太空飛行器跟蹤與通信設施:簡介,跟蹤設施,概述,套用,研究現狀及問題,太空飛行器通

太空飛行器跟蹤與通信設施主要由遙測、跟蹤、指令三部分組成。對任何衛星來說，跟蹤與通信設施都非常重要。它能使地面站與衛星之間進行通信。設施的主要功能是：對太空飛行器係數進行遙測，對太空飛行器進行遙控與跟蹤。通過衛星與地面站建立的無線電通訊鏈路來進行通信。

基本介紹

中文名：太空飛行器跟蹤與通信設施
外文名：Spacecraft tracking and communication facility
組成：遙測、跟蹤、指令三部分
功能：對太空飛行器進行遙控與跟蹤
通信方式：衛星與地面站建立的無線電通訊
套用學科：航空宇航、電子科學、天文學

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簡介

太空飛行器跟蹤與通信設施主要由遙測、跟蹤、指令三部分組成。對任何衛星來說，跟蹤與通信設施都非常重要。它能使地面站與衛星之間進行通信。設施的主要功能是：對太空飛行器係數進行遙測，對太空飛行器進行遙控與跟蹤。通過衛星與地面站建立的無線電通訊鏈路來進行通信。在衛星飛行的整個階段，最重要的是維持地面站與太空飛行器之間可靠的通信鏈路。在衛星發射階段和早期的軌道運行階段，地面控制台傳送所需的飛行指令，諸如點燃助推火箭進行軌道修正，展開天線或太陽能電池組，點燃遠地點加速器等。這些操作的一部分必須在精確的時間內執行，而有些可以在發射時間段進行。太空飛行器跟蹤與通信設施提供了這個極其需要的鏈路。

跟蹤設施

概述

對於服務太空飛行器，在接近操作過程中，將被服務太空飛行器保持在視覺相機視場內並確保足夠的穩定度是需要具備的基本功能之一。但由於被服務太空飛行器的不可控制性和不可預測性，使得需要對視覺相機平台，也即服務太空飛行器進行控制以跟蹤被服務太空飛行器。

套用

跟蹤系統提供了衛星在軌道運行期間各個時間段的位置信息。跟蹤數據是非常重要的，主要用於以下方面：

(a) 確定和維持所需的衛星軌道。

(b) 將TC和TM天線指向衛星。

研究現狀及問題

雖然目前在太空飛行器對空間目標的跟蹤控制問題方面已有較多研究成果，但這些跟蹤控制算法通常要獲取空間目標的視線方向角度和( 或) 角速度信息，需要空間目標為合作目標或者增加新的敏感器完成上述信息測量。採用基於空間目標圖像的視覺跟蹤控制能夠有效利用視覺信息，且無需進行繁瑣而複雜的相機內部參數標定和目標與相機運動的精確信息，由於服務太空飛行器已配置視覺相對導航相機，同時星上計算資源的日益增強，使得將視覺測量信息直接引入控制閉環成為了可能。將視覺引入控制閉環作為迴路中的一部分最早套用於機器人領域，就是通常所說的視覺伺服。

無論在理論上還是實際套用方面，都取得了大量的研究成果，按控制迴路中利用的信息不同，主要可以分為基於位置的視覺伺服( Position-based visualservoing)和基於圖像的視覺伺服( Image-basedvisual servoing)兩種結構。在基於位置的伺服中，利用目標特徵在相平面的投影信息，確定目標與相機坐標系的相對姿態和位置，為此必須對相機的內參數進行標定，從而會使系統的計算量增加。基於圖像的視覺伺服直接使用目標在相平面中的視覺特徵誤差量，將被控對象和視覺系統作為一個整體加以分析與設計，提高系統精度，減少對噪聲的敏感程度。正是由於將視覺信息引入控制閉環帶來的諸多優勢，亦有多位學者探索了其在太空飛行器領域的套用可能性，提出了多種基於圖像信息的控制跟蹤算法。

