深空干涉测量天线高精度站址测量技术现状及展望

用于深空测控任务的干涉测量天线的高精度站址测量对于深空航天器的高精度导航具有重要意义.为此,结合国内外对干涉测量天线高精度站址测量技术的研究、试验及成果,对2种站址测量方法——测地VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)方法和归心测量方法的原理、现状进行了总结与比较:测地VLBI方法最为直接有效,且测量精度高;归心测量方法能反映参考点的本地变化,可提供站址初值,且便于连续监测;2种方法优势互补.在此基础上,对高精度站址测量技术未来的发展方向进行了展望.该领域技术的发展现状对我国深空测控网的后续建设具有重要的借鉴意义.     

深空导航无线电干涉测量技术的发展历程和展望

结合世界各航天大国和组织所开展的深空探测活动和深空测控系统建设中,对无线电干涉测量技术的开发、应用以及深空导航技术试验验证情况,系统地梳理和总结了深空导航无线电干涉测量技术的发展历程,并通过该技术未来在国际上几个主要深空探测任务中的应用规划,分析了无线电干涉测量领域未来的发展方向.该领域技术的最新发展对我国深空测控网无线电干涉测量系统的后续建设也具有重要的借鉴意义.     

月球及深空航天器甚长基线干涉测角精度协方差分析

基于测量基线柱坐标推导了深空航天器赤经、赤纬的信息阵和协方差矩阵,定量计算了干涉延迟测量精度、航天器赤纬及基线几何构型对月球航天器赤经赤纬测量精度的数值关系。根据计算结果,分析了三种因素对确定航天器角误差的影响。提出了基线组合赤经、赤纬精度因子的概念,重点分析了基线几何构型对确定航天器角位置的影响。在航天器视向距离无误差的条件下,推导了航天器三维定位误差与测角误差的协方差矩阵,定量计算了不同干涉延迟精度下月球航天器的三维定位误差。计算及分析结果对于我国未来月球及深空任务的测控分析支持具有重要参考价值。     

深空干涉测量天线G/T值指标设计

G/T是天线的一项重要技术指标,在综合考虑测地VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)和航天器VLBI观测两者需求的基础上,提出了深空干涉测量天线的G/T指标设计方法.首先根据射电源的空间分布以及流量密度特性,确定了测地VLBI和航天器VLBI观测模式下射电源流量密度的要求.在此基础上建立了2种观测模式下时延误差与深空干涉测量天线G/T之间的关系模型.最后参考目前国际国内测地VLBI观测中的通用参数设置以及月球探测任务中航天器VLBI观测的参数设置,对不同观测任务、不同观测模式下的G/T要求进行仿真分析.综合测地VLBI和航天器VLBI观测仿真分析的结果,S频段G/T建议不小于32 dB/K,X频段G/T建议不小于43 dB/K.仿真分析结果可以作为后续深空干涉测量天线G/T设计的参考.     

中国深空网首次△DOR联合测轨试验分析

通过分析中国深空网首次△DOR（Delta Differential One way Ranging,双差分单向测距）联合测轨试验的干涉测量事后数据,重点从观测量随机精度、闭合时延等方面讨论了国内深空网与国内VLBI（Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量）观测网、国内深空网与国际深空网的联合干涉处理情况,并与ESOC（European Space Operation Center,欧洲空间操作中心）数据处理结果进行了比对.试验结果表明：我国深空网已具备独立或联合开展深空探测器导航测轨的系统支持能力;深空站系统具备高速率数据接收、采集、记录、传输能力,采集数据处理精度优于1 ns;深空网干涉测量信号处理中心具备多体制信号的干涉处理分析能力,其分析精度与ESOC处理精度差异在0.1 ns量级.     

