基于Proximity-1协议的星间测距与时间同步技术研究

卫星之间信息交互、星间相对测距及时间同步是卫星星座与编队卫星飞行任务的关键技术。文章利用空间数据系统咨询委员会(CCSDS)Proximity-1协议中给出的时间业务,提出了一种非相干双向测距/时间同步方法,在星间信息传输的同时完成星间高精度测距,并详细给出了算法的计算公式推导和模型误差分析,理论分析和实验仿真结果表明:文章提出的方法具有较高的测距/时间同步精度,且功能集成度高,可为星间链路的建设提供技术支持。     

导航星座自主时间基准的相对论效应

从相对论框架下导航星座自主时间基准定义及其生成原理出发,对其实现要素进行了相对论分析及改正,包括卫星原子钟和星间链路测量量相对论效应,并以GPS、BDS为例计算说明。得出以下结论:1)卫星钟相对论常值由地面频率调整实现预修正,周期累积钟差则根据卫星星历实现实时计算和改正;在此基础上,2)星间链路伪距测量相对论效应主要是星间信号传播相对论效应,对中高轨卫星其最大影响为cm量级;3)星间链路多普勒测量相对论效应则是由卫星钟周期项频率变化引起,对小偏心率中高轨卫星而言,其对星间径向相对速度最大影响量在1 cm/s左右。分析结果有助于提高导航星座自主时间基准的准确度,并对深空测量和天基时间基准研究具有一定参考意义。     

全球导航星座星间链路技术发展建议

美国全球定位系统（GPS）的Block IIR和Block IIF系列导航卫星安装了UHF频段的星间链路收发设备,未来的GPS Ⅲ系列导航卫星将用Ka频段星间链路替代UHF频段星间链路,提高星间数据通信容量,增强抗干扰能力;俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）的新一代GLONASS-K系列导航卫星开始安装S频段星间链路收发设备;欧洲的伽利略（Galileo）卫星导航系统也在规划全球导航星座的星间链路体系;我国北斗（Compass）卫星导航系统正处在由区域覆盖向全球覆盖的过渡阶段,全球星座的星间链路正处在多种系统体制的抉择中。文章在对国外各种星间链路研究的基础上,从导航星座星间链路需求和特点出发,提出建议：1）建设高频段星间链路;2）加强星间天线与卫星总体的联合设计;3）星间网络协议要具有灵活性;4）尽可能保持每颗卫星的星间链路设备状态一致。文章考虑了现有国内技术储备和国外未来技术发展方向,提出的观点可以作为我国全球卫星导航系统对星间链路选择的参考,对我国Compass系统建设技术先进的星间链路有一定的指导意义。     

小卫星编队飞行关键技术及发展趋势分析

卫星编队飞行是空间技术发展的一个新领域.通过编队飞行可将多颗小卫星形成一颗大的"虚拟卫星",即空间任务的预定功能由编队中各个只担当单一功能的卫星分担,由此整个卫星群可实现强大的功能.实现卫星编队飞行需要保持和控制星群的编队构型,精确确定星间的相对位置和相对速度,即相对导航.卫星编队飞行的关键技术包括轨道设计、轨道演变及控制,星间链路、编队运行管理和测控,以及卫星的自主定位、定轨.叙述小卫星编队的基本原理、轨道构成和技术特征,分析实现编队飞行所需的关键技术,介绍各国编队飞行的现有计划及未来发展趋势.     

