基本介紹
- 中文名：微波統一系統
- 外文名：unified microwave system
組成,工作原理,工作方式,目標捕獲,目標檢測,目標丟失重捕,技術特點,發展方向,
組成
在一個載波上用多個副載波調相、實現頻分復用的多路信號傳輸，從而具有集跟蹤測軌(Tracking)、遙測(Telemetry)、遙控(Control)、數傳、語音等多功能於一體的系統稱為微波統一測量與控制系統。所謂“統一”是指採用一副天線、一個載波、一個公用收發信道來實現對太空飛行器測控與通信。微波統一系統因其設備簡單，可靠性高，測量精度適中，在航天測控中得到廣泛套用。當採用S頻段載波時，稱為統一S頻段(Union S Band，USB)，用於中、低軌太空飛行器與深空太空飛行器測控；採用c頻段載波時，稱為統一C頻段(Union C Band，UcB)，用於地球同步軌道太空飛行器測控。我國於20世紀80年代建成了C頻段測控網，隨後為了適應航天領域的國際合作，於90年代建成了s頻段測控網，並在西安成立了S頻段測控網多任務管理中心，統一協調對太空飛行器長期管理工作中的USB系統使用配置。
微波統一系統由地面設備和太空飛行器載設備相互配合，採用應答式工作方式，單站相參測量定軌體制，單站測量的元素有方位角A，俯仰角E，距離R，距離變化率R。主要有天伺饋分系統、信道分系統、基帶設備、監控分系統、數據傳輸分系統、模擬與標校設備以及附屬配套設備等。
在微波統一系統中，地面遙控終端產生或者由指控中心通過數據傳輸系統發來的經脈衝編碼的遙控指令(含數據注入)、數字話音等信號分別調製在各自的正弦副載波上，然後將已調各副載波信號與測距終端產生的測距信號(主側音、次側音副載波調製信號—採用次側音對副載波調製，進行頻譜摺疊)相加，構成複合基帶信號，一起對載波調頻或調相，形成頻分復用統一載波信號，通過上行信道頻率變換和功率放大後，經同一天線定向輻射至太空飛行器上。太空飛行器上應答機接收解調後，遙控指令經遙控終端二次解調和解碼送給執行機構完成對太空飛行器的遙控；電視話音信號經接收解調後送給電視和話音終端。
太空飛行器上遙測設備將太空飛行器的姿態、設備工作狀態以及環境等參數，經交換子採樣、變換成電氣參數的脈衝編碼調製信息，分別對各自的副載波進行調製，然後和應答機解調的測距信息一起對下行載波進行相位調製，電視和語音信息對另一載波進行正交調製，兩已調載波經應答機功率放大由天線發回地面。經地面天饋線、接收信道接收解調後，由遙測終端解調獲得遙測信息；測距信息經測距終端捕獲與測量得到目標斜距；測速終端提取雙程都卜勒頻率得到目標的徑向速度。為執行載人航天任務，微波統一系統還配有數傳通道，完成飛船上的圖像、航天員生理參數和話音等數據傳輸，其電視和話音信息送給電視和話音終端。
地面天伺饋測角系統完成對太空飛行器的角跟蹤和角度測量。數據傳輸系統完成微波統一系統與指控中心的信息交換。
工作原理
微波統一系統在太空飛行器上的S頻段統一系統測控應答機與數傳機設備相對地面設備較為簡單，工作原理與地面設備大致相同。下面簡要介紹地面微波統一系統信道部分、基帶設備、角度跟蹤設備、數傳分系統、監控分系統的工作原理。
信道部分
下行信道主要由低噪聲放大器、下變頻器、中頻放大器和開關網路等組成。地面天線接收到的微弱射頻信號由低噪聲放大器進行高頻放大後，再由下變頻器變換至中頻，經中頻放大器放大後送給接收機，使鎖相環與解調器能正常工作。
基帶設備
