地-月L2点中继星月球近旁转移轨道设计

位于地月L2点周期轨道的中继星将首次为"嫦娥4号"月球背面着陆探测任务提供通信中继服务。中继星转移轨道设计是中继任务实施的关键环节。针对中继星转移轨道存在转移时间、近月点高度和halo轨道振幅等约束条件,系统研究了基于月球近旁的地月L2点转移轨道设计方法。首先基于限制性三体模型,分析了halo轨道族与着陆点可见性关系;然后将月球近旁转移轨道分为地月直接转移段和地月动平衡点附近周期轨道拟流形入轨转移段,采用带有状态约束的微分修正算法对这两段轨道进行拼接,得到了从地球附近至目标轨道族的月球近旁转移轨道;最后,针对南族halo轨道分析了halo轨道振幅和月球飞越高度对转移轨道设计的影响,以及转移轨道的入轨相位分布。仿真结果表明:月球近旁转移轨道设计方案具备工程上的可行性与优越性。该方案可以为实际工程任务和应用提供参考。     

地月L2点中继星长阴影影响研究

地月L2点中继星环绕地月L2点飞行时,会经历由地球或月球遮挡太阳而产生的阴影,部分阴影时长较长,中继星进入长阴影,严重时会威胁卫星平台安全。基于月球背面软着陆探测工程目标和中继星绕飞地月L2点halo轨道特性,分析长阴影的分布特征,以及阴影时长与轨道相位、振幅、构型等因素的关系,进而对长阴影的规避方法和适用范围进行探讨。研究结果为地月L2点中继星长阴影问题提供了分析方法和应对方案。     

地月L2点周期轨道的月球背面覆盖分析

地月L2点附近轨道具备独特的动力学和运动学特性,是月球背面探测任务的中继卫星首选布设位置。面向未来月球背面探测任务的中继通信需求,分析并研究了地月L2点周期轨道(halo轨道)对月球背面的覆盖。在圆型限制性三体问题模型下,研究并给出了halo轨道族延拓计算方法,基于延拓法设计了地月系大范围南北halo轨道族;给出了中继卫星的月球背面覆盖计算模型,定义了相应的时间覆盖因子;数值仿真了地月系南北halo轨道族的月球背面覆盖情况。研究结果表明:地月L2点周期轨道幅值和类型决定其对月面的覆盖性,幅值较小的轨道的月面整体覆盖性较好,幅值较大的轨道对月球南北极覆盖较好,南北族轨道分别有利于月球南北半球的覆盖。文章研究可为我国"嫦娥4号"月球背面探测任务的中继星轨道设计提供有益参考和借鉴。     

“嫦娥4号”中继星任务分析与系统设计

作为"嫦娥4号"任务的重要组成部分,中继星将为着陆器和巡视器提供中继通信支持。不同于其它月球探测器,中继星首次选择了绕地月L2平动点运行的晕(Halo)轨道以保证对月球背面的着陆器和巡视器提供连续的中继通信服务,面临诸多技术挑战。在对中继星任务特点进行分析的基础上,梳理了研制中的技术难题,包括使命轨道的选择、使命轨道的到达和长期维持、中继通信体制选择等,并提出了解决方案。中继星的总体设计方案概述也在文中给出。     

“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计

介绍了"嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计方案。着陆区初步选定为月球背面南极–艾特肯(South PoleAitken,SPA)盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑内。采用中继星实现着陆器和巡视器的对地通信,并选择环绕地月拉格朗日L2点的halo轨道作为其使命轨道。采用CZ-4C火箭和CZ-3B火箭,分别完成中继星和着陆器–巡视器组合体的发射。两器一星上共配置了6台国内研制科学载荷和3台国际合作科学载荷,开展以低频射电天文观测、巡视区形貌、矿物组份及浅层结构为主的科学探测。此外,还搭载了2颗月球轨道编队飞行微卫星、月面微型生态圈和大孔径激光角反射镜,分别开展超长波天文干涉测量试验、月面生态系统试验和超过地月距离的激光测距试验。通过创新设计顶层任务,充分继承成熟技术和产品,增加中继通信功能模块,开放资源引入高性能载荷和搭载项目,将实现一次低成本、短周期、大开放、高效益的月球探测任务。     

地月拉格朗日L2点中继星轨道分析与设计

地月L2点位于地月连线的延长线上,在地月L2点运行的卫星可以连续观测月球背面,解决月球背面与地球之间的通讯问题,在月球背面着陆探测任务中起着至关重要的作用。对从地球出发、利用月球引力辅助变轨、形成地月L2点的轨道进行了研究,分析了发射窗口、地月转移时间、近月点高度、近月点倾角、轨道振幅等多项因素对转移轨道和使命轨道特性的影响,寻求满足地月L2点中继任务需求的飞行轨道。通过分析研究,文章明确了转移和使命轨道的相关特性,可为中继星任务轨道的参数设计和优化提供有益参考。     

