干涉测量宽带相关处理算法与验证

阐述了一种用于航天器精确角位置测量的干涉测量宽带相关信号处理算法,通过仿真验证了算法的有效性,并搭建卫星干涉测量实验系统,采集某地球同步卫星信号进行宽带相关信号处理,获得清晰干涉条纹,准确估计出反映测站与卫星位置关系的时延观测量。结果表明宽带相关信号处理的估计时延与卫星信号链路标定时延、测距时延组成系统时延闭合回路,初步验证了干涉测量实验系统的有效性,为后续飞行任务中航天器高精度干涉测量积累了技术和经验。     

嫦娥卫星数传副瓣信号的干涉测量研究与精度验证

针对深空差分干涉测量(DOR)信号受数传副瓣信号干扰问题,首次研究了数传副瓣信号(泄露频谱)的干涉测量,建立了数传副瓣信号干涉测量优化模型,并利用嫦娥三号着陆器实测数据验证比对了数传干涉时延与DOR干涉时延。实验结果表明,干涉带宽相仿条件下,数传信号干涉时延随机误差约0. 02 ns(STD),优于DOR干涉时延0. 17 ns(STD)的随机误差;利用射电源差分观测后,DOR干涉时延与数传干涉时延基本吻合;以干涉相时延为基准,数传干涉时延的波动误差约为0. 14 ns(STD),稳定性优于波动误差约为0. 46 ns(STD)的DOR干涉时延。该结论对嫦娥五号、载人登月等任务中下行数传信号阶段提高干涉测量精度、火星探测任务中DOR信号与数传信号分时工作模式下增加干涉测量覆盖弧段具有直接的工程价值。     

基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算无控航天器轨道衰降研究

针对低地球轨道航天器服役期满离轨陨落、特别是功能失效处于无控飞行的航天器轨道衰降难以模拟的问题,在航天器轨道动力学方程直接积分计算框架中,把稀薄气体动力学与轨道动力学结合起来,发展了基于跨流域空气动力精细数值模拟驱动的低轨航天器气动特性一体化快速算法,提出了无控航天器轨道衰降失稳自旋飞行姿态等效迎角模拟法,初步建立了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分高精度计算模型。对大型航天器A受控陨落开展计算分析,验证了本文发展提出的轨道计算、气动力一体化计算方法正确性与高精度。在大型航天器B无控失稳自旋飞行轨道衰降计算分析中,得到了与外测轨道星历数据吻合一致的长弧段和短弧段预报结果,在停止外测轨道数据供给5 h内,地心惯性系位置预报偏差低于1.5 km,验证了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算模型对无控航天器轨道衰降预报的合理性。     

大型航天器无控飞行再入时间短期预报的轨道摄动方法研究

针对寿命末期大型航天器临近再入前轨道衰降受到跨流域多尺度非平衡环境下气动力/力矩影响显著的问题,基于体坐标系下的气动力和力矩分量,建立了航天器轨道-姿态动力学摄动模型;结合航天器再入跨流域空气动力学统一计算理论与数值模拟手段,提出了大型航天器无控飞行轨道衰降过程气动特性一体化快速算法。基于地心惯性坐标系气动融合轨道动力学方程数值积分方法对航天器的轨道姿态摄动模型进行了外推计算,结合无迹卡尔曼滤波方法对外测轨道星历观测数据初值误差和模型误差进行了滤波。针对250～120 km高度范围的大型航天器短期轨道衰降变化进行仿真预测,对比了外测轨道星历数据,结果表明:本文提出的经卡尔曼滤波误差分析的轨道摄动模型方法对寿命末期大型航天器短期轨道预报具有较强的模拟能力与有效性,有助于推动近地轨道空间目标气动融合轨道数值预报领域发展。     

基于相频约束的航天器定时技术

双向相干测距测速体制是最常用的航天器测量体制,是一种闭环体制.与之相比较,开环测距测速可以在信号更微弱的情况下获取到观测量,在深空任务中有着独特的意义.然而,开环测距也面临棘手的技术难题——高精度航天器定时技术.针对该难题,在保持现有航天器信号体制的基础上,阐述了基于遥测信号和测距侧音信号（差分单向测距DOR信号可看作侧音信号）间相频约束的航天器定时原理,研究了侧音频率最优化设计方法,给出了“器上发射测站接收”的初步实现方案,为后续开展工程应用奠定了基础.     

