航天外測(cè)系統(tǒng)概念與組成

利用雷達(dá)、光學(xué)等設(shè)備從導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭外部測(cè)量其飛行參數(shù)的專用測(cè)量系統(tǒng)。外彈道測(cè)量系統(tǒng)包括無線電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)和光學(xué)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。外彈道測(cè)量系統(tǒng)通過地面測(cè)量設(shè)備（如雷達(dá)、光學(xué)測(cè)量設(shè)備等）單獨(dú)或與飛行器上的合作目標(biāo)（如應(yīng)答機(jī)、信標(biāo)機(jī)、光學(xué)合作目標(biāo)等）配合對(duì)飛行器進(jìn)行觀測(cè)，以獲得它們的飛行軌跡參數(shù)或變換到某一坐標(biāo)系中的位置和速度參數(shù)。

外彈道測(cè)量設(shè)備主要包括：

光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)-高速攝影儀系統(tǒng)、高速電視測(cè)量?jī)x系統(tǒng)、光電經(jīng)緯儀系統(tǒng)

無線電測(cè)量系統(tǒng)-脈沖雷達(dá)系統(tǒng)、連續(xù)波干涉儀系統(tǒng)、 S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)

GNSS測(cè)量系統(tǒng)-全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

航天測(cè)控系統(tǒng)作為一種測(cè)量手段，直接輸出導(dǎo)彈、航天器的速度、距離、角度等參量，以提供航天器的精確軌道信息，為了獲得這些參量，不同體制的系統(tǒng)采用不同的方法。

重點(diǎn)學(xué)習(xí)航天外測(cè)中速度、距離和角度測(cè)量采用的方法與技術(shù)。

徑向速度簡(jiǎn)單地定義為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)平行于接收機(jī)徑向的分量。它是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)沿接收機(jī)徑向的分量，既可以向著接收機(jī)，也可以離開接收機(jī)。需要記住的是：

①徑向速度總是小于或等于實(shí)際目標(biāo)速度；

②測(cè)量的速度只是目標(biāo)向著或離開接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)；

③當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)垂直于接收機(jī)向或靜止時(shí)徑向速度為零。

對(duì)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的航天器，向著信號(hào)發(fā)射機(jī)運(yùn)動(dòng)或遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的頻移量是相同的，但符號(hào)不同：

當(dāng)目標(biāo)與發(fā)射機(jī)彼此接近時(shí)為負(fù)（－）

當(dāng)目標(biāo)與發(fā)射機(jī)彼此遠(yuǎn)離時(shí)為正（＋）

其中是X,Y,Z是飛行器坐標(biāo)，XR，YR，ZR為接收收站坐標(biāo)。SR是徑向距離。

原理：信標(biāo)機(jī)向地面發(fā)射無線電信號(hào)，由地面天線接收，直接測(cè)量飛行器到測(cè)控站間電波單程傳播的多普勒頻移，從而得到距離變化率，即徑向速度數(shù)據(jù)。為了在飛行器接近和飛離測(cè)控站過程中在終端設(shè)備不出現(xiàn)多普勒頻移的零值和負(fù)值現(xiàn)象，往往在實(shí)現(xiàn)多普勒頻移提取時(shí)，人為地加入一個(gè)大于最高多普勒頻移的偏置頻率，最后再從測(cè)量結(jié)果中減去這個(gè)頻率，得到真實(shí)的測(cè)速數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)的測(cè)量精度主要決定于飛行器上信標(biāo)機(jī)的頻率穩(wěn)定度。

單向多普勒測(cè)速的精度直接受信標(biāo)機(jī)頻率穩(wěn)定度的影響，由于星載(彈載)條件的限制，制造頻率穩(wěn)定度很高的信標(biāo)機(jī)比較困難，這將直接影響多普勒測(cè)速精度，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以采用雙向多普勒測(cè)速系統(tǒng)。

在圖中的鎖相接收機(jī)輸出頻率是fb+fd 多普勒頻率，而fb是一偏置頻率，其作用一方面是提取多普勒頻率fd的正負(fù)號(hào)，確定飛行器與接收站相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向;另一方面是防飛行器飛越地面接收站上空時(shí)，幾接近為零，使頻率計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)。

