航天外测系统概念与组成

航天外测系统概念与组成

利用雷达、光学等设备从导弹、运载火箭外部测量其飞行参数的专用测量系统。外弹道测量系统包括无线电跟踪测量系统和光学跟踪测量系统。外弹道测量系统通过地面测量设备（如雷达、光学测量设备等）单独或与飞行器上的合作目标（如应答机、信标机、光学合作目标等）配合对飞行器进行观测，以获得它们的飞行轨迹参数或变换到某一坐标系中的位置和速度参数。

外弹道测量设备主要包括：

光学测量系统-高速摄影仪系统、高速电视测量仪系统、光电经纬仪系统

无线电测量系统-脉冲雷达系统、连续波干涉仪系统、 S频段统一测控系统

GNSS测量系统-全球卫星导航定位系统

航天测控系统作为一种测量手段，直接输出导弹、航天器的速度、距离、角度等参量，以提供航天器的精确轨道信息，为了获得这些参量，不同体制的系统采用不同的方法。

重点学习航天外测中速度、距离和角度测量采用的方法与技术。

径向速度简单地定义为目标运动平行于接收机径向的分量。它是目标运动沿接收机径向的分量，既可以向着接收机，也可以离开接收机。需要记住的是：

①径向速度总是小于或等于实际目标速度；

②测量的速度只是目标向着或离开接收机的运动；

③当目标运动垂直于接收机向或静止时径向速度为零。

对于一个运动的航天器，向着信号发射机运动或远离运动所产生的频移量是相同的，但符号不同：

当目标与发射机彼此接近时为负（－）

当目标与发射机彼此远离时为正（＋）

其中是X,Y,Z是飞行器坐标，XR，YR，ZR为接收收站坐标。SR是径向距离。

原理：信标机向地面发射无线电信号，由地面天线接收，直接测量飞行器到测控站间电波单程传播的多普勒频移，从而得到距离变化率，即径向速度数据。为了在飞行器接近和飞离测控站过程中在终端设备不出现多普勒频移的零值和负值现象，往往在实现多普勒频移提取时，人为地加入一个大于最高多普勒频移的偏置频率，最后再从测量结果中减去这个频率，得到真实的测速数据。这种系统的测量精度主要决定于飞行器上信标机的频率稳定度。

单向多普勒测速的精度直接受信标机频率稳定度的影响，由于星载(弹载)条件的限制，制造频率稳定度很高的信标机比较困难，这将直接影响多普勒测速精度，为了克服这个缺点，可以采用双向多普勒测速系统。

在图中的锁相接收机输出频率是fb+fd 多普勒频率，而fb是一偏置频率，其作用一方面是提取多普勒频率fd的正负号，确定飞行器与接收站相对运动的方向;另一方面是防飞行器飞越地面接收站上空时，几接近为零，使频率计测量不准。

原理：将发射、接收设备置于同一测点上，发射机经天线向飞行器发送频率高度稳定的信号，同时将这一信号送至地面接收机作为基准信号。这个信号经飞行器应答机转发或飞行器反射返回到观测点。由于航天器与测控站之间存在相对运动，地面接收设备接收到的返回信号的频率就不同于发射信号的频率，将返回信号与基准信号比较即可得出信号往返双程的多普勒频移（对应于飞行器到观测点间距离变化率的两倍），从而获得飞行器的径向速度。

优点：这种系统的测速数据不受信号源频率漂移的影响，地面频标稳定度好，收发共用一个频标，所以双向测速系统的测速精度比单向测速系统的要高。

实现方法：这种系统通常采用多站体制，如以设置在不同位置上的多站接收设备同时接收飞行器转发或反射的信号，可得到多个距离和变化率。两个距离和变化率相减可得到距离差变化率。

无线电测距是一种基于电磁波应用技术的测距方法。由于电磁波的传播速度为光速，时间计量单位为纳秒级，而我们的电子产品的响应时间单位为毫秒级，高精器件的响应速度为微秒级，所以，我们不可能直接测量出的电磁波的传播时间，除非测量的距离较远。

对于较近距的无线电测量，通常采用间接测量的方法来实现测量电磁波在空气中的传播时间，进而根据光速换算出物体之间的距离。

产生这么低的频率是非常困难的，因此在深空测量时，一般不采用侧音信号，而采用伪码信号。

当用伪码测距时，关键是测量接收码(回码)与本地码之间的相对时延tao，因为距离R＝C×tao/2。而tao的测量，是通过确定回码和本地码的相关函数峰值(即回码时延或初相)位置来进行的。相关函数峰值位置可以通过相关试探的方法来确定，

