可扩充深空天线组阵技术研究与试验验证

远距离高速通信始终是深空探测活动面临的重大挑战,建设大口径天线在技术上已经接近能力极限。天线组阵技术是将多个天线组成阵列,通过时延对齐、相位修正和权值估计将各个天线接收的信号进行合成,达到提高信噪比(SNR)的目的。该技术可以大大提高接收能力,是在射频范围解决深空测控通信问题的重要途径。其中,基于Sumple算法的全频谱合成(FSC)技术在解调前进行信号合成,能在极低SNR条件下实现最佳的系统性能。为了验证该技术的工程应用可行性,在国家高新技术发展计划支持下,突破微弱信号FSC技术,构建4×12m天线组阵试验系统。2010年10月,成功利用嫦娥二号(CE-2)任务开展天线组阵技术验证试验。试验结果表明,构建的4×12m天线组阵系统能够接收并合成CE-2卫星下行信号,合成效率优于90%。     

非均匀天线组阵SUMPLE权值信噪比及信号合成性能分析

SUMPLE相关算法是深空网天线组阵中信号合成最重要的方法之一。将SUMPLE权值估计信噪比的计算方法由均匀天线阵推广到非均匀阵,给出了非均匀阵合成损失系数的计算公式。理论分析与仿真结果表明,在非均匀阵SUMPLE合成中应对权值幅值进行修正,以使其满足最优合成条件。充分利用现有的大型射电望远镜,在其周围建设若干小口径天线进行组阵,可以获得比单纯由小天线组成的均匀阵更好的合成性能,且具有更强的微弱信号适应能力。
     

深空网异地多天线组阵及其发展

我国即将开展以火星探测为代表的深空探测,深空任务对测控通信信噪比的要求越来越高。异地多天线组阵可以利用已有天线设施进行信号合成,从而提高接收信号的信噪比。论述异地多天线组阵的概念,介绍国外异地多天线组阵的发展情况,阐述我国天线组阵技术的发展趋势,并对异地多天线组阵技术在我国深空探测中的应用进行展望。     

空间通信远距离非均匀天线组阵技术研究

介绍了用于深空通信的天线组阵技术中常用的SIMPLE和SUMPLE信号合成算法。根据远距离天线组阵的特点,采用符号流合成(SSC)方法对信号进行合成,用快速傅里叶变换(FFT)实现信号互相关来自适应地消除时差,用最小均方(LMS)误差算法实现最大比合成(MRC)。仿真结果表明:可实现300Mbit/s数据速率的信号接收,信号合成增益相对于理论增益损失在0.3dB以内,系统在信噪比(SNR)为-3dB的条件下仍能正常工作。文章采用的方法,可用于远距离非均匀天线组阵,也可用于具有较高数据传输速率的航天器通信。     

火星探测天线组阵数据接收技术研究和验证实验

为了满足我国首次火星探测任务的需要，确保探测器有效载荷科学数据的顺利下传，将采用天线组阵的方式进行数据接收。天线组阵数据接收技术在航天工程中的应用国内尚属首次，为此开展了信号合成方法和处理流程的研究，提出了利用模型计算和基于科斯塔斯环的搜索估计相结合的初始时延和多普勒频差快速估计方法。利用现有的密云站50 m天线和昆明站40 m天线，以嫦娥3号着陆器数传信号为实验对象，开展了天线组阵与数据接收技术检验实验。研究和实验结果表明，全频谱合成方法优于符号流合成方法，其合成损耗小于等于 0.45 dB ，可用于我国首次火星探测任务天线组阵的信号合成；初始时延和多普勒频差快速估计方法可提高广域组阵信号互相关的搜索效率；所确定的信号合成技术流程和数据处理方法可用于后续信号合成软硬件设备的研制和开发。     

利用小行星测量信息的深空探测器自主导航算法研究

提出一种利用小行星图像信息的深空探测转移轨道段自主光学导航算法.该算法首先利用导航敏感器获取含有恒星背景的多颗小行星的图像;然后通过图像处理,提取出小行星和恒星中心点对应的像素;最后利用小行星和恒星中心点的像素、探测器的惯性姿态和观测时刻的小行星星历等信息,通过引入Unscented变换的批处理最小二乘滤波估计探测器的位置和速度.以"深空一号"探测器飞行轨道为例进行数学仿真,结果表明该算法导航精度优于"深空一号"应用的批处理最小二乘滤波.     

