫星星座和导航卫星星座,实现全球全时覆盖空间层航天器、临近空间层飞行器和地面层各种用户终端,通过星间链路、星地链路和地面线路组成一个空天地一体化的全球信息网络。在国外不设地球站的情况下,该网络可实现:国内测控站测控我国全球运行的卫星;国内遥感站实时接收我国全球遥感卫星发送的信息;国内关口站管理我国授权的全球用户站之间的互通信息。最后,提出了开展我国天基综合信息网的可行性研究建议。     

基于激光高速通信信号的精密测量方法与性能分析

随着天基定位、导航、授时（Position，Navigation and Time，PNT）系统和天地一体化信息网络的建设，利用星间链路实现高速通信和高精度测量，构建天基信息网络和维持天基时空基准，对星间链路的发展提出了更高的要求。激光波束窄，方向性好，抗干扰能力强，可以实现更高的信息传输和更高的测量分辨率。通过激光星间链路的通信测量一体化设计，实现通信与测量功能的高度融合，共用相同的物理信道和信号设计，将会极大地提升系统性能，降低系统复杂性，从而实现载荷的小型化设计，这已成为星间链路的发展趋势。针对通信与测距一体化的需求，文章设计了基于高速通信信号的激光测量通信一体化方案，并对测量性能进行了理论分析；采用激光测量验证系统，对理论分析进行了验证。实验表明，在1Gbit/s的通信速率下，星间测量精度优于1mm，相比于目前微波星间链路测量，精度提升了30倍。     

面向应急管理的天基系统需求与构建设想

针对应急管理对天基系统提出的增强现场灾情信息传递保障能力和尽快完善天空地一体化应急观测体系的需求,在分析天基系统应具备的先进感知使能、通信使能、导航定位使能及智能使能基础上,提出了我国天基应急管理支援体系构建设想。通过发射中轨观测系统、高分光学强机动星座,以及增加地面机动测控数传站,加强和完善灾害应急遥感观测能力;通过天地一体化应急管理云平台实现灾情观测数据的处理和分发。为了尽快实现天基应急管理支援体系建设,提出应发展高、中、低轨协同的天基通信、导航、遥感卫星的建议。     

QFD方法在新型飞行器测控通信系统研制中的应用

测控通信系统是飞行器的"眼睛"和"耳朵",为飞行器提供上下行通信链路,其功能是否可靠直接影响飞行试验的成败。应用质量功能展开(QFD)方法,将顾客需求转化为定量的系统指标,构建4层质量屋,确定了先进、高效、可行的测控通信系统方案,使测控通信系统产品真正地满足顾客需求,提高系统适应性和可靠性,减少后期更改,缩短研发周期,节约研制成本。     

临近空间高超声速飞行器测控通信的需求及策略分析

对运行在临近空间的高超声速飞行器,由于其速度快、加速度大、距离跨度大等特点,对其试验及运行过程中的遥测遥控通信问题是一个关键难题。从临近空间的概念、特点出发,结合高超声速飞行器飞行状态、环境,分析了对试验过程中测控通信技术的需求,给出了分析结论及初步应对策略,可对有关高超声速飞行器的测控系统设计提供参考输入。     

空间太赫兹亚毫米波载荷初探

太赫兹频段在空间研究及应用领域具有独特的优势。太赫兹频段的科学载荷及气象载荷可以为探测空间信息及地球大气信息提供全新的视角;天基太赫兹预警雷达可以为航天器自身安全及弹道目标中段探测提供有力工具;太赫兹波段的通信链路具有带宽大的显著优势,以太赫兹链路为基础的空间网络具有良好的生存能力;太赫兹测控通信链路也是突破高速飞行器黑障问题的有效解决方案。     

低轨航天器中继测控终端固定宽波束天线覆盖研究

数据中继卫星运行在地球静止轨道,可作为低轨航天器在地面站视距外测控通信的数据中继接力。针对中继小型测控终端的需求,文章设计了两种不同的固定安装的宽波束中继终端天线,一种为简单锥形波束,另一种为赋形的复杂环锥形波束。结合低轨航天器不同倾角的轨道特性和终端天线不同的方向图类型,应用STK卫星仿真软件进行了不同组合的链路仿真分析,给出了不同轨道倾角的航天器与中继卫星长时间建立链路的最优天线方向图及其设计特性。链路仿真的参数包括总的建立链路时间、建立链路的次数及建立链路的区域等,仿真结果对于低轨中继终端的应用具有重要的指导意义。     