原理：將發(fā)射、接收設(shè)備置于同一測(cè)點(diǎn)上，發(fā)射機(jī)經(jīng)天線向飛行器發(fā)送頻率高度穩(wěn)定的信號(hào)，同時(shí)將這一信號(hào)送至地面接收機(jī)作為基準(zhǔn)信號(hào)。這個(gè)信號(hào)經(jīng)飛行器應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)或飛行器反射返回到觀測(cè)點(diǎn)。由于航天器與測(cè)控站之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，地面接收設(shè)備接收到的返回信號(hào)的頻率就不同于發(fā)射信號(hào)的頻率，將返回信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較即可得出信號(hào)往返雙程的多普勒頻移（對(duì)應(yīng)于飛行器到觀測(cè)點(diǎn)間距離變化率的兩倍），從而獲得飛行器的徑向速度。

優(yōu)點(diǎn)：這種系統(tǒng)的測(cè)速數(shù)據(jù)不受信號(hào)源頻率漂移的影響，地面頻標(biāo)穩(wěn)定度好，收發(fā)共用一個(gè)頻標(biāo)，所以雙向測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)速精度比單向測(cè)速系統(tǒng)的要高。

實(shí)現(xiàn)方法：這種系統(tǒng)通常采用多站體制，如以設(shè)置在不同位置上的多站接收設(shè)備同時(shí)接收飛行器轉(zhuǎn)發(fā)或反射的信號(hào)，可得到多個(gè)距離和變化率。兩個(gè)距離和變化率相減可得到距離差變化率。

無線電測(cè)距是一種基于電磁波應(yīng)用技術(shù)的測(cè)距方法。由于電磁波的傳播速度為光速，時(shí)間計(jì)量單位為納秒級(jí)，而我們的電子產(chǎn)品的響應(yīng)時(shí)間單位為毫秒級(jí)，高精器件的響應(yīng)速度為微秒級(jí)，所以，我們不可能直接測(cè)量出的電磁波的傳播時(shí)間，除非測(cè)量的距離較遠(yuǎn)。

對(duì)于較近距的無線電測(cè)量，通常采用間接測(cè)量的方法來實(shí)現(xiàn)測(cè)量電磁波在空氣中的傳播時(shí)間，進(jìn)而根據(jù)光速換算出物體之間的距離。

產(chǎn)生這么低的頻率是非常困難的，因此在深空測(cè)量時(shí)，一般不采用側(cè)音信號(hào)，而采用偽碼信號(hào)。

當(dāng)用偽碼測(cè)距時(shí)，關(guān)鍵是測(cè)量接收碼(回碼)與本地碼之間的相對(duì)時(shí)延tao，因?yàn)榫嚯xR＝C×tao/2。而tao的測(cè)量，是通過確定回碼和本地碼的相關(guān)函數(shù)峰值(即回碼時(shí)延或初相)位置來進(jìn)行的。相關(guān)函數(shù)峰值位置可以通過相關(guān)試探的方法來確定，

其具體步驟如卜:先任選某一個(gè)個(gè)初相(稱為試探初相)的本地碼，并求出它與回碼的相關(guān)函數(shù)，這是第一次試探。若相關(guān)函數(shù)處于低電平，即無峰值出現(xiàn)，則選擇下一個(gè)初相進(jìn)行第二次試探，若相關(guān)函數(shù)仍未出現(xiàn)峰值，則繼續(xù)進(jìn)行第三次試探、第四次試探……直至最后求得相關(guān)函數(shù)峰值為止。若測(cè)距碼的長(zhǎng)度(周期)為P，則最多需要進(jìn)行p次相關(guān)試探，才能最后確定回碼的正確時(shí)延。

將確定相關(guān)函數(shù)峰值位置的過程稱為“捕獲”，所需時(shí)間為“捕獲時(shí)間”。毫無疑問，從實(shí)時(shí)測(cè)量應(yīng)用的角度來講，當(dāng)然是希望捕獲時(shí)間越短越好，即要求快速捕獲。但當(dāng)要測(cè)的目標(biāo)跟離很遠(yuǎn)時(shí)，為克服測(cè)距模糊所選用的偽碼長(zhǎng)度必然很長(zhǎng)。這樣，一方面進(jìn)行一次相關(guān)試探所需的時(shí)間相應(yīng)地很長(zhǎng)，另一方面所必須進(jìn)行相關(guān)試探的次數(shù)也很多。于是，所需捕獲時(shí)間就難以承受。

