航天遙測

航天器的飛行參量包括火箭發動機的推力、點火時間和關機時間，航天器的位移、速度、加速度、振動、衝擊、軌道、姿態、雜訊、過載和燒蝕，艙內的溫度和壓力，以及星載設備的電壓、電流、液位、流量等。獲取航天器飛行時的工程參量，可以為改進航天器的性能積累資料，並能利用內部工程參量（如航天器的速度和加速度，發動機的點火時間和關機時間等），計算出航天器的彈道(軌道)，用以實時監控航天器的運動。當航天器發生故障時，地面測控站便發出自毀命令，使航天器在空中炸毀。在航天測控中，常把這種利用遙測技術獲取航天器內部工程參量來計算彈道的方法稱為內彈道測量，簡稱內測。而把應用雷達和電影經緯儀測量航天器的位置、速度和加速度來計算彈道的方法稱為外彈道測量，簡稱外測。宇航員生理參量有呼吸、脈搏、心率、心電圖及生活工作情況的電視傳真照片。用遙測方法獲取宇航員生理參量，能監測宇航員的健康情況，在發現有不正常的情況時由地面測控站發出指令，提醒宇航員注意，並建議採取相應的應急救護措施。軍事偵察信息包括雷達的頻率、波形、數量和配置，軍用機場、港口和倉庫，導彈發射場和軍事調動情況等。它是利用偵察衛星飛臨其他國家上空時用電子或光學方法收集情報，拍攝成多光譜照片或記錄在數字磁帶上，待衛星飛臨本國地面測控站時進行重放，或等衛星濺落時回收。科學探測信息極其廣泛，如地球大氣、磁場、輻射分佈，其他星球附近及表面狀況等。它是利用航天器飛臨被考察對象時用電子或光學的手段將要探測的信息以數據或圖像的形式實時發回地面測控站或記錄在多光譜膠片和數字磁帶上。

航天遙測的信息傳輸有三種基本類型：①實時信息傳輸。航天器飛行參量和宇航員生理參量的傳輸大多採用這種方式，科學探測和軍事偵察有時也採用這種方式。②記錄重放。航天器採集的信息先拍攝成多光譜照片或記錄在數字磁帶上，待衛星飛臨地面測控站時進行重放，發回地面。③濺落回收。航天器採集的信息均記錄在磁帶和膠片上，待衛星濺落時回收。航天遙測的信息傳輸往往同時兼用這三種方式。

由於航天器與地面測控站之間距離遙遠，只有採用無線電傳輸。地面測控站收到的遙測信息非常微弱，信噪比小，信號失真大，必須採用數字糾錯編碼。航天遙測要傳輸的參量種類多，傳輸每一類參量各需一條通道。因此從信息傳輸的角度來說，航天遙測屬於多路傳輸，可用頻分制、時分制和碼分制來實現。航天遙測傳送的內容，不僅有參量信息，而且有圖像信息(240000比特／幀)，信息量大，因此常利用信息的相關性對數據進行壓縮，以提高通道的傳輸效率。航天遙測還要求全天候工作，信息傳輸的可靠性要求很高，必須對空間通信進行專門的研究。隨著航天工業的發展，航天遙測的信息傳輸也得到迅速的發展。

航天遙測系統航天遙測系統是航天測控系統的一個分系統，它由發送端和接收端兩部分組成(圖1)。發送端在航天器上，包括感測器、變換器、分路編碼器、記錄重放器和發射機，用來將航天器內部的工作參量、宇航員生理參量和科學探測信息發送到地面測控站。接收端在地面測控站上，包括接收機、分路解碼器、記錄器、顯示器和數據處理器，用於實時記錄、顯示或處理，並可供事後研究處理之用。

航天遙測系統按功能分為10個基本組成部分。

①　感測器　用來測出被測對象的參量信息，並將其轉變為電量。

②　變換器　在感測器與分路編碼器之間起緩衝、匹配、線性化和補償的作用，有時還包括信源編碼器。信源編碼器中有模數轉換器和數據壓縮器。數據壓縮的目的是提高通道傳輸效率。

③　分路編碼器　又稱通道編碼器。其作用是給基帶遙測信號某種附加特徵，以利於區分通路，並變換基帶信號的形式，增加傳輸過程中的抗干擾性。在時分制航天遙測系統中（圖2），時分器在每個周期內先後對各路連續信號Si(t)(i=1,2,…，n)採樣，產生時間上不重疊的脈衝信號。在調製器中進行脈幅調製、脈寬調製、脈位調製或脈碼調製。相加器給信號時間序列加上同步信號，以便接收端的時分器將收到的信號分路送往各通路的終端。在頻分制航天遙測系統中（圖3），由各路連續的信號Si(t)分別對不同頻率的副載波fi(i=1,2,…,n)進行調製，然後將各已調副載波相加后發送出去。接收端對收到的信號用頻率濾波器區分通路。在碼分制航天遙測系統中(圖4),將一組參量信號Si(t)分別對一組正交函數波形Li(t)(i=1,2,…,n)進行調製。接收端對收到的信號利用函數的正交性來區分通路。為了提高信號傳輸中的抗干擾性，可在編碼過程中增加可控冗餘度，利用編碼碼元或碼組之間的相關性糾正錯碼。在航天遙測中常用雷德－所羅門碼作為糾錯碼（見編碼理論）。

④　記錄重放器　航天器獲取的科學探測信息或軍事偵察信息除了採用實時信息傳輸的方式以外，也可以暫時記錄在多光譜照片或數字磁帶上，待航天器飛臨地面測控站時進行記錄重放。

