什么是空间电子学?

什么是空间电子学?

[拼音]：kongjian dianzixue

[外文]：space electronics

为航天工程、空间探测和各种应用卫星系统服务的电子技术和理论。航天器和航天地面设施中都需要大量的电子设备。航天器在遥远的宇宙空间飞行，与地球的联系主要依靠无线电，空间和地面的设备通过无线电波联合成一个整体。因此空间电子学是包括空间和地面以及电波传播过程在内的电子技术和理论。

发展概况

1957年世界上第一颗人造地球卫星上天，就利用了无线电跟踪和无线电遥测系统（见航天测控系统、无线电跟踪测量系统、遥测技术）。60年代发射了各种科学卫星和载人飞船，建立了多种应用卫星系统。航天器在运行中须保持特定的轨道和姿态，必要时还须进行某种机动或调整，为此发展了航天器的姿态和轨道控制技术，其中无线电测控系统和地面无线电跟踪测量系统就成为十分重要的手段。

1964年第一颗静止通信卫星发射成功，使通信技术进入了一个崭新的阶段。“国际通信卫星”Ⅴ号的总有用带宽已达2300兆赫，可以转接双向话路达12000 路。新的时分多址体制将使通信达到更高的效率和速度。广播卫星正在发展，直播Ku波段的彩色电视可以用 1米以下直径的天线获得满意的效果。卫星教育系统、卫星会议系统、卫星邮政系统、卫星救援系统也正在迅速兴起。在航天器上安装高分辨率的光学和电子遥感仪器，可以探测地球大气、陆地和海洋，获取大量的信息。为了把大量的探测数据传回地面而发展了高速率卫星数据传输系统。深空探测是航天技术的一项重要成就，它推动了空间电子学的进一步发展。70年代末期发射的空间探测器，经过几亿至十几亿公里历时数年的飞行，接近木星和土星，观察和拍摄它们的图像，发回数据，其传输速率达100千比特/秒以上，是电子学上远距离通信的巨大成就。

空间电子学的研究内容

空间电子学主要研究：

（1）航天器内部的信息处理、存贮和控制技术；

（2）航天器的电源和稳定技术；

（3）航天器跟踪、测量、定位、遥测和遥控技术；

（4）卫星通信和广播技术；

（5）空间探测和遥感技术、远距离大数据量的信号传输技术、遥感图像的处理和识别技术；

（6）利用卫星对运动物体的无线电定位技术。此外，还有与这些电子技术相联系的理论和技术:数字通信理论、自动控制理论、电波天线理论、抗干扰理论和技术、遥感处理技术和理论、微电子技术等。

空间电子学的特点

应用于航天系统的空间电子学具有一些区别于其他方面电子技术的特点。

（1）对航天器上电子设备的要求是体积小、重量轻、功耗小（效率高）、可靠性高以及抗极端环境条件的能力强。对于载人航天，可靠性要求就更高。保证可靠性的主要措施包括：提高电子元、器件本身的可靠性；在电子系统设计中采用容错技术；在设计上避免将电子元、器件在临界负荷状态时使用；尽可能地使航天器上电子设备在最佳的环境条件下工作。

（2）空间电子系统的地面部分要有很高的接收灵敏度、很大的发射功率和较大的接收或发射天线。在航天技术中，作用距离是突出的问题。对于1000多公里的中高度卫星，作用距离须达到4000公里，对于静止卫星须达到4万公里以上，对于到达金星的空间探测器须达到4000万公里;对于到达木星的空间探测器则须达到6亿公里。航天器上的电子设备受到体积、重量和电源的限制，通信体制选定后，主要依靠地面设备来解决作用距离的问题。

（3）空间探测和跟踪要求有极高的分辨率和精度。随着对地观测卫星的发展，要求探测的分辨能力和层次的鉴别能力不断提高。例如对于地球资源卫星和海洋监视卫星来说，要求从800～1000公里的高度分辨出几十米或更小的地面目标。获得成功的卫星遥感器有多光谱扫描仪和合成孔径雷达等。随着应用卫星定位和姿态控制精度和实时性要求的提高，对测控系统测量的分辨率和精度要求也不断提高。测角精度已能够达到0.05密位；无线电系统测距分辨率达到1米以内，激光测距系统达到数厘米；测速精度达到1厘米/秒；地球静止卫星姿态控制精度达到0.1度。

（4）为了发挥各种应用卫星的作用，空间电子设备应具有高速率和宽频带的性能。对地观测或空间探测所获得的数据量越来越大，需要在一定的时间内传送给地面接收站，这就要求有高速率和宽频带的无线电传输系统，促使空间电子学向更高频段发展。提高频率可以大幅度地提高整个系统的传输带宽。同时，空间常用通信频段的用户已经十分拥挤，有必要开辟新的频段，例如Ku波段（12.5～18吉赫）、K和Ka波段（20～40吉赫）。

（5）空间电子系统广泛应用计算机和系统工程。远距离传输中的信号设计和变换、信号频带的压缩、卫星遥测和遥感数据的处理、航天器姿态、轨道、机动和工作状态的控制都需采用计算机，在许多情况下甚至非计算机不可（例如对卫星姿态的实时控制，对大数据量资料的快速处理等）。空间电子系统由地面到空间，复杂而庞大，并且多是具有信息反馈的实时控制系统，必须应用控制论和系统工程的原理和方法进行论证和设计。