星座时频测量技术研究

在卫星导航定位、天基无源定位等航天器系统构建中,需要星座具有统一的时间频率 系统,即卫星间实现时间与频率同步。在分析系统对星间时间与频率同步需求的基础上 ,提出了在星间建立双向单程测距链路,利用伪码测量获取的星间伪距、载波测相获取的星 间伪距变化率联合处理出时差、频差的算法,克服了一般双向比对方法中需要不断调整星间 时差的不足,工程实现星间时差测量标准不确定度可优于1 ns,星间基准频差测量标准不确 定度可优于1×10 -11 。
     

星间链路关键性能指标评估的方案设计

星间链路分系统作为组网星座卫星系统的核心之一，是实现星间测量和星间数据传输的关键。针对星间链路系统星间测量和测控传输误码率两项关键指标，结合星座组网卫星单星和星座状态条件，引入信道静态和动态工作模式，对两项关键指标提出一套全面的评估方案，给出基于该方案的评估系统的实测情况，通过实测数据的比对分析，针对被测系统的星间测量和测控传输误码率指标性能，能够直观地给出综合评定结果，设计方案可以正确、有效地用于星间链路的系统评估，具有较高可行性。     

基于星间测距增强的卫星编队GPS相对导航研究

针对单纯差分GPS系统在精度、连续性、实时性方面存在的问题,提出了一种星间测距增强差分GPS的卫星编队组合相对导航方案。该组合相对导航系统由编队卫星中分别安装的GPS接收机、星间RF测量传感器,以及主星中运行的导航处理器组成,其中星间RF测量传感器集成了窄带通信功能,可在进行星间距离测量的同时同步进行GPS数据的互传。采用扩展Kalman滤波算法,结合简化动力学模型和GPS以及RF测量数据实现卫星编队的相对位置与速度的高精度实时递推解算。用模拟器采集数据进行了仿真验证,结果表明:在星间测距数据辅助下,星间基线长度在星间测距工作的30km范围内时,实时相对导航精度优于1mm;系统在GPS信号中断时仍可连续输出满足精度要求的相对位置、速度数据;系统初始化时间由单纯差分GPS相对导航系统的几十个历元降低到单点。     

编队小卫星间相对测距的时间对比方法

针对编队飞行小卫星的特点,设计了基于TWSTT和自发自收理论的时间对比方法,在设备误差未知和存在钟差的情况下,实现星间相对测距,消除了卫星钟差、发射器和接收机时间延迟、多路径误差、观测误差等误差.仿真结果表明,与原有TWSTT和自发自收技术相比,提高了卫星的测距精度.     

星间网络拓扑的二分图及其关联矩阵表示法

星间网络拓扑是建立星间链路首要考虑的问题,以往文献中描述星间网络拓扑一般都用直观图形的表示方法,即以卫星作为节点、链路作为边画出的图形。但是这种直观图形表示法,当卫星数量增加时,图形庞大而杂乱难以辨认,同时无法满足分析问题的需要。为此,文章提出了一种利用图论中的二分图及其对应的关联矩阵描述星间网络拓扑的方法,此方法具有图形描述简单明了、关联矩阵描述便于仿真分析的特点。     

邻近空间链路探测器器间通信测试方法

Proximity-1邻近空间链路协议(简称Proximity-1协议)采用了全双工通信、链路自适应等技术,非常适合火星探测器器间通信链路。为了对全双工通信、链路自适应等功能进行系统级验证分析,文章结合火星探测方案与综合测试需求,提出了器间链路测试方案,并基于地面设备对Proximity-1协议的关键技术进行系统级测试。结果表明:全双工通信、自适应切换等功能均得到有效验证。文章设计的系统级验证方法,可为未来飞控工作提供参考。     

卫星编队飞行相对轨道的摄动研究综述

卫星在编队飞行过程中总受到各种摄动力的作用，由于轨道摄动直接影响卫星的寿命，研究卫星编队飞行相对轨道的摄动问题具有重要的意义。本文综述了国内外有关编队飞行卫星相对轨道摄动问题的研究方法以及进展，最后针对目前相对轨道摄动的研究现状，指出了进一步的研究方向。     

星载GPS的毫米级编队卫星相对定位

在比较分析编队卫星相对定位与陆地相对定位技术的基础上,结合陆地相对定位技术和 卫星精密定轨技术提出了基于GPS进行编队卫星相对定位的方法及原理。文章采用2004年4月 1日到10日的GRACE卫星实测数据进行了相对定位计算,并采用KBR观测数据对本文相对定位 结果和JPL单独定轨结果进行了外部检核,检核结果表明：1. 与直接采用单独定轨结果相 比,该方法可以明显提高卫星的相对位置精度。2. 利用本文方法计算的两颗GRACE卫星相 对位置精度约为4.5 mm。
     

