《深空測控通信系統(tǒng)工程與技術(shù)》緊密結(jié)合我國深空測控通信網(wǎng)研制建設(shè)的工程實踐，首次系統(tǒng)、全面地論述了深空測控通信系統(tǒng)的功能原理、關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計規(guī)范、性能評估、最新成果和發(fā)展趨勢等內(nèi)容。
全書共分10章。第1-2章介紹了深空探測的基本概念、發(fā)展歷程，深空測控通信系統(tǒng)的構(gòu)成和特點，以及深空測控通信涉及的時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)、軌道動力學(xué)等基礎(chǔ)知識。第3-6章分別從星載設(shè)備、鏈路信道、測量技術(shù)和地面系統(tǒng)等方面，詳細闡述了工作原理、系統(tǒng)組成、技術(shù)實現(xiàn)和典型工程實例。第7-9章分別介紹了頻譜設(shè)計與干擾防護、探測器的遙操作、深空測控通信系統(tǒng)天地一體化設(shè)計的主要方法與實例。第lo章展望了深空測控通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。
本書是我國測控通信理論研究和工程實踐創(chuàng)新成果與經(jīng)驗的總結(jié)，對從事深空測控通信領(lǐng)域研究和設(shè)計的科研工作者與工程技術(shù)人員有重要的參考價值，也可供高等院校航天工程、電子與通信、導(dǎo)航與控制等相關(guān)專業(yè)的師牛學(xué)習(xí)參考。
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吳偉仁，四川平昌人，工學(xué)博士，研究員，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任探月工程總設(shè)計師。
目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 深空探測活動進展 1
1.1.1 太陽探測 3
1.1.2 以火星為主的行星探測 3
1.1.3 小天體探測 4
1.2 深空探測活動未來發(fā)展 5
1.2.1 美國 5
1.2.2 俄羅斯 6
1.2.3 歐洲空間局 6
1.2.4 日本 6
1.3 中國的深空探測活動 7
1.3.1 月球探測 7
1.3.2 火星探測 8
1.4 深空測控通信系統(tǒng) 8
1.4.1 任務(wù)功能 8
1.4.2 深空測控通信的特點 9
1.4.3 深空網(wǎng)概述 12
參考文獻 17
第2章 軌道動力學(xué) 19
2.1 太陽系天體運動 19
2.1.1 太陽系行星 19
2.1.2 太陽系行星軌道參數(shù) 19
2.1.3 月球的運動規(guī)律 20
2.1.4 火星的運動規(guī)律 21
2.1.5 金星的運動規(guī)律 23
2.2 時間系統(tǒng) 23
2.2.1 世界時 24
2.2.2 歷書時 25
2.2.3 原子時 25
2.2.4 力學(xué)時 25
2.2.5 坐標時 26
2.2.6 時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換 26
2.2.7 歷元 29
2.3 坐標系統(tǒng) 29
2.3.1 日心坐標系 29
2.3.2 火心坐標系 31
2.3.3 月心坐標系 32
2.3.4 地心坐標系 36
2.3.5 站心坐標系 45
2.3.6 坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換 47
2.4 軌道動力學(xué)基礎(chǔ) 48
2.4.1 二體問題 48
2.4.2 多體問題 55
2.5 深空探測軌道設(shè)計 62
2.5.1 月球探測軌道設(shè)計 62
2.5.2 日地拉格朗日點探測器軌道設(shè)計 66
2.5.3 小天體探測軌道設(shè)計 77
2.5.4 火星探測軌道設(shè)計 80
參考文獻 86
第3章 無線電測量 87
3.1 測距 87
3.1.1 基本原理 87
3.1.2 測距體制 88
3.1.3 測距模式 102
3.1.4 距離零值標校 103
3.2 測速 107
3.2.1 基本原理 107
3.2.2 測速模式 108