為了實(shí)現(xiàn)碼的快速捕獲，在碼的選擇中使用復(fù)合碼，所謂復(fù)合碼就是將幾個(gè)周期較短的偽隨機(jī)碼按照一定的邏輯運(yùn)算組合成一個(gè)長(zhǎng)周期的偽隨機(jī)碼。復(fù)合碼的周期為各個(gè)字碼周期的公倍數(shù)

單碼不適合快速捕獲，復(fù)合偽碼利用字碼特性實(shí)現(xiàn)快速捕獲。

測(cè)控系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)飛行器進(jìn)行測(cè)量和控制，而要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，首先要通過一種手段，使天線的波束對(duì)準(zhǔn)飛行目標(biāo)，以便使天線能感應(yīng)到來自目標(biāo)的電磁波。測(cè)試工具就是運(yùn)用雷達(dá)。

圓錐掃描雷達(dá)的天線為旋轉(zhuǎn)拋物面天線，天線波束軸(最大增益位)偏離天線軸一個(gè)Theta0。角度。波束掃描機(jī)構(gòu)使波束按一定的角度頻率繞大線軸旋轉(zhuǎn)，這樣波束軸在空間畫出一個(gè)繞大線軸旋轉(zhuǎn)的圓錐面.故稱圓錐掃描，如圖所示。當(dāng)目標(biāo)處在天線軸方向時(shí)，由于波束旋轉(zhuǎn)時(shí)在該方向的增益不變，所接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)不變，接收機(jī)輸出為等幅信號(hào)，如圖所示。故天線軸方向又稱為等強(qiáng)信號(hào)線。當(dāng)目標(biāo)偏離天線軸一個(gè)小的誤差角Br時(shí)，大線波束旋轉(zhuǎn)時(shí)在目標(biāo)方向的增益隨之變化，這時(shí)接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)亦隨之變化，接收機(jī)輸出信號(hào)包絡(luò)也隨之作相應(yīng)變化。其振幅近似正弦調(diào)制，其調(diào)制幅度對(duì)應(yīng)于誤差角的大小，而調(diào)制正弦信號(hào)的相位對(duì)應(yīng)著口標(biāo)偏離天線軸的方向，如圖示。接收機(jī)輸出的調(diào)幅信號(hào)包含著目標(biāo)偏離大線軸的角誤差信息，從這個(gè)信號(hào)中可進(jìn)一步提取出直接反映誤差角thetaT大小的誤差信號(hào)，并送至伺服控制電路，驅(qū)動(dòng)天線軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)角跟蹤。

單脈沖雷達(dá)是利用成對(duì)波束，將接收信號(hào)的振幅或相位同時(shí)比較，而得到目標(biāo)偏離天線軸的角誤差信號(hào)。因此，單脈沖雷達(dá)又稱為同時(shí)波瓣比較，圓錐掃描雷達(dá)則稱為順序波瓣比較。

“單脈沖”的含義是指這種雷達(dá)能從一個(gè)接收的脈沖信號(hào)中得到目標(biāo)偏離天線軸的角誤差信號(hào)。單脈沖雷達(dá)的測(cè)角精度較高，故在測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用較多。下面介紹單脈沖雷達(dá)的測(cè)角原理，為簡(jiǎn)化起見，只討論口標(biāo)在一個(gè)平面內(nèi)的測(cè)角原理，至雙平面的測(cè)角，其原理與單平面類似，故不再介紹。

連續(xù)波干涉儀測(cè)量系統(tǒng)屬于典型的基線體制測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量精度高，常用作導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭主動(dòng)段導(dǎo)彈測(cè)量的主干設(shè)備。

帶有激光測(cè)距的經(jīng)緯儀、脈沖雷達(dá)、微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)都是測(cè)距測(cè)角體制。由于測(cè)角精度有限，對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)定位精度較差，一般屬于中、低精度的外測(cè)設(shè)備。

高速攝影儀是記錄、測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的重要設(shè)備，它把所需要的內(nèi)容用較高的攝影頗率逐幅地拍攝到電影膠片上，經(jīng)過顯影、定影、神洗后，膠片上每個(gè)畫幅就是連續(xù)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)以時(shí)間次序恃列的瞬時(shí)影像和瞬時(shí)空間位置。高速攝影儀由通用跟蹤架、同步高速攝影機(jī)、電控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等四部分組成。通過事后判讀，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理求得導(dǎo)彈(火箭)初始段嫖移量、飛行姿態(tài)和彈道參數(shù)。

