卫星测控技术

3.1 航天地面测控网
地面站（包括船队）和航天测控中心组成航天测控网。 由航天测控中心完成地面站的统一管理，数据的统一处
理，命令的统一编排。
航天测控中心
航天测控中心是连接各个地面站和测量船队的枢纽，是测
控网的信息和控制中心。 系统组成：
地面站 1
地面站 2
地面站 N
测控船 发射场
卫星研 制部门
1)通信及时间统一勤务系统；
2)计算机系统；
3)显示与控制系统
原子钟时间 基准接收授 时台信号
通信时间统一勤务
计算机 系室
航天测控中心
我国航天测控中心功能原理图
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3. 航天统一测控网组成及功能
3.2 天基测控网
解决实时测控通信的两种途径： 1）世界范围的国际和作，把各国测控网连接起来，建立世
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应用空域从低轨道延伸到转移轨道，甚至地球同步轨道。从 在轨运行的正常测量到入轨点和返回再入点的精确确定。
最复杂的应用领域可能是空间飞行器交互对接的全过程都利 用GPS。
从单纯地利用GPS接收机确定空间飞行器的位置、速度和对应 时间，到应用GPS来确定空间飞行器的姿态；
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3. 航天统一测控网组成及功能
导航卫星采用无源工作方式， 凡是有GPS接收设备的用户都可以使用GPS系统。用户设备包括全向圆极化天线、 接收机、微处理器等，有时也统称GPS接收机。
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2. GPS系统导航定位技术
2.2 GPS系统导航定位的工作原理
根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后 方交会的方法，确定待测点的位置。
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1. 卫星测控系统的技术现状和作用
2） 遥测
➢ 用传感器测量航天器内部各个工程分 系统、航天器的姿态、外部空间环境 和有效载荷的工作状况，用无线电技 术，将这些参数传到地面站，供地面 的科研人员进行分析研究，用来判断 航天器的工作状况。
➢ 遥测是一种用来监督、检查航天器上 天后工作状况的唯一手段，也是判断 故障部位、原因的唯一措施。
➢ 遥测和遥控两种技术综合起来构成一种保证航 天器正常运行，增加可靠性，延长寿命的重要 闭环手段。
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1. 卫星测控系统的技术现状和作用
1.2 卫星测控特点
多路传输
精确性和 可靠性
信息的多 样性和数 据处理的 复杂性
涉及科学技 术领域的广
泛性
卫星测控特点
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2. GPS系统导航定位技术
2.1 GPS导航定位系统的组成和功能
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1. 卫星测控系统的技术现状和作用
3） 遥控
➢ 通过对遥测参数、姿态和轨道参数的研究和分 析，发现航天器的轨道、姿态、某个工程分系 统或有效载荷工作状况异常或出现故障，判断 出故障部位和做出决策，向卫星发出有关命令 ，修正轨道和姿态，调整分系统和有效载荷的 运行参数，甚至切换备份或部件。遥控指令动 作的结果，再通过遥测信道传到地面站进行回 报证实。
卫星测控技术原 理与应用
2021年4月12日
主要内容
1 卫星测控系统的技术现状和作用 2 GPS系统导航定位工作原理 3 航天统一测控网组成及功能 4 航天器测控通信的发展趋势
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1. 卫星测控系统的技术现状和作用
1.1. 概述
➢ 航空航天活动范围的分界线，一般以距离地面100km（ 大气层外）为界。
系统 航天器测控通信的国际合作
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参考书目
姜昌，范晓玲，航天通信跟踪技术导论，北京工业大学出 版社，2003.
褚桂柏主编《航天技术概论》 徐福祥主编《卫星工程概论》（上、下） Wertz J R，Larson W J. 航天任务的分析与设计. 第一
版. 北京：航空工业出版社，1992.
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——《银河系英雄传说》田中芳树
最初应用于军事领域，是美军71年代初 “子午仪卫星导航定位”技术上发展起来的 ，具有全球性，全能性（陆地，海洋，航空 ），全天候优势。
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2. GPS系统导航定位技术
2.1 GPS导航定位系统的组成和功能
1.空间部分(导航卫星). 空间部分使用24颗(其中3颗卫星为备用)高度为20183km的导航卫星组成卫星星座. 2.地面站. 地面站包括一个主控站、四个监测站和一个注入站。 3.用户设备.
