中国深空网：系统设计与关键技术(上) S/X双频段深空测控通信系统 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

内容简介

　　本书对中国深空网佳木斯66m S/X双频段深空测控通信系统的工作原理与技术实现进行了系统详实的描述，对波束波导馈电系统、10kW速调管功放、超低温制冷场放、微弱信号超窄带接收机、氢原子钟等三十多项关键技术进行了深入讲解。全书共14章。第1章介绍系统总体的技术指标、工作原理、方案设计等内容； 第2章至第11章分别介绍各分系统的功能与技术指标、组成及工作原理、方案设计及关键技术解决途径； 第12章至第14章介绍了系统接口设计、结构设计以及指标测试方法。
　　本书反映了我国深空测控通信领域的*新科研成果，具有系统性强、与工程实践结合紧密等特色，为我国深空网的高效运行、后续建设乃至我国未来深空探测任务的设计与实施提供了一套详实的基础技术资料，对航天测控通信及相关领域的科研人员和工程技术人员具有重要的参考价值。

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目录

第1章系统
1.1概述
1.1.1深空测控通信系统的任务
1.1.2深空测控通信的特点
1.1.3关键技术
1.2系统功能与技术指标
1.2.1主要功能
1.2.2技术指标
1.3系统组成
1.3.1天伺馈分系统
1.3.2发射分系统
1.3.3高频接收分系统
1.3.4多功能数字基带分系统
1.3.5监控分系统
1.3.6数据传输分系统
1.3.7SLE服务终端分系统
1.3.8时频分系统
1.3.9标校分系统
1.3.10自动测试分系统
1.4系统工作原理
1.4.1测距
1.4.2测速
1.4.3遥控
1.4.4遥测和数传
1.4.5跟踪测角
1.5系统工作流程
1.5.1系统信号流程
1.5.2常规测控模式捕获流程
1.5.3深空测控模式捕获流程
1.6系统工作方式
1.6.1一个目标的典型上/下行组合工作模式
1.6.2干涉测量工作模式
1.7系统指标计算分析
1.7.1系统G/T分析
1.7.2系统EIRP分析
1.7.3测距精度分析
1.7.4测速精度分析
1.7.5测角精度分析
1.7.6遥测数传解调损失及分配
1.8系统距离零值标校
1.8.1偏馈校零
1.8.2短环校零
1.8.3分段校零
1.9系统校相
1.9.1快速校相
1.9.2射电星校相
1.10系统电磁兼容设计
1.10.1系统频率设计与干扰分析
1.10.2波束波导网络中的隔离设计
1.10.3原子钟屏蔽钟房设计
1.10.4无源交调控制
1.11系统安全性设计
1.11.1功放联锁保护
1.11.2大功率极化开关的安全保护
1.11.3氢钟恒温箱安全性设计
第2章天伺馈分系统
2.1概述
2.2功能与技术指标
2.2.1主要功能
2.2.2天线射频指标
2.2.3天线机械结构指标
2.3组成及工作原理
2.3.1分系统组成
2.3.2工作原理
2.4方案设计
2.4.1天线射频子系统
2.4.2天线机械结构子系统
2.4.3天线控制子系统
2.4.4标校子系统
2.5关键技术
2.5.1波束波导设计技术
2.5.2波束波导馈电系统波束倾斜补偿技术
2.5.3高精度角位置编码技术
2.5.4大口径天线副反射面调整技术
2.5.5大口径天线标校测试技术
2.5.6阵风扰动对天线的影响及补偿技术
2.5.7波束波导镜面位置的调整方法
2.5.8天线反射体面精度测量及调整技术
2.5.9波束波导天线三轴中心位置的确定及测量方法
第3章发射分系统
3.1概述
3.2功能与技术指标
3.2.1主要功能
3.2.2技术指标
