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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A439

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