深空通信天线组阵关键技术及其发展趋势

天线组阵是未来深空通信中的重要发展方向之一。本文介绍了天线组阵的发展历程,重点讨论了组阵中的关键技术,包括阵址选择、阵元口径和数量设计、阵构型设计以及信号处理的方法,分析了上述技术对组阵性能的影响。最后,探讨了天线组阵的发展趋势。
     

相参脉冲信号多普勒变化率测量方法

研究了相参脉冲信号多普勒变化率的估计问题,提出一种基于相位差分的最小二乘算法。仿真实验证实该算法的有效性,尤其对于低信噪比信号有很好的适应性,精度基本达到Cramer Rao限。算法适用于动态多普勒变化率测量,具有一定的应用价值。     

高分辨率多径时延测量算法

提出一种基于最小二乘准则的高分辨率多径信号时延测量方法。对参考信号作三阶样条插值获得每条多径信号最小二乘意义的最优估计,用每条多径信号的测量值重构接收信号,通过反复迭代使重构信号是接收信号最小二乘意义的最优估计,实现多径信号的时延测量。仿真结果表明：新算法在低信噪比、窄带信号条件下仍能获得较高的时延测量精度,性能优于MUSIC类时差测量算法。     

基于UKF的深空探测光学自主导航方法

光学自主导航方法将成为未来深空探测广泛应用的导航方式。在建立探测器的光学自主导航系统的状态方程和量测方程基础上,针对“深空一号”探测器飞行中采用批处理最小二乘滤波方法存在的不足,提出了基于UKF滤波的光学自主导航方法。仿真结果表明:UKF方法不仅导航精度高,而且需要的导航小行星的数目远少于批处理最小二乘方法所需的数目。     

GPS/速率陀螺组合Kalman滤波姿态确定算法研究

建立了GPS／速率陀螺组合姿态估计系统的模型，研究比较了三种典型的Kalman滤波姿态确定算法：状态扩充法、量测量求差法和时变噪声估计跟踪自适应滤波算法。给出了某航天器采用GPS／速率陀螺组合姿态确定的仿真计算结果，并对结果进行了分析。结果表明，与传统Kalman滤波算法比较，时变噪声跟踪自适应滤波算法和量测量求差滤波算法能较好地消除GPS测量中相关时变噪声的影响，提高姿态确定的精度；而且时变噪声跟踪自适应滤波算法能很好地消除由于噪声统计性能的不确定性对Kalman滤波的影响，提高姿态确定系统的性能。     

基于基线长度加权的GNSS多天线姿态测量方法

GNSS可用于获取动态载体的姿态信息，为提高其姿态测量精度，提出一种基于基线长度信息对最小二乘姿态解算方法进行加权处理，改进了最小二乘姿态解算方法，同时通过船载实验验证了该方法的可用性。实验结果表明：在船载动态实验中，当基线长度存在明显差异时，加权最小二乘法较等权最小二乘法在精度上明显提高，其中横滚角的精度提高了13 %。     

一种海洋测高卫星质心在轨估计算法

为了满足海洋测高卫星在轨质心位置精度的要求,提出了一种使用陀螺仪测量数据在轨估算卫星质心位置的算法。该算法利用推力器工作产生外力矩,采用总体最小二乘法,综合考虑了实际推力器推力的误差及陀螺仪的测量误差,由卫星的姿态动力学方程估算得到卫星质心位置。数值仿真证明了该算法的有效性,结果表明质心位置的估计精度在毫米量级,可以满足海洋测高卫星对质心位置精度的需求。     

基于相位差测量的脉冲星时间相对导航方法

针对传统脉冲星导航方法在相位估计时依赖脉冲星信号轮廓,存在整周模糊及不确定星历参数引起的系统共模误差问题,提出基于相位差测量的脉冲星时间相对导航方法。该方法通过对脉冲星光子到达时间序列进行相位估计,以相邻时刻的相位差作为观测量,建立航天器位置增量与相位差的关系,采用广义卡尔曼滤波器处理系统噪声相关问题进行导航,可有效减小系统误差,实现脉冲星导航的应用。通过对导航系统初始定位方法、可观性分析,及基于罗西X射线时变探测器（RXTE）观测的Crab脉冲星的在轨实测数据试验分析,证明了该方法的自主性与可行性。最后,对基于相位差测量的脉冲星时间相对导航系统进行导航滤波仿真,试验结果表明,导航系统完全可观,噪声不累积,位置估计精度可满足实际应用。     

