第八章空天测控技术概论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第八章 航空航天测控技术概论,孟维晓,1,航空航天技术是,20,世纪对人类社会生活最有影响的科学技术领域之一，也是表征一个国家科学技术先进性的重要标志，而测控技术是航天航空中最重要的环节之一航空是指在地球周围稠密,大气层内,的航行活动航天是指在大气层之外的近地空间、行星际空间、行星附近以及恒星际空间的航行活动但是，在地面发射航天飞行器或者当航天飞行器返回地面时，都要经过大气层；,特别水平起降的航天飞机，虽然主要活动在大气层之外的空间中，但其起飞和降落过程与飞机极为相似，就,兼有航空和航天,的特点所以从科学技术上看，航空与航天不仅是紧密联系的，有时甚至是难以区别的2,航空航天测控系统是指对火箭、导弹、卫星等飞行器的各个阶段进行跟踪、测量和控制的专用技术设施航空航天测控系统的测量分为两大类：,一类是精密测量飞行器的飞行弹（轨）道参数，如坐标、速度、加速度等，称为外弹道测量，简称,外测,；,另一类是测量飞行器内部的工作状态，如工作参数、有效载荷参数、宇航员生理参数等，称为内弹道测量，简称,内测,，亦称为遥测对飞行器的控制也可分为两大类：,一类是一次性控制，如对故障火箭、导弹实施“自毁”的安全指令控制，简称“,安控,”；,另一类是对飞行器运行情况的调整和控制，如对星船的姿态控制、变轨、交会及回收等各种机动控制。

3,8.1,空间飞行器轨道,在地球大气层内或大气层之外的空间飞行的器械通称飞行器飞行器的飞行轨迹由主动段和被动段组成主动段,：飞行器发动机工作的飞行轨迹段被动段,：飞行器发动机不工作的飞行轨迹段在整个飞行过程中，主动段和被动段可能,交替出现,边界点：,在飞行轨迹上对应发动机关机的点4,图,8-1,弹道导弹、人造卫星及宇宙飞船的轨道,5,1.,弹道导弹的飞行弹道,6,2.,人造卫星的发射轨道,7,8.2,坐标系统与时间系统,8.2.1,坐标系统及换算,1.,地心赤道坐标系如图,8-4,所示,坐标系的原点是地心，,基准平面是赤道平面,，,X,轴指向某一确定时刻的春分点,8,2.,地心轨道坐标系,地心轨道坐标系,OX,1,Y,1,Z,1,如图,8-5,所示，坐标系的原点,O,为地心，,基准平面是轨道平面,，,Y,1,轴的方向指向近地点（轨道上距离地心最近的点），,X,1,轴位于轨道平面上，它的指向与飞行器在近地点上的,运动方向一致,，而,Z,1,轴的指向应使坐标系构成右旋坐标系9,3.,大地测量坐标系,大地测量坐标系的原点就是地心，基准平面为赤道平面，,X,轴为零子午线平面与赤道平面的相交线，,Z,轴为穿过北极点的轴线，而,Y,轴的指向应使坐标系构成右旋坐标系。

10,4.,测量坐标系,在对飞行器进行观测时，常采用测量坐标系测量坐标系的原点,O,T,就是地球表面上测控站或其它观测设备所在位置点，,X,T,轴位于本地水平面上并指向正北方向，,Y,T,轴与本地垂线的方向重合，而,Z,T,轴使坐标系构成右旋坐标系11,5.,弹体坐标系,弹体坐标系如图,8-8,所示，原点,O,位于导弹质心；,X,DT,轴与导弹纵轴重合，指向导弹头部；,Y,DT,轴垂直于,X,DT,轴，其指向规定为当导弹平飞时指向上方；,Z,DT,轴与,X,DT,、,Y,DT,构成右手坐标系12,二、坐标变换,1.,坐标的旋转,(1),坐标绕,Z,轴旋转,OMIGA,角度,坐标变换矩阵,13,(2),坐标绕,Y,轴旋转,FY,角度,(3),坐标绕,X,轴旋转,SITA,角度,14,2.,坐标的平移,设坐标系,OXYZ,经平移后得到坐标系,O,1,X,1,Y,1,Z,1,，,空间任意一点,P,在两坐标系中的坐标分别为（,x,y,z,）,和,(x1,y1,z1),，,若新坐标的原点,O,1,在旧坐标系中的坐标为,(x0,y0,z0),，,那么坐标平移变换关系可表示为,15,8.2.2,时间系统及换算,太阳时,恒星时,原子时,16,8.3,空间定位的原理与方法,8.3.1,基本的位置测量元素,在目前使用无线电和光学手段的条件下，可测量的几何参量有径向距离,R,、,方位角,A,、,俯仰角,E,、,距离和,S,、,距离差,r,、,方向余弦,l,、,m,、,n,及高度,h,等几种。