再入返回飞行试验深空网干涉测量应用分析

鉴于我国深空测控网的深空干涉测量系统在探月三期再入返回飞行试验中首次正式执行任务,北京深空干涉测量中心组织佳木斯、喀什深空站对再入返回飞行试验器进行了高精度干涉测量。针对深空站天线无法短时交替观测射电源,从而无法进行干涉测量系统差标校的问题,利用基于稀疏标校数据平滑内插、高精度钟差建模、环境参数时延补偿的数据综合处理策略,实现了干涉测量系统差高精度标校。利用飞行试验器VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)信标下行信号进行干涉测量获取时延观测量,用于飞行试验器联合定轨。联合定轨残差结果表明,深空网干涉测量时延测量精度在1ns水平,对应约100nrad测角精度,可以为飞行试验器精密定轨提供高精度测量数据支持。     

太阳信息辅助的脉冲相位估计方法及导航应用

X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方法，脉冲相位是其基本测量量。然而，现有的在轨航天器脉冲相位估计方法计算量大，阻碍了X射线脉冲星导航的工程应用。为了减少脉冲相位估计的计算量，提出了一种基于太阳信息辅助的深空探测器脉冲相位估计方法。通过太阳信息粗略地消除航天器轨道运动的影响，并推导了对应的脉冲星相位计算公式。在此基础上，提出了一种X射线脉冲星/太阳信息深组合导航方法，并通过仿真验证了太阳信息辅助脉冲相位估计方法和组合导航方法的性能。仿真结果表明，所提出的脉冲相位估计方法在保证精度的前提下具有更小的计算量。此外，对于深空探测器，所提出的组合导航方法的位置误差相比于仅使用太阳信息导航的方法降低了70.1%。     

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。     

X射线脉冲星导航方法研究综述

X射线脉冲星导航技术是一种新兴的、有潜力的航天器自主导航技术。作为导航参考源,脉冲星的自转长期稳定性极佳。因此,X射线脉冲星导航在深空探测、星座自主导航以及时间基准自主维持等领域具有较大优势。首先,对X射线脉冲星导航的背景意义进行了简要介绍。其次,介绍了X射线脉冲星导航2个方面的关键技术：面向导航的脉冲星数据处理技术以及脉冲星导航理论的研究进展。再次,总结了现有的以及未来可能的X射线脉冲星导航应用体制。最后,展望了X射线脉冲星导航技术的发展趋势,并对全文进行了总结。     

基于VLBI的上行组阵标校技术研究

天线组阵能否完全替代大口径天线有一个关键性难题,就是天线阵是否支持上行链路组阵。深空航天器无法将不同地面天线的上行信号对齐,所以上行链路信号的调整必须在地面完成。针对上行组阵发射机相位调整问题,提出一种基于VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)技术的接收模式天线上行组阵标校方案,并对标校精度进行了简要分析。将上行链路时延分解为几何时延和发射系统时延,建立了几何时延模型,通过标定接收时延和发射时延,便可以得到天线阵元间的相位标校值。理论分析结果表明,该方案具有一定的可行性,对上行组阵相位标校的研究具有一定的借鉴意义。     

基于输出反馈的柔性航天器变结构跟踪控制方法

为解决柔性航天器姿态机动的控制问题,给出了基于输出反馈的变结构跟踪控制算法。针对柔性航天器的大角度机动,在建立了柔性航天器相对参考轨迹的动力学方程的基础上,设计了仅利用航天器本体的角度和角速度信息的变结构跟踪控制器,使得姿态状态跟踪误差(包括姿态跟踪误差和姿态角速度跟踪误差)以及挠性附件的模态变量从任意的初始状态出发都会到达包含原点的一个闭集内,并且姿态状态跟踪误差能收敛到零,并给出了严格的数学证明。仿真结果证明了所提控制方法的可行性和有效性。     

Event-triggered adaptive control for attitude tracking of spacecraft

Plug-and-play technology is an important direction for future development of spacecraft and how to design controllers with less communication burden and satisfactory performance is of great importance for plug-and-play spacecraft. Considering attitude tracking of such spacecraft with unknown inertial parameters and unknown disturbances, an event-triggered adaptive backstepping controller is designed in this paper. Particularly, a switching threshold strategy is employed to design the event-triggering mechanism. By introducing a new linear time-varying model, a smooth function, an integrable auxiliary signal and a bound estimation approach, the impacts of the network-induced error and the disturbances are effectively compensated for and Zeno phenomenon is successfully avoided. It is shown that all signals of the closed-loop system are globally uniformly bounded and both the attitude tracking error and the angular velocity tracking error converge to zero. Compared with conventional control schemes, the proposed scheme significantly reduces the communication burden while providing stable and accurate response for attitude maneuvers. Simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed scheme.     

