內容簡介
本書對中國深空網佳木斯66m S/X雙頻段深空測控通信係統的工作原理與技術實現進行瞭係統詳實的描述,對波束波導饋電係統、10kW速調管功放、超低溫製冷場放、微弱信號超窄帶接收機、氫原子鍾等三十多項關鍵技術進行瞭深入講解。全書共14章。第1章介紹係統總體的技術指標、工作原理、方案設計等內容; 第2章至第11章分彆介紹各分係統的功能與技術指標、組成及工作原理、方案設計及關鍵技術解決途徑; 第12章至第14章介紹瞭係統接口設計、結構設計以及指標測試方法。
本書反映瞭我國深空測控通信領域的*新科研成果,具有係統性強、與工程實踐結閤緊密等特色,為我國深空網的高效運行、後續建設乃至我國未來深空探測任務的設計與實施提供瞭一套詳實的基礎技術資料,對航天測控通信及相關領域的科研人員和工程技術人員具有重要的參考價值。
內頁插圖
目錄
第1章係統
1.1概述
1.1.1深空測控通信係統的任務
1.1.2深空測控通信的特點
1.1.3關鍵技術
1.2係統功能與技術指標
1.2.1主要功能
1.2.2技術指標
1.3係統組成
1.3.1天伺饋分係統
1.3.2發射分係統
1.3.3高頻接收分係統
1.3.4多功能數字基帶分係統
1.3.5監控分係統
1.3.6數據傳輸分係統
1.3.7SLE服務終端分係統
1.3.8時頻分係統
1.3.9標校分係統
1.3.10自動測試分係統
1.4係統工作原理
1.4.1測距
1.4.2測速
1.4.3遙控
1.4.4遙測和數傳
1.4.5跟蹤測角
1.5係統工作流程
1.5.1係統信號流程
1.5.2常規測控模式捕獲流程
1.5.3深空測控模式捕獲流程
1.6係統工作方式
1.6.1一個目標的典型上/下行組閤工作模式
1.6.2乾涉測量工作模式
1.7係統指標計算分析
1.7.1係統G/T分析
1.7.2係統EIRP分析
1.7.3測距精度分析
1.7.4測速精度分析
1.7.5測角精度分析
1.7.6遙測數傳解調損失及分配
1.8係統距離零值標校
1.8.1偏饋校零
1.8.2短環校零
1.8.3分段校零
1.9係統校相
1.9.1快速校相
1.9.2射電星校相
1.10係統電磁兼容設計
1.10.1係統頻率設計與乾擾分析
1.10.2波束波導網絡中的隔離設計
1.10.3原子鍾屏蔽鍾房設計
1.10.4無源交調控製
1.11係統安全性設計
1.11.1功放聯鎖保護
1.11.2大功率極化開關的安全保護
1.11.3氫鍾恒溫箱安全性設計
第2章天伺饋分係統
2.1概述
2.2功能與技術指標
2.2.1主要功能
2.2.2天綫射頻指標
2.2.3天綫機械結構指標
2.3組成及工作原理
2.3.1分係統組成
2.3.2工作原理
2.4方案設計
2.4.1天綫射頻子係統
2.4.2天綫機械結構子係統
2.4.3天綫控製子係統
2.4.4標校子係統
2.5關鍵技術
2.5.1波束波導設計技術
2.5.2波束波導饋電係統波束傾斜補償技術
2.5.3高精度角位置編碼技術
2.5.4大口徑天綫副反射麵調整技術
2.5.5大口徑天綫標校測試技術
2.5.6陣風擾動對天綫的影響及補償技術
2.5.7波束波導鏡麵位置的調整方法
2.5.8天綫反射體麵精度測量及調整技術
2.5.9波束波導天綫三軸中心位置的確定及測量方法
第3章發射分係統
3.1概述
3.2功能與技術指標
3.2.1主要功能
3.2.2技術指標
3.3組成及工作原理
3.3.1分係統組成
3.3.2工作原理
3.4方案設計
3.4.1發射分係統的頻率關係設計
3.4.2發射分係統電平分配
3.4.3變頻器設計
3.4.4低相噪本振源設計
3.4.5設備的控製管理
3.4.6高功放設計
3.4.7S/X頻段1kW固態功放設計
3.5關鍵技術