其具体步骤如卜:先任选某一个个初相(称为试探初相)的本地码，并求出它与回码的相关函数，这是第一次试探。若相关函数处于低电平，即无峰值出现，则选择下一个初相进行第二次试探，若相关函数仍未出现峰值，则继续进行第三次试探、第四次试探……直至最后求得相关函数峰值为止。若测距码的长度(周期)为P，则最多需要进行p次相关试探，才能最后确定回码的正确时延。

将确定相关函数峰值位置的过程称为“捕获”，所需时间为“捕获时间”。毫无疑问，从实时测量应用的角度来讲，当然是希望捕获时间越短越好，即要求快速捕获。但当要测的目标跟离很远时，为克服测距模糊所选用的伪码长度必然很长。这样，一方面进行一次相关试探所需的时间相应地很长，另一方面所必须进行相关试探的次数也很多。于是，所需捕获时间就难以承受。

为了实现码的快速捕获，在码的选择中使用复合码，所谓复合码就是将几个周期较短的伪随机码按照一定的逻辑运算组合成一个长周期的伪随机码。复合码的周期为各个字码周期的公倍数

单码不适合快速捕获，复合伪码利用字码特性实现快速捕获。

测控系统的任务是对飞行器进行测量和控制，而要实现此目标，首先要通过一种手段，使天线的波束对准飞行目标，以便使天线能感应到来自目标的电磁波。测试工具就是运用雷达。

圆锥扫描雷达的天线为旋转抛物面天线，天线波束轴(最大增益位)偏离天线轴一个Theta0。角度。波束扫描机构使波束按一定的角度频率绕大线轴旋转，这样波束轴在空间画出一个绕大线轴旋转的圆锥面.故称圆锥扫描，如图所示。当目标处在天线轴方向时，由于波束旋转时在该方向的增益不变，所接收信号场强不变，接收机输出为等幅信号，如图所示。故天线轴方向又称为等强信号线。当目标偏离天线轴一个小的误差角Br时，大线波束旋转时在目标方向的增益随之变化，这时接收信号场强亦随之变化，接收机输出信号包络也随之作相应变化。其振幅近似正弦调制，其调制幅度对应于误差角的大小，而调制正弦信号的相位对应着口标偏离天线轴的方向，如图示。接收机输出的调幅信号包含着目标偏离大线轴的角误差信息，从这个信号中可进一步提取出直接反映误差角thetaT大小的误差信号，并送至伺服控制电路，驱动天线轴对准目标，从而实现角跟踪。

单脉冲雷达是利用成对波束，将接收信号的振幅或相位同时比较，而得到目标偏离天线轴的角误差信号。因此，单脉冲雷达又称为同时波瓣比较，圆锥扫描雷达则称为顺序波瓣比较。

“单脉冲”的含义是指这种雷达能从一个接收的脉冲信号中得到目标偏离天线轴的角误差信号。单脉冲雷达的测角精度较高，故在测控系统中应用较多。下面介绍单脉冲雷达的测角原理，为简化起见，只讨论口标在一个平面内的测角原理，至双平面的测角，其原理与单平面类似，故不再介绍。

连续波干涉仪测量系统属于典型的基线体制测量系统，测量精度高，常用作导弹和运载火箭主动段导弹测量的主干设备。

带有激光测距的经纬仪、脉冲雷达、微波统一测控系统都是测距测角体制。由于测角精度有限，对远距离目标定位精度较差，一般属于中、低精度的外测设备。

高速摄影仪是记录、测量高速运动目标的重要设备，它把所需要的内容用较高的摄影颇率逐幅地拍摄到电影胶片上，经过显影、定影、神洗后，胶片上每个画幅就是连续高速运动目标以时间次序恃列的瞬时影像和瞬时空间位置。高速摄影仪由通用跟踪架、同步高速摄影机、电控系统、控制系统等四部分组成。通过事后判读，进行数据处理求得导弹(火箭)初始段嫖移量、飞行姿态和弹道参数。

光电经纬仪，基于光学经纬仪的电气化，实现了被测目标的图像、测量时刻的方位角和俯仰角的同步实时记录。

无线电干涉仪系统(radio interferometer system)是指利用相位比较技术测量飞行器运动轨迹参数的无线电测量系统。由相距一定距离的两个地面接收天线，组成长度为nλ（n一般是整数，λ是无线电信号的波长）的基线，接收来自同一目标的无线电信号，并测出这个信号到达两个天线的相位差或时间差，由相位差或时间差可以算出目标方向与基线之间的夹角或这个夹角的余弦(称为方向余弦)。方向余弦与辐射源至每一天线的路径长度之差成比例，所以这种系统实质上是距离差测量系统。两个天线接收由辐射源发出并有测距信号调制的载波信号，比较测距信号的相位即可得到距离差数据。测量两天线接收载波信号的多普勒频移之差，可获得距离差变化率，从而得到速度数据。

