[科普中国]-微波统一系统

组成

在一个载波上用多个副载波调相、实现频分复用的多路信号传输，从而具有集跟踪测轨(Tracking)、遥测(Telemetry)、遥控(Control)、数传、语音等多功能于一体的系统称为微波统一测量与控制系统。所谓“统一”是指采用一副天线、一个载波、一个公用收发信道来实现对航天器测控与通信。微波统一系统因其设备简单，可靠性高，测量精度适中，在航天测控中得到广泛应用。当采用S频段载波时，称为统一S频段(Union S Band，USB)，用于中、低轨航天器与深空航天器测控；采用c频段载波时，称为统一C频段(Union C Band，UcB)，用于地球同步轨道航天器测控。我国于20世纪80年代建成了C频段测控网，随后为了适应航天领域的国际合作，于90年代建成了s频段测控网，并在西安成立了S频段测控网多任务管理中心，统一协调对航天器长期管理工作中的USB系统使用配置。

微波统一系统由地面设备和航天器载设备相互配合，采用应答式工作方式，单站相参测量定轨体制，单站测量的元素有方位角A，俯仰角E，距离R，距离变化率R。主要有天伺馈分系统、信道分系统、基带设备、监控分系统、数据传输分系统、模拟与标校设备以及附属配套设备等。

在微波统一系统中，地面遥控终端产生或者由指控中心通过数据传输系统发来的经脉冲编码的遥控指令(含数据注入)、数字话音等信号分别调制在各自的正弦副载波上，然后将已调各副载波信号与测距终端产生的测距信号(主侧音、次侧音副载波调制信号—采用次侧音对副载波调制，进行频谱折叠)相加，构成复合基带信号，一起对载波调频或调相，形成频分复用统一载波信号，通过上行信道频率变换和功率放大后，经同一天线定向辐射至航天器上。航天器上应答机接收解调后，遥控指令经遥控终端二次解调和译码送给执行机构完成对航天器的遥控；电视话音信号经接收解调后送给电视和话音终端。

航天器上遥测设备将航天器的姿态、设备工作状态以及环境等参数，经交换子采样、变换成电气参数的脉冲编码调制信息，分别对各自的副载波进行调制，然后和应答机解调的测距信息一起对下行载波进行相位调制，电视和语音信息对另一载波进行正交调制，两已调载波经应答机功率放大由天线发回地面。经地面天馈线、接收信道接收解调后，由遥测终端解调获得遥测信息；测距信息经测距终端捕获与测量得到目标斜距；测速终端提取双程多普勒频率得到目标的径向速度。为执行载人航天任务，微波统一系统还配有数传通道，完成飞船上的图像、航天员生理参数和话音等数据传输，其电视和话音信息送给电视和话音终端。

地面天伺馈测角系统完成对航天器的角跟踪和角度测量。数据传输系统完成微波统一系统与指控中心的信息交换。1

分系统工作原理微波统一系统在航天器上的S频段统一系统测控应答机与数传机设备相对地面设备较为简单，工作原理与地面设备大致相同。下面简要介绍地面微波统一系统信道部分、基带设备、角度跟踪设备、数传分系统、监控分系统的工作原理。1

信道部分微波统一系统的信道又分为上行信道和下行信道。上行信道主要由上变频器、功率放大器、微波开关网络和电源等组成。上变频器主要作用是将基带设备送来的上行已调中频载波信号的频率变换成发射所需的载波频率，功率放大器则将上变频器来的小信号放大至所需的功率后馈送给天线。

下行信道主要由低噪声放大器、下变频器、中频放大器和开关网络等组成。地面天线接收到的微弱射频信号由低噪声放大器进行高频放大后，再由下变频器变换至中频，经中频放大器放大后送给接收机，使锁相环与解调器能正常工作。

基带设备基带是指载波调制之前信号所占用的频带，即终端设备所产生的原始信号固有的频带。基带设备由上行调制器、锁相接收机、遥测终端、遥控终端、测距和测速终端、语音终端、数传终端、时频终端等组成。