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r 3 [(X 3 x )2 (Y 3 y )2 (Z 3 z)2]2
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2. GPS系统导航定位技术
2.2 GPS系统导航定位的工作原理
卫星 距离 测量 采用 单程 测量 方法
由于全球定位系统采用了单程测距原理，所以要准确地测定卫星至观测站的距离， 就必须使卫星钟与用户接收机钟保持严格同步。但在实践中这是难以实现的。
➢ 测距R：由地面站发射出一个高频率稳定度和高频谱纯度的正弦 副载波（称为测距侧音），发射到航天器后，再转发回来和原来 地面发出的侧音比较相位差，可计算出航天器和地面站之间的距 离。
➢ 根据得到的(A, E, R, ,t)即可确定航天器在三维空间中的瞬时位置。 对于惯性目标，跟踪足够长弧段后，可预测外推未来轨道。
界性的商用测控网，统一频段、统一数据格式，各国发 射航天器时相互支持。 2）发展以数据中继卫星系统和全球导航定位系统为代表的 天基测控系统，天基测控是发射一系列卫星，能取代地 面测控站和地面测量船的作用，能对空间其它飞行器跟 踪、测控以及数据传输。
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4. 航天测控的发展方向
航天深空探测通信 航天器采用自主运行技术 航天器天基测控通信 开发两倍GEO（地球同步轨道）高度的GPS
站在卫星角度：知道信号什么时间发射出去的，但是不知道信号是什么时间到达接 收机的；
站在接收机角度：知道信号什么时间收到的，但是不知道信号是什么时间发送出来 的。
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虽然卫星和接收机时钟不同步，但是卫星和卫星之间的时 钟是同步的，这样我们可以把接收机和GPS卫星的时钟差 Ta=tp1 ti 当作一个未知量，增加一颗观察卫星，求解这四 个未知数，四个等式的方程组，即可求得终端的位置（x，y， z）以及接收机和卫星之间的时钟差Ta。 卫星越多精度越高。
为了求得GPS终端的位置（x,y,z），需要先获得两组数据： 1）GPS终端到各个卫星之间的距离：r1,r2,r3 2）各个卫星的位置：Xn,Yn,Zn
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r1 [(X 1 x )2 (Y 1 y )2 (Z 1 z)2]2
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r 2 [(X 2 x )2 (Y 2 y )2 (Z 2 z)2]2
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r1 [(X1 x)2 (Y1 y)2 (Z1 z)2]2 C (t1 Ta)
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r2 [(X2 x)2 (Y2 y)2 (Z2 z)2]2 C (t2 Ta)
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r3 [(X3 x)2 (Y3 y)2 (Z3 z)2]2 C (t3 Ta)
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r4 [(X4 x)2 (Y4 y)2 (Z4 z)2]2 C (t4 Ta)
➢ 广义的测控与通信系统是航天技术的大系统之一，包 括航天器本体中的测控通信分机和地面通讯设备。
➢ 测控（TT&C, Tracking, Telemetry and Command）包 括三部分：跟踪、遥测和命令。
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1.卫星测控系统的技术现状和作用 1）跟踪
➢ 跟踪指利用航天器上信标机发出的高频谱纯度、高频率稳定度载 波到达地球上跟踪站后变为平面波，跟踪站检测出电磁波来波取 向和地面站天线主波束电轴指向角的偏差，伺服系统利用此偏差 随时校正，消除偏差，而达到天线主波束实时对准不断运动着的 航天器的目的。利用天线座方位轴(A)和俯仰轴(E)上的光学码盘， 可随时给出天线束的指向角(A,E)。
全球定位系统GPS（Global Positioning System）整个星座由6条轨道 上均匀分布的24颗导航星组成全球卫星覆盖 网，轨道倾角为55°，轨道高度为20183km ，周期1小时58分。这样全球任何地点的用 户在任何时间都能看到24颗卫星中的6颗以 上的卫星，而且其接收的仰角均大于5°以 上。
从方程组知道，要求出接收机的准确位置，还需要知道这四 颗卫星自身的准确位置。
卫星的准确位置是由GPS卫星轨道参数和参考时间计算出来 的，这些信息称为卫星星历，它包含在GPS的卫星电文中。
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2. GPS系统导航定位技术
2.3不断拓展的GPS在空间领域应用
从利用地面的差分系统为飞行器进行精密定轨，到为了提商 可靠性而将GPS系统和其它如INS、地磁、星敏感器等传感器 组合等。