CCSDS建议在某新型航天器测控中的应用

CCSDS(空间数据系统咨询委员会)建议的AOS(高级在轨系统)数据传输机制和TM(遥测)信道编码,较好地满足了某新型航天器遥测功能服务于多数据源、信号格式采用帧结构以及链路采用高性能信道编码的要求。某新型航天器测控采用AOS建议的插入业务和位流业务专用虚拟信道分别解决了多个不同特征数据源的遥测数据等时传输问题;采用CCSDS建议的传送帧结构满足了非相干测量功能对下行信号的要求;同时参考CCSDS遥测同步和信道编码建议中Turbo码的码型设计和码块同步方法,完成了下行链路高性能信道编码设计。     

NASA月球激光通信演示验证试验

为满足日益增长的大数据量、高数据速率传输要求,NASA(National Aeronautics and Space Administration,美国国家航空航天局)正开启采用激光技术进行空间通信的新时代,并于近年相继开展了多项自由空间激光通信技术研究项目。针对该情况,重点介绍LLCD(Lunar Laser Communications Demonstration,月球激光通信演示验证)项目的系统组成和工作状况:该项目由NASA实施,首次采用激光作为载波在绕月飞行器和地面接收机之间进行双向激光通信,通过飞行演示验证了下行速率为622 Mbit/s和上行速率为20 Mbit/s的月地双向空间激光通信,以及端到端DTN(Delay Tolerant Networking,容延迟网络)数据传输,并验证了作为激光通信链路副产品的高精度测距技术,试验成果超出预期。最后展望LLCD后续发展,供我国相关研究工作参考借鉴。     

月球探测器天文测角/单程无线电时间差分测距/差分测速导航方法

月球探测器高精度导航技术是确保月球探测任务顺利实施的关键技术之一。当前,大多数月球探测器都是利用地面无线电进行导航和控制,但存在可测控弧段短、易受干扰等局限性,且对于月球背面探测,存在无法直接测控的不足。针对上述问题,提出了一种新的基于天文测角/单程无线电差分测距/差分测速的月球探测器组合导航方法。该方法使用了天文星光角距、探测器接收到的来自地面站或中继星的单程无线电时间差分测距和时间差分多普勒测速3种量测信息,可有效抑制星上时钟和频谱仪的时间和频率测量误差。收敛后的平均位置和速度估计误差分别为902.7 m和0.12 m/s,最大的位置和速度估计误差分别为1 548.2 m和0.24 m/s。仿真分析结果表明该方法具有较高自主导航精度。     

脉冲超宽带通信与测距技术初步研究

相对于连续波窄带技术,脉冲超宽带技术在短距离通信及高精度测距方面具有一定优势.为了向未来航天应用提供新的技术支持,对脉冲超宽带通信及测距技术进行了初步研究.描述了系统的收发单元及天线单元,同时给出了各单元的测试结果.脉冲超宽带通信、测距实验表明,系统成功实现了短距离高速通信和高精度测距.在10 m范围内通信码速率为100 Mbit/s,定位精度为厘米量级.     

基于OFDM技术的水下通信研究

正交频分复用技术(OFDM)具有良好的抗多途特性和带宽利用率高的特点.由于使用并行传输使数据传输速率大大提高,并且通过加循环前缀提高了抗多径干扰的能力,经多径时延信道传输后,接收端通过简单的信道编解码技术即可实现无符号间干扰接收.OFDM技术受到高速率数据传输系统的青睐,在水下通信中具有很好的应用前景.     