對於上行載波調製而言，為了避免對載波直接調製後在殘留載波根部產生較多邊帶信號分量，避免影響載波鎖相環工作和測速精度，微波統一系統一般採用二次調製方式，即將測距、遙測、遙控、通信、語音信息等先調製到副載波上，然後再調製到載波上。微波統一系統載波可以採用多種調製方式。由於角度跟蹤信息的提取和都卜勒測速都需要殘留載波信號，故下行信道中通常採用測距信號和遙測副載波對載波的調相體制。而上行信道的調製方式有2種，一是當不進行雙向相干測速時，為使太空飛行器上設備簡化，並充分利用載波能量，基帶信號或副載波一般對載波進行調頻，最大調製頻偏一般在200～400 kHz；二是當需要雙向都卜勒測速時，測距信號和遙控副載波對載波進行調相，調製指數一般在2 rad以下。上述調頻和調相可統稱為調角體制，調角信號只是頻率或瞬時相位變化，而幅值不變，故調角載波的平均功率為恆值，功率利用率高。由於調頻波將信號能量分散到各個譜線上，當受到某一幅度信號干擾時，只能影響到與干擾信號頻譜對應或相近的副載波信號，因而調頻波抗干擾性強，且調製指數越大，抗干擾性越強，因此調頻體制一般採用大頻偏調製方式。
中頻接收機主要由鎖相環、都卜勒預置和掃描電路、載波解調器和電平自動控制電路等組成，主要功能是對下變頻器送來的中頻載波信號進行頻率捕獲、相位捕獲，解調和提取角度誤差信息、距離信息、遙測副載波信號，並送出含都卜勒信息的測速信號等。
空間目標存在徑向速度，從而對載波進行都卜勒調製，進一步考慮上下行頻率的不準確度，使得實際接收的信號頻率偏離中心頻率可能達到土150 kHz，因此要求接收機信號頻寬設定得足夠寬，以保證對信息的完整接收。微波統一系統地面接收機接收到的信號強度很弱，接收頻寬又比較寬，使接收信噪比很低，信號被噪聲淹沒。微波統一系統設計鎖相環路實現對弱信號的接收解調。鎖相環路實際上是一個頻帶很窄的相位跟蹤環，能很好地從低信噪比信號中提取有用信息，完成載波信號的頻率、相位捕獲與跟蹤，並為正交解調器提供基準信號。為改善鎖相環路的頻率捕獲速度，往往採用改變環路頻寬、掃描捕獲、分段捕獲、都卜勒頻率預置、頻率引導等技術措施。另外，由於接收到的信號頻譜較寬，鎖相環路有可能不是鎖定在主譜線上而形成錯鎖，因而需要設計必要的防錯鎖電路或利用快速傅立葉變換進行頻率引導等措施以防止錯鎖。如果調幅干擾信號與有用信號一起進入接收信道，雖然調幅信號也有邊帶，但只有振幅變化而沒有頻率和相位變化，故在鎖相環路輸出端不存在調幅信號，環路將其成功濾出，即鎖相環路具有良好的抗調幅信號干擾性能。由於環路對輸入信號是一個通帶很窄的帶通濾波器(可以小到幾赫茲至幾十赫茲)，而這個窄帶濾波器的中心頻率始終跟隨輸入信號頻率而變化，只要接收機環路相位跟蹤速度足夠快，就能把信息正確地提取出來。對於含有都卜勒信息的輸人載波頻率，環路鎖定跟蹤後，由於鎖相環路的中心頻率始終跟隨輸人信號頻率而變化，因而又可以看做是一個由很多窄帶連線而成的帶通濾波器，輸出信號中將含有都卜勒信息。由於環路頻寬很窄，都卜勒信息被有效提純，從而提高了設備的測速精度。
國內S頻段統一系統要適應多種太空飛行器不同極化天線的測控要求，往往採用極化分集接收技術，以便克服因太空飛行器姿態變化、發收天線極化不一致、多徑效應等因素造成的極化衰落所引起的信號起伏，獲得最佳接收信號效果。由於接收機具有接收左/右旋兩種圓極化波的能力，接收機也設定兩個信道，並保證進入極化合成器的2信號相位一致。極化合成一般在中頻上進行，合成器大多採用雙環極化分集接收方案。
統一系統中的遙測終端既含有模擬遙測，又含有編碼遙測。模擬遙測信號對副載波進行頻移鍵控調製，編碼遙測的脈衝編碼調製數據流和遙控返回指令、執行驗證信息一起對副載波進行相移鍵控調製。已調遙測副載波與轉發的測距信號一起，對下行載波進行調製，再發回地面。在地面站經天線、接收設備的接收和解調，將解調的遙測副載波送人遙測終端，進一步解調出模擬遙測和編碼遙測信息，供監控顯示和記錄。
遙控終端接收指控中心的遙控指令(特殊情形下也可以由微波統一系統的遙控終端應急產生)，或數據信息(脈衝編碼調製)，將其調製到副載波上，然後與測距信息、語音信息等一起對載波進行同時調製(調相)或分時調製(調頻)，經上變頻、功率放大後由天線輻射出去。太空飛行器上天線接收後，經應答機接收解調出遙控副載波，送給遙控終端解調器，解調出遙控指令，送有關執行部件，完成對太空飛行器的控制，並將遙控指令回令和執行驗證信息送給遙測部件，經下行信道返回地面。遙控終端除了傳送單條指令外，還可以傳送指令串、符合指令以及注入數據等。
