深空网的天线组阵技术

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内容简介: 本书主要介绍了美国深空网采用的天线组阵技术的概念、原理、特点和信号处理方法,以及该技术的未来发展方向。全书共分为10章,每章后面都列出了丰富的参考文献,为读者进一步学习和研究提供方便。本书适合深空测控通信系统及其相关领域的设计和研究人员阅读参考。

目录: 第1章概述1
1.1组阵的优点2
1.1.1性能优点2
1.1.2可操作性优点3
1.1.3成本优点3
1.1.4灵活性优点3
1.1.5科学优点4
参考文献4
第2章深空网组阵的背景5
2.1早期的发展6
2.2发展现状7
2.3现有能力的预期应用8
参考文献9
第3章组阵的概念10
3.1作为干涉仪的阵列10
3.2可检测性12
3.3天线和阵的增益限制13
3.4系统温度14
3.5可靠性和可用度16
参考文献19
第4章组阵技术概述20
4.1全频谱合成(FSC)20
4.2复符号合成(CSC)21
4.3符号流合成(SSC)22
4.4基带合成(BC)23
4.5载波组阵(CA)24
参考文献25
深空网的天线组阵技术
目录
第5章单台接收机的性能26
5.1基本公式26
5.2恶化和损失28
参考文献32
第六章组阵技术33
6.1全频谱合成(FSC)33
6.1.1遥测性能38
6.2复符号合成(CSC)41
6.2.1遥测性能44
6.3符号流合成(SSC)45
6.4基带合成(BC)48
6.5载波组阵(CA)51
6.5.1基带载波组阵方案52
6.5.2中频载波组阵方案53
参考文献55
第7章组阵的组合与比较56
7.1组阵的组合56
7.2数值实例59
7.2.1先驱者10号59
7.2.2旅行者2号61
7.2.3麦哲伦号63
7.2.4伽利略号64
7.3结论70
参考文献71
第8章相关算法72
8.1概述72
8.2Simple算法73
8.3Sumple算法74
8.4Eigen算法75
8.5最小二乘法75
8.6仿真75
参考文献76
第9章目前的组阵能力77
9.1设备描述77
9.2信号处理80
9.2.1相关80
9.2.2延迟补偿83
9.2.3合成83
9.3结论83
9.3.1遥测阵增益84
9.3.2无线电外测的阵增益86
参考文献86
第10章未来的发展88
10.1平方公里阵89
10.2阿伦望远镜阵90
10.3DSN的大型阵92
10.3.1相关96
10.3.2监视和控制97
10.3.3信号发送97
10.3.4维护97
10.3.5数据路由选择98
10.4上行链路阵98
10.4.1电子设备稳定性99
10.4.2对流层变化99
10.5软件合成器99
10.6结束语100
参考文献100
附录A天线定位102
附录B阵的可用度104
参考文献105
附录C解调过程106
C.1信号模型106
C.2载波解调106
C.3副载波解调107
C.4符号解调107
附录DDSN天线的伽马因子109
参考文献109
附录E闭环性能110
附录F副载波环和符号环的SNR性能111
F.1副载波I和IQ环111
F.2数字数据跳变跟踪I和IQ环114
参考文献118
附录G复符号合成的公式推导120
G.1式(6.2-5)的推导120
G.2式(6.2-1)的推导120
总参考文献122
缩略语130