嫦娥四号着陆器定向中继链路指向及盲捕策略

嫦娥四号任务中,着陆器通过定向中继链路,向"鹊桥"中继卫星发送数传数据。为了实现窄波束定向天线对中继卫星的实时指向控制,制定了嫦娥四号中继任务的定向中继链路指向控制策略。同时,针对由于窄波束天线指向误差、着陆器着陆姿态误差以及故障情况下无法获知自身位置、姿态等问题而导致的中继链路丢失问题,制定了中继链路盲捕策略。文章论述了策略制定的依据、分析过程及实现流程,对此策略在嫦娥四号在轨任务中的实际应用和验证进行了总结。     

任意周期信号非相干测距技术研究

飞行器测控系统上、下行链路信号关联性越小,则信号体制的可选择性越大,有利于在飞行器测控系统中引进先进信号传输处理技术并提高上下行信号设计的灵活性。分析了传统相干与非相干测距技术的不足;在比相测距法原理基础上,推导出利用任意周期信号实现飞行器非相干测距的方法;对影响测距指标的距离模糊问题、测距精度问题进行了研究分析;对所研究的方法进行了数值仿真。结果表明采用此方法不仅可使测控系统上下行信号设计达到独立设计的目标,而且在保证同等精度要求的条件下,上下行链路信号体制可通过不同形式进行组合使用,在现有传输体制基础上可进一步降低测控信号设计的复杂度,适用于空天、临近空间及航空等不同环境下的飞行器测控与信息传输应用。     

支持径向交会对接任务的宽波束中继方法研究

针对神舟飞船和天和空间站径向交会对接形成组合体的工作模式下,神舟飞船宽波束中继S终端对中继卫星视场缩小导致测控覆盖率降低的现象,提出一种基于组阵和时空分集技术的宽波束中继S链路的设计构想,通过在天和空间站宽波束中继S终端内部增设功分器和合路器,以及在组合体径向对接口的对接总线内部增设高频电缆。利用天和空间站的宽波束中继S发射天线和接收天线,传送神舟飞船的宽波束中继S信号。神舟飞船宽波束中继S终端,同时接收和处理组合体对接总线内部高频电缆和神舟飞船I/III象限收发的宽波束中继S信号,解决了中继卫星过顶遮挡导致的测控覆盖率降低的问题,提升了链路可靠性。经仿真分析,相比单独工作模式,测控覆盖率提升了25.3%。对于接收链路,采用时空分集技术,对3个方向的宽波束中继S信号进行互相关解算和最大比合并,获得信号合并增益,有效提升了接收信号的信噪比和有效带宽。     

一种基于北斗RDSS短报文的天基测控方法

主要针对未来商业卫星大规模发展需求,基于天地一体化测控网络体系,探索研究了北斗短报文测控的可行性。以北斗导航星座作为天基测控平台,以低轨卫星作为测控服务对象,研究了基于北斗短报文的新型天基测控方法,进行了该天基测控系统总体方案设计和测控数据流程设计。提出在低轨航天器上搭载北斗短报文终端作为测控载荷,利用北斗卫星无线电测定业务(RDSS)短报文基本通信通道,充分考虑RDSS数据协议约束,采用兼容当前测控协议帧结构的方式,对帧结构进行适应性移植,证明RDSS短报文测控体制可以满足一般民商用小卫星、立方星等航天器测控通信需求。最后根据系统设计及体制论证结论,对基于北斗RDSS短报文的测控服务能力进行了综合分析,证明该测控应用模式可满足卫星日均在轨测控通信数据量需求。     