3.5.1寬帶大功率速調管技術
3.5.2大功率散熱技術
3.5.3功率精確控製技術
3.5.4PIM噪聲控製技術
3.5.5功放與天饋的聯鎖保護措施
第4章高頻接收分係統
4.1概述
4.2功能與技術指標
4.2.1主要功能
4.2.2技術指標
4.3組成及工作原理
4.3.1分係統組成
4.3.2工作原理
4.4方案設計
4.4.1下行頻率配置
4.4.2頻綜器設計
4.4.3接收信道電平分配
4.4.4噪聲溫度核算
4.4.5低溫接收組件設計
4.5關鍵技術
4.5.1超低相位噪聲技術
4.5.2低溫接收組件設計技術
4.5.3超導濾波器設計技術
4.5.4極低噪聲測試及不確定度評估技術
第5章多功能數字基帶分係統
5.1概述
5.2功能與技術指標
5.2.1主要功能
5.2.2技術指標
5.3組成及工作原理
5.3.1分係統組成
5.3.2工作原理
5.4方案設計
5.4.1硬件設計
5.4.2軟件設計
5.5關鍵技術
5.5.1極低信噪比信號捕獲技術
5.5.2極窄帶鎖相環跟蹤技術
5.5.3低損耗解調譯碼技術
5.5.4殘留載波與抑製載波數據調製解調技術
第6章監控分係統
6.1概述
6.2主要功能
6.3組成及工作原理
6.3.1分係統組成
6.3.2工作原理
6.4方案設計
6.4.1硬件環境
6.4.2軟件環境
6.4.3應用軟件設計
6.4.4任務過程設計
6.4.5安全性設計
6.4.6時碼闆
6.4.7工業電視
6.5自動運行設計
6.5.1計劃管理
6.5.2測控任務自動運行設計
6.5.3乾涉測量自動運行設計
6.6自動化測試設計
6.6.1係統測試項目
6.6.2發射分係統測試項目
6.6.3高頻接收分係統測試項目
6.6.4天伺饋分係統測試項目
6.6.5多功能數字基帶分係統測試項目
第7章時頻分係統
7.1概述
7.2功能與技術指標
7.2.1主要功能
7.2.2技術指標
7.3組成及工作原理
7.4方案設計
7.4.1氫鍾
7.4.2銣鍾
7.4.3頻率信號淨化器
7.4.4GPS定時接收機
7.4.5時碼産生器
7.4.6時間信號巡檢器與時間間隔計數器
7.4.7時頻監控
7.4.8頻率信號分配放大器
7.4.9脈衝信號分配器
7.4.10B碼信號分配器
7.4.11GPS共視接收機
7.5關鍵技術
7.5.1GPS共視接收機
7.5.2GPS共視的數據處理方法
7.5.3GPS時間同步精度分析
第8章標校分係統
8.1概述
8.2功能與技術指標
8.2.1主要功能
8.2.2技術指標
8.3組成及工作原理
8.3.1分係統組成
8.3.2工作原理
8.4方案設計
8.4.1聯試應答機設計
8.4.2校零變頻器設計
8.4.3目標模擬源設計
8.5關鍵技術
8.5.1對超遠距離的高精度模擬技術
8.5.2距離和速度、加速度的嚴格相關模擬技術
第9章自動測試分係統
9.1概述
9.2功能與技術指標
9.2.1主要功能
9.2.2自動測試精度要求
9.3組成及工作原理
9.3.1分係統組成
9.3.2工作原理
9.4方案設計
9.4.1測試項目及測試點設計
9.4.2分機方案設計
9.4.3自動測試軟件設計
9.4.4與監控分係統的關係
9.4.5測試方法
第10章數據傳輸分係統
10.1概述
10.2功能與技術指標
10.2.1主要功能
10.2.2可靠性要求
10.2.3效率要求
10.3組成及工作原理
10.3.1分係統組成
10.3.2工作原理
10.3.3信息傳輸流程
10.4方案設計
10.4.1計算機硬件環境
10.4.2計算機軟件環境
10.4.3應用軟件設計
10.5關鍵技術
第11章SLE服務終端分係統
11.1概述
11.2功能與技術指標
11.2.1主要功能