前言: 本书介绍深空网(DSN)中天线组阵技术的发展和应用,为那些希望了解这一已经研究成功并已实现的技术的人员提供入门指导。书中并没有对组阵这一主题进行全面的讨论,只包括DSN已经使用的那些相关部分。
虽然基带组阵、符号合成和载波组阵技术在DSN历史中相当早的时候就进行过研究和开发,但直到进入木星范围的伽利略探测器上的主天线发生故障,天线组阵才显示出其重要作用。为了应对这一危机,对全频谱组阵和复符号合成两种方法进行了分析。虽然这两种方法都得到了进一步开发,但最终采用了全频谱组阵来支持伽利略数据重放。这一努力非常成功,后续的全频谱组阵提供了比伽利略任务更高的数据率,可以同时利用戈尔德斯顿综合设施内多达6个天线进行组阵。除了给70m天线提供备份外,该全频谱处理阵(FSPA)可以使未来的深空任务在不同的时间使用数量不同的天线,从而使资源的利用最优化。这种能力在DSN其他的综合设施内也已经实现。
我们在本书中对这一技术的发展进行了描述,包括某些历史背景,对几种组阵方法的分析,这些方法及其组合的对比,用于获得合成加权值的几种相关处理技术的讨论,几项组阵试验的结果和对未来研究的一些建议。这些内容摘自许多在JPL参与组阵技术和能力开发工作的同事们的著作。我们对在DSN天线组阵中扮演重要角色的诸多的科学家、工程师、测试和操作人员深表感谢。最后我们感谢NASA及其深空网,特别是伽利略工程在开发这一令人兴奋的能力中所起的重要作用。
David H.Rogstad
Alexander Miteant
Timothy T.Pham

序言: 1998年,美国国家航空航天局(NASA)在加州理工学院的喷气推进实验室(JPL)成立了深空通信和导航系统精英中心(DESCANSO)。DESCANSO负责管理和促进能够满足未来深空探测对通信和导航技术需求的创新和改革。
DESCANSO的目标是实现在任何时间、任何地点的连续通信和精确导航。为了支持这一目标,DESCANSO努力探寻和提倡新概念、新系统和新技术;培养关键的技术人才;主办报告会、专题讨论会和论坛,来实现互动和思想交流。
《JPL深空通信与导航丛书》由在各自领域有多年经验的科学家和工程师撰写,通过交流关键技术领域的最新技术知识为创新奠定基础。该丛书归纳了JPL在几十年的深空探测研究过程中获得的基本原理和实践经验,同时还介绍了值得赞美的成果和应该吸取的教训。该丛书将作为新一代从事本领域研究的科学家和工程师的指南。
Joseph H.Yuen
(DESCANSO负责人)
进入21世纪以来,随着美国机遇号、勇气号火星探测器成功登陆火星,卡西尼号探测器飞抵土星并成功释放惠更斯号探测器着陆土卫六,深空探测越来越成为全球关注的焦点。美国宣布将在2015年前后将宇航员重新送上月球,在那里建立永久性基地;在2030年之后,美国宇航员将前往遥远的火星探险。随着人类探索外太空活动的深入,深空探测正逐步成为航天活动的新热点。
我国于2000年发布的《中国的航天》白皮书指出,深空探测是指对太阳系内除地球外的行星及其卫星、小行星、彗星等的探测,以及太阳系以外的银河系乃至整个宇宙的探测。 它是继卫星应用、载人航天之后的又一航天技术发展领域。
月球探测和火星探测将是21世纪空间探测的重点领域。我国探月工程计划的启动是中国走向深空探索的第一步,标志着我国深空探测的开始,也是未来进行更远深空探测的必然要求。随着我国经济和科技实力的不断增强,进一步开展深空探测,展开对火星、小行星和其他太阳系内行星的探测将是我国未来深空探测的目标。
北京跟踪与通信技术研究所作为我国测控领域的技术总体单位,广大科技人员长期跟踪国际深空测控领域的技术动态和发展方向,并对深空测控通信技术进行了预先研究。此次我所组织翻译的《JPL深空通信与导航丛书》是美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)编著的一套关于深空探测器测控通信技术的专著,该套丛书总结了美国NASA近50年来深空测控通信工程技术的经验,是从总体上了解和掌握深空测控通信技术不可多得的教材。 同时,书中提供的参考文献为读者进一步深入研究和学习提供了帮助。相信该丛书的翻译出版不仅对深空测控领域的科研、工程和教学人员具有较高的参考价值,而且对于我国未来深空测控通信系统的总体设计和建设以及相关技术的研究都具有一定的指导意义。
北京跟踪与通信技术研究所
2005年3月