航天器测控仿真方法研究

航天器发射前,航天飞行控制中心需要对相关测控方案和软件进行验证。利用仿真系统验证测控方案和软件是一种行之有效的途径。航天器测量数据、轨道和姿态控制仿真是航天飞行控制中心仿真系统的重要组成部分。分别讨论了航天器测量数据、轨道控制和姿态控制仿真方法,分析了航天器测控仿真系统的建立,通过仿真结果说明了仿真方法的合理可行。     

一种基于航天器通用下行信号相关处理的干涉测量方法及验证

针对航天器未搭载干涉测量信标机的情况,提出了一种基于通用下行信号相关处理的干涉测量方法。首先分析了通用下行信号相关处理中载波重建、整周模糊解算和系统时延偏差估计等技术;然后,结合试验,针对某地球同步卫星下行信号特点,提出了一种递进解模糊的载波提取方法;最后,对同步卫星实测数据进行了处理,得到了1.03 ps量级的时延估计精度,验证了所提方法的有效性。     

相关分析技术在工程测量中的应用分析与研究

相关分析法是信号分析和工程测量中重要的技术方法。通过理论分析和数学仿真研究了两种相关法测量——相差法相关测量和时差法相关测量的理论基础和适用条件。相位差法相关测量要求源信号为单一频率的简谐信号，适宜测量较小的时差。时差法相关测量要求源信号为非单一频率的宽频带信号，适宜测量较大的时差。源信号的带宽越宽，互相关函数的峰值点的峰值优势越大，其测量的抗干扰性能越好。     

深空探测器无线电干涉测量开源数据处理系统构建及试验

为更好地开展深空无线电干涉测量试验,基于DiFX(Distributed FX,分布式FX型相关处理)、SPICE(Spacecraft Planet Instrument Camera-matrix Events,航天器行星仪器照相机矩阵事件)、HOPS(Haystack Observatory Postprocessing System,Haystack克天文台后处理系统)及AIPS(Astronomical Image Processing System,天文图像处理系统)等开源软件,搭建了一套可用于深空探测器信号相关处理的无线电干涉测量数据处理系统。首先介绍了该系统的整体架构及组成,然后介绍了系统各组成模块的功能及工作原理,最后利用该系统对嫦娥三号着陆器开展了观测试验,并对观测数据进行了处理。试验结果表明,该系统能成功实现深空航天器信号的相关处理、条纹拟合,以及时延解算等功能,有望为我国嫦娥五号任务及火星探测任务数据处理提供支持。     

高精度实时弹道预报方法研究

试验任务中指挥中心需要实时向各测控设备发送引导信息,引导其捕获目标并稳定跟踪。随着试验任务要求不断提高,对引导精度的要求也越来越高,而计算高精度引导信息的关键是准确预报目标的弹道参数。目前常用的被动段弹道预报方法精度不高,不能满足高精度引导要求。本文着眼于预报初值精度的提高和预报模型的改进,将航天器轨道动力学知识运用到导弹被动段动力学建模中,建立了更符合导弹被动段运动特性的动力学模型来进行弹道预报。仿真数据计算表明,此方法能提高被动段弹道预报的精度,具有较高的应用价值。     

频率源特性对CEI精度影响分析

频率源特性导致的误差是影响干涉测量精度的因素之一,基于频率源稳定性详细分析了频率基准对CEI （Connected-Element Interferometry,连线端站干涉测量）精度的影响机理,针对差分单向测距/双差分单向测距、本地相关/互相关等各种干涉测量模式,给出了频率源稳定性对测量精度影响的解析表达式,并基于典型条件量化了频率源不稳定带来的误差大小,给出了能够满足CEI的频率源稳定性指标的建议.分析计算结果表明：如果要解出载波相位延迟量,在其他误差因素不会导致相位模糊的情况下,针对X频段差分单向测距,频率源稳定性优于8.5×10^-12/s即可;针对双差分单向测距,对频率源稳定性的要求可进一步放宽.由此可以认为：在CEI模式下,较好的铷频标即可满足测量要求.     

基于卫星和星敏感器的冗余激光惯组在轨标定

采用高精度卫星导航速度、位置信息以及星敏感器提供的姿态信息设计十表冗余捷联惯组的标定模型,包含陀螺和加速度计的零次项和标度因数,对卫星和星敏感器辅助的冗余激光陀螺捷联惯组进行实时在轨标定.利用标准Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波作为估计算法,对十表冗余捷联惯组参数进行在线估计.数值仿真结果表明:参数标定精度均在7％以内,是一种实时的在轨标定方法,满足误差补偿要求.冗余惯组在轨标定方法为航天器高精度定姿和定轨提供了一种理论参考.     