3.3组成及工作原理
3.3.1分系统组成
3.3.2工作原理
3.4方案设计
3.4.1发射分系统的频率关系设计
3.4.2发射分系统电平分配
3.4.3变频器设计
3.4.4低相噪本振源设计
3.4.5设备的控制管理
3.4.6高功放设计
3.4.7S/X频段1kW固态功放设计
3.5关键技术
3.5.1宽带大功率速调管技术
3.5.2大功率散热技术
3.5.3功率精确控制技术
3.5.4PIM噪声控制技术
3.5.5功放与天馈的联锁保护措施
第4章高频接收分系统
4.1概述
4.2功能与技术指标
4.2.1主要功能
4.2.2技术指标
4.3组成及工作原理
4.3.1分系统组成
4.3.2工作原理
4.4方案设计
4.4.1下行频率配置
4.4.2频综器设计
4.4.3接收信道电平分配
4.4.4噪声温度核算
4.4.5低温接收组件设计
4.5关键技术
4.5.1超低相位噪声技术
4.5.2低温接收组件设计技术
4.5.3超导滤波器设计技术
4.5.4极低噪声测试及不确定度评估技术
第5章多功能数字基带分系统
5.1概述
5.2功能与技术指标
5.2.1主要功能
5.2.2技术指标
5.3组成及工作原理
5.3.1分系统组成
5.3.2工作原理
5.4方案设计
5.4.1硬件设计
5.4.2软件设计
5.5关键技术
5.5.1极低信噪比信号捕获技术
5.5.2极窄带锁相环跟踪技术
5.5.3低损耗解调译码技术
5.5.4残留载波与抑制载波数据调制解调技术
第6章监控分系统
6.1概述
6.2主要功能
6.3组成及工作原理
6.3.1分系统组成
6.3.2工作原理
6.4方案设计
6.4.1硬件环境
6.4.2软件环境
6.4.3应用软件设计
6.4.4任务过程设计
6.4.5安全性设计
6.4.6时码板
6.4.7工业电视
6.5自动运行设计
6.5.1计划管理
6.5.2测控任务自动运行设计
6.5.3干涉测量自动运行设计
6.6自动化测试设计
6.6.1系统测试项目
6.6.2发射分系统测试项目
6.6.3高频接收分系统测试项目
6.6.4天伺馈分系统测试项目
6.6.5多功能数字基带分系统测试项目
第7章时频分系统
7.1概述
7.2功能与技术指标
7.2.1主要功能
7.2.2技术指标
7.3组成及工作原理
7.4方案设计
7.4.1氢钟
7.4.2铷钟
7.4.3频率信号净化器
7.4.4GPS定时接收机
7.4.5时码产生器
7.4.6时间信号巡检器与时间间隔计数器
7.4.7时频监控
7.4.8频率信号分配放大器
7.4.9脉冲信号分配器
7.4.10B码信号分配器
7.4.11GPS共视接收机
7.5关键技术
7.5.1GPS共视接收机
7.5.2GPS共视的数据处理方法
7.5.3GPS时间同步精度分析
第8章标校分系统
8.1概述
8.2功能与技术指标
8.2.1主要功能
8.2.2技术指标
8.3组成及工作原理
8.3.1分系统组成
8.3.2工作原理
8.4方案设计
8.4.1联试应答机设计
8.4.2校零变频器设计
8.4.3目标模拟源设计
8.5关键技术
8.5.1对超远距离的高精度模拟技术
8.5.2距离和速度、加速度的严格相关模拟技术
第9章自动测试分系统
9.1概述
9.2功能与技术指标
9.2.1主要功能
9.2.2自动测试精度要求
9.3组成及工作原理
9.3.1分系统组成
9.3.2工作原理
9.4方案设计
9.4.1测试项目及测试点设计
9.4.2分机方案设计
9.4.3自动测试软件设计
9.4.4与监控分系统的关系
9.4.5测试方法
第10章数据传输分系统
10.1概述
10.2功能与技术指标
10.2.1主要功能
10.2.2可靠性要求