3.2.3 上行頻率補償 112
3.3 干涉測量 114
3.3.1 基本原理 114
3.3.2 干涉測量類型 115
3.3.3 測量流程 119
3.3.4 數(shù)據(jù)獲取 123
3.3.5 數(shù)據(jù)處理和校正 124
3.4 測量誤差分析 128
3.4.1 傳輸媒介對測量精度的影響 128
3.4.2 時標準確度造成的測量誤差 134
3.4.3 地面接收機引入的測量誤差 135
3.4.4 頻率源準確度和穩(wěn)定度引入的測量誤差 138
3.4.5 其他測量誤差 139
參考文獻 139
第4章 遙測、遙控與數(shù)據(jù)通信技術(shù) 143
4.1 信源編碼 143
4.1.1 無失真信源編碼 143
4.1.2 限失真信源編碼 145
4.2 信道編碼 149
4.2.1 基本概念與分類 149
4.2.2 級聯(lián)碼 151
4.2.3 LDPC碼 153
4.2.4 Turbo碼 155
4.2.5 信道編碼性能 157
4.3 數(shù)據(jù)分包與格式化 160
4.3.1 數(shù)據(jù)分包的特點 160
4.3.2 數(shù)據(jù)分包的分層結(jié)構(gòu) 161
4.3.3 數(shù)據(jù)分包的格式化 163
4.4 調(diào)制與解調(diào) 167
4.4.1 常用信號調(diào)制體制 167
4.4.2 恒包絡(luò)連續(xù)相位數(shù)字調(diào)制 171
4.4.3 載波調(diào)制性能分析 173
4.5 遙測 174
4.5.1 深空遙測典型系統(tǒng) 174
4.5.2 遙測系統(tǒng)性能 176
4.5.3 極低損耗遙測解調(diào)技術(shù) 182
4.6 遙控 187
4.6.1 深空遙控典型系統(tǒng) 187
4.6.2 低碼率指令接收技術(shù) 189
4.7 數(shù)據(jù)通信 190
4.7.1 深空數(shù)據(jù)通信典型系統(tǒng) 191
4.7.2 微弱抑制載波信號捕獲技術(shù) 192
參考文獻 194
第5章 深空探測器射頻系統(tǒng) 195
5.1 系統(tǒng)組成與性能 195
5.1.1 系統(tǒng)組成 195
5.1.2 系統(tǒng)性能 197
5.2 應(yīng)答機 199
5.2.1 應(yīng)答機的組成和工作原理 199
5.2.2 高靈敏度載波捕獲 200
5.2.3 低門限相干解調(diào)技術(shù) 202
5.2.4 轉(zhuǎn)發(fā)測距與再生測距 204
5.2.5 DOR音的生成與調(diào)制 208
5.3 功率放大器 210
5.3.1 固態(tài)功率放大器 211
5.3.2 行波管放大器 214
5.3.3 功率放大器的性能指標 216
5.3.4 兩種功率放大器的比較 217
5.4 探測器天線 219
5.4.1 探測器天線類型 219
5.4.2 天線設(shè)計 220
5.4.3 天線測量 223
5.4.4 天線誤差與損耗分析 227
5.5 探測器間通信鏈路 229
5.5.1 器間通信系統(tǒng)設(shè)計 229
5.5.2 器間通信鏈路衰減計算 230
5.6 探測器射頻技術(shù)發(fā)展 237
5.6.1 軟件無線電技術(shù) 237
5.6.2 新型應(yīng)答機技術(shù) 238
5.6.3 高頻段通信技術(shù) 238
5.6.4 新型器載天線技術(shù) 239
5.6.5 高穩(wěn)振蕩器技術(shù) 240
參考文獻 241
第6章 深空測控通信地面系統(tǒng) 243
6.1 系統(tǒng)概述 243
6.1.1 系統(tǒng)組成 243
6.1.2 工作流程 245
6.2 大口徑天線 252
6.2.1 深空天線的構(gòu)成 252
6.2.2 天線的標校 268
6.2.3 波束波導(dǎo)饋電系統(tǒng)的跟蹤 282
6.3 超低噪聲溫度接收機 286
6.3.1 低溫射頻前端 287
6.3.2 超低溫制冷系統(tǒng) 291
6.3.3 噪聲溫度測試 298
6.4 大功率發(fā)射機 303
6.4.1 大功率速調(diào)管 303
6.4.2 大功率高壓電源 308
6.4.3 大功率冷卻設(shè)備 313
6.4.4 大功率無源器件 315
6.4.5 實現(xiàn)更大輸出功率的途徑 320
