第1章 绪论 1
1.1 深空探测活动进展 1
1.1.1 太阳探测 3
1.1.2 以火星为主的行星探测 3
1.1.3 小天体探测 4
1.2 深空探测活动未来发展 5
1.2.1 美国 5
1.2.2 俄罗斯 6
1.2.3 欧洲空间局 6
1.2.4 日本 6
1.3 中国的深空探测活动 7
1.3.1 月球探测 7
1.3.2 火星探测 8
1.4 深空测控通信系统 8
1.4.1 任务功能 8
1.4.2 深空测控通信的特点 9
1.4.3 深空网概述 12
参考文献 17
第2章 轨道动力学 19
2.1 太阳系天体运动 19
2.1.1 太阳系行星 19
2.1.2 太阳系行星轨道参数 19
2.1.3 月球的运动规律 20
2.1.4 火星的运动规律 21
2.1.5 金星的运动规律 23
2.2 时间系统 23
2.2.1 世界时 24
2.2.2 历书时 25
2.2.3 原子时 25
2.2.4 力学时 25
2.2.5 坐标时 26
2.2.6 时间系统转换 26
2.2.7 历元 29
2.3 坐标系统 29
2.3.1 日心坐标系 29
2.3.2 火心坐标系 31
2.3.3 月心坐标系 32
2.3.4 地心坐标系 36
2.3.5 站心坐标系 45
2.3.6 坐标系统转换 47
2.4 轨道动力学基础 48
2.4.1 二体问题 48
2.4.2 多体问题 55
2.5 深空探测轨道设计 62
2.5.1 月球探测轨道设计 62
2.5.2 日地拉格朗日点探测器轨道设计 66
2.5.3 小天体探测轨道设计 77
2.5.4 火星探测轨道设计 80
参考文献 86
第3章 无线电测量 87
3.1 测距 87
3.1.1 基本原理 87
3.1.2 测距体制 88
3.1.3 测距模式 102
3.1.4 距离零值标校 103
3.2 测速 107
3.2.1 基本原理 107
3.2.2 测速模式 108
3.2.3 上行频率补偿 112
3.3 干涉测量 114
3.3.1 基本原理 114
3.3.2 干涉测量类型 115
3.3.3 测量流程 119
3.3.4 数据获取 123
3.3.5 数据处理和校正 124
3.4 测量误差分析 128
3.4.1 传输媒介对测量精度的影响 128
3.4.2 时标准确度造成的测量误差 134
3.4.3 地面接收机引入的测量误差 135
3.4.4 频率源准确度和稳定度引入的测量误差 138
3.4.5 其他测量误差 139
参考文献 139
第4章 遥测、遥控与数据通信技术 143
4.1 信源编码 143
4.1.1 无失真信源编码 143
4.1.2 限失真信源编码 145
4.2信道编码 149
4.2.1 基本概念与分类 149
4.2.2 级联码 151
4.2.3 LDPC码 153
4.2.4 Turbo码 155
4.2.5 信道编码性能 157
4.3 数据分包与格式化 160
4.3.1 数据分包的特点 160
4.3.2 数据分包的分层结构 161
4.3.3 数据分包的格式化 163
4.4 调制与解调 167
4.4.1 常用信号调制体制 167
4.4.2 恒包络连续相位数字调制 171
4.4.3 载波调制性能分析 173
4.5 遥测 174
4.5.1 深空遥测典型系统 174
4.5.2 遥测系统性能 176
4.5.3 极低损耗遥测解调技术 182
4.6 遥控 187
4.6.1 深空遥控典型系统 187
4.6.2 低码率指令接收技术 189
4.7 数据通信 190
4.7.1 深空数据通信典型系统 191
4.7.2 微弱抑制载波信号捕获技术 192
参考文献 194
第5章 深空探测器射频系统 195
5.1 系统组成与性能 195
5.1.1 系统组成 195
5.1.2 系统性能 197
5.2 应答机 199
5.2.1 应答机的组成和工作原理 199
5.2.2 高灵敏度载波捕获 200
5.2.3 低门限相干解调技术 202
5.2.4 转发测距与再生测距 204
5.2.5 DOR音的生成与调制 208
5.3 功率放大器 210
5.3.1 固态功率放大器 211
5.3.2 行波管放大器 214
5.3.3 功率放大器的性能指标 216
5.3.4 两种功率放大器的比较 217
5.4 探测器天线 219
5.4.1 探测器天线类型 219
5.4.2 天线设计 220
5.4.3 天线测量 223
5.4.4 天线误差与损耗分析 227
5.5 探测器间通信链路 229
5.5.1 器间通信系统设计 229
5.5.2 器间通信链路衰减计算 230