10.2.3效率要求
10.3组成及工作原理
10.3.1分系统组成
10.3.2工作原理
10.3.3信息传输流程
10.4方案设计
10.4.1计算机硬件环境
10.4.2计算机软件环境
10.4.3应用软件设计
10.5关键技术
第11章SLE服务终端分系统
11.1概述
11.2功能与技术指标
11.2.1主要功能
11.2.2技术指标
11.3组成及工作原理
11.3.1分系统组成
11.3.2工作原理
11.4方案设计
11.4.1计算机硬件环境
11.4.2计算机软件环境
11.4.3应用软件设计
11.4.4时码板
11.5关键技术
第12章系统内外接口关系
12.1概述
12.2系统对外接口
12.2.1对外接口
12.2.2信息接口
12.3系统内部接口
第13章系统结构工艺与布局
13.1概述
13.2整站布局
13.2.1地下天线塔基机房
13.2.2地面机房
13.2.3地面水泥平台
13.3基建工艺要求
13.3.1系统供电
13.3.2天线基础要求及场坪要求
13.3.3机房通用要求
13.3.4系统电缆通道
13.3.5系统防雷电要求
13.3.6系统接地
13.4系统关键设备安装
13.4.1发射机安装及馈线连接
13.4.2接收机安装及馈线连接
第14章指标测试方法
14.1概述
14.2系统G/T值测试
14.3系统EIRP值测试
14.4系统载波捕获时间测试
14.5测距捕获时间测试
14.6测速随机误差测试
14.7测距随机误差测试
14.8测距系统误差测试
14.9低温接收组件等效噪温测试
14.10本振相位噪声测试
14.11时频分系统测试
14.11.1频率时域稳定度测试
14.11.2单边相位噪声测试
14.12系统指标测试结果
缩写词
索引
参考文献

精彩书摘

　　第3章发射分系统
　　3.1概述
　　发射分系统的主要功能是将70MHz信号变频放大后通过天线发向探测器。由于DSF1要支持深空探测，除发射机功率要求大功率10kW输出外，其发射链路的相位噪声等也是发射链路必须要解决的关键技术。所涉及的关键技术如下：
　　1) 大功率速调管技术；
　　2) 大功率散热技术；
　　3) 精细功率控制技术；
　　4) PIM噪声控制技术；
　　5) 功率控制保护互联技术。
　　3.2功能与技术指标
　　3.2.1主要功能
　　DSF1的发射分系统主要分为两部分： 一个是S频段设备，一个是X频段设备。
　　其主要功能是： 接收基带分系统送来的中频70MHz信号，经过中频开关矩阵选择后送给上变频器，分别变频至S频段或X频段的微波信号，再通过射频开关网络、固态功放或者速调管功放放大后送往天馈系统，发向探测器。
　　3.2.2技术指标
　　根据发射分系统的主要设备配置，发射分系统的主要技术指标分为S频段/X频段上行链路的技术指标和小环接收机技术指标。
　　3.2.2.1上行链路技术指标
　　1) 输入中频频率： 70MHz。
　　2) 输入电平： -10±5dBm(开关网络输入口)。
　　3) 输出频段：
　　 S频段： 2025~2120MHz，步进100Hz；
　　 X频段： 7140~7235MHz，步进100Hz。
　　4) S、X频段发射功率
　　 固态功放： ≥1kW，30dB自动可控，步长1dB；
　　 速调管功放： ≥10kW，30dB自动可控，步长1dB。
　　5) 功率稳定度
　　 饱和驱动： ±0.5dB/12h(常温，恒激励)；
　　 不饱和驱动： ±0.7dB/12h(常温，恒激励)。
　　6) 1dB带宽： ±10MHz； 3dB带宽： 23MHz； 瞬时带宽： 95MHz。
　　7) 增益平坦度： ±0.5dB(±10MHz带宽内)。