对于上行载波调制而言，为了避免对载波直接调制后在残留载波根部产生较多边带信号分量，避免影响载波锁相环工作和测速精度，微波统一系统一般采用二次调制方式，即将测距、遥测、遥控、通信、语音信息等先调制到副载波上，然后再调制到载波上。微波统一系统载波可以采用多种调制方式。由于角度跟踪信息的提取和多普勒测速都需要残留载波信号，故下行信道中通常采用测距信号和遥测副载波对载波的调相体制。而上行信道的调制方式有2种，一是当不进行双向相干测速时，为使航天器上设备简化，并充分利用载波能量，基带信号或副载波一般对载波进行调频，最大调制频偏一般在200～400 kHz；二是当需要双向多普勒测速时，测距信号和遥控副载波对载波进行调相，调制指数一般在2 rad以下。上述调频和调相可统称为调角体制，调角信号只是频率或瞬时相位变化，而幅值不变，故调角载波的平均功率为恒值，功率利用率高。由于调频波将信号能量分散到各个谱线上，当受到某一幅度信号干扰时，只能影响到与干扰信号频谱对应或相近的副载波信号，因而调频波抗干扰性强，且调制指数越大，抗干扰性越强，因此调频体制一般采用大频偏调制方式。

中频接收机主要由锁相环、多普勒预置和扫描电路、载波解调器和电平自动控制电路等组成，主要功能是对下变频器送来的中频载波信号进行频率捕获、相位捕获，解调和提取角度误差信息、距离信息、遥测副载波信号，并送出含多普勒信息的测速信号等。

空间目标存在径向速度，从而对载波进行多普勒调制，进一步考虑上下行频率的不准确度，使得实际接收的信号频率偏离中心频率可能达到土150 kHz，因此要求接收机信号带宽设置得足够宽，以保证对信息的完整接收。微波统一系统地面接收机接收到的信号强度很弱，接收带宽又比较宽，使接收信噪比很低，信号被噪声淹没。微波统一系统设计锁相环路实现对弱信号的接收解调。锁相环路实际上是一个频带很窄的相位跟踪环，能很好地从低信噪比信号中提取有用信息，完成载波信号的频率、相位捕获与跟踪，并为正交解调器提供基准信号。为改善锁相环路的频率捕获速度，往往采用改变环路带宽、扫描捕获、分段捕获、多普勒频率预置、频率引导等技术措施。另外，由于接收到的信号频谱较宽，锁相环路有可能不是锁定在主谱线上而形成错锁，因而需要设计必要的防错锁电路或利用快速傅里叶变换进行频率引导等措施以防止错锁。如果调幅干扰信号与有用信号一起进入接收信道，虽然调幅信号也有边带，但只有振幅变化而没有频率和相位变化，故在锁相环路输出端不存在调幅信号，环路将其成功滤出，即锁相环路具有良好的抗调幅信号干扰性能。由于环路对输入信号是一个通带很窄的带通滤波器(可以小到几赫兹至几十赫兹)，而这个窄带滤波器的中心频率始终跟随输入信号频率而变化，只要接收机环路相位跟踪速度足够快，就能把信息正确地提取出来。对于含有多普勒信息的输人载波频率，环路锁定跟踪后，由于锁相环路的中心频率始终跟随输人信号频率而变化，因而又可以看做是一个由很多窄带连接而成的带通滤波器，输出信号中将含有多普勒信息。由于环路带宽很窄，多普勒信息被有效提纯，从而提高了设备的测速精度。

国内S频段统一系统要适应多种航天器不同极化天线的测控要求，往往采用极化分集接收技术，以便克服因航天器姿态变化、发收天线极化不一致、多径效应等因素造成的极化衰落所引起的信号起伏，获得最佳接收信号效果。由于接收机具有接收左/右旋两种圆极化波的能力，接收机也设置两个信道，并保证进入极化合成器的2信号相位一致。极化合成一般在中频上进行，合成器大多采用双环极化分集接收方案。

统一系统中的遥测终端既含有模拟遥测，又含有编码遥测。模拟遥测信号对副载波进行频移键控调制，编码遥测的脉冲编码调制数据流和遥控返回指令、执行验证信息一起对副载波进行相移键控调制。已调遥测副载波与转发的测距信号一起，对下行载波进行调制，再发回地面。在地面站经天线、接收设备的接收和解调，将解调的遥测副载波送人遥测终端，进一步解调出模拟遥测和编码遥测信息，供监控显示和记录。