测控信息传输可靠性保障方法研究

随着IP（互联网协议）在测控领域的广泛应用,丢包、时延等IP网络特性对测控信息传输的可靠性提出了挑战。针对遥/外测、引导及上行控制类数据在信息传输各个环节的技术特点,本文深入研究了各类测控数据的信息传输模型及工作流程,提出了适用于不同场景的可靠性保障方法,并通过数学仿真进行了计算分析。仿真结果表明,队列中断选切策略可有效保障遥/外测及引导类信息的可靠传输,N判M模式下的上行控制类信息传输可靠性优于N选1模式。     

航天测控中心域间网络组播技术的应用研究

传统测控中心之间的信息交互使用帧中继和DDN网进行通信,各测控中心间使用数据链路层简化HDLC协议约定信息格式。随着网络技术的发展,异地之间的数据传输逐步采用以SDH网为基础加载以太网应用的方式。这种应用模式在提高网络传输速率及传输实时性的同时,可以承载多种业务类型数据传输,尤其是组播技术在航天测控中心网络的应用已成为今后测控中心网络系统的发展趋势。本文分析了测控中心组播路由的建立过程,提出了测控中心域间组播应用的思路,通过仿真进行了测试和验证。     

2030年前航天测控技术发展研究

根据2030年世界航天技术的发展战略,尤其是2015年～2030年期间逐步进入应用阶段的军用航天技术发展情况,分析了我国航天测控技术未来发展的能力要求。并在分析美国2005年～2030年NASA空间通信与导航体系结构发展计划的基础上,对我国航天测控技术未来发展方向与发展重点进行了梳理,如天地一体化测控与信息传输、深空测控通信、航天对抗、航天应急,以及进一步提高测控距离、数传速率、测轨精度,覆盖率、空间信息综合处理能力、系统效费比等。最后提出了发展建议,如航天测控网与空间目标监视网、天文观测网三网合一、发展寂静测控技术和即插即用测控技术等,从而提高航天测控技术在一体化联合作战中的快速响应和支撑能力,对抗条件下的生存能力,满足未来多层次、多样式的需求。     

基于混合平台的深空通信遥测接收机架构设计

针对目前深空通信遥测信号接收机硬件实现存在的重配置及扩展灵活性较差的问题,提出了一种符合CCSDS(空间数据系统咨询委员会)标准基于混合平台的接收机架构设计。本设计充分利用了GPU(图形处理器)平台片上存储资源的低访问延迟特性、流多处理器的高速并行处理特性以及CUDA(统一计算架构)软件开发的配置灵活性,对接收过程中的帧同步和信道译码进行了高速实现。同时采用FPGA(现场可编程门阵列)对接收数据进行解调处理,通过CPU(中央处理器)对接收机内部数据流传输进行控制,实现了可重配置的混合平台接收机架构。实验结果表明本接收机架构在采用CCSDS标准的LDPC(低密度奇偶校验)编码时能够灵活切换多种码长码率模式,译码后数据吞吐率能够达到10 Mbit/s以上。     

月地及月地以远测控通信与若干关键技术发展趋势

通过研究国内外主要测控通信技术现状与发展动态,梳理出了目前我国在月地及月地以远距离测控通信技术遇到的挑战:面临测量精度尚不能满足科学探测更高的要求,数据传输能力难以满足更高的数据传输速率需求,关键器件自主可控较为薄弱,激光通信高精度快速捕获手段单一,以及星载终端设计与关键技术在轨验证较少等。针对这些问题,提出了对天线组阵、激光测控通信技术、Ka波段及毫米波低温接收机、超导纳米线单光子探测器、深空光学跟瞄系统、窄线宽激光光源的产生技术、光通信调制技术和高功率低噪声放大器的迫切需求,并介绍了国外最新的用于深空测控通信的新概念与前沿技术,即一体化微波/光学混合通信系统与微波光子射频信号稳相传输技术。最后,结合我国现状,讨论了我国测控通信重点发展方向及其关键技术的建议,可供构建月地及月地以远测控通信系统参考。     

