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简析俄罗斯深空测控网

   日期:2012-03-31    
核心提示:目前俄罗斯深空网由3个地面站、2个指控中心(MCC)和2个弹道中心(BC)组成。3个地面站分别是乌苏里斯克、叶夫帕托里亚、熊湖。乌苏里斯克配置的是25m(发)、32m(收)和70m(收/发)站,叶夫帕托里亚拥有32m(发)、70m(收/发)站,熊湖则是32m(收)、64m(收)站。

  目前俄罗斯深空网由3个地面站、2个指控中心(MCC)和2个弹道中心(BC)组成。3个地面站分别是乌苏里斯克、叶夫帕托里亚、熊湖。乌苏里斯克配置的是25m(发)、32m(收)和70m(收/发)站,叶夫帕托里亚拥有32m(发)、70m(收/发)站,熊湖则是32m(收)、64m(收)站。东、西两站经度相隔100°左右,提供了从前苏联本土最长的接力观测时间,并可构成尽可能长的基线。

  深空任务的主控中心位于加里宁格勒,备用和本地指控中心与叶夫帕托里亚站在一起。2个弹道中心分别设在莫斯科附近的飞行控制中心(FCC)和俄罗斯科学院的应用数学所。

  1.任务指控中心(MCC)

  探测器的飞行和工作控制由MCC的操作控制组(COCG)完成。该组的人员来自探测器研制和空间飞行控制过程制订部门,分为任务执行小组、分析小组、飞行规划小组、测控规划和分析小组、弹道组、通信组。MCC中的信息处理设施包括三大计算机程控系统:自动处理和分析遥测信息的系统、程控遥控系统和信息显示系统。

  2.弹道中心

  该中心的主要功能是确定探测器的真实飞行弹(轨)道,并预报两次弹道测量过程之间的飞行路径。作弹道修正的准备过程中,弹道中心要计算出探测器从某一弹道转移到另一弹道所需机动飞行参数。探测器机动数据以数字形式送到相应测控站,再通过无线电通信链路送到探测器,插入探测器控制系统的定时器,以便在预定时间修正探测器的飞行路径。

  2个弹道中心独立计算探测器的弹道和机动参数,计算结果进行比对,如相同则可使用。弹道中心计算出的数据送往测控站,以便计算目标引导数据以及规划未来探测器操作。

  3.测控设备

  目前叶夫帕托里亚站的测控设备是80年代研制的“量子-D”。该站主要利用直径70m的收发天线,站中还有一个32m发射天线及相应设备。

  70m设备除完成对深空探测器的测控任务外,还可以其巨型天线和大功率厘米波发射机构成行星雷达,有规律地实施对火星、金星、水星的测距测速(测距精度为0.3~2km),从回波信号中获得有关行星表面物理结构及行星旋转参数,绘制多种用途的行星表面的雷达图(亮度图、地貌图、地形高程图等)。

  乌苏里斯克站的设备组成与叶夫帕托里亚站基本相似,只是没有行星雷达设备,32m天线设备只用于接收,而用25m天线设备作为备份发射设备。熊湖站的32m、64m天线设备只用于科学信息的接收。

  4.信号检测和遥测信息处理系统

  射频信号的检测和解调由一台程控数字式接收机完成。该系统实时识别帧和字同步信息、探测器上时标,分离各通道的信息,利用模-数变换器和磁带机记录这些信息,将相应信息送往用户,以串行或并行码进入通信信道,时间同步精度为±1ms。

  5.弹道测量系统

  利用载波多普勒测量法测量探测器的径向速度,应答方式和非应答方式都可测量。通过压缩通带,提高探测器和地面接收机的信噪比,即在产生地面发射机载频和接收机外差信号时,程控频综器将频率偏移一个相当于多普勒移的预期值。

  采用相位法进行测距,基于测量测距信号的传播时延,测距信号在地面发射机中调制在载波上,由探测器应答机转发。

  由于深空飞行的探测器位置事先是知道的,所以不需要测整个距离,仅需要对事先确定的值进行验证和某种改进即可(分米波段测距无模糊距离为5000km,厘米波段为500km)。

  采用差分甚长基线干涉仪测量(ΔVLBI),可大大缩短测轨时间并提高定轨精度。俄罗斯3个深空站可构成差分甚长基线干涉仪,叶夫帕托里亚到熊湖的基线长达1200km,到乌苏里斯克的基线达6900km,利用这些基线测角精度可望达到0.05~0.1″。

  6.程控指令信息系统

  任务指控中心制订与探测器通信的计划,形式是操作指令和数字指令的一个顺序表,定时精度为0.1s,通过高可靠性通信信道传送,并自动储存在程控指令系统存储器内,其容量为6000个9位字。在与探测器通信期间,该计划送到发射机调制器。指令送到调制器上时,任务指控中心对这些指令自动进行检验。

  7.新的深空测控系统

  经过几个阶段的现代化改造,“量子-D”虽可以满足目前的需要,但已过时,且寿命已满。而且,俄罗斯未来的深空任务将使用X频段,“量子-D”的工作频段也不能满足需要。

  上述原因促使开发了下一代深空测控系统——“木星”。“木星”的设计满足下述要求:(1)上、下行链路采用X频段;(2)使用效率更高的编码技术提高链路的性能;(3)提高轨道测量信息容量和精度;提高遥测和遥控数据速率。(4)“木星”系统于2004~2005年间投入使用,用来支持2005~2015年之间的深空探测任务。该系统将安装在叶夫帕托里亚、乌苏里斯克与熊湖站。熊湖站使用64m和32m天线。

  “木星”测控系统现有的高效70m和32m天线经适当的现代化改造后仍将使用。新系统的电子设备采用先进的部件制造,包括专用大规模集成电路,应用专用处理器和个人计算机等数字方法进行信号和数据处理,许多功能和操作模式用软件而不是硬件的方法来实现。系统的控制和操作监视是自动进行的。所有这些方法都将减少设备体积、操作人员数量,最终降低测控站的操作费用。

  考虑到“木星”站的使用寿命要达到20年,设备的研制将尽可能地为该站今后进一步现代化提供方便,以便在运行过程中改造个别系统而不影响该站其余系统的操作。

  在高电子迁移场效应晶体管的基础上开发出了工作波长为3.5cm的低噪声接收设备,闭环低温制冷器将放大器保持在液氦的温度,噪声温度预期小于10K。

  采用特殊的高效专用计算处理器,信号跟踪、信号解调、轨道测量等任务打算采用硬件和软件相结合的方式实现。接收遥测数据的信道打算采用CCSDS建议的级联码,在信噪比较低的情况下将采用Turbo码。支持高远地点地球卫星时,遥测数据速率将增加到1Mbps。

  “木星”测控系统将为70m天线配备新的工作波长4.2cm的20~40kW的发射机,为32m天线配备5~10kW的发射机。为提供所需的可靠性,测控站上的所有设备都有备份。

  调制技术、信号结构等方面的CCSDS建议将最大程度地用于“木星”站。该站贯彻CCSDS建议将有助于俄罗斯深空测控通信网参与国际合作。新系统还将具有收发异地的三向多普勒测量能力,从而测得发射站-探测器-接收站距离和的变化率。

  叶夫帕托里亚站现有的工作波长为6cm的200kW发射机以及相应的信号处理设备被保留,用于行星无线电定位。70m天线中现有的波段为0.33、1.7、2.3和5GHz的接收信道打算用于射电天文实验。

 
  
  
  
  
 
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