“嫦娥4号”中继星应急轨道控制策略设计与分析

"嫦娥4号"中继星作为"嫦娥4号"任务的重要组成部分,不同于其它月球探测器,首次选择绕地月L2平动点运行的Halo轨道以保证为月球背面的着陆器和巡视器提供连续的中继通信服务,这面临诸多技术挑战。基于任务需求和工程约束,梳理了中继星全寿命与轨道控制相关的故障类型,制定了多级应急控制目标,给出了分阶段应急轨道控制方案,提出将Lissajous轨道作为应急备选使命轨道,分析了推进剂消耗、中继测控条件和可行性,研究成果直接应用于中继星任务工程实践。     

基于引力场不对称性的三体系统轨道自主导航

以月球背面的中继通信为背景,提出了基于三体系统引力场不对称特性的星–星测距自主定轨方案。该方案以环月极轨卫星和地–月L2点Halo轨道卫星组成中继通信网,以实现对月球两极和背面的覆盖。通过采集极轨卫星与Halo轨道卫星的测距信息,结合卡尔曼滤波在日–地–月动力学模型下获得两颗卫星的绝对轨道。数值仿真结果表明:本文方法能将导航的位置精度和速度精度分别提高到百米和厘米/秒量级。该自主导航方法还可以扩展到不规则引力场小天体附近星群运动的自主导航。     

短消息

正6月14日,我国探月工程嫦娥四号任务中的鹊桥中继星成功实施轨道捕获控制,进入环绕距月球约6.5万公里的地月拉格朗日L2点的Halo使命轨道,成为世界首颗运行在地月L2点Halo使命轨道的卫星。后续,鹊桥中继星将在此轨道陆续开展在轨测试和中继通信链路联试,为今年年底择机发射的嫦娥四号月球探测器提供地月中继测控通信。     

地月平动点中继应用轨道维持

地月平动点中继应用轨道对于月球背面探测具有十分重要的应用价值,由于地月平动点的不稳定性,必须进行轨道维持。文章研究了真实力模型下月球平动点中继应用轨道的维持。首先,基于限制性三体问题下平动点轨道的运动特性,研究了平动点轨道维持的数学模型与维持策略,提出了平动点轨道维持的连续环绕控制方法,并给出了轨道维持的Halo和Lissajous两种控制方式;其次,充分考虑各天体和光压摄动下,采用数值手段研究了不同幅值的地月平动点周期中继应用轨道的维持间隔与速度增量等。研究结果表明:Lissajous控制方式适用于月球平动点中继应用轨道的维持,在给定测控精度条件下,维持间隔约7.4d,速度增量优于20m/s/a。该方法已经成功应用于我国"嫦娥2号"日地平动点任务和"嫦娥5T1"地月平动点任务并获得了良好的控制效果,还可直接应用于我国未来"嫦娥4号"等月球背面探测任务。     

激光测距通信一体化技术研究及深空应用探索

概述了空间激光测距通信一体化技术的研究现状,提出了一种激光精密测距与高速通信一体化技术,基于双向单程测距原理,在BPSK外差相干激光通信的基础上,采用码元相位测量实现了激光测距与通信一体化设计,并完成了地面实验验证。实验结果表明：在通信码速率1 Gbit/s的情况下,其测距精度优于0.9 mm,并分析了参考时钟频差对测距精度的影响。最后对激光测距通信一体化技术在未来深空探测中的应用进行了探索研究。     

Influence of atmospheric turbulence on planetary transceiver laser ranging

In this paper we investigate the influence of atmospheric turbulence on the performance of the uplink of a planetary transceiver laser ranging system using a single photon detector. We numerically combine the influence of turbulence in the mean intensity profile variations, scintillation, beam-wander induced pointing errors and stochastic time-of-flight variations, using the Hufnagel–Valley turbulence profile to model the ground turbulence behavior. We map the intensity variations due to turbulence to variations in the probability distribution of the arrival time of the 1st photon in a laser pulse, which influences the range measurement error probability distribution. The turbulence models are applied to assess the influence on single-pass range accuracy and precision statistics, as well as the parameter estimation quality of a Phobos Laser Ranging (PLR) mission.     

基于广义相对论的轨道摄动下星间激光相位比对

针对纳米到皮米量级星间激光测距,在地心非旋转坐标系(GCRS)下,考虑卫星轨道摄动引起的广义相对论效应,建立了星间单向以及双向星间激光相位比对模型.通过仿真研究了地球主引力场范围内轨道摄动引起的广义相对论效应对星间激光相位比对误差的影响,并通过星间激光相位比对误差计算星间激光测距误差.不同轨道高度的卫星仿真结果表明,对...     