光電經(jīng)緯儀，基于光學(xué)經(jīng)緯儀的電氣化，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)目標(biāo)的圖像、測(cè)量時(shí)刻的方位角和俯仰角的同步實(shí)時(shí)記錄。

無線電干涉儀系統(tǒng)(radio interferometer system)是指利用相位比較技術(shù)測(cè)量飛行器運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)的無線電測(cè)量系統(tǒng)。由相距一定距離的兩個(gè)地面接收天線，組成長(zhǎng)度為nλ（n一般是整數(shù)，λ是無線電信號(hào)的波長(zhǎng)）的基線，接收來自同一目標(biāo)的無線電信號(hào)，并測(cè)出這個(gè)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)天線的相位差或時(shí)間差，由相位差或時(shí)間差可以算出目標(biāo)方向與基線之間的夾角或這個(gè)夾角的余弦(稱為方向余弦)。方向余弦與輻射源至每一天線的路徑長(zhǎng)度之差成比例，所以這種系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是距離差測(cè)量系統(tǒng)。兩個(gè)天線接收由輻射源發(fā)出并有測(cè)距信號(hào)調(diào)制的載波信號(hào)，比較測(cè)距信號(hào)的相位即可得到距離差數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)商炀€接收載波信號(hào)的多普勒頻移之差，可獲得距離差變化率，從而得到速度數(shù)據(jù)。

微波統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)按其功能劃分，其基本組成如下:①測(cè)距分系統(tǒng);②測(cè)速分系統(tǒng);③測(cè)角分系統(tǒng);④遙控分系統(tǒng);⑤遙測(cè)分系統(tǒng);⑥通信分系統(tǒng);⑦引導(dǎo)分系統(tǒng);⑧監(jiān)控顯示分系統(tǒng)。圖是統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)的組成及其作流程圖。統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)備可分成兩大部分:飛行器上測(cè)控設(shè)備和地面測(cè)控站設(shè)備。圖中地面測(cè)控站中的點(diǎn)劃線方框部分相當(dāng)于一部連續(xù)波雷達(dá)(其中包括主信道、測(cè)跟和測(cè)速等)，它用來完成測(cè)軌功能(即測(cè)即 ,測(cè)速、測(cè)角等)。遙控發(fā)送設(shè)備主要山指令編碼器、遙控副載波調(diào)制器等組成，經(jīng)遙控信號(hào)調(diào)制的遙控副載波送至系統(tǒng)主信道的發(fā)射機(jī)調(diào)制器對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制遙測(cè)接收設(shè)備。包括遙測(cè)副載波解調(diào)器、分路器、顯示器、記錄器等。其作用是完成對(duì)遙測(cè)副載波的解調(diào)、分路及信號(hào)的顯示與記錄。通信設(shè)備主要包括語音或數(shù)傳信號(hào)的副載波解訓(xùn)及有關(guān)的終端設(shè)備監(jiān)控、顯示是地面測(cè)控站指揮、控制及設(shè)備功能檢查、顯不的中心。引導(dǎo)設(shè)備則與一般的連續(xù)波雷達(dá)相類似。測(cè)控站與計(jì)算機(jī)或其他外界設(shè)備的連接可通過接口設(shè)備來完成。

外彈道跟蹤測(cè)量設(shè)備一般不能直接測(cè)得外彈道參數(shù)，而是利用相應(yīng)的測(cè)量元素，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理工作得到。

1.站址大地測(cè)量誤差

測(cè)量設(shè)備輸出的測(cè)量元素以設(shè)備的各自測(cè)量坐標(biāo)系為參考，由這些測(cè)量元素綜合處理得到彈道參數(shù)時(shí)，必須將其轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的參考系內(nèi)(數(shù)據(jù)處理結(jié)果一般規(guī)定發(fā)射系為統(tǒng)→的參考系)。顯然，由測(cè)量坐標(biāo)系向發(fā)射坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)，坐標(biāo)圓點(diǎn)的位置測(cè)量誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差將影響外彈道測(cè)量精度。在高精度測(cè)量系統(tǒng)中的站址點(diǎn)位的測(cè)量精度要求為百萬分之一。第一代武器試驗(yàn)提出的測(cè)量點(diǎn)位大地勘測(cè)精度為1x 10-7 r時(shí)，高程為2m 。第2代武器試驗(yàn)要求測(cè)量站的站址相對(duì)于發(fā)射點(diǎn)的測(cè)量精度更高。目前已廣泛利用GPS 進(jìn)仔大地測(cè)量，這精度要求則很容易滿足，能使站址大地測(cè)量誤差的影響降至彈道總誤差的1/5 以下。