5.6 探测器射频技术发展 237
5.6.1 软件无线电技术 237
5.6.2 新型应答机技术 238
5.6.3 高频段通信技术 238
5.6.4 新型器载天线技术 239
5.6.5 高稳振荡器技术 240
参考文献 241
第6章 深空测控通信地面系统 243
6.1 系统概述 243
6.1.1 系统组成 243
6.1.2 工作流程 245
6.2 大口径天线 252
6.2.1 深空天线的构成 252
6.2.2 天线的标校 268
6.2.3 波束波导馈电系统的跟踪 282
6.3 超低噪声温度接收机 286
6.3.1 低温射频前端 287
6.3.2 超低温制冷系统 291
6.3.3 噪声温度测试 298
6.4 大功率发射机 303
6.4.1 大功率速调管 303
6.4.2 大功率高压电源 308
6.4.3 大功率冷却设备 313
6.4.4 大功率无源器件 315
6.4.5 实现更大输出功率的途径 320
6.5 高稳定度时间频率基准 321
6.5.1 深空站时间频率基准的组成 321
6.5.2 微波原子频标原理 322
参考文献 325
第7章 射频频谱设计与干扰防护 327
7.1 深空测控通信电磁频谱规划 327
7.1.1 ITU有关频率划分规定 327
7.1.2 CCSDS航天测控通信频段建议 329
7.1.3 SFCG深空测控通信频率使用建议 329
7.1.4 NASA月球与深空导航通信频谱结构 332
7.2 深空测控通信干扰保护 335
7.2.1 干扰影响分析 335
7.2.2 干扰保护标准 336
7.2.3 干扰判定准则 341
7.2.4 深空地面站选址电磁环境要求与协调区划分 342
7.3 深空测控通信频谱设计 345
7.3.1 测控通信频段选择 345
7.3.2 发射机带外发射约束 347
7.3.3 接收机选择性要求 349
7.4 典型电磁干扰计算 350
7.4.1 主要干扰类型 350
7.4.2 HDFS对深空站的干扰计算 351
7.4.3 地球轨道航天器网络对深空链路的干扰计算 352
参考文献 353
第8章 深空探测遥操作 355
8.1 遥操作 355
8.1.1 基本概念 355
8.1.2 模式分类 356
8.2 深空探测典型遥操作系统 357
8.2.1 苏联月球探测遥操作 357
8.2.2 美国火星探测遥操作 359
8.2.3 中国月球探测遥操作 362
8.3 巡视探测遥操作关键技术 364
8.3.1 巡视探测遥操作面临的技术难题 364
8.3.2 视觉测量与环境重构技术 366
8.3.3 遥操作规划技术 371
8.3.4 虚拟现实与人机交互技术 375
8.3.5 地面仿真与试验验证技术 379
参考文献 383
第9章 深空测控通信系统设计 385
9.1 任务分析 385
9.2 系统设计方法 386
9.3 链路设计 387
9.3.1 深空测控通信链路 387
9.3.2 测控通信门限的确定 390
9.3.3 接收功率计算 394
9.3.4 系统噪声温度计算 396
9.3.5 链路裕量 399
9.4 链路损耗计算 401
9.4.1 大气损耗的模型计算 401
9.4.2 12 GHz以下频段外部损耗估算 404
9.4.3 雨衰损耗 405
9.4.4 云雾损耗 407
9.4.5 实测数据的损耗统计方法 409
9.5 链路噪声温度估算 411
9.5.1 外部噪声温度的测量和计算 411
9.5.2 噪声指数和天线噪声 418
9.5.3 其他外部噪声 418
9.5.4 地面站系统噪声温度 418
9.5.5 系统噪声温度的测量 419
9.5.6 不同参考点系统噪声温度的归算 419
9.6 其他因素对测控链路性能的影响 420
9.6.1 星载应答机工作模式对转发噪声的影响 420
9.6.2 不同副载波波形的功率分配 423
9.6.3 仰角对链路损耗的影响 425
9.6.4 极化损耗 426
9.6.5 指向误差对天线增益的影响 426
参考文献 427
第10章 深空测控通信技术发展 429
10.1 自主与认知技术 430
10.2 天线组阵技术 432
10.3 深空光通信技术 434
10.4 行星际网络技术 436
参考文献 438
附录A 439
A1 八大行星轨道参数 439
A2 IAU 2000章 动模型 440
A3 圆锥曲线轨道特性 442
附录B贝塞尔函数表 443
附录C正态误差函数表 449
附录D链路计算参数概率密度函数 451
附录E天体的黑体亮温度值 453
附录F缩略词表 455