无人机集群组网高精度测距技术研究

针对无人机组网系统机间测距精度受限于时域采样周期时延估计的问题，本文提出一种联合正交频分复用（OFDM）前导序列和导频序列进行高精度测距估计的方法，利用最大似然估计和双向测距法将参与计算的序列测距估计结果按比例进行加权平均。同时，仿真分析了联合测距估计方法性能。结果表明：联合估计方法的前导与导频序列差分自相关间隔长度取典型值时测距精度能达到0.1 m以下，可在较低信噪比下实现厘米级测距精度，提升了集群组网测距的稳定性。     

一种适用于空间监视跟踪的递推滤波算法

针对空间监视跟踪环境中对于包含角变量的状态向量估计存在精度较低的缺点,利用Gauss von Mises（GVM）多变量概率密度分布,提出一种基于矩匹配的GVM参数估计方法,并在此基础上改进GVM分布的确定性采样方法,建立针对GVM分布的递推滤波算法,该算法充分考虑了流形的内蕴结构,克服了传统滤波方法假设状态向量定义于欧氏空间及采用欧氏空间中高斯分布模型的局限性。仿真结果表明,该滤波算法能有效估计状态变量的后验概率分布,对角变量的估计精度明显优于扩展卡尔曼滤波方法(EKF)。     

GPS信号的码相位与多普勒频率联合捕获

分析了PMF FFT码捕获算法在不同频偏下的性能,针对其频率估计精度较低引起的部分频偏下的检测性能下降,提出了一种改进的码相位与多普勒频偏联合捕获方法。首先基于部分匹配滤波(PMF)相关算法得到一组匹配滤波输出;然后在PMF FFT算法基础上提出了一种利用FFT幅度差求解的低复杂度高精度迭代频偏估计算法,并利用此高精度的频率估计值补偿PMF输出,进行相干检测,从而在提高频率估计精度的同时提高了信号的检测概率,实现了高精度的频率估计与码相位捕获的联合处理。仿真结果表明检测算法可以有效改善频偏估计精度,提升检测概率,并且具有极低的复杂度。     

基于UKF的无陀螺姿态确定

针对无陀螺卫星的姿态和角速度估计问题,提出了基于UKF(Unscent-ed Kalman Filtering)的无陀螺的姿态确定算法。采用星敏感器作为姿态敏感器,构造了基于罗德里格参数的UKF滤波器。与EKF相比,UKF不必计算Jacoabian矩阵而且能够至少精确到泰勒展开的二阶。通过EKF和UKF仿真结果的比较,表明UKF比EKF具有更快的收敛速度和更高的精度。     

单站无源定位中角度变化率的测量方法研究

讨论了单站无源定位中角度变化率测量的问题.首先简要介绍了差分法、最小二乘拟合法和卡尔曼滤波法的测量原理,其次为了解决滤波模型非线性的影响,提出了一种并行分段处理的卡尔曼滤波方法,最后从数字滤波的角度,通过设计相应的低通滤波器对估计获得的角度变化率数据流进行处理,进一步提高了角度变化率的测量精度.仿真实验对比分析了所述几...     

一种基于频移补偿的apFFT相位估计改进方法及应用

全相位快速傅里叶变换（all phase Fast Fourier Transform,apFFT)相位一致性特点使正弦信号相位估计不受频率估计影响,但由于频谱泄露和栅栏效应,apFFT相位估计性能受信号频率位置影响。针对该问题,提出了一种基于高精度频率估计和补偿的apFFT相位估计方法。首先,对信号进行高精度频率估计,并以此对信号进行频移补偿,然后对补偿信号进行apFFT,最后求解信号相位。蒙特卡洛仿真结果表明：所提算法的相位估计性能不受信号频率位置影响,相位估计误差性能与理论值一致,受两参数克拉美罗界（CRLB₂）约束,约为1.158 2倍的CRLB₂;相位估计性能和抗噪声能力明显优于经典apFFT算法和其他对比算法。更进一步,利用我国首次火星探测器TW-1（天问一号）近火捕获段干涉测量数据进行算法验证,结果表明：相位估计精度约4 mrad,干涉测量时延估计精度约50 ps。