临近空间慢速飞行器载荷概述

随着经济需求与军事需求的牵引和科学技术的进步,临近空间慢速飞行器因其良好的驻留能力和适用于对地观测、通信、打击的大视野和驻留高度,受到广泛关注。文章结合临近空间平流层不受云、雨、雪、雾干扰的气象特点和距离地表高度20~100 km之间的高度特征,分析了临近空间慢速飞行器在有效工作时间、成本、设备工作效果相对于卫星和飞机的优势,以及临近空间慢速飞行器的在飞行速度和飞行高度上的参数约束和目前临近空间慢速飞行器的具体分类。根据临近空间慢速飞行器的负载能力和运动特性对比当前卫星和飞机上实际应用有效载荷种类和有效载荷性能需求,对临近空间慢速飞行器有效载荷进行了讨论。文章着重论证了合成孔径雷达(SAR)有效载荷、可见光有效载荷、红外有效载荷、通信中继有效载荷、武器有效载荷在临近空间慢速飞行器上的可行性和应用优势,分析了临近空间慢速飞行器有效载荷的发展趋势,为临近空间慢速飞行器有效载荷的发展和有效载荷的应用选择提供了参考。     

临近空间高超声速飞行器关键技术及展望

随着各国对提高军队通信、反应和作战能力的需求与日俱增,发展临近空间高超声速 飞行器技术的重要性愈发明显。综述了临近空间高超声速飞行器国内外的发展现状与趋 势,系统全面地分析了发展临近空间高超声速飞行器的关键技术,包括总体设计技术、气动 力和气动热技术、高温长时间热防护技术、高精度GNC技术、有效载荷抛撒技术以及发动机 技术。在此基础上,最后提出了适合我国国情的临近空间高超声速飞行器技术的发展设想。
     

天基为主的空间站测控通信模式

空间站时代为测控(TT&C)通信系统带来保障时间更长、覆盖要求更高、数据传输能力更强、航天员在轨工作生活体验更好等新的挑战，结合中继卫星系统(TDRSS)、卫星导航系统等天基测控通信手段的能力特点，提出以天基手段为主的解决方案，采用多星多舱段接力模式，将航天员出舱等重大活动的测控通信覆盖率提升至接近100%，采用多星多目标工作模式，较好地保障各种交会对接模式，综合利用中继卫星S频段多址(SMA)链路连续业务、短报文业务和北斗短报文业务常态化保障空间站安全运行，应用天地一体网络化技术，为航天员在轨上网、天地通信和载荷实验数据传输提供优质服务。     

航天器测控频段应用现状与展望

首先介绍国际上主要的组织机构对近地空间及深空探测等领域的测控通信频谱规划,然后总结国内外测控网(天基网、地基网和深空网)和航天活动的测控频段应用情况,重点分析不同频段测控通信系统的优缺点,最后对航天测控通信的频段发展进行归纳和展望,指出未来测控通信必然向Ka频段甚至更高频段乃至激光方向发展的必然性。     

星地混合通信系统中的天地一体波束形成技术

对星地混合通信系统中的天地一体波束形成技术进行了初步探讨。说明了研究该技术的重要意义,对地基波束形成和天基-地基混合波束形成这两种实现架构进行了分析,并讨论了上行和下行自适应波束形成算法、馈电链路传输多路复用、远程误差效应校正等关键技术。     

天基信息传输分发体系中新频段及新体制梳理

文章介绍了激光通信、太赫兹通信和量子通信等新的通信频段及通信体制在天基信息传输分发体系中的应用前景。激光通信链路可用于构建未来空间骨干网,附加在激光链路上的量子光通信链路可以极大提升链路保密性能,太赫兹通信链路可能在未来卫星星座及伴随飞行集群内部高速数据交换场合提供大带宽及灵活组网的通信能力。各种新形式的链路技术结合起来,可以为天基信息传输分发系统提供支撑。     

跟踪与数据中继卫星系统的现状和发展

跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）是20世纪航天测控通信技术的重大突破。其“天基”设计思想，从根本上解决了测控、通信的重大突破。其“天基”设计思想，从根本上解决了测控、通信的高覆盖率问题，同时还解决了高速数传和多目标测控通信等技术难题，并具有很高的经济效益。TDRSS系统使航天测控通信技术发生了革命性的变化，目前还在继续向前发展，不断地拓宽自己的应用领域。现在，美国与俄罗斯两国的跟踪与数据中继卫星系统均已进入应用阶段，正在发展后续系统；欧空局和日本在这类卫星的发展中采用了新的思路和技术途径。本文主要介绍这些国家跟踪与数据中继卫星系统的现状和发展，并据此对我国正在研究的跟踪与数据卫星系统提出一些建议。