一种改进双块补零北斗导航接收机弱信号捕获方法

利用卫星导航系统对高轨航天器进行自主导航与高精度定轨,对接收机的捕获灵敏度要求极高,双块补零(DBZP)算法是无辅助下卫星导航弱信号捕获的理想方案,然而受限于数据处理量大,DBZP实际应用难度大。在深入分析双块补零机理的基础上,结合矩阵重构的思想,提出了一种改进双块补零北斗导航接收机弱信号捕获方法。该方法对参与块内相关运算的基带信号和本地测距码分别进行重构,解决了块内点数与快速傅里叶变换输入点数之间的矛盾,提高了北斗导航接收机弱信号捕获性能。仿真实验结果分析表明,改进双块补零算法对信噪比没有损失,可以保证对低至15dB·Hz的弱信号进行有效捕获,能够满足高轨航天器定轨、室内外无缝导航等对接收机高灵敏度的需求。本方法是在块内运算层面对DBZP进行优化,具备良好的通用性和可移植性,与优化相干积分策略的各种改进DBZP算法可以无缝对接,进一步提高北斗导航接收机信号处理的效能。同时,重构的思想也适用于其他采用码分多址信号的卫星导航系统的弱信号检测和捕获,对提升多星座卫星导航系统的基带信号处理性能具有参考意义。     

基于数字包络检波的RNSS通道时延标定方法

提出一种采用数字处理的时延测试方法,用于对导航卫星导航信号发射通道分数码片时延的精确测量。该方法是通过高速A/D（模/数）转换器,对导航卫星下行的BPSK（二进制相移键控）信号和卫星导航秒脉冲进行双通道采样,读取采样数据并进行数据处理。根据秒脉冲信号触发门限上升沿确定时延测量起点,对BPSK采样数据进行平方律检波,获取码片换相点,计算换相点和秒脉冲之间的分数码片时延,并进行滤波器时延校准,从而得到导航卫星发射链路的分数码片时延,该方法不需要进行伪随机信号的捕获和跟踪,测量精度主要取决于采样器采样率。通过在测试中使用一根校准电缆对该方法进行验证,验证结果表明,采用本文提出测试方法的测量误差优于0.3ns。     

USB与VLBI联合确定“探测一号”卫星轨道

我国绕月探测工程“嫦娥一号”卫星将以统一S波段(USB)为主,辅以甚长基线干涉仪(VLB I)测轨分系统来完成测控任务。由于“探测一号”卫星轨道与“嫦娥一号”调相轨道段相似,有关单位于2005年3月17日—20日进行了USB和VLB I联合跟踪“探测一号”试验。通过对联合测轨数据的处理,研究了USB—VLB I联合定轨方法,分析了联合定轨和预报精度,得出了一些结论。     

用二次相关提高超声测风精度和噪声抑制性能

以超声测风为应用背景,对基于相关法的时延估计性能进行分析,指出其存在的问题。利用发射信号为已知这一先验信息,提出了二次相关估计时延的解决方法。仿真结果表明,在相同的信噪比下,与相关法相比,二次相关法能够利用先验信息,提高了时延估计的正确率,并能改善系统6dB以上的噪声抑制性能。最后,对二次相关法的运算量进行了分析,并分别以TI TMS320C5000系列DSP处理器和Ahera CycloneⅡ系列FPGA作为硬件平台,估计了该方法在这两种平台上的处理时间,得出了该方法可满足实时处理的结论。     

轨道测量差分精确定轨方法

航天器轨道精确测定重要环节之一是有效地消除观测系统误差,在轨道测量数据处理时,一类是利用轨道约束自校准技术来估算和校准系统误差,另一类可以应用测元差分方法来消除系统误差(例如导航卫星测定目标)。本文提出一种新的差分技术,即利用观测数据时序差分消除系统误差技术,并推导相应确定航天器轨道的公式。     

双星定位系统及其备份星在近地卫星联合定轨建模中的应用

建立了基于双星定位系统距离和观测数据的近地卫星联合定轨模型,设计了相应的数值融合联合定轨算法;为进一步提高近地卫星定轨精度,考虑融合双星及备份星距离和观测数据,建立了基于双星和备份星的近地卫星联合定轨模型及实现算法,并针对不同仿真条件进行了联合定轨仿真实验。仿真计算结果表明,联合定轨方式较传统近地卫星精密定轨方式可以更好地抑制双星星历误差对近地卫星定轨精度的影响,近地卫星和双星的定轨精度均得到了一定程度的提高;同时,融合备份星观测数据的近地卫星联合定轨精度得到进一步改善,达到5.17m。