第4章 航天外测系统概述

当发射机与接收机相对运动而彼此接近时，接收机所接收到的信号频 率将高于发射机发射信号的频率；而彼此远离时，接收机信号频率将低于发 射机信号频率，这种由于相对运动而使接收机频率不同于发射机发射的频率， 也称为“多普勒效应”，被广泛应用到航天器的测试系统中。 航天飞行器测速的技术思路：多普勒频率测量——经向速度——飞行速度
4.1.1.2 双向多普勒测速系统
• • 1 定义： 双向多普勒测速又称询问式测速系统，通常由地面发射机、地面接 收机、发射天线、接收天线和飞行器上应答机组成。 • 2原理； • 它是将发射、接收设备置于同一测点上，发射机经天线向飞行器 发送频率高度稳定的信号，同时将这一信号送至地面接收机作为基准信 号。这个信号经飞行器应答机转发或飞行器反射返回到观测点。由于航 天器与测控站之间存在相对运动，地面接收设备接收到的返回信号的频 率就不同于发射信号的频率，将返回信号与基准信号比较即可得出信号 往返双程的多普勒频移（对应于飞行器到观测点间距离变化率的两倍）， 从而获得飞行器的径向速度。
径向速度简单地定义为目标运动平行于接收机径向的分量。 它是目标运动沿接收机径向的分量，既可以向着接收机，也可以 离开接收机。需要记住的是：
①径向速度总是小于或等于实际目标速度； ②由WSR-88D测量的速度只是目标向着或离开接收机的运动； ③当目标运动垂直于接收机向或静止时径向速度为零。
2 航天多普勒测速原理
4.1.1.2 单向多普勒测速系统
1定义： • 航天飞行器上的信标机发射连续已知标称频率，由地面 接收站测出其多普勒频率，这种系统就称为单向多普勒测速 系统。 2组成 由飞行器上的信标机（包括带恒温装置的晶体振荡器、 倍频器和功率放大器）和地面接收设备（包括接收天线、锁 相接收机、多普勒频移提取器和测速终端设备）组成。 3原理： 信标机向地面发射无线电信号，由地面天线接收，直接 测量飞行器到测控站间电波单程传播的多普勒频移，从而得 到距离变化，即径向速度数据。为了在飞行器接近和飞离 测控站过程中在终端设备不出现多普勒频移的零值和负值现 象，往往在实现多普勒频移提取时，人为地加入一个大于最 高多普勒频移的偏置频率，最后再从测量结果中减去这个频 率，得到真实的测速数据。这种系统的测量精度主要决定于 飞行器上信标机的频率稳定度。
f d f fT
R f c
1

T
4.4
X X R Y Y R Z Z R R X Y Z SR SR SR

4.5
V X 2Y 2 Z 2
2
4. 6
•多普勒测速系统有多种形式，按电磁波辐射源位置不同分 为单向和双向多普勒测速系统；按信号源发射的频率个数分 为单频和双频测速系统。
4.2 测距原理
无线电测距是一种基于电磁波应用技术的测距方法。由于电磁波的 传播速度为光速，时间计量单位为纳秒级，而我们的电子产品的响应时间 单位为毫秒级，高精器件的响应速度为微秒级，所以，我们不可能直接测 量出的电磁波的传播时间，除非测量的距离较远。 对于较近距的无线电测量，通常采用间接测量的方法来实现测量电 磁波在空气中的传播时间，进而根据光速换算出物体之间的距离。 无线电测距原理：测距系统的发射机发射一个设计适当的测距信号， 接收机接收并恢复收到噪声干扰、时间延迟了的测距信号回波，并从中提 取发射与接收信号之间的相对时延，从而确定目标与地面站之间的距离。
第四章 航天外测系统
航天测控系统作为一种测量手段，直 接输出导弹、航天器的速度、距离、角 度等参量，为了获得这些参量，不同体 制的系统采用不同的方法。 本章重点介绍统一载波测控系统中 速度、距离和角度测量的采用方法与技 术
4.1 航天测速 4.1.1多普勒效应与多普勒频移
1 多普勒效应( Doppler effect/Doppler shift),
对于航天飞行器来说距离远，由于脉冲雷达波的作用受到峰 值功率的限制，故在深空测距中都采用连续波（CW）测距， 目前应用最多的连续测距信号是侧音和伪码(PN）或者两者的 组合。
1842年奥地利物理学家 Christian Doppler 首先发现并加 以研究而得名的，内容为：由于波 源和接收者之间存在着相互运动而 造成接收者接收到的频率与波源发 出的频率之间发生变化。
多普勒频移（Doppler Shift）是多普勒效应在无线 电领域的一种体现。其定义为：由于发射机和接收机间的 相对运动，接收机接收到的信号频率将与发射机发出的信 号频率之间产生一个差值，该差值就是Doppler Shift。
一个例子是：当一辆紧急的火车（汽车）鸣着喇 叭以相当高的速度向着你驶来时，声音的音调（频率） 由于波的压缩（较短波长）而增加。当火车（汽车） 远离你而去时，这声音的音调（频率）由于波的膨胀 （较长波长）而减低。
2
多普勒频率与径向速度的关系
假设多普勒发射机发射脉冲的工作频率为fT，目标与发射机的 距离为R，则信号发往目标到返回天线所经过的距离为2R。这个距 离用波长来度量，相当 个波长；用弧度来衡量相当于 个 弧度。若所发射的电磁波在天线处的位相为 ，那么电磁波被散 射回到天线时的相位应是
位相的时间变化率
f d f fT R f T c

4.4
由于目标物的径向运动引起 的雷达回波信号的频率变化，它 就是多普勒频移或多普勒频率。
经向距离变化率或径向速度R的方向约定
对于一个运动的航天器，向着信号发射机运动或远离信 号发射机运动所产生的频移量是相同的，但符号不同：
当目标与发射机接近时为负，当目标与发射机彼此远离时为正
2 Nf 0 fd Rr c
4.14
3优点： 这种系统的测速数据不受信号源频率漂移的影响，地面频 标稳定度好，收发公用一个频标，所以双向测速系统的测速精 度比单向测速系统的要高。 4实现方法： 这种系统通常采用多站体制，如以设置在不同位置上的多 站接收设备同时接收飞行器转发或反射的信号，可得到多个距 离和变化率。两个距离和变化率相减可得到距离差变化率。