遥控终端接收指控中心的遥控指令(特殊情形下也可以由微波统一系统的遥控终端应急产生)，或数据信息(脉冲编码调制)，将其调制到副载波上，然后与测距信息、语音信息等一起对载波进行同时调制(调相)或分时调制(调频)，经上变频、功率放大后由天线辐射出去。航天器上天线接收后，经应答机接收解调出遥控副载波，送给遥控终端解调器，解调出遥控指令，送有关执行部件，完成对航天器的控制，并将遥控指令回令和执行验证信息送给遥测部件，经下行信道返回地面。遥控终端除了发送单条指令外，还可以发送指令串、符合指令以及注入数据等。

对于载人航天器，地面和航天器上均需配电视、语音终端，通过微波统一系统的收发信道、天伺馈系统等，就可进行天地间相互通话、监视和数据传输。由于数字电视码速率较高，不宜采用上述副载波调制方式，而是将语音、电视编码信息与其他诸如航天员生理、医监、GPS定位信息等一起对另一独立载波直接进行四相移键控调制，与跟踪测控载波一起传送。

微波统一系统的时频终端接收时间统一系统送来的频标信号和标准时间信息，产生本系统所需要的各种频率和时间信号，以确保微波统一系统与整个测控系统以及内部各设备之间的时间同步。

微波统一系统中采用纯侧音体制、纯伪码体制和音码混合体制测距。当采用纯侧音体制时，为了压缩占用带宽，常将低侧音折叠到某一次侧音上或调制在另一副载波上进行传输。完成匹配、解模糊后，一般就不再发送解模糊的低侧音，而只发高侧音。微波统一系统的测距精度一般可达8～15 m。

微波统一系统一般采用双向相干多普勒频率测速方案，即航天器携带的应答机将收到地面发射的高准确度、高稳定度的上行载波信号按一定的相干转发比变成下行信号，地面设备接收、提纯，并由测速终端测量包含在接收频率中的双向多普勒频率，即可获得目标相对于测控站的径向速度，测速精度可达3～5 cm/s。1

角度跟踪设备角度跟踪设备由天馈线、伺服放大与驱动、天线控制单元(ACU)和轴角编码器等组成。微波统一系统常采用比幅式单脉冲自跟踪体制，其天线通常是效率较高的双曲面改进型卡塞格伦或格里高里天线，馈源为多喇叭馈源或多模馈源。微波统一系统的测角精度随天线口径而定，一般测量精度可达0.01～0.02。与该精密跟踪测量大口径天线共座的外挂式自引导小天线(俗称外挂耳朵)，则采用圆锥扫描自跟踪体制。

数据传输分系统数据传输分系统由计算机、调制解调器、接口部件以及终端设备等组成，负责采集遥测、测距、测速、测角和本系统的监视信息，进行校验和编排后，经调制解调器和通信电路送往指控中心。同时，将指控中心发来的信息，进行校验、分解，分别送往各有关终端设备。

监控分系统监控分系统负责全系统运行状态、工作参数、目标参数、设备配置等信息的集中监控和显示，同时接受来自远程监控系统的控制命令。测控站人员通过监控系统直接对系统进行监控称为本地监控，由指挥控制中心通过监控分系统对系统进行监控称为远程监控。另外，各分机还可以对其状态进行独立监控。21

工作方式微波统一系统可直接测得航天器的距离(R)、角度(A，E)、径向速度(R)等参数，经坐标变换、数据处理，可得到航天器的飞行轨迹。系统为实现上述测控功能，往往设计多种工作方式，包括对目标的截获、搜索和引导，目标捕获，目标测控及目标丢失重捕等。

在运载火箭起飞之前，航天器上应答机已开机，发射下行不扫描的已调制遥测的射频信号，这时地面测控站便可按预定的飞行轨道截获目标。但由于地面微波统一系统天线波束狭窄，而目标飞行轨道散布较大，使航天器很可能超出天线波束所照射的空域。为了可靠地截获目标，需要采取一些手段来帮助地面站天线对准目标，包括：

1)天线扫描，根据目标速度设置天线按一定速率在一定范围内对目标预定空域进行扫描搜索的工作方式。

2)自引导，微波统一系统配有同频、同天线座自引导小天线，该小天线波束宽，易于捕获目标，一旦小天线捕获、跟踪目标后，即可以引导主天线截获目标。

3)外引导，在外界信息的引导下使天线波束逐渐接近于目标，包括由波束较宽的引导仪实施模拟引导，根据理论弹道进行数字程序引导，由中心计算机根据其他测控设备获取的目标位置信息实施数字引导等外引导工作方式。1