6.5 高穩(wěn)定度時間頻率基準 321
6.5.1 深空站時間頻率基準的組成 321
6.5.2 微波原子頻標原理 322
參考文獻 325
第7章 射頻頻譜設(shè)計與干擾防護 327
7.1 深空測控通信電磁頻譜規(guī)劃 327
7.1.1 ITU有關(guān)頻率劃分規(guī)定 327
7.1.2 CCSDS航天測控通信頻段建議 329
7.1.3 SFCG深空測控通信頻率使用建議 329
7.1.4 NASA月球與深空導(dǎo)航通信頻譜結(jié)構(gòu) 332
7.2 深空測控通信干擾保護 335
7.2.1 干擾影響分析 335
7.2.2 干擾保護標準 336
7.2.3 干擾判定準則 341
7.2.4 深空地面站選址電磁環(huán)境要求與協(xié)調(diào)區(qū)劃分 342
7.3 深空測控通信頻譜設(shè)計 345
7.3.1 測控通信頻段選擇 345
7.3.2 發(fā)射機帶外發(fā)射約束 347
7.3.3 接收機選擇性要求 349
7.4 典型電磁干擾計算 350
7.4.1 主要干擾類型 350
7.4.2 HDFS對深空站的干擾計算 351
7.4.3 地球軌道航天器網(wǎng)絡(luò)對深空鏈路的干擾計算 352
參考文獻 353
第8章 深空探測遙操作 355
8.1 遙操作 355
8.1.1 基本概念 355
8.1.2 模式分類 356
8.2 深空探測典型遙操作系統(tǒng) 357
8.2.1 蘇聯(lián)月球探測遙操作 357
8.2.2 美國火星探測遙操作 359
8.2.3 中國月球探測遙操作 362
8.3 巡視探測遙操作關(guān)鍵技術(shù) 364
8.3.1 巡視探測遙操作面臨的技術(shù)難題 364
8.3.2 視覺測量與環(huán)境重構(gòu)技術(shù) 366
8.3.3 遙操作規(guī)劃技術(shù) 371
8.3.4 虛擬現(xiàn)實與人機交互技術(shù) 375
8.3.5 地面仿真與試驗驗證技術(shù) 379
參考文獻 383
第9章 深空測控通信系統(tǒng)設(shè)計 385
9.1 任務(wù)分析 385
9.2 系統(tǒng)設(shè)計方法 386
9.3 鏈路設(shè)計 387
9.3.1 深空測控通信鏈路 387
9.3.2 測控通信門限的確定 390
9.3.3 接收功率計算 394
9.3.4 系統(tǒng)噪聲溫度計算 396
9.3.5 鏈路裕量 399
9.4 鏈路損耗計算 401
9.4.1 大氣損耗的模型計算 401
9.4.2 12GHz以下頻段外部損耗估算 404
9.4.3 雨衰損耗 405
9.4.4 云霧損耗 407
9.4.5 實測數(shù)據(jù)的損耗統(tǒng)計方法 409
9.5 鏈路噪聲溫度估算 411
9.5.1 外部噪聲溫度的測量和計算 411
9.5.2 噪聲指數(shù)和天線噪聲 418
9.5.3 其他外部噪聲 418
9.5.4 地面站系統(tǒng)噪聲溫度 418
9.5.5 系統(tǒng)噪聲溫度的測量 419
9.5.6 不同參考點系統(tǒng)噪聲溫度的歸算 419
9.6 其他因素對測控鏈路性能的影響 420
9.6.1 星載應(yīng)答機工作模式對轉(zhuǎn)發(fā)噪聲的影響 420
9.6.2 不同副載波波形的功率分配 423
9.6.3 仰角對鏈路損耗的影響 425
9.6.4 極化損耗 426
9.6.5 指向誤差對天線增益的影響 426
參考文獻 427
第10章 深空測控通信技術(shù)發(fā)展 429
10.1 自主與認知技術(shù) 430
10.2 天線組陣技術(shù) 432
10.3 深空光通信技術(shù) 434
10.4 行星際網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 436
參考文獻 438
附錄A 439
A1 八大行星軌道參數(shù) 439
A2 IAU 2000章動模型 440
A3 圓錐曲線軌道特性 442
附錄B 貝塞爾函數(shù)表 443
附錄C 正態(tài)誤差函數(shù)表 449
附錄D 鏈路計算參數(shù)概率密度函數(shù) 451
附錄E 天體的黑體亮溫度值 453
附錄F 縮略詞表 455
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