11.2.2技術指標
11.3組成及工作原理
11.3.1分係統組成
11.3.2工作原理
11.4方案設計
11.4.1計算機硬件環境
11.4.2計算機軟件環境
11.4.3應用軟件設計
11.4.4時碼闆
11.5關鍵技術
第12章係統內外接口關係
12.1概述
12.2係統對外接口
12.2.1對外接口
12.2.2信息接口
12.3係統內部接口
第13章係統結構工藝與布局
13.1概述
13.2整站布局
13.2.1地下天綫塔基機房
13.2.2地麵機房
13.2.3地麵水泥平颱
13.3基建工藝要求
13.3.1係統供電
13.3.2天綫基礎要求及場坪要求
13.3.3機房通用要求
13.3.4係統電纜通道
13.3.5係統防雷電要求
13.3.6係統接地
13.4係統關鍵設備安裝
13.4.1發射機安裝及饋綫連接
13.4.2接收機安裝及饋綫連接
第14章指標測試方法
14.1概述
14.2係統G/T值測試
14.3係統EIRP值測試
14.4係統載波捕獲時間測試
14.5測距捕獲時間測試
14.6測速隨機誤差測試
14.7測距隨機誤差測試
14.8測距係統誤差測試
14.9低溫接收組件等效噪溫測試
14.10本振相位噪聲測試
14.11時頻分係統測試
14.11.1頻率時域穩定度測試
14.11.2單邊相位噪聲測試
14.12係統指標測試結果
縮寫詞
索引
參考文獻
精彩書摘
第3章發射分係統
3.1概述
發射分係統的主要功能是將70MHz信號變頻放大後通過天綫發嚮探測器。由於DSF1要支持深空探測,除發射機功率要求大功率10kW輸齣外,其發射鏈路的相位噪聲等也是發射鏈路必須要解決的關鍵技術。所涉及的關鍵技術如下:
1) 大功率速調管技術;
2) 大功率散熱技術;
3) 精細功率控製技術;
4) PIM噪聲控製技術;
5) 功率控製保護互聯技術。
3.2功能與技術指標
3.2.1主要功能
DSF1的發射分係統主要分為兩部分: 一個是S頻段設備,一個是X頻段設備。
其主要功能是: 接收基帶分係統送來的中頻70MHz信號,經過中頻開關矩陣選擇後送給上變頻器,分彆變頻至S頻段或X頻段的微波信號,再通過射頻開關網絡、固態功放或者速調管功放放大後送往天饋係統,發嚮探測器。
3.2.2技術指標
根據發射分係統的主要設備配置,發射分係統的主要技術指標分為S頻段/X頻段上行鏈路的技術指標和小環接收機技術指標。
3.2.2.1上行鏈路技術指標
1) 輸入中頻頻率: 70MHz。
2) 輸入電平: -10±5dBm(開關網絡輸入口)。
3) 輸齣頻段:
S頻段: 2025~2120MHz,步進100Hz;
X頻段: 7140~7235MHz,步進100Hz。
4) S、X頻段發射功率
固態功放: ≥1kW,30dB自動可控,步長1dB;
速調管功放: ≥10kW,30dB自動可控,步長1dB。
5) 功率穩定度
飽和驅動: ±0.5dB/12h(常溫,恒激勵);
不飽和驅動: ±0.7dB/12h(常溫,恒激勵)。
6) 1dB帶寬: ±10MHz; 3dB帶寬: 23MHz; 瞬時帶寬: 95MHz。
7) 增益平坦度: ±0.5dB(±10MHz帶寬內)。
8) 載波相位噪聲
S頻段: 1Hz<f≤10Hz≤-60dBc/Hz;
10Hz<f≤1.5MHz≤-70dBc/Hz;
1.5MHz<f≤8MHz≤-105dBc/Hz。
X頻段: 1Hz<f≤10Hz≤-50dBc/Hz;
10Hz<f≤1.5MHz≤-60dBc/Hz;
1.5MHz<f≤8MHz≤-105dBc/Hz。
9) 頻譜純度
S頻段: 雜波抑製: ≤-60dBc(±10MHz帶寬內);
二次諧波: ≤-80dBc;
三次諧波: ≤-85dBc;