對於載人太空飛行器，地面和太空飛行器上均需配電視、語音終端，通過微波統一系統的收發信道、天伺饋系統等，就可進行天地間相互通話、監視和數據傳輸。由於數位電視碼速率較高，不宜採用上述副載波調製方式，而是將語音、電視編碼信息與其他諸如航天員生理、醫監、GPS定位信息等一起對另一獨立載波直接進行四相移鍵控調製，與跟蹤測控載波一起傳送。
微波統一系統的時頻終端接收時間統一系統送來的頻標信號和標準時間信息，產生本系統所需要的各種頻率和時間信號，以確保微波統一系統與整個測控系統以及內部各設備之間的時間同步。
微波統一系統中採用純側音體制、純偽碼體制和音碼混合體制測距。當採用純側音體制時，為了壓縮占用頻寬，常將低側音摺疊到某一次側音上或調製在另一副載波上進行傳輸。完成匹配、解模糊後，一般就不再傳送解模糊的低側音，而只發高側音。微波統一系統的測距精度一般可達8～15 m。
微波統一系統一般採用雙向相干都卜勒頻率測速方案，即太空飛行器攜帶的應答機將收到地面發射的高準確度、高穩定度的上行載波信號按一定的相干轉發比變成下行信號，地面設備接收、提純，並由測速終端測量包含在接收頻率中的雙向都卜勒頻率，即可獲得目標相對於測控站的徑向速度，測速精度可達3～5 cm/s。
角度跟蹤設備
角度跟蹤設備由天饋線、伺服放大與驅動、天線控制單元(ACU)和軸角編碼器等組成。微波統一系統常採用比幅式單脈衝自跟蹤體制，其天線通常是效率較高的雙曲面改進型卡塞格倫或格里高里天線，饋源為多喇叭饋源或多模饋源。微波統一系統的測角精度隨天線口徑而定，一般測量精度可達0.01～0.02。與該精密跟蹤測量大口徑天線共座的外掛式自引導小天線(俗稱外掛耳朵)，則採用圓錐掃描自跟蹤體制。
數據傳輸分系統
監控分系統
監控分系統負責全系統運行狀態、工作參數、目標參數、設備配置等信息的集中監控和顯示，同時接受來自遠程監控系統的控制命令。測控站人員通過監控系統直接對系統進行監控稱為本地監控，由指揮控制中心通過監控分系統對系統進行監控稱為遠程監控。另外，各分機還可以對其狀態進行獨立監控。
工作方式
微波統一系統可直接測得太空飛行器的距離(R)、角度(A，E)、徑向速度(R)等參數，經坐標變換、數據處理，可得到太空飛行器的飛行軌跡。系統為實現上述測控功能，往往設計多種工作方式，包括對目標的截獲、搜尋和引導，目標捕獲，目標測控及目標丟失重捕等。
在運載火箭起飛之前，太空飛行器上應答機已開機，發射下行不掃描的已調製遙測的射頻信號，這時地面測控站便可按預定的飛行軌道截獲目標。但由於地面微波統一系統天線波束狹窄，而目標飛行軌道散布較大，使太空飛行器很可能超出天線波束所照射的空域。為了可靠地截獲目標，需要採取一些手段來幫助地面站天線對準目標，包括：
1)天線掃描，根據目標速度設定天線按一定速率在一定範圍內對目標預定空域進行掃描搜尋的工作方式。
2)自引導，微波統一系統配有同頻、同天線座自引導小天線，該小天線波束寬，易於捕獲目標，一旦小天線捕獲、跟蹤目標後，即可以引導主天線截獲目標。
3)外引導，在外界信息的引導下使天線波束逐漸接近於目標，包括由波束較寬的引導儀實施模擬引導，根據理論彈道進行數字程式引導，由中心計算機根據其他測控設備獲取的目標位置信息實施數字引導等外引導工作方式。
目標捕獲
微波統一系統首先進行頻率捕獲，並在此基礎上實現主天線角跟蹤，以及雙向載波捕獲(當工作於調相/調相體制時)和距離捕獲。