脉冲激光测距误差标定及不确定度分析CSCD

以脉冲激光测距机的测距误差标定为背景,通过对测距误差解析表达式的推导,给出了系统各不确定度分量对测距误差的影响,计算了信号延迟时间、探测器和激光二极管响应时间、晶振频率、大气折射率等不确定度分量。通过对某已标定激光测距机实验验证表明:该装置在500m^20 000m测距范围内,测量重复性引入的相对标准不确定度最大值为0.67m,满足该类激光测距机测量不确定度5m(k=2)的校准测试需求。因此,利用该解析表达式可以实现对脉冲激光测距误差的有效评估,这对于脉冲激光测距测试系统、脉冲激光测距机的设计具有重要的指导意义。     

基于星光角距/激光测距的卫星组合导航方法

为了进一步提高卫星天文自主导航精度,提出了一种利用激光测距辅助的天文组合导航方法。激光测距能够直接获取卫星到地面参考信标的高精度距离信息,在以星光角距为观测量的天文导航系统中引入激光测距辅助数据,可以拓展滤波器观测量的维度,从而改善滤波效果。由于组合导航系统为非线性系统,为避免泰勒展开线性化引起的二阶截断误差,采用UKF滤波方法进行组合导航系统信息融合。仿真结果表明,所提出的组合导航方法能够明显提升导航精度,改善滤波性能。     

基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜定位研究

潜艇只在必要时刻才浮出水面，对实时通信和导航定位造成极大制约。蓝绿激光具有深水穿透性高、衰减系数低等优势，已在机载和星载平台对潜艇通信中得到验证。借鉴GNSS导航信号产生原理，结合蓝绿激光通信测距一体化与低轨卫星自身精密定轨，提出了基于蓝绿激光通信的低轨卫星对潜定位算法。通过在激光通信中增加载波相位调制，实现潜艇激光接收器的伪距测量，联合其高程测量信息实现水下定位。以一带一路海域，特别是中国南海区域为服务对象，优化星座参数设计了3颗卫星组成的低轨稀疏星座。潜艇在星座覆盖区域内保持静态，间隔1~3min完成至少两次通信测距和导航电文接收，联合两组观测数据、精密星历及高程测量信息进行定位解算。仿真结果显示，在卫星过境期间，考虑卫星定轨精度，激光在空气、水下传播误差等因素，潜艇可在水下实现X、Z方向定位误差优于100m，Y方向误差约100~150m的高精度定位，对提升潜艇的战场作战能力具有意义。     

Achievable debris orbit prediction accuracy using laser ranging data from a single station

Earlier studies have shown that an orbit prediction accuracy of 20 arc sec ground station pointing error for 1–2 day predictions was achievable for low Earth orbit (LEO) debris using two passes of debris laser ranging (DLR) data from a single station, separated by about 24 h. The accuracy was determined by comparing the predicted orbits with subsequent tracking data from the same station. This accuracy statement might be over-optimistic for other parts of orbit far away from the station. This paper presents the achievable orbit prediction accuracy using satellite laser ranging (SLR) data of Starlette and Larets under a similar data scenario as that of DLR. The SLR data is corrupted with random errors of 1 m standard deviation so that its accuracy is similar to that of DLR data. The accurate ILRS Consolidated Prediction Format orbits are used as reference to compute the orbit prediction errors. The study demonstrates that accuracy of 20 arc sec for 1–2 day predictions is achievable.     

一种三维激光扫描系统的设计及参数标定

基于三维激光扫描系统的移动机器人动态环境地图构建技术是机器人智能感知技术的重要组成部分,而三维激光扫描系统的设计及标定技术对于地图构建的精度有决定性的影响。针对应用于小型移动机器人的三维激光扫描系统低成本、小型化的需求,设计了一套由高精度旋转云台和小型二维激光测距传感器组成的三维激光扫描系统,并提出了一种新的系统参数标定方法以提高三维扫描测量的准确度。该方法使用镂空圆孔标定板作为标定对象以完成对三维扫描特征自动准确获取,并根据非线性最小二乘法对三维激光扫描系统的参数进行优化计算。实验结果表明,所设计的三维激光扫描系统能够准确地测量周围环境的三维信息,实现了以低成本获得高质量环境建模的三维扫描数据技术。      

基于伪随机码相位调制和外差探测的高精度激光测速测距系统研究

为在远距离范围内实现高精度的激光测速测距，提出了一种联合利用伪随机码相位调制和外差探测技术的激光测速测距方法，并搭建了实验验证平台。当激光出射功率为2mW、参考光功率为117 、调制速率为100MHz、单周期内伪随机码序列长度为81.9 时，该系统在对位于约8 m处、径向速度约为1.4 m/s的目标进行测试时，可以实现0.138m的测距精度，以及4.16cm/s 的测速精度。实验结果证实，该套系统可实现高精度的径向速度和距离测量，且系统工作状态为长脉宽低峰值功率，为远距离的激光测速测距系统设计开辟了一条新途径。