基于LAS码的星群多目标测控技术研究

针对星群多目标同时测控问题,基于星群轨道根数的时延特性和多普勒频移特性分析可得,星群多目标测控的上行链路遥控与测距信号可实现S CDMA（Synchronous Code Division Multiple Access,同步码分多址）,由于星间距离较小,下行链路遥测与测距信号满足QS CDMA（Quasi synchronous code division multiple access,准同步码分多址）.上行链路遥控和测距信号形式设计为PCM BPSK CDMA（Pulse Code Modulation Binary Phase Shift Keying Code Division Multiple Access,脉冲编码调制二进制相移键控码分多址）,上行链路信号采用Gold序列扩频;下行链路遥测和测距信号形式设计为PCM BPSK CDMA,根据总的时延差,提出下行链路采用基于等长脉冲间隔法构造的LAS（Large Area Synchronous,大区域同步）码扩频.结果表明：比特信噪比Eb/N0为10.5 dB时,遥控误码率为1＆#215;10 6;Eb/N0为9.6 dB时,遥测误码率为1×10^5——与达到相同误码性能的Gold序列相比有1 dB改善,因此,LAS码相比于Gold码能够获得更好的误码性能.     

MC-CDMA应用于TDRSS多址业务的关键技术研究

传统TDRSS的多址业务采用单载波CDMA扩频方式,数据传输速率和频带利用率低,设备复杂。本文提出采用MC—CDMA方式代替现有的单载波CDMA方式,结合TDRSS的应用环境对MC—CDMA上下行链路的结构进行分析,并对扩频序列设计、信道估计和系统同步三方面的关键技术问题提出解决方法。采用MC—CDMA可以大大提高现有TDRSS多址业务的数据传输速率,频带利用率提高一倍,设备简单,在未来的航天通信中具有重要的现实意义。     

深空测控再生伪码测距技术研究

针对深空测控任务中低信噪比情况下的航天器高精度测距问题,对再生伪码测距技术进行论述。介绍再生伪码测距技术原理,再生伪码测距通过再生方式消除信号上行链路噪声,提高了信噪比,但需要复杂的相关器;分析再生伪码测距采用的陶思沃斯码结构,详细论述再生伪码测距信号的地面上行、星上再生、地面下行处理过程,重点介绍各处理过程中的指标条件,并对再生伪码测距进行误差分析;重点对比分析再生伪码测距与传统透明转发测距,指出前者适合于深空低信噪比条件下的高精度测距,后者适用于近地高信噪比条件下的测距。     

应答机测距转发性能分析

分析了采用视频AGC（自动增益控制）、射频AGC和限幅器等3种测距转发模式的应答机性能,分析结果表明：视频AGC模式下,应答机测距通道的输出功率恒定,测距转发性能不随上行信号强度变化而变化;射频AGC模式下,应答机测距通道的输出功率不恒定,测距转发性能随着上行信号强度变化而变化;而限幅器模式可看作射频AGC的一种特殊情况。仿真分析了我国研制的限幅器和射频AGC两种模式应答机的性能,结果表明理论计算的性能与实测结果一致,理论分析正确且理论分析结果可作为链路计算的依据。     

Optimal Channelization in FDMA Communications

For most efficient performance in frequency-division multiple access (FDMA), a hard-limiting repeater should be operated completely channelized (i.e., each uplink carrier should be individually filtered and power-controlled prior to spacecraft limiting and downlink transmission). When there are a large number of uplink carriers involved, however, complete channelization is no longer feasible, and the uplink carriers must be grouped together (assigned frequencies), which allows joint filtering and amplification. In this correspondence, it is shown that an optimal grouping procedure always exists for minimizing required repeater power, no matter how many carriers and groups are to be used.     