　　8) 载波相位噪声
　　 S频段： 1Hz＜f≤10Hz≤-60dBc/Hz；
　　10Hz＜f≤1.5MHz≤-70dBc/Hz；
　　1.5MHz＜f≤8MHz≤-105dBc/Hz。
　　 X频段： 1Hz＜f≤10Hz≤-50dBc/Hz；
　　10Hz＜f≤1.5MHz≤-60dBc/Hz；
　　1.5MHz＜f≤8MHz≤-105dBc/Hz。
　　9) 频谱纯度
　　 S频段： 杂波抑制： ≤-60dBc(±10MHz带宽内)；
　　二次谐波： ≤-80dBc；
　　三次谐波： ≤-85dBc；
　　四次谐波： ≤-110dBc；
　　电源纹波： ≤-45dBc。
　　 X频段： 杂波抑制： ≤-45dBc(±10MHz带宽内)；
　　二次谐波： ≤-75dBc；
　　三次谐波： ≤-60dBc；
　　四次谐波： ≤-60dBc；
　　电源纹波： ≤-45dBc。
　　10) 三阶互调： ≤-29dBc(输入频率间隔为5MHz、总功率低于额定功率7dB的两载波时)。
　　11) S、X频段群时延： 带内(±1.5MHz)群时延变化小于或等于3ns，24h绝对时延变化小于或等于3ns。
　　12) 接收带内信号抑制： ≤-190dBW/Hz。
　　13) 冷却方式： 液冷。
　　14) 在机柜外任意测量，微波辐射小于1.0mW/cm2，X射线小于5mR/h1R（伦琴）=2.58×10-4C/kg。。
　　3.2.2.2小环接收机
　　1) 输入信号频段
　　 S频段： 2025~2120MHz，步进100Hz；
　　 X频段： 7140~7235MHz，步进100Hz。
　　2) 输入信号： 上变频器输出或高功放输出选择可控。
　　3) 与上变频器共用本振。
　　4) 输出信号频率： 70MHz。
　　5) 1dB带宽： 20MHz。
　　3.3组成及工作原理
　　3.3.1分系统组成
　　发射分系统主要由上行中频开关矩阵，S频段上变频器、功率放大器、上行射频开关网络、收阻滤波器，X频段上变频器、功率放大器、上行射频开关网络、收阻滤波器，S/X小环接收机及测试上变频器等设备组成，详见图3��1设备组成框图。
　　图3��1发射分系统设备配置框图
　　……

前言/序言

　　深空网是人类与深空探测器联系的桥梁与纽带。深空网拥有深空测控通信能力，是开展月球探测必须具备的前提条件，也是探月工程*具挑战性的任务之一。探月工程启动后，我国的测控工程师们以探月工程为牵引，兼顾火星、小行星等深空探测任务的需求，描绘出中国深空网的蓝图——在布局上，由分布在中国东部、西部以及南美洲的3个深空站提供全球90%以上的测控覆盖； 在频段上，兼容了目前国际上深空测控任务使用的所有频段； 在天线口径上，按照4亿千米火星探测的基本要求设计。
　　佳木斯66m S/X双频段深空测控通信系统（DSF1）和喀什35m S/X/Ka三频段深空测控通信系统（DSF2）的设计建设正是在这一蓝图下进行的。经过5年的研制建设，这两套深空测控通信系统均于2013年正式投入使用。它们的建成，极大地提升了中国远距离测控通信能力，成为中国航天测控发展史上又一个重要的里程碑。
　　这两套深空测控通信系统基于国内自主研发，成功实现了波束波导馈电系统、10kW 速调管功放、超低温制冷场放、微弱信号超窄带接收机、氢钟建造及干涉测量等技术。按照空间数据系统咨询委员会（CCSDS）建议书中的深空测控任务标准，这两套系统已经具有音码测距、伪码测距、载波相位测量、三向测量等功能，采用空间链路扩展（SLE）协议，可以和符合CCSDS建议的其他国外深空测控站实现深空测控任务的国际联测和数据交互。