當採用天線掃描、自引導或外引導等手段使主天線對準目標(即目標落入主天線波束內)時，地面跟蹤接收機迅速捕獲應答機信標信號，實現頻率捕獲，並送出載波鎖定指示信號。伺服系統根據跟蹤接收機送來的載波鎖定信號、角誤差電壓信號，經判決由人工或自動轉入角跟蹤，並送出角度跟蹤狀態信號。主控台根據跟蹤狀態信號，並經過一定延時以保證設備穩定跟蹤後，人工或自動控制發射機發出上行未調載波啟掃信號，應答機捕獲地面設備的上行載波信號後，轉發下行載波信號，地面跟蹤接收機主環掃描跟蹤，同時應答機鎖定指示通過遙測傳回地面，地面設備主控台據此進行人工或自動判決確定應答機捕獲上行頻率後，控制發射機調製器停止上行微波頻率掃描，並按程式回到載波中心頻率。主監控台根據啟掃、停掃、回零、主接收機主環鎖定指示等信號，給出雙捕完成指示信號，送至測距機、測速機、遙控等終端設備。測距終端收到雙捕信號後，自動發出測距信號，並啟動距離捕獲程式，直至距離信號捕獲，送出距離捕獲信號至主監控台。至此，捕獲全過程結束，系統進入全跟蹤狀態。
目標檢測
對目標的測控包括遙測、遙控、角位置測量、測距、測速、語音和數據傳輸等。
1)遙測終端收到下行載波捕獲信號後，進行遙測副載波捕獲、位同步和幀同步提取，然後將解調提取的遙測信息加上時標後，送出遙測信息。
2)天線自跟蹤後，角度編碼器將代表天線指向的角度信息加上時標後，送出測角信息。
3)雙向載波捕獲後，遙控終端即可根據需要傳送遙控指令或者數據(當上行採用調頻體制時，發指令與測距分時工作，指令優先)，實現對目標的遙控功能。
4)距離捕獲後，測距終端將測距信息加上時標後，送出目標距離信息。
5)測速終端收到下行載波捕獲信號後，進行雙向都卜勒提取與測量，將測速信息加上時標，送出測速信息。
6)系統實現自跟蹤和雙捕後，話音和數傳可以工作，實現天地數據、監視、話音信息的雙向傳輸。
目標丟失重捕
因某種原因引起下行載波失鎖時(目標丟失)，天線首先轉入記憶跟蹤。當時間較長，則從截獲目標開始進行重捕；若局部丟失，要根據不同的丟失狀態(雙向載波捕獲丟失、距離丟失、測量丟失等)進行局部重捕，以節省時間。
技術特點
微波統一系統的一個顯著特點是基於單套設備實現測角、測距、測速、遙測、遙控、數據傳輸、語音信息傳輸等功能，具有雷達、遙測、遙控、語音傳輸設備等多套地面設備的綜合功能，同時使得太空飛行器上應答機有效小型化。
微波統一系統將上行數位化後的遙控基帶信號，先調製在副載波上，副載波頻率選定在8～16 kHz之間，避開干擾測距用的低側音，遙控副載波再對載波調相。遙控為單程工作方式。若採用側音測距時，最多同時用2個側音，即一個主側音和一個次側音對載波同時調相，兩者都為頻譜極純的單音。當大距離確定後，只發一個主側音用來確定距離尾數即可。測距是雙程工作的，不論偽碼測距或側音測距都需要由測量站先發出參考測距信號，太空飛行器接收到這個信號後再傳回地面與地面發出的信號比較相位延遲，以得出距離。遙控和測距一般不同時工作，以節約功率。用測控系統傳語音，採用信源壓縮後的低質量語音，如Rb=2.4～4.8 kbit/s，其碼速率不超過遙測碼速率，用相移鍵控方式調製另一個副載波後，再調製載波。
用上述3種副載波對載波進行線性調相的特點是：載波未被調製前，在頻率域(頻譜分布圖)上表現為一條線譜。載波受各種副載波調製後，載波分量降低，但不完全消失。降低後的載波分量，稱為殘餘載波，故多副載波對載波調相的體制，又稱為殘餘載波調製。殘餘載波分量作為信標頻率使用，並用做測速和測角目的。當太空飛行器和測量站存在相對運動速度時，此殘餘載波分量即產生都卜勒頻移fd正比於徑向速度vt.為了提高fd的測量精度，測量站應採用頻率穩定度和準確度都很高的原子鐘作為產生上行載波頻率源。殘餘載波分量功率的大小，直接影響到測速精度和測角精度。測速和測距都要求採用雙程相干工作方式。
發展方向
隨著數位技術、軟體無線電和數位訊號處理器(DSP)、現場可程式門陣列(FPGA)及專用積體電路性能(集成度、處理速度、耐空間輻射等)的提高，微波統一系統正在向軟體化發展，向“有人值守，無人操作”以及資源綜合利用方向發展。
多功能數字綜合基帶