Effects of two-way decorrelation on radar detection inscintillation

A 3 dB gain in average signal-to-noise ratio of a monostatic radar operating in scintillation has recently been established both theoretically and observationally. The statistics of two-way scintillation are derived here for the case where the uplink and downlink both experience Rayleigh fading and where there is arbitrary correlation between the scintillation on the two paths. These statistics are then used to compute radar detection curves. A surprising result is obtained. The probability of detection is only weakly dependent (for P _D in the range 0.1 to 0.9) on the degree of uplink-downlink correlation in the scintillation when the average (nonfading) signal-to-noise ratio is constant and when proper account is taken of the change in mean power between the monostatic and bistatic cases. Much larger differences are seen in the detection curves with scintillation compared with nonfading curves (for P_D equal to 0.7 this scintillation loss is about 7 dB). Thus the difference in detection performance of monostatic and bistatic radars is determined primarily by the difference in the radar cross section (RCS) of the target for the two cases     

基于数字包络检波的RNSS通道时延标定方法

提出一种采用数字处理的时延测试方法,用于对导航卫星导航信号发射通道分数码片时延的精确测量。该方法是通过高速A/D（模/数）转换器,对导航卫星下行的BPSK（二进制相移键控）信号和卫星导航秒脉冲进行双通道采样,读取采样数据并进行数据处理。根据秒脉冲信号触发门限上升沿确定时延测量起点,对BPSK采样数据进行平方律检波,获取码片换相点,计算换相点和秒脉冲之间的分数码片时延,并进行滤波器时延校准,从而得到导航卫星发射链路的分数码片时延,该方法不需要进行伪随机信号的捕获和跟踪,测量精度主要取决于采样器采样率。通过在测试中使用一根校准电缆对该方法进行验证,验证结果表明,采用本文提出测试方法的测量误差优于0.3ns。     

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。     

ATS-6 Interferometer

The Applications Technology Satellite-6 (ATS-6) RF interferometer is utilized primarily as a precision 3-axis attitude sensor having an unambiguous field of view of 350°. This function requires two separated ground transmitters, each using one of the two available frequency channels or sharing a single channel by time multiplexing. For 3-axis control, one uplink transmitter can provide 2-axis attitude (pitch and roll) with other sensors (e.g., a Polaris tracker) providing yaw attitude. By utilizing two uplink transmitters and the Earth sensor or three time multiplexed uplink transmitters, the interferometer can also provide measurements of ATS-6 spacecraft orbit position. Uplink frequencies are 6.150 and 6.155 GHz. The receiving antennas are spaced at 19.95 wavelengths (?) for the vernier baseline and 1.66 ? for the coarse baseline. Spacecraft system weight is 8.39 kg (18.5 lb) and power requirement is 15.5 W. Flight evaluation results are given for the interferometer including R F link budgets, modulation of uplink carrier, signal-to-noise ratio, and dropout behavior. A hardware calibration model is described, containing major biases in the phase measurements. Techniques for flight calibration as both an attitude and spacecraft position sensor are outlined . Flight testing has shown that on-line calibration of receiver/converter biases must be performed on a short term routine basis. Interferometer resolution was found to be 0.00140 space angle with negligible noise (jitter) at transmitted power levels above 72 dBW. As an attitude sensor, the interferometer has demonstrated the ability to provide stabilization to better than 0.     

Galileo radio science investigations

The radio science investigations planned for Galileo's 6-year flight to and 2-year orbit of Jupiter use as their instrument the dual-frequency radio system on the spacecraft operating in conjunction with various US and German tracking stations on Earth. The planned radio propagation experiments are based on measurements of absolute and differential propagation time delay, differential phase delay, Doppler shift, signal strength, and polarization. These measurements will be used to study: the atmospheric and ionospheric structure, constituents, and dynamics of Jupiter; the magnetic field of Jupiter; the diameter of Io, its ionospheric structure, and the distribution of plasma in the Io torus; the diameters of the other Galilean satellites, certain properties of their surfaces, and possibly their atmospheres and ionospheres; and the plasma dynamics and magnetic field of the solar corona. The spacecraft system used for these investigations is based on Voyager heritage but with several important additions and modifications that provide linear rather than circular polarization on the S-band downlink signal, the capability to receive X-band uplink signals, and a differential downlink ranging mode. Collaboration between the investigators and the space-craft communications engineers has resulted in the first highly-stable, dual-frequency, spacecraft radio system suitable for simultaneous measurements of all the parameters normally attributed to radio waves.