四次諧波: ≤-110dBc;
電源紋波: ≤-45dBc。
X頻段: 雜波抑製: ≤-45dBc(±10MHz帶寬內);
二次諧波: ≤-75dBc;
三次諧波: ≤-60dBc;
四次諧波: ≤-60dBc;
電源紋波: ≤-45dBc。
10) 三階互調: ≤-29dBc(輸入頻率間隔為5MHz、總功率低於額定功率7dB的兩載波時)。
11) S、X頻段群時延: 帶內(±1.5MHz)群時延變化小於或等於3ns,24h絕對時延變化小於或等於3ns。
12) 接收帶內信號抑製: ≤-190dBW/Hz。
13) 冷卻方式: 液冷。
14) 在機櫃外任意測量,微波輻射小於1.0mW/cm2,X射綫小於5mR/h1R(倫琴)=2.58×10-4C/kg。。
3.2.2.2小環接收機
1) 輸入信號頻段
S頻段: 2025~2120MHz,步進100Hz;
X頻段: 7140~7235MHz,步進100Hz。
2) 輸入信號: 上變頻器輸齣或高功放輸齣選擇可控。
3) 與上變頻器共用本振。
4) 輸齣信號頻率: 70MHz。
5) 1dB帶寬: 20MHz。
3.3組成及工作原理
3.3.1分係統組成
發射分係統主要由上行中頻開關矩陣,S頻段上變頻器、功率放大器、上行射頻開關網絡、收阻濾波器,X頻段上變頻器、功率放大器、上行射頻開關網絡、收阻濾波器,S/X小環接收機及測試上變頻器等設備組成,詳見圖3��1設備組成框圖。
圖3��1發射分係統設備配置框圖
……
前言/序言
深空網是人類與深空探測器聯係的橋梁與紐帶。深空網擁有深空測控通信能力,是開展月球探測必須具備的前提條件,也是探月工程*具挑戰性的任務之一。探月工程啓動後,我國的測控工程師們以探月工程為牽引,兼顧火星、小行星等深空探測任務的需求,描繪齣中國深空網的藍圖——在布局上,由分布在中國東部、西部以及南美洲的3個深空站提供全球90%以上的測控覆蓋; 在頻段上,兼容瞭目前國際上深空測控任務使用的所有頻段; 在天綫口徑上,按照4億韆米火星探測的基本要求設計。
佳木斯66m S/X雙頻段深空測控通信係統(DSF1)和喀什35m S/X/Ka三頻段深空測控通信係統(DSF2)的設計建設正是在這一藍圖下進行的。經過5年的研製建設,這兩套深空測控通信係統均於2013年正式投入使用。它們的建成,極大地提升瞭中國遠距離測控通信能力,成為中國航天測控發展史上又一個重要的裏程碑。
這兩套深空測控通信係統基於國內自主研發,成功實現瞭波束波導饋電係統、10kW 速調管功放、超低溫製冷場放、微弱信號超窄帶接收機、氫鍾建造及乾涉測量等技術。按照空間數據係統谘詢委員會(CCSDS)建議書中的深空測控任務標準,這兩套係統已經具有音碼測距、僞碼測距、載波相位測量、三嚮測量等功能,采用空間鏈路擴展(SLE)協議,可以和符閤CCSDS建議的其他國外深空測控站實現深空測控任務的國際聯測和數據交互。
2012年,兩套深空測控通信係統在嫦娥二號與圖塔蒂斯小行星交會飛越探測中獲得成功應用,並於2013年作為主力測控通信設備圓滿完成瞭嫦娥三號探月飛行任務。這標誌著中國深空測控通信能力的形成,使中國成為國際上第四個具有獨立完成深空測控任務能力的國傢。
北京跟蹤與通信技術研究所是這兩套深空測控通信係統的總體設計單位,西南電子技術研究所是66m S/X雙頻段深空測控通信係統的總體研製單位,石傢莊通信測控技術研究所是35m S/X/Ka三頻段深空測控通信係統和深空乾涉測量係統的總體研製單位,西北電子設備研究所、中原電子技術研究所、北京遙測技術研究所、中國西安衛星測控中心、中國人民解放軍裝備學院、閤肥低溫電子研究所等單位承擔瞭這兩套係統有關分係統的研製工作。在此,對他們為中國航天測控事業作齣的努力和貢獻錶示衷心的感謝!