　　2012年，两套深空测控通信系统在嫦娥二号与图塔蒂斯小行星交会飞越探测中获得成功应用，并于2013年作为主力测控通信设备圆满完成了嫦娥三号探月飞行任务。这标志着中国深空测控通信能力的形成，使中国成为国际上第四个具有独立完成深空测控任务能力的国家。
　　北京跟踪与通信技术研究所是这两套深空测控通信系统的总体设计单位，西南电子技术研究所是66m S/X双频段深空测控通信系统的总体研制单位，石家庄通信测控技术研究所是35m S/X/Ka三频段深空测控通信系统和深空干涉测量系统的总体研制单位，西北电子设备研究所、中原电子技术研究所、北京遥测技术研究所、中国西安卫星测控中心、中国人民解放军装备学院、合肥低温电子研究所等单位承担了这两套系统有关分系统的研制工作。在此，对他们为中国航天测控事业作出的努力和贡献表示衷心的感谢！
　　中国深空网及其深空测控通信系统的研制，为设计师队伍提供了极富挑战的创新实践平台。他们积极进取，勇于探索，采用大量电子与信息技术领域的尖端技术，攻克多项关键难题，取得了许多宝贵经验和技术成果，成为航天测控领域一笔宝贵的财富。把这些来之不易的技术成果固化下来，是编写本套图书的主要目的。
　　本套图书由三个分册组成，分别是《S/X双频段深空测控通信系统》《S/X/Ka三频段深空测控通信系统》和《深空干涉测量系统》，对应着佳木斯66m深空测控通信系统、喀什35m深空测控通信系统以及由这两套深空系统与数据处理中心组成的甚长基线干涉测量（VLBI）系统。书中对上述设备系统级和分系统级的功能与技术指标、组成及工作原理、方案设计、关键技术等进行了系统详尽的描述，希望为我国深空测控通信系统的使用者提供详尽系统的技术资料，为我国后续深空测控通信系统的设计提供有益的参考和借鉴，也希望能为对深空测控通信感兴趣的同行们提供有用的技术资讯。
　　本套图书的编写人员均为中国深空网的设计和研制人员。他们在承担繁重工程任务的同时，挤出时间从事写作工作，对深空测控通信系统涉及的技术进行了细致的归纳梳理和认真的分析总结。由于我们写作水平有限，书中难免有疏漏和不当之处，恳请读者批评指正。
　　《中国深空网： 系统设计与关键技术》编审委员会
　　2016年5月

《中国深空网：系统设计与关键技术(上) S/X双频段深空测控通信系统》 本书是“中国深空网”系列丛书的第一卷，专注于解析深空探测任务中至关重要的S/X双频段测控通信系统。内容详尽，深入探讨了该系统的系统设计理念、核心技术攻关以及实际应用中的挑战与解决方案。 一、 系统设计理念与架构 本卷首先从宏观层面阐述了中国深空网S/X双频段测控通信系统的设计哲学。这包括： 任务需求驱动的设计： 详细分析了不同深空探测任务（如月球探测、火星探测、小行星探测等）对测控通信的带宽、延迟、可靠性、精度等方面的具体需求，以及如何将这些需求转化为系统设计的指导原则。 分层解耦的系统架构： 介绍了系统采用的先进架构，如何将复杂的测控通信功能划分为不同的逻辑层和物理子系统，如地面站网、空间站/探测器载荷、信道管理、数据处理与存储等。这种架构的设计目标在于提高系统的模块化程度、可维护性、可扩展性以及故障隔离能力。 冗余与容错机制： 深入剖析了为确保深空通信的稳定性和可靠性而设计的多种冗余和容错技术，包括设备冗余、链路冗余、信号处理冗余等，以及这些机制如何应对深空探测中不可预测的干扰和故障。 时延与带宽的权衡： 详细阐述了在距离遥远的深空环境中，如何通过巧妙的系统设计来管理和优化信号传输中的时延，以及如何在有限的带宽条件下实现高效的数据传输。 二、 S/X双频段通信的关键技术 本书的核心内容聚焦于S/X双频段通信在深空探测中的应用及其关键技术： S/X双频段的选择与优势： 详细解释了为何选择S频段（约2 GHz）和X频段（约8 GHz）作为深空测控通信的主要频段。