2. 測(cè)量元素誤差

任何測(cè)量設(shè)備的測(cè)量元素都有誤差，外彈道測(cè)量的主要誤差源(大約占彈道總誤差的1/3 以上)與測(cè)量元素的誤差和測(cè)量設(shè)備的體制、重要源器件的性能、濾波技術(shù)、外界干擾、校正方法等因素有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)頻率源的不穩(wěn)定、零值校正殘差、導(dǎo)彈飛行的高動(dòng)態(tài)變化、熱噪聲的影響都會(huì)引起測(cè)量誤差。盡管從設(shè)備設(shè)計(jì)、研制、安裝、調(diào)整直到操作使用等各環(huán)節(jié)都盡量減少誤差，但受技術(shù)水平的限制，測(cè)量元素誤差仍相當(dāng)大，在某些高精度外彈道測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量元素造成的外彈道誤差甚至占彈道總誤差的1/2 以上，且無有效方法扣除干凈。外測(cè)數(shù)據(jù)處理的主要處理流程之→就是修正和減小各種測(cè)量誤差以獲取滿足測(cè)量精度要求的彈道參數(shù)。

零值誤差：測(cè)得值為零時(shí)的基值測(cè)量誤差

光軸：安裝在天線上作為軸系基準(zhǔn)的望遠(yuǎn)鏡或者其他光學(xué)設(shè)備的視準(zhǔn)軸

天線電軸：對(duì)于跟蹤雷達(dá)，當(dāng)目標(biāo)處于天線波束某一個(gè)角度時(shí)的角誤差信號(hào)為零的方向（單脈沖雷達(dá)天線中是指差波束零點(diǎn)所指的方向）

測(cè)量元素誤差

零值誤差：儀器在定向時(shí)由于操作手視覺差和儀器本身誤差，觀點(diǎn)經(jīng)緯儀的水平盤零刻度線沒有真正對(duì)準(zhǔn)大地北從而產(chǎn)生了方位誤差，高低盤盤零度沒有對(duì)準(zhǔn)零角度，產(chǎn)生了俯仰誤差。

頻率誤差：由于計(jì)數(shù)器頻率和真空光速不符產(chǎn)生的和距離有關(guān)的系統(tǒng)誤差。

大氣折射誤差：兩部分組成：一部分由于大氣阻礙了光波的傳播，使光波速度延緩，另一部分是光波傳輸路徑彎曲造成的。

定時(shí)誤差：由于激光測(cè)距儀與光電經(jīng)緯儀所測(cè)的目標(biāo)不是同一時(shí)刻的測(cè)量值引起的。

軸系誤差：經(jīng)緯儀垂直軸、照準(zhǔn)軸和水平軸相互垂直。

照準(zhǔn)軸：儀器水平時(shí)方位零刻線對(duì)準(zhǔn)大地北的測(cè)站坐標(biāo)系X軸

垂直軸與鉛垂線線重合，測(cè)站坐標(biāo)Y軸，

水平軸基測(cè)站坐標(biāo)系Z軸。

由于三軸不相互垂直帶來的誤差稱之為軸系傾斜差，還有垂直傾斜差、水平傾斜差、照準(zhǔn)差

高頻誤差：誤差正負(fù)符號(hào)與數(shù)值的變化頻率較高的誤差，如白噪聲隨即誤差。

光軸和電軸不平行度稱為光電偏差。

光軸與機(jī)械軸的夾角（銳角）。

光機(jī)偏差只引起方位角誤差。機(jī)械軸是看不見、摸不著的，其指向只能通過特定的數(shù)學(xué)方法來獲取。光機(jī)偏差通過反向法來標(biāo)定，通過調(diào)整光軸的指向來調(diào)整其大小。

審核編輯 ：李倩