微波统一测控系统按其功能划分，其基本组成如下:①测距分系统;②测速分系统;③测角分系统;④遥控分系统;⑤遥测分系统;⑥通信分系统;⑦引导分系统;⑧监控显示分系统。图是统一测控系统的组成及其作流程图。统一测控系统的设备可分成两大部分:飞行器上测控设备和地面测控站设备。图中地面测控站中的点划线方框部分相当于一部连续波雷达(其中包括主信道、测跟和测速等)，它用来完成测轨功能(即测即 ,测速、测角等)。遥控发送设备主要山指令编码器、遥控副载波调制器等组成，经遥控信号调制的遥控副载波送至系统主信道的发射机调制器对载波进行调制遥测接收设备。包括遥测副载波解调器、分路器、显示器、记录器等。其作用是完成对遥测副载波的解调、分路及信号的显示与记录。通信设备主要包括语音或数传信号的副载波解训及有关的终端设备监控、显示是地面测控站指挥、控制及设备功能检查、显不的中心。引导设备则与一般的连续波雷达相类似。测控站与计算机或其他外界设备的连接可通过接口设备来完成。

外弹道跟踪测量设备一般不能直接测得外弹道参数，而是利用相应的测量元素，经过一系列数据处理工作得到。

1.站址大地测量误差

测量设备输出的测量元素以设备的各自测量坐标系为参考，由这些测量元素综合处理得到弹道参数时，必须将其转换到统一的参考系内(数据处理结果一般规定发射系为统→的参考系)。显然，由测量坐标系向发射坐标系转换时，坐标圆点的位置测量误差和坐标转换误差将影响外弹道测量精度。在高精度测量系统中的站址点位的测量精度要求为百万分之一。第一代武器试验提出的测量点位大地勘测精度为1x 10-7 r时，高程为2m 。第2代武器试验要求测量站的站址相对于发射点的测量精度更高。目前已广泛利用GPS 进仔大地测量，这精度要求则很容易满足，能使站址大地测量误差的影响降至弹道总误差的1/5 以下。

2. 测量元素误差

任何测量设备的测量元素都有误差，外弹道测量的主要误差源(大约占弹道总误差的1/3 以上)与测量元素的误差和测量设备的体制、重要源器件的性能、滤波技术、外界干扰、校正方法等因素有关，标准频率源的不稳定、零值校正残差、导弹飞行的高动态变化、热噪声的影响都会引起测量误差。尽管从设备设计、研制、安装、调整直到操作使用等各环节都尽量减少误差，但受技术水平的限制，测量元素误差仍相当大，在某些高精度外弹道测量系统中，测量元素造成的外弹道误差甚至占弹道总误差的1/2 以上，且无有效方法扣除干净。外测数据处理的主要处理流程之→就是修正和减小各种测量误差以获取满足测量精度要求的弹道参数。

零值误差：测得值为零时的基值测量误差

光轴：安装在天线上作为轴系基准的望远镜或者其他光学设备的视准轴

天线电轴：对于跟踪雷达，当目标处于天线波束某一个角度时的角误差信号为零的方向（单脉冲雷达天线中是指差波束零点所指的方向）

测量元素误差

零值误差：仪器在定向时由于操作手视觉差和仪器本身误差，观点经纬仪的水平盘零刻度线没有真正对准大地北从而产生了方位误差，高低盘盘零度没有对准零角度，产生了俯仰误差。

频率误差：由于计数器频率和真空光速不符产生的和距离有关的系统误差。

大气折射误差：两部分组成：一部分由于大气阻碍了光波的传播，使光波速度延缓，另一部分是光波传输路径弯曲造成的。

定时误差：由于激光测距仪与光电经纬仪所测的目标不是同一时刻的测量值引起的。

轴系误差：经纬仪垂直轴、照准轴和水平轴相互垂直。

照准轴：仪器水平时方位零刻线对准大地北的测站坐标系X轴

垂直轴与铅垂线线重合，测站坐标Y轴，

水平轴基测站坐标系Z轴。

由于三轴不相互垂直带来的误差称之为轴系倾斜差，还有垂直倾斜差、水平倾斜差、照准差

高频误差：误差正负符号与数值的变化频率较高的误差，如白噪声随即误差。

光轴和电轴不平行度称为光电偏差。

光轴与机械轴的夹角（锐角）。

光机偏差只引起方位角误差。机械轴是看不见、摸不着的，其指向只能通过特定的数学方法来获取。光机偏差通过反向法来标定，通过调整光轴的指向来调整其大小。 

审核编辑 ：李倩