考虑输入饱和与姿态角速度受限的航天器姿态抗退绕控制

 针对航天器姿态控制过程中同时存在输入饱和与姿态角速度受限的问题,提出了一种新型的姿态控制设计方法。该方法在保证系统渐近稳定的前提下,能够显式地给出输入力矩和姿态角速度的最大幅值,并通过引入一个时变锐度参数来增强系统对外部干扰的抑制能力;在此基础上,进一步考虑了由于四元数的冗余性所导致的退绕问题,设计了一组新的姿态偏差函数和偏差向量,使得控制器在满足上述约束的同时还具有抗退绕的优点。仿真结果表明,所提算法能够同时满足输入饱和与姿态角速度受限的约束,并且在较大外部干扰的情况下表现出了很强的鲁棒性,同时成功地规避了退绕现象。该算法为存在多重约束的航天器姿态控制问题提供了一个新的思路和解决方案,具有很好的实际应用价值。     

基于地基CEI技术的空间飞行器相对位置测量技术研究

讨论了差分CEI的基本原理,分析了差分CEI的相对位置确定的误差。通过分析得出结论：在CEI基线长度为1000m时,相对角度测量精度可以达到16urad,如果增加基线距离或者结合SBI技术,测量精度会进一步提高,测量精度能够满足交会过程中相对导航、编队卫星相对位置测量、高轨卫星共位等要求。     

MEMS陀螺仪的高精度标定方法

为了提高微机电(MEMS)陀螺仪的测量精度，研究了一种同时标定陀螺非正交误差和加速度敏感漂移误差的标定方法。设计了16位置的转台标定方案，分别以地球自转角速率和重力加速度作为角速率和加速度激励源，利用两组角速率数据迭代求解非正交误差和加速度敏感漂移误差，并以陀螺仪对地球自转角速率的敏感误差作为校正效果的评估依据。试验结果表明，该方法能够有效校正MEMS陀螺仪的非正交误差和加速度敏感漂移误差，提高了陀螺仪的测量精度，且易于工程实现。     

航天器有限时间输出反馈姿态控制

研究在角速度不可测时航天器的有限时间姿态控制问题。基于有限时间控制技术,提出了由修正Rodrigues参数进行姿态描述的航天器输出反馈姿态控制算法。首先设计了单个航天器的输出反馈姿态控制器,在没有角速度反馈时也能够保证航天器姿态在有限时间内调节到期望姿态。之后,设计了无需绝对角速度和相对角速度信息的多航天器分布式输出反馈姿态控制器。使用Lyapunov理论和图论,对闭环系统全局有限时间稳定性进行了严格的证明。最后对提出的控制算法进行了数值仿真,其结果验证了所设计的航天器输出反馈控制算法的可行性和有效性。     

Highly accurate, noncoherent technique for spacecraft Dopplertracking

A two-way, noncoherent spacecraft navigation technique has been developed to provide velocity accuracy comparable to that available from a deep space coherent transponder (0.1 mm/s). The technique is compatible with the normal tracking procedures of the Deep Space Network (DSN) ground stations and does not require the use of a highly stable oscillator on-board the spacecraft. The measurement technique, potential error sources, and test results obtained with prototype hardware are described     

航天用FR4 材料的本征电导率测试

介质材料电导率是影响卫星充电过程的重要材料参数,它决定着航天器上电荷的分布状态以及电流平 衡建立的快慢。常规的电导率测量方法完全不考虑空间真实带电环境,其测试结果用于卫星带电防护设计将会产生 较大的误差。本文建立了用传统三电极法和电荷衰减法测试介质材料本征电导率的测试系统,对卫星常用的FR4 材 料进行了测试,测试结果与国外的结果相近。     

基于反步法的挠性航天器姿态镇定

利用反步法研究了一类挠性航天器的姿态镇定问题,提出一种基于模态观测器的反步控制设计方案.首先,构造挠性模态观测器对挠性模态变量及其变化率进行观测;其次,将角速度看成虚拟控制器,设计虚拟角速度镇定运动学模型与挠性模态变量组成的子系统;最后,利用反步法设计了一种非线性控制器使得角速度能够跟踪虚拟角速度,从而实现姿态镇定的目...