目标捕获微波统一系统首先进行频率捕获，并在此基础上实现主天线角跟踪，以及双向载波捕获(当工作于调相/调相体制时)和距离捕获。

当采用天线扫描、自引导或外引导等手段使主天线对准目标(即目标落入主天线波束内)时，地面跟踪接收机迅速捕获应答机信标信号，实现频率捕获，并送出载波锁定指示信号。伺服系统根据跟踪接收机送来的载波锁定信号、角误差电压信号，经判决由人工或自动转入角跟踪，并送出角度跟踪状态信号。主控台根据跟踪状态信号，并经过一定延时以保证设备稳定跟踪后，人工或自动控制发射机发出上行未调载波启扫信号，应答机捕获地面设备的上行载波信号后，转发下行载波信号，地面跟踪接收机主环扫描跟踪，同时应答机锁定指示通过遥测传回地面，地面设备主控台据此进行人工或自动判决确定应答机捕获上行频率后，控制发射机调制器停止上行微波频率扫描，并按程序回到载波中心频率。主监控台根据启扫、停扫、回零、主接收机主环锁定指示等信号，给出双捕完成指示信号，送至测距机、测速机、遥控等终端设备。测距终端收到双捕信号后，自动发出测距信号，并启动距离捕获程序，直至距离信号捕获，送出距离捕获信号至主监控台。至此，捕获全过程结束，系统进入全跟踪状态。1

目标检测对目标的测控包括遥测、遥控、角位置测量、测距、测速、语音和数据传输等。

1)遥测终端收到下行载波捕获信号后，进行遥测副载波捕获、位同步和帧同步提取，然后将解调提取的遥测信息加上时标后，送出遥测信息。

2)天线自跟踪后，角度编码器将代表天线指向的角度信息加上时标后，送出测角信息。

3)双向载波捕获后，遥控终端即可根据需要发送遥控指令或者数据(当上行采用调频体制时，发指令与测距分时工作，指令优先)，实现对目标的遥控功能。

4)距离捕获后，测距终端将测距信息加上时标后，送出目标距离信息。

5)测速终端收到下行载波捕获信号后，进行双向多普勒提取与测量，将测速信息加上时标，送出测速信息。

6)系统实现自跟踪和双捕后，话音和数传可以工作，实现天地数据、监视、话音信息的双向传输。1

目标丢失重捕因某种原因引起下行载波失锁时(目标丢失)，天线首先转入记忆跟踪。当时间较长，则从截获目标开始进行重捕；若局部丢失，要根据不同的丢失状态(双向载波捕获丢失、距离丢失、测量丢失等)进行局部重捕，以节省时间。1

技术特点微波统一系统的一个显著特点是基于单套设备实现测角、测距、测速、遥测、遥控、数据传输、语音信息传输等功能，具有雷达、遥测、遥控、语音传输设备等多套地面设备的综合功能，同时使得航天器上应答机有效小型化。

微波统一系统将上行数字化后的遥控基带信号，先调制在副载波上，副载波频率选定在8～16 kHz之间，避开干扰测距用的低侧音，遥控副载波再对载波调相。遥控为单程工作方式。若采用侧音测距时，最多同时用2个侧音，即一个主侧音和一个次侧音对载波同时调相，两者都为频谱极纯的单音。当大距离确定后，只发一个主侧音用来确定距离尾数即可。测距是双程工作的，不论伪码测距或侧音测距都需要由测量站先发出参考测距信号，航天器接收到这个信号后再传回地面与地面发出的信号比较相位延迟，以得出距离。遥控和测距一般不同时工作，以节约功率。用测控系统传语音，采用信源压缩后的低质量语音，如Rb=2.4～4.8 kbit/s，其码速率不超过遥测码速率，用相移键控方式调制另一个副载波后，再调制载波。

用上述3种副载波对载波进行线性调相的特点是：载波未被调制前，在频率域(频谱分布图)上表现为一条线谱。载波受各种副载波调制后，载波分量降低，但不完全消失。降低后的载波分量，称为残余载波，故多副载波对载波调相的体制，又称为残余载波调制。残余载波分量作为信标频率使用，并用做测速和测角目的。当航天器和测量站存在相对运动速度时，此残余载波分量即产生多普勒频移fd正比于径向速度vt.为了提高fd的测量精度，测量站应采用频率稳定度和准确度都很高的原子钟作为产生上行载波频率源。残余载波分量功率的大小，直接影响到测速精度和测角精度。测速和测距都要求采用双程相干工作方式。1