採用多功能數字綜合基帶處理技術和緊湊型外部組件互聯(CPCI)匯流排技術，將測距、測速、遙測、遙控、數傳各個終端集成到一個基帶內的硬體平台，通過載入不同的套用軟體，實現不同的功能，具有現場重組功能。
目前採用的方案是在射頻下變頻到70 MHz中頻信號，進行數字採樣，此後的捕獲跟蹤、測距測速、數據解調解碼、同步、解密輸出信號及格式編排、協定轉換等操作均在數字域內完成。發射過程與此相反，所有基帶信號處理在數字域完成，最後進行數模轉換，經上變頻、放大後發射出去。這種軟體化的天地測控設備利用大規模積體電路與單片微波積體電路(MMIC)配合，可構成體積小、功率低、質量輕的可在軌重新配置的應答機，只需改變軟體就可適應航天任務各階段測控需求，從而同一型號應答機可用於不同航天任務，靈活性好。
遠程監控與遠程測試
採取客戶機/伺服器體制實現遠程監控。監控單元主要由客戶機和伺服器2部分組成。監控伺服器負責採集、上報全系統的監視信息，執行客戶機下發的控制命令，存儲測控設備的各種數據。客戶機提供良好的人機操作界面，利用網路與伺服器進行信息交換，通過伺服器實現對設備的監控。監控分系統處於遠程監控的工作方式下，本地監控不做任何操作。監控分系統收到數據傳輸分系統送來的遠程監控命令後，顯示、分解、控制系統的相關設備完成測控任務，實現“有人值守，無人操作”。網管中心或遠程客戶機對監控分系統實施遠程控制，監控分系統通過本地監控網路對系統設備進行本地控制。遠程客戶機及網管中心通過遠程監控網將控制命令及測控計畫、軌道根數下發給監控分系統的伺服器，對系統進行遠程控制。
通過測試儀器和測試網路，在系統監控的統一調度下，完成系統指標和分系統指標的自動測試，能夠有效地輔助操作手對全系統狀態進行全面監測，靈活地對所關心的技術指標進行快速測試。測試計算機通過網口採集示波器的波形數據，具有將波形數據和頻譜數據記錄並傳送的能力。在需要信號源參與的測試過程中，測試計算機可控制信號源輸出所需頻率和幅度的信號，通過測試輸出開關選擇送發射分系統或高頻接收分系統。
數字與自動化
數位化可以提高系統的穩定性、可靠性、可維修性，有利於系統的綜合化、設備的軟體化、部件的模組化、接口的標準化。
在接收機方面實現數字鎖相環(Digital Phase Locked Loop，DPLL)、動態速率分配(Dy—namic Rate Repartitioning，DRR)，快速傅立葉變換(Fast Fourier Transforms，FFT)三合一的數字載波環；測距、測速、遙測、遙控等終端設備可程式數位化。系統監控方面採用面向過程的設計方法和層次化軟體結構，採用流程生成器和流程執行器、任務配置庫等手段，根據指控中心下發的測控計畫，生成工作流程。系統監控根據工作流程的要求，以時間符合或事件驅動方式，自動控制系統設備完成相應的測控任務。系統工作流程由一系列的設備控制命令、命令執行時間、命令執行參數等組成，監控分系統根據生成的工作流程，以時間符合方式或事件驅動方式完成設備工作參數設定、設備配置組設定、自動化測試、自動化標校和自動化捕獲跟蹤、戰鬥報表形成等，有效減輕操作手的壓力，提高工作效率。
測控資源重組
為解決有限的航天測控資源與日益增加的航天測控需求的矛盾，採用測控資源重組技術是節約測控成本、圓滿完成多星測控任務的重要技術途徑之一。測控資源重組是綜合測控站為滿足多星、多任務測控需求而提出的通過動態調整或配置站內資源以實現站內測控資源效益最大化的一種測控站建設思路。
測控設備資源重組分為軟體重組和硬體重組。軟體重組指基帶設備的軟體重組，即在同一硬體平台上通過動態載入不同軟體實現不同功能。硬體重組是多套天線、多套信道、多套多功能數字基帶在統一的監控管理之下，利用射頻或中頻開關矩陣進行組合配置使用的功能。重組後的測控設備由原來不同測控設備相應分系統互聯重組形成功能完整的測控設備，具備獨立完成測控任務的能力，以滿足多類太空飛行器測控需要。