下面分别介绍它们的几何意义17,1.,径向距离,R,若目标到观测站的径向距离为,R,，,则目标位于方程,所确定的球面上,18,2.,方位角,A,若目标方位角为,A,，,则目标位于,所表示的平面上,19,3.,俯仰角（高低角）,E,若俯仰角为,E,，,则目标位于,所确定的锥面上,20,4.,距离和,R,1,为发站到目标距离，,R,2,为收站到目标距离设发站和收站间的距离为,b,，,则目标位于以发站和收站为焦点，以,b,为焦距，长半轴为,S,/2,的,旋转椭球面,上21,5.,距离差,距离差,r,表示目标至发站与收站的距离之差设发站和收站间的距离为,b,，,则目标位于以发站和收站为焦点，以,b,为焦距，距离差为,r,的,旋转双曲面,上22,6.,方向余弦,方向余弦指目标和基线上坐标原点的连线与基线间的夹角的余弦，如图,8-16(a),所示若方向余弦为 ，则目标位于一张角为 的水平锥面上该水平锥面在如图坐标系中的方程为,23,7.,高度,(,高程,),h,若已知高度,h,，,则目标位于水平面上其方程为,24,8.3.2,几种典型的几何定位方法,确定飞行器在空间的位置是三维问题，即最少需要,三个相互独立的,参量才能确定其空间位置。

前述,7,个位置测量元素，除高度元素,h,只在个别特殊场合（如巡航导弹）使用外，其余,6,个位置测量元素中，,任意,3,个,都可以确定某一时刻飞行器的空间位置25,1.,RAE,定位方法,精密跟踪脉冲雷达以及加装激光测距装置的光电经纬仪一般可测得每一时间点上目标的,R,、,A,、,E,，,故可以单站独立定位设单台雷达测得目标的距离、方位角和俯仰角值分别为,R,、,A,、,E,速度和加速度,参数可由多个时间点的位置参数通过一次微分和二次微分平滑求得26,2.,3,定位方法,由,3,个距离测量元素,R,交会可确定空间目标的位置，加上,3,个径向距离变化率测量元素可测定空间目标的速度 ，这一系统称为,3,系统测出三维坐标和三维速度27,3.,角度交会定位法,传统光学测量设备的测量元素是两角度,方位角,A,和俯仰角,E,，,如电影经纬仪、弹道照相机等，通过多台设备交会测量可得到空间目标的位置参数设,a,、,b,两点各有一台光学设备，同时测量空间目标,P,，,则目标一定处于两视线的交点上同时记下两台设备的角度观测参数，已知,a,点和,b,点在参考坐标系中的坐标，通过计算就可确定目标,P,的位置28,8.4,航空航天测控技术,8.4.1,测控信号与信道设计,一、测控系统中常用的信号及调制方式,测控系统中较多的采用二进制编码信号，即,PCM,信号来传输信息。