中國深空網及其深空測控通信係統的研製,為設計師隊伍提供瞭極富挑戰的創新實踐平颱。他們積極進取,勇於探索,采用大量電子與信息技術領域的尖端技術,攻剋多項關鍵難題,取得瞭許多寶貴經驗和技術成果,成為航天測控領域一筆寶貴的財富。把這些來之不易的技術成果固化下來,是編寫本套圖書的主要目的。
本套圖書由三個分冊組成,分彆是《S/X雙頻段深空測控通信係統》《S/X/Ka三頻段深空測控通信係統》和《深空乾涉測量係統》,對應著佳木斯66m深空測控通信係統、喀什35m深空測控通信係統以及由這兩套深空係統與數據處理中心組成的甚長基綫乾涉測量(VLBI)係統。書中對上述設備係統級和分係統級的功能與技術指標、組成及工作原理、方案設計、關鍵技術等進行瞭係統詳盡的描述,希望為我國深空測控通信係統的使用者提供詳盡係統的技術資料,為我國後續深空測控通信係統的設計提供有益的參考和藉鑒,也希望能為對深空測控通信感興趣的同行們提供有用的技術資訊。
本套圖書的編寫人員均為中國深空網的設計和研製人員。他們在承擔繁重工程任務的同時,擠齣時間從事寫作工作,對深空測控通信係統涉及的技術進行瞭細緻的歸納梳理和認真的分析總結。由於我們寫作水平有限,書中難免有疏漏和不當之處,懇請讀者批評指正。
《中國深空網: 係統設計與關鍵技術》編審委員會
2016年5月
《中國深空網:係統設計與關鍵技術(上) S/X雙頻段深空測控通信係統》 本書是“中國深空網”係列叢書的第一捲,專注於解析深空探測任務中至關重要的S/X雙頻段測控通信係統。內容詳盡,深入探討瞭該係統的係統設計理念、核心技術攻關以及實際應用中的挑戰與解決方案。 一、 係統設計理念與架構 本捲首先從宏觀層麵闡述瞭中國深空網S/X雙頻段測控通信係統的設計哲學。這包括: 任務需求驅動的設計: 詳細分析瞭不同深空探測任務(如月球探測、火星探測、小行星探測等)對測控通信的帶寬、延遲、可靠性、精度等方麵的具體需求,以及如何將這些需求轉化為係統設計的指導原則。 分層解耦的係統架構: 介紹瞭係統采用的先進架構,如何將復雜的測控通信功能劃分為不同的邏輯層和物理子係統,如地麵站網、空間站/探測器載荷、信道管理、數據處理與存儲等。這種架構的設計目標在於提高係統的模塊化程度、可維護性、可擴展性以及故障隔離能力。 冗餘與容錯機製: 深入剖析瞭為確保深空通信的穩定性和可靠性而設計的多種冗餘和容錯技術,包括設備冗餘、鏈路冗餘、信號處理冗餘等,以及這些機製如何應對深空探測中不可預測的乾擾和故障。 時延與帶寬的權衡: 詳細闡述瞭在距離遙遠的深空環境中,如何通過巧妙的係統設計來管理和優化信號傳輸中的時延,以及如何在有限的帶寬條件下實現高效的數據傳輸。 二、 S/X雙頻段通信的關鍵技術 本書的核心內容聚焦於S/X雙頻段通信在深空探測中的應用及其關鍵技術: S/X雙頻段的選擇與優勢: 詳細解釋瞭為何選擇S頻段(約2 GHz)和X頻段(約8 GHz)作為深空測控通信的主要頻段。分析瞭這兩個頻段在穿透電離層、帶寬特性、設備成熟度、抗乾擾能力等方麵的綜閤優勢,以及它們在實現數據傳輸、指令傳輸、遙測迴傳、導航定位等功能中的作用。 高增益天綫技術: 重點介紹支撐深空通信的各類高增益天綫技術,包括地麵大型饋源天綫的設計與製造(如35米、64米直徑的深空站天綫),以及星載定嚮天綫(如相控陣天綫)的設計與部署。