然而，由於太空飛行器與視覺測量系統在基於圖像的視覺伺服控制迴路中的耦合作用，構成了一個本質非線性的複雜系統，增加了對視覺跟蹤控制算法進行分析和設計的困難。

太空飛行器通信設施

研究背景

隨著技術的日新月異和各空間機構廣泛合作，使空間任務的成本大大降低，空間站的出現，編隊、集群或星群飛行的太空飛行器使現在能夠完成比以往複雜得多的空間任務，但同時也對通信系統提出了更高的要求，通過以往地面站和衛星跟蹤系統已經難以適應今後空間呈現出的由衛星群、空間站、太空梭以及各類探測感測器網路構成的複雜的通信格局，從而迫切需要建立空間通信基礎設施來為空間任務提供通信服務。一方面，地面網際網路令人吃驚的發展速度，使其成為覆蓋全球的網路，下一代移動無線網路的接入系統和核心網路公共平台將基於IP 技術。另一方面，隨著多路訪問和多路分發、星際鏈路、星載處理器等衛星通信技術的發展，使人們開始通過衛星星群構造空間的衛星網路來為地面上的各種用戶提過商用通信服務。

為了給日益增多和複雜多樣的空間任務提供通信服務，需要為完成這些任務的太空飛行器提供近距離的通信接入服務，由於太空飛行器運行的規律性周期性，可以利用相同軌道的通信衛星組成一個等間距空間衛星環，為與之同向轉動的太空飛行器提供接入和通信服務，這樣可以增大用戶的接入時間，減少切換頻率，尤其是與衛星環軌道周期相近夾角在一定範圍的太空飛行器。

空間任務通信

目前空間任務通信還主要集中在為太空飛行器和地面用戶之間提供通信，一種方式通過地面站和太空飛行器直接通信。這種方式需要建立大量的地面站，而且無法為低地球軌道太空飛行器提供不間斷的通信服務。另一種方式通過跟蹤數據中繼衛星系統(TDRSS)將數據中繼到地面站，然後通過地面網路轉發給用戶。現美國宇航局的跟蹤和數據中繼系統(TDRSS)由七顆位於地球同步軌道的通信衛星，可以為低地球軌道太空飛行器提供100%的覆蓋的通信服務，減少了地面系統，然而這一系統使用將要達到它的極限，目前通過該系統進行通信還需要提前定製通信服務支持，不能為用戶提供靈活的接入服務。

設施特點和需求

太空飛行器通信設施應滿足航天任務特點和需求，根據不同的目的，我們可將航天任務劃分為三大類，即地球科學探索、載人空間探索與開發和太空科學探索。這些不同的航天任務使空間通信呈現以下特點：

需要通過無線或者光進行通信，而這些無線和光鏈路有其自身的特點：
·尺度大，傳播時延長且不固定。
·高的位錯率。
·時斷時續和周期性，
·不對稱，甚至是單向的。
成本高，資源受限，升級維修困難。
數據多樣。
太空飛行器集中於低地球軌道，高軌和星際太空飛行器比較少。

鑒於空間這種特殊的環境，空間基礎設施的構建需要滿足以下要求：

扁平的可擴展結構。即需要通信設施能夠提供類似網際網路的靈活多樣的接入和通信服務，成為運行於空間的各種太空飛行器的通信媒介。
與IP 協定兼容，提供一致的端到端通信。
減少用戶的通信成本和降低用戶通信設備複雜度。
適於商用，可以為地面和空間廣泛的用戶提供服務。
為用戶提供不間斷的通信服務。

太空飛行器通信系統

一個標準太空飛行器通信系統由以下部件組成：

(a) 數據捕獲系統

捕獲來自不同感測器的數據，產生定時信息，在進一步處理之前將數據編排成格式。

(b) 遙測系統

它蒐集各種勤務健康參數(在某些任務中甚至是部分有效載荷數據)，在副載波頻率上將它們疊加到一個信號上。這個副載波頻率上的合成信號最後會在射頻(RF)頻率上對TM下行鏈路發射機進行調製。

星載TC接收機在RF頻率上接收來自地面站由指令信號調製的上行鏈路信號，解調後，將解調後的信號傳送到指令解碼器，在這裡，恢復指令數據比特和時鐘。解碼後的指令被傳送傳輸。

(d) 數據存儲系統

來自衛星的TM 數據可以實時傳輸，也可以用重放方式傳輸。數據存儲在星載存儲系統後可用較高的速率以非實時方式向地面站傳輸。以後如果需要進行分析，這類數據非常有用。實時TM數據和重放TM數據以不同的副載波傳輸。

(e) 天線系統

星載TC接收機以及下行鏈路TM 發射機與大線系統相連。如果上行鏈路頻率和下行鏈路頻率離的很遠，則使用各自頻率上的天線。但是如果它們的頻率相隔很近，則可以使用具有適當天線饋源網路的同一天線，天線饋源網路在發射機與接收機之間提供了適當隔離(頻率和幅度)。

太空飛行器跟蹤與通信設施