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深空测控系统自动化运行研究与设计
摘要深空测控系统是航天测控系统的发展趋势之一,深空测控任务具有持续时间
长、控制过程复杂的特点,需要研究具有深空特色的自动运行技术。在执行深空测控任务经
验的基础上,结合用户的应用操作要求,设计了各种工作模式下的深空测控计划,介绍了计
划驱动下的任务执行过程。通过搭建仿真测试环境,对深空自动运行功能进行了测试,测试
结果验证了深空测控系统自动运行设计方案的可行性。
关键词深空测控系统;甚长基线干涉测量;工作计划;自动运行
0引言
我国在2007年10月24日成功发射“嫦娥一号”月球探测卫星,首次实现绕月探测,
开启了迈向深空探测的第一步。此后,我国又陆续发射了“嫦娥二号”、“嫦娥三号”和“嫦
娥五号”试验星,深空测控通信地面站建成后执行了探月相关任务。深空站可以接收月球探
测器、火星探测器以及其他数亿km以外深空探测器的探测数据,能够为国际上其他国家和
组织的月球和深空探测器提供测控和数据接收支持。常规测控站的测控口标轨道距离一般在
几百一几万km。相比较而言,深空测控通信地面站的最大特点是作用距离遥远[‘es。我国
航天事业系统经过几十年的发展,航天测控系统常规测控站的运行模式已很成熟,逐渐实现
了设备运行的自动化。自动运行可解决各测站面临的长管任务密度增大、测站操作人员压力
上升和人出错概率高的问题,保证正常卫星测控任务的顺利实施,提高系统的实际使用效率
以及成功率[z1与常规测控站相比,深空测控系统工作频段多、设备量大、组成复杂且业务
种类繁多,除常规测控站业务流程外,还包括三向测量、甚长基线干涉测量(VeryLong
BaselineInterferometer,VLBI)等满足深空任务特点的测量方式。三向测量方式可以完成深空
大时延情况下的测速测距功能,VLBI干涉测量方式可以完成远距离深空探测器的精密角度
测量。鉴于深空测控系统复杂的工作模式,口前我国深空测控系统尚未实现自动化运行。本
文针对深空任务的工作特点,根据执行深空任务的经验,归纳设计具有深空测控特色的测控
计划和自动运行流程。
1典型深空测控系统组成及工作模式
1.1典型深空测控系统组成
中国深空测控站部署在喀什、佳木斯和南美的阿根廷[3],测控站的典型组成如图
1所示。复杂的多频段(S/X/Ka三频段)测控设备,给操作人员带来很大的压
力,迫切需要系统的自动化配置及自动化运行以提高系统的使用效率及成功率。
;
.
1.2
深空测控系统工作模式
深空测控系统的工作模式包括测控(TT&C)运行模式和VLBI干涉测量运行
模式两大部分,现对两大运行模式的流程进行归纳设计。
1.2.1TT&C运行模式除满足常规测控系统的短距离双向测量模式外,深
空测控系统还具备具有深空特色的深空双向测量模式和三向测量模式。传统双向测量过程
中,以侧音测距为例,测距开始后进行各个侧音的轮发,每个侧音均在发送的侧音捕获后发
送下一个侧音,测量每个侧音的收发相位差,将全部的侧音均外推到当前时刻进行距离匹配,
得到测距结果[4]。而在深空测距时,以火星探测为例,如果采用短时延的捕获方法,
每一个侧音的双程空间时延均需要0.47h,10个侧音的轮发测距过程将达到4.7
h,几乎占用了深空站的整个观测弧段时间,这是工程难以忍受的程度,因此需要根据长时
延的特点重新设计捕获过程。测距开始后,首先T0时刻调制发送第1个侧音,在设定
;
.
的固定间隔时间ΔT后,发送下一个侧音,依次类推,将全部侧音发送完成并保持精侧音
的发送,发送过程中记录发送侧音相位
;地面的接收设备根据轨道预报,在预计信号返回的时刻T1,启动距离捕获流程全
部侧音捕获完成后,联合计算收发相位得到距离数据。由于深空测控空间时延巨大和地球自
转影响,接收站有时不能接收到相应的发射信号,这时就用到了深空站特有的三向测量模
5]。三向测距示意图如图2所。深空站A在T1时刻发射信号,该信号经应答机相
参转发后,在深空站B异地T2时刻接收该信号并与T1时刻相位比较,完成三向距离
测量,提取信号的多普勒,完成三向速度测量。图2三向测距示意
1.2.2
VLBI干涉测量运行模式深空VLBI干涉测量系统具有DOR/DOD
测量、ΔDOR/ΔDOD测量和同波束干涉测量(SameBeamInterfe
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