分析瞭天綫指嚮精度、波束寬度控製、饋電網絡優化等關鍵技術。 低噪聲放大器(LNA)與功放技術: 深入探討瞭在接收端至關重要的低噪聲放大器(LNA)設計,如何實現極低的噪聲係數以捕捉微弱的深空信號。同時,也介紹瞭在星載端實現高效率、高功率的功放技術,以確保信號能夠剋服巨大的空間衰減。 高級調製解調技術: 詳細闡述瞭為瞭在惡劣的深空信道中實現高效、可靠的數據傳輸所采用的先進調製解調方案。這包括但不限於: 編碼與解碼技術: 詳細介紹捲積碼、Turbo碼、LDPC碼等前嚮糾錯(FEC)編碼技術,以及它們在提高誤碼率性能方麵的作用。 調製方式: 分析瞭移相鍵控(PSK)、Quadrature Amplitude Modulation (QAM) 等調製方式在深空通信中的應用,以及如何根據信道條件選擇最優的調製策略。 信號同步與跟蹤: 深入講解瞭在弱信號條件下,如何實現載波同步、比特同步和碼組同步,以及這些同步技術的魯棒性設計。 射頻前端與後端處理: 詳細介紹瞭S/X雙頻段通信係統的射頻前端設計,包括頻率閤成、混頻、濾波等關鍵模塊。同時,也闡述瞭信號經過接收後的後端數字信號處理過程,包括解調、譯碼、數據幀提取、錯誤檢測與糾正等。 數字信號處理(DSP)的革新: 探討瞭利用先進的數字信號處理算法和硬件實現,如何剋服深空信號的微弱性、多普勒頻移、相位噪聲等問題,實現高精度的信號捕獲與跟蹤。 三、 係統集成與可靠性保障 本捲還對S/X雙頻段測控通信係統的集成與可靠性保障進行瞭深入的分析: 地麵站網的協同工作: 詳細介紹瞭中國深空站網(如喀什、佳木斯、昆明站等)的地理分布、天綫協同觀測、資源調度以及信息融閤等方麵的設計與實踐。分析瞭如何通過全球組網來最大化觀測時間,減少通信中斷。 星載測控通信載荷的設計與集成: 詳細描述瞭集成在探測器上的S/X雙頻段測控通信載荷的設計要求、關鍵部件選型、可靠性設計以及與探測器其他子係統的集成方法。 鏈路預算的精確計算與分析: 詳細講解瞭如何進行嚴謹的深空通信鏈路預算計算,包括考慮發射功率、天綫增益、路徑損耗、接收靈敏度、噪聲係數等所有影響信號強度的因素,以確保通信鏈路的可用性。 電磁兼容性(EMC)與乾擾抑製: 重點分析瞭在復雜的深空環境中,如何通過設計和測試來確保係統的電磁兼容性,以及如何有效抑製來自太陽、行星、其他航天器及地麵設備的乾擾。 係統測試與驗證: 詳細介紹瞭S/X雙頻段測控通信係統在地麵和在軌進行各類測試與驗證的方法,包括功能測試、性能測試、環境試驗、聯閤測試等,以確保係統能夠滿足設計要求並成功執行深空探測任務。 四、 麵臨的挑戰與未來展望 本書最後也對當前S/X雙頻段深空測控通信係統在發展過程中麵臨的挑戰進行瞭探討,例如: 日益增長的數據傳輸需求: 隨著探測任務復雜度和數據量的不斷增加,現有S/X頻段的帶寬正麵臨瓶頸。 更遠距離的探測需求: 對於更遠距離的行星際甚至星際探測,需要更高的數據傳輸速率和更低的通信時延。 新技術的發展與融閤: 如Ka頻段的應用、激光通信的潛在優勢等。 同時,也對未來的技術發展方嚮進行瞭展望,例如新頻段的探索、更高階調製解調技術的應用、人工智能在通信係統中的融閤等,為中國深空探測的持續發展奠定堅實的技術基礎。 本書內容翔實,技術前沿,是從事深空探測、航天通信、電子工程等領域研究人員、工程師以及相關專業學生的重要參考資料。