分析了这两个频段在穿透电离层、带宽特性、设备成熟度、抗干扰能力等方面的综合优势，以及它们在实现数据传输、指令传输、遥测回传、导航定位等功能中的作用。 高增益天线技术： 重点介绍支撑深空通信的各类高增益天线技术，包括地面大型馈源天线的设计与制造（如35米、64米直径的深空站天线），以及星载定向天线（如相控阵天线）的设计与部署。分析了天线指向精度、波束宽度控制、馈电网络优化等关键技术。 低噪声放大器（LNA）与功放技术： 深入探讨了在接收端至关重要的低噪声放大器（LNA）设计，如何实现极低的噪声系数以捕捉微弱的深空信号。同时，也介绍了在星载端实现高效率、高功率的功放技术，以确保信号能够克服巨大的空间衰减。 高级调制解调技术： 详细阐述了为了在恶劣的深空信道中实现高效、可靠的数据传输所采用的先进调制解调方案。这包括但不限于： 编码与解码技术： 详细介绍卷积码、Turbo码、LDPC码等前向纠错（FEC）编码技术，以及它们在提高误码率性能方面的作用。 调制方式： 分析了移相键控（PSK）、Quadrature Amplitude Modulation (QAM) 等调制方式在深空通信中的应用，以及如何根据信道条件选择最优的调制策略。 信号同步与跟踪： 深入讲解了在弱信号条件下，如何实现载波同步、比特同步和码组同步，以及这些同步技术的鲁棒性设计。 射频前端与后端处理： 详细介绍了S/X双频段通信系统的射频前端设计，包括频率合成、混频、滤波等关键模块。同时，也阐述了信号经过接收后的后端数字信号处理过程，包括解调、译码、数据帧提取、错误检测与纠正等。 数字信号处理（DSP）的革新： 探讨了利用先进的数字信号处理算法和硬件实现，如何克服深空信号的微弱性、多普勒频移、相位噪声等问题，实现高精度的信号捕获与跟踪。 三、 系统集成与可靠性保障 本卷还对S/X双频段测控通信系统的集成与可靠性保障进行了深入的分析： 地面站网的协同工作： 详细介绍了中国深空站网（如喀什、佳木斯、昆明站等）的地理分布、天线协同观测、资源调度以及信息融合等方面的设计与实践。分析了如何通过全球组网来最大化观测时间，减少通信中断。 星载测控通信载荷的设计与集成： 详细描述了集成在探测器上的S/X双频段测控通信载荷的设计要求、关键部件选型、可靠性设计以及与探测器其他子系统的集成方法。 链路预算的精确计算与分析： 详细讲解了如何进行严谨的深空通信链路预算计算，包括考虑发射功率、天线增益、路径损耗、接收灵敏度、噪声系数等所有影响信号强度的因素，以确保通信链路的可用性。 电磁兼容性（EMC）与干扰抑制： 重点分析了在复杂的深空环境中，如何通过设计和测试来确保系统的电磁兼容性，以及如何有效抑制来自太阳、行星、其他航天器及地面设备的干扰。 系统测试与验证： 详细介绍了S/X双频段测控通信系统在地面和在轨进行各类测试与验证的方法，包括功能测试、性能测试、环境试验、联合测试等，以确保系统能够满足设计要求并成功执行深空探测任务。 四、 面临的挑战与未来展望 本书最后也对当前S/X双频段深空测控通信系统在发展过程中面临的挑战进行了探讨，例如： 日益增长的数据传输需求： 随着探测任务复杂度和数据量的不断增加，现有S/X频段的带宽正面临瓶颈。 更远距离的探测需求： 对于更远距离的行星际甚至星际探测，需要更高的数据传输速率和更低的通信时延。 新技术的发展与融合： 如Ka频段的应用、激光通信的潜在优势等。 同时，也对未来的技术发展方向进行了展望，例如新频段的探索、更高阶调制解调技术的应用、人工智能在通信系统中的融合等，为中国深空探测的持续发展奠定坚实的技术基础。 本书内容翔实，技术前沿，是从事深空探测、航天通信、电子工程等领域研究人员、工程师以及相关专业学生的重要参考资料。