发展方向随着数字技术、软件无线电和数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)及专用集成电路性能(集成度、处理速度、耐空间辐射等)的提高，微波统一系统正在向软件化发展，向“有人值守，无人操作”以及资源综合利用方向发展。1

多功能数字综合基带采用多功能数字综合基带处理技术和紧凑型外部组件互联(CPCI)总线技术，将测距、测速、遥测、遥控、数传各个终端集成到一个基带内的硬件平台，通过加载不同的应用软件，实现不同的功能，具有现场重组功能。

目前采用的方案是在射频下变频到70 MHz中频信号，进行数字采样，此后的捕获跟踪、测距测速、数据解调解码、同步、解密输出信号及格式编排、协议转换等操作均在数字域内完成。发射过程与此相反，所有基带信号处理在数字域完成，最后进行数模转换，经上变频、放大后发射出去。这种软件化的天地测控设备利用大规模集成电路与单片微波集成电路(MMIC)配合，可构成体积小、功率低、质量轻的可在轨重新配置的应答机，只需改变软件就可适应航天任务各阶段测控需求，从而同一型号应答机可用于不同航天任务，灵活性好。1

远程监控与远程测试采取客户机/服务器体制实现远程监控。监控单元主要由客户机和服务器2部分组成。监控服务器负责采集、上报全系统的监视信息，执行客户机下发的控制命令，存储测控设备的各种数据。客户机提供良好的人机操作界面，利用网络与服务器进行信息交换，通过服务器实现对设备的监控。监控分系统处于远程监控的工作方式下，本地监控不做任何操作。监控分系统收到数据传输分系统送来的远程监控命令后，显示、分解、控制系统的相关设备完成测控任务，实现“有人值守，无人操作”。网管中心或远程客户机对监控分系统实施远程控制，监控分系统通过本地监控网络对系统设备进行本地控制。远程客户机及网管中心通过远程监控网将控制命令及测控计划、轨道根数下发给监控分系统的服务器，对系统进行远程控制。

通过测试仪器和测试网络，在系统监控的统一调度下，完成系统指标和分系统指标的自动测试，能够有效地辅助操作手对全系统状态进行全面监测，灵活地对所关心的技术指标进行快速测试。测试计算机通过网口采集示波器的波形数据，具有将波形数据和频谱数据记录并发送的能力。在需要信号源参与的测试过程中，测试计算机可控制信号源输出所需频率和幅度的信号，通过测试输出开关选择送发射分系统或高频接收分系统。1

数字与自动化数字化可以提高系统的稳定性、可靠性、可维修性，有利于系统的综合化、设备的软件化、部件的模块化、接口的标准化。

在接收机方面实现数字锁相环(Digital Phase Locked Loop，DPLL)、动态速率分配(Dy—namic Rate Repartitioning，DRR)，快速傅里叶变换(Fast Fourier Transforms，FFT)三合一的数字载波环；测距、测速、遥测、遥控等终端设备可编程数字化。系统监控方面采用面向过程的设计方法和层次化软件结构，采用流程生成器和流程执行器、任务配置库等手段，根据指控中心下发的测控计划，生成工作流程。系统监控根据工作流程的要求，以时间符合或事件驱动方式，自动控制系统设备完成相应的测控任务。系统工作流程由一系列的设备控制命令、命令执行时间、命令执行参数等组成，监控分系统根据生成的工作流程，以时间符合方式或事件驱动方式完成设备工作参数设置、设备配置组设置、自动化测试、自动化标校和自动化捕获跟踪、战斗报表形成等，有效减轻操作手的压力，提高工作效率。1

测控资源重组为解决有限的航天测控资源与日益增加的航天测控需求的矛盾，采用测控资源重组技术是节约测控成本、圆满完成多星测控任务的重要技术途径之一。测控资源重组是综合测控站为满足多星、多任务测控需求而提出的通过动态调整或配置站内资源以实现站内测控资源效益最大化的一种测控站建设思路。

测控设备资源重组分为软件重组和硬件重组。软件重组指基带设备的软件重组，即在同一硬件平台上通过动态加载不同软件实现不同功能。硬件重组是多套天线、多套信道、多套多功能数字基带在统一的监控管理之下，利用射频或中频开关矩阵进行组合配置使用的功能。重组后的测控设备由原来不同测控设备相应分系统互联重组形成功能完整的测控设备，具备独立完成测控任务的能力，以满足多类航天器测控需要。31