这主要用在遥测、遥控和数字通信中采用数字基带信号具有传输精度高，容量大，可利用时分多路传输技术，抗干扰性能好，便于用计算机对数据进行处理等,优点,因此，在测控系统中,PCM,调制,是一种非常重要的调制体制同样，利用,PCM,信号对副载波的调角（,PSK,，,DPSK,，,FSK,）,也是常用的调制体制29,二、信号设计与载波频率选择,1.,基带信号的设计,(1),当指令、遥测、数传等信息需要,采用抗干扰编码及误差控制,时，应对原始信息进行变换；,(2),对某些信息（如指令、数传等）进行,加密,时，应对原始信息进行变换；,(3),当要求与其它消息一起对同一射频载波进行,多重调制,时，为满足其相容性，应对原始信息进行变换；,(4),在原始信息中,增设地址码或其它辅助信息,时有时也要改变原始信息的形式30,2.,副载波组合方式的选择,(1),测距信号的选择,对于以连续波方式工作的微波统一测控系统，测距信号有,三种形式,：,纯侧音测距信号,纯二进制的随机码测距信号（以下简称全码系统）,混合测距信号（即侧音加二进制伪随机码的测距信号）,这三种型式的侧距信号性能比较,如表,8-1,所示,2),副载波频率及调制方式的选择,力求基带信号本身及其调制方法简单；,力求携带信号频谱线集中（即所占带宽越小越好）；,应考虑到各副载波不同调制方法所占用的带宽及功率效率；,31,信号型式,纯侧音测距信号型式,全码测距信号型式,混合测距信号型式,抗干扰能力,保密性,距离分辨度,解距离模糊能力,弱,差,好,差,强,好,差,好,中,中,好,好,副载波调制的灵活性,三者均相同,捕获时间,近距离，,S/N,大的情况下,短,长,中,远距离情况下,三者相近,系统定标的难易,三者相同,设备复杂程度,三者相同,使用和维护要求,较简单,较复杂,一般,自动操作的适应性,好,差,中,所需研制经费,三者相同,32,从信息有效传输的角度出发，,副载波频率不应逃择太高,，以利于压缩中放信息带宽；,各副载波的,组合干扰,应尽可能不落入各副载波的信息带宽内，为了保证测距精度，各副载波的组合干扰频率也不应落入高侧音窄带跟踪环的带宽内；,对于移频键控（,FSK,）,和移相键控（,PSK,）,的副载波信道，必须保证所选副载波频率和基带信号的码速率保持相干并成整数倍的关系，以利于,相干解调,；,为适应不同型号的飞行器的带宽要求并考虑不同信息路数和数据量，应允许,副载波适当变动,，以便对各种不同型号的要求作最佳安排；,为了防止应答机载波环和接收机载波环的错锁（锁到副载波频率上），在可能的条件下，,副载波频率应尽可能远离,载波频率；,为了防止火焰衰减,，副载波频率应安排在离载波,510KHz,内；,应尽量利用已研制的或市场上已能提供的设备。

33,3.,射频信号的设计,所谓射频信号设计主要是指,载波调制的选择,在无线电测控设备中，载波调制方式可分为三种，即调幅（,AM,）、,调频（,FM,）,和调相（,PM,）在,高精度跟踪测量系统,中采用,调相,方式是比较合适的但某些专业系统，如用于,火箭主动阶段,的遥控系统，为避免火焰干扰，其载波也可采用,调频,方式34,4.,载波频率的选择,上、下行频率的选择,符合国际、国内频段的划分准则；,电波的传播特性，通过大气层的衰减、折射性能及穿透等离子区的能力等；,现有器件和仪器设备的条件；,远近结合，既保证眼前使用，又能适应将来发展的需要；,有继承性，能继承性现有设备和技术；,考虑到系统的测量和信息容量，希望载频选得高一些；,避免和其它电子设备产生相互干扰其它（略）,35,信号设计流程,微波统一测控系统信号设计的一般过程,36,8.4.2,再入遥测技术,定义：再入遥测,是指对再次进入,大气层,的目标的遥测参数进行测量特点,1.,信号起伏和衰减大高速飞行体再入大气层后，与周围的大气发生剧烈的摩擦和挤压，在其周围形成一定厚度的,等离子体,无线电波通过等离子体传播时将引起衰减，严重时会使无线电信号中断，这种现象称为无线电,黑障,现象。

2.,测量频带宽再入试验要求测量频带很宽的特快变化信号，有些特快信号的脉冲宽度只有,几十纳秒,，要从噪声中准确判断信号的有无及出现时间并精确测量脉冲的前沿或两脉冲之间的时间间隔是十分困难的3.,低仰角接收,随着再入体飞行高度的下降，接收天线的仰角越来越低，触地（水）信号时，地面遥测设备的天线可能工作在,负仰角,低高度接收时存在严重的,多径效应,，使接收信号造成很大的强度变化和衰减，变化范围可达,10,40dB(,快衰落,),37,再入遥测系统设计中的若干问题,解决再入信号中断的途径,避开法：提高载波频率（,晚进明显，早出不明显,），回收数据存储体（黑匣子），记忆重发（出黑障区后）提高发射功率（航天器）和接收机灵敏度（地面接收机），,多方面受限,减缓法：附加磁场法，可以束缚自由电子的游动。