编队飞行卫星在间断式导航、天基干涉仪和分工式工作星的可行性构想

对将编队飞行卫星应用于用户间断性三维无源自主定位导航 ,用干涉仪对敌方目标被动定位和卫星分工式工作的可行性进行初步分析对比研究 ,除指出这些构想的队形要求和优点外 ,同时也给出其缺点和存在的困难     

编队飞行小卫星相对姿态控制研究

以四元数作为定位参数对编队飞行小卫星进行相对姿态控制。首先给出了以误差四元数作为反馈量 ,基于参考卫星的相对姿态控制律 ,其次 ,研究了由若干颗相同卫星组成的编队卫星 ,在卫星姿态达到指定的方位时 ,相互之间也要满足一定要求的相对姿态控制律。最后进行了仿真计算 ,说明了两种相对姿态控制的有效性和可行性     

分布式小卫星系统的技术发展与应用前景

分布式小卫星系统是现代小卫星的一个崭新的应用领域,它能充分发挥小卫星的优势,同时也能克服小卫星的缺点。分布式小卫星系统包括星群、星座、编队飞行等。小卫星编队飞行将在空间遥感、深空探测、通信导航等方面带来一场重大的技术革命。文章论述了小卫星特点和分布式系统概念,介绍了分布式小卫星系统技术发展水平和关键技术,以及未来的应用前景。     

InSAR卫星编队构型的e/i矢量设计方法

根据编队合成孔径雷达干涉（InSAR）卫星的轨道特点和星间紧密编队的特性,引入e/i矢量概念,推导了用e/i矢量表示的编队卫星相对运动学方程,分析了在满足测量基线条件和星间距离条件下编队构型设计约束,并给出了能实现全球测量的编队构型设计结果。对获得的编队飞行轨道参数的数学仿真结果表明：设计的编队构型正确。     

基于UKF估计的卫星编队动力学建模方法

提出了一种基于估计的卫星编队动力学建模方法。以实际的经过简化建模的卫星编队动力学模型为基础,利用UKF算法对该模型与精确模型的模型差进行估计,并运用该估计结果对原有模型进行反馈补偿,以达到提高卫星编队建模精度的目的。为了验证该建模方法的有效性,对基于空间圆形编队的卫星进行了仿真实验。仿真结果表明,在忽略J2摄动力影响的情况下,基于UKF估计的建模方法大大提高了原有建模方法的性能。     

低轨卫星编队飞行的地面覆盖及轨道调整

通过施加冲量的方法消除J2项摄动和大气阻力摄动对编队飞行的影响,在编队的相对构型和整体绝对位置得到控制后,研究了低轨卫星编队飞行的地面覆盖问题,最后通过算例给出了卫星编队在南北纬86°之间全球覆盖所需的时间、周期、圈数和覆盖角。计算结果表明,对于偏心率较小的低轨编队飞行,根据本文所推导公式计算出的结果是比较可靠的。     

分布式空间系统和航天器编队飞行辨析——兼谈航天器知识编队和精确编队飞行应用实例

小卫星技术的迅速发展和应用,为空间应用开辟了许多新领域,同时出现了很多新概念和新名词。文章对分布式卫星系统、编队飞行、星座、星群以及空间敏感器网等概念及其相互之间的区别进行了系统论述,也介绍了航天器知识编队和精确编队飞行的应用实例。     

小卫星编队飞行动力学及其应用

由若干颗小卫星编队飞行组成一个虚拟卫星 ,其功能相当或超过一颗大卫星。这将为小卫星开拓一个完全崭新的应用领域。文章首先论述编队飞行的概念和应用 ,其次研究轨道动力学。系统地研究编队飞行三种动力学模型 ,最后进行相应数学仿真 ,分析研究各种数学模型的精度和它们的应用场合。