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1、深空探测中的天线组阵技术第23卷第4期2004年12月飞行器测控Vo1.23No.4Dec.2o()4深空探测中的天线组阵技术李海涛李宇华匡乃雪(1.北京跟踪与通信技术研究所?北京?100094;2.国防科技信息中心?北京?100036)摘要介绍了美国NASA深空网(DSN)天线组阵技术的概况,特点和工作原理,并探讨了其在我国深空测控领域应用的实际意义.关键词深空探测;天线组阵;信号处理AntennaArrayFormingTechnologyinDeepSpaceExplorationLIHai.taoLIYu.huaKUANGNai.XLle(1.BeijingIns
2、tituteofTrackingandTelecommunicationsTechnology,Beijing100094;2.DefenseTechnologyInformationCenter,Beijing100036)AbstractThispaperisanoverviewandintroductionofthefeaturesandoperationalprincipleoftheantennaarrayform—ingtechnologyoftheDeepSpaceNetwork(DSN)ofNASA.Then,thesignificanceofantenn
3、aarrayformingtoTr&cinChina'Sdeepspaceexplorationisdiscussed.KeywordsDeepSpaceExploration;AntennaArrayForming;SignalProcessing1引言天线组阵技术是伴随着人类探索外层空间的历程而逐步发展起来的.美国NASA的"旅行者2号"在20世纪80年代后期抵近天王星和海王星时,就是依靠深空网的地面天线组阵来提高返回的数据量.在抵近天王星时,位于澳大利亚堪培拉的70m天线与相距近180km处的一个64m天线组成阵列.在抵近海王星时,天线组阵通过戈尔德斯顿的7
4、0m天线和2个34m天线与新墨西哥州中部超大规模阵列的27个直径25m天线来实现.2天线组阵的特点所谓天线组阵技术就是利用分布在不同地点的多个天线组成天线阵列,接收来自同一深空探测器的信号,并将各个天线接收的信号进行合成,从而获得所需的高信噪比接收信号.天线组阵具有下述一些特点.首先,天线组阵可以增加口径效率,能够超过现有的最大口径天线,在需要的时候可以为某个特定任务提供支持,实现更高的资源使用.第二,系统可用性更高,维护灵活且工作可靠.常规的预防性维护可以在轮换使用不同天线的基础上实现,使系统能全时全功能工作.使用天线阵列,一个阵元素天线的失效只会使系统性能下降,而不会
5、导致整个系统瘫痪.第三,可以减少用于备件的费用.与全时全功能工作的单个天线所必需的100%的备份件要求相比,天线阵列只需要一个分数量级的备件配置方案.第四,可以通过使用更小口径的天线来降低成本.因为从重量和尺寸考虑,小口径天线更容易建造.制造过程可以实现批量化,自动化,从而降低成本.第五,天线组阵还可以提高系统的可操作性和计划的灵活性.新增加的天线单元对正在执行任务的设备不会有任何影响;可以根据不同任务的需求设计不同的组阵方案和工作计划安排.此外,具有长基线的天线阵可以用来支持有关的科学应用,如甚长基线干涉(VLBI)和射电天文等.3天线组阵工作原理图1所示为位于地球表面
6、的两个天线接收一个遥远目标的无线电信号所形成的一个简单的干涉仪.收稿日期:2004—06—10作者简介:李海涛(1973一),男(汉),河北人,工程师/硕士,主要从事航天测控总体以及无线电外测总体的设计与研究工作.58飞行器测控第23卷从矢量的观点看,一个来自无限远处目标的无线电波到达两个天线的时间相差为r,可以简单表示为r=:_Bsin0(1)其中曰是矢量,从1号天线相位中心延伸到2号天线相位中心;f是指向射电源的单位矢量;c是光速.假设每个天线正在观测一个工作频率为l/.上的遥远的无线电信号,每个天线的输出通过等长度的电缆连接到一个乘法器上.该乘法器在t时刻的输出有如
7、下形式=2sin()sin((t一7-))(2)如果将(2)式展开,令其通过--一个低通滤波器,得到的式(3)=COS(∞r)(3)足来自干涉仪每个单元电压的简单相干乘法.如果知道r,或者可以测量到它,则在来自天线的一个或两个电缆中构建一个补偿延迟是可能的,这样总的电缆延迟和几何延迟就可以完全抵消在这种情况下,乘法器的是最大的,且电压同相.如果我们引人一个岽加电路与乘法器并联,就可以获得两个天线信号的电压相干和.这种处理就是利用信号的相位相干关系将两个信号相加,从而构成了一个天线组阵的系统.一个理想天线阵(无合成损失)的G/T