⑤發射機被參量信號調製的副載波，即已調副載波，在發射機中進一步再調製載波，放大后發送到地面測控站。

⑥接收機　地面測控站的接收機收到航天器發來的遙測信號，經放大、變頻后，送到分路解碼器。

⑦　分路解碼器　根據航天器發來的不同制式的遙測信號採取相應的區分通路和解碼的方法，分離出各路遙測信號。

⑧　記錄器　記錄需要事後處理和部分重要的實時處理參量

⑨　顯示器　實時顯示航天器的彈道（軌道）、航天器內部工作狀態參量和宇航員的工作生活情況，以便進行實時監控，及時發出指令。

⑩　數據處理器　包括對收到的數據進行預處理，如數據的剪接，檢異，形式變換，消除固定誤差和平滑濾波等，以提高數據質量，節省數據處理時間。航天遙測的數據處理有兩種基本方式：實時處理（包括實時估算彈道和顯示宇航員的工作生活情況）和事後處理（用於事後對各種遙測參量進行研究）。

我國的GJB21. 1B -2006遙測標準規定了遙測的調製體制選用範圍，如下所示。

其中，PCM-FM是我國航天遙測系統中最常用的調製體制，現有系統均支持PCM -FM調製體制。在未來較長一段時間內，PCM-FM仍將是我國最主要的遙測調製體制。

1 PCM-FM 脈衝編碼調製-調頻

2 PCM-MFSK脈衝編碼調製-多元頻移鍵控

3 PGM-BPSK-PM脈衝編碼調製-二相相移鍵控-調相

4 PPM-MFSK-PM 脈衝位置調製-多元頻移鍵控-調相

5 PCM-CDMA-BPSK脈衝編碼調製-碼分多址-二相相移鍵控

6 PCM-BPSK脈衝編碼調製-二相相移鍵控

7 PGM-QPSK脈衝編碼調製- 四相相移鍵控

8 PCM-UQPSK脈衝編碼調製-非平衡四相相移鍵控

9 PCM-OQPSK 脈衝編碼調製-偏移四相相移鍵控

在很長一段時間內，PCM-FM遙測的最高碼率一直沒有超過2Mbit/s。而隨著新一代運載火箭等新的型號出現，遙測傳輸信息量的需求激增，最髙碼率需求已提高到10Mbit/s以上。2007年，北京遙測技術研究所開發了MSD(多符號檢測）+TPC(Turbo乘積碼）調頻遙測性能增強技術，在不增加天線增益和發射功率的前提下，可大幅度提髙系統的傳輸碼率和作用距離。在PCM-FM遙測系統中，應用MSD+TPC技術，僅多佔用25%的通道帶寬，在誤碼率為lx l0_7條件下，相對於傳統方法，可獲得近8dB的通道增益。北京遙測技術研究所研製的MSD+TPC調頻遙測系統最髙已經可以支持20Mbit/s以上的傳輸速率，可以滿足諸多新型運載型號的高碼率遙測需求。可以預見，MSD+TPC調頻遙測技術將在我國運載火箭遙測系統中得到廣泛地應用。此外，為了實現更高的傳輸速率需求，在現有遙測系統的基礎上，發展S0QPSK和ARTMCPM等其他髙頻譜效率和功率效率的調製體制，也是十分必要的。同時，也應關注MIMO、OFDM和聯合編碼調製等無線技術在遙測系統中應用的可行性，並開展相關技術的工程化研究，提前進行技術儲備。

根據《中華人民共和國頻率劃分規定》，GJB21.1B -2006遙測標準對航天遙測的頻段進行了詳細規定。

我國C頻段航天測控網主要用於地球靜止軌道衛星的發射和定點管理M，X頻段和Ka頻段已經用於建設之中的深空測控系統。而我國的運載火箭遙測系統主要採用S頻段（2200~2300MHz)，遙測工作頻段低、工作頻帶寬窄、S頻段資源緊張的問題在一定程度上已經成為制約遙測系統發展的瓶頸：

1) 航天器試驗日益頻繁，S頻段已很擁擠；

2)隨著3G、4G移動通信系統的大規模商用和其他地面無線通信網路的使用，S頻段受到的射頻干擾逐漸增多。已有部分測控場站受到了該問題的影響；

3)航天遙測與航空遙測共用S頻段，隨著各航天、航空型號的任務數量不斷地增加，航天、航空遙測任務區域的不斷擴大，未來也可能暴露出頻率協調困難的情況。因此，提高遙測頻段，擴展遙測頻譜，對於我國的遙測系統發展是十分必要的。結合WRC-07的頻譜分配結果，5.091~5.150GHz頻段有希望成為我國一個新的遙測頻段。我國可以考慮在新的C頻段開展遙測/測控體制和技術研究，為建設新的C頻段遙測/測控網、滿足航空/航天遙測/測控需求提供技術儲備。北京遙測技術研究所作為我國主要的航天遙測系統研製單位。已經開始針對C頻段遙測進行技術儲備和研究。此外，北京遙測技術研究所瞄準Ka頻段的發展趨勢和應用需求，開展了大量研究工作，成功研製了一批Ka頻段遙測測控設備和系統，做了大量的技術儲備，將在我國航天遙測系統中發揮十分重要的作用。適合於遙測的無線電頻譜資源十分寶貴而且稀缺，航天遙測領域的相關單位等應共同努力，在遵循我國無線電管理機構和國際ITU的有關規定前提下，針對新的遙測頻段開展相關研究，確保遙測頻譜資源能夠適應未來較長時期內的遙測任務需求。