微米级微波测距系统时延稳定性的测试研究

微米级微波测距系统是低低卫-卫跟踪重力探测卫星的核心载荷,是反演地球重力场的主要数据来源,星间距离变化的测量精度达微米量级,对系统有源组件的时延稳定性要求非常高,搭建了时延稳定性测试系统,对有源组件进行时延稳定性地面测试验证,得到微米级微波系统有源组件的时延稳定性系数为19.02μm/K,结合无源组件的时延稳定系数及卫星轨道的温度环境,证明轨道谐波误差满足设计要求,微米级微波测距系统的距离变化测量精度满足研制需求.     

基于激光干涉星间测距原理的下一代月球卫星重力测量计划需求论证

月球卫星重力测量是21世纪国际开展深空探测的发展趋势和追逐热点。月球重力场的精密测量是国际探月计划的重要组成部分,它决定着月球探测器的轨道优化设计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取。本文首先介绍未来国际GRAIL（Gravity Recovery and Interior Laboratory）月球重力场探测双星计划的总体概述、关键载荷以及科学目标和研究方向。其次,重点阐述月球卫星观测模式可行性论证、月球卫星关键载荷的优化选取、卫星轨道参数的优化设计、仿真模拟研究的先期开展等我国将来月球卫星重力测量计划的实施建议。第一,由于高低/低低卫星跟踪卫星结合多普勒和甚长基线干涉系统观测模式（SST-HL/LL-Doppler-VLBI）对中长波月球重力场的探测精度较高,技术要求相对较低,月球重力场测定速度快、代价低和效益高,可借鉴地球重力卫星GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）系统的成功经验,对定轨精度的要求较低,而且可有效探测远月面区域的月球重力场信号,因此我国将来首期月球卫星重力测量计划采用SST-HL/LL-Doppler-VLBI观测模式较优。第二,我国应先期开展高精度的月球重力卫星关键载荷（激光干涉星间测距仪、非保守力补偿系统等）和地面Doppler\|VLBI系统的研制工作。第三,月球卫星轨道高度（50~100 km）和星间距离（100±50 km）的优化设计是成功实施将来我国月球卫星重力测量计划的重要保证。第四,建议我国将仿真技术应用于月球重力卫星的方案论证、系统设计、部件研制、产品检验、实际应用、故障分析等研制和运行的全过程。本文的研究不仅对我国将来首期月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考价值,同时对未来国际太阳系行星重力探测的发展方向具有广泛的指导意义。
     

基于加权最小二乘的星间数据高精度压缩算法

星间双单程测距技术（DOWR）是保证KBR测量精度最主要的手段。KBR星间原始相位测量量作为DOWR的输入数据，其精度对实现星间微米级测距具有重要意义。重力卫星将星上原始相位测量数据下传至地面，在地面进行测距、测速解算。为了解决卫星星地数据传输量大和数传带宽受限的矛盾，并确保下传至地面的原始测量数据精度不损失，文章提出利用分段加权叠加最小二乘拟合算法，对星上测量信息进行拟合压缩下传的方法；并利用该方法，对研发的KBR地面试验系统中实测的相位信息进行分析，结果表明，文中提出的算法压缩比为15.6∶1，压缩精度对测距的影响小于0.01μm量级，对测速的影响小于0.01μm/s量级，该量级的误差对于整个系统微米级测距的影响可忽略。研究成果对我国重力探测卫星KBR系统实现高精度的数据压缩及星地间大数据量的压缩传输具有重要意义。     

利用旋转卫星法开展加速度计在轨检验研究

利用旋转卫星法开展高精度空间加速度计在轨性能检验的可行性分析表明该方法能够 在轨测量加速度计的分辨率、质心重合度、标度因数和安装误差,并根据GRACE卫星的相关 参数估计了采用该方法可能达到的测量水平,这不仅有利于加速度计载荷在轨性能评价,而 且对于重力场测量卫星的最终数据处理具有指导意义。
     

高精度星间测距与超稳振荡器研究

高精度K频段微波星间测距系统（KBR）采用双路微波测距技术,测量精度可达到1μm／s,是地球重力场测量卫星的三大有效载荷之一。作为整个系统时间基准的超稳定振荡器（USO）,是实现KBR微米级测量精度的关键。文章在研究KBR测距技术的基础上,对USO进行了研究和设计,研制成功的USO的短期频率稳定度达到了5×10^-13／s（Allan方差）,达到了指标要求。     

静电加速度计对重力卫星平台的要求分析

静电加速度计是重力卫星的核心有效载荷,其非保守力测量精度是地球重力场反演任务成功执行的有效保证。文章分析了静电加速度计的测量信号以及对重力卫星平台的指标要求,重点指出满足这些要求应解决的关键技术,最后建议我国开展重力卫星研究。     

基于GNSS掩星资料的风云卫星微波载荷产品质量验证与分析

聚焦新一代国产极轨气象卫星微波载荷和全球导航卫星系统(GNSS)掩星临边观测的探测机理,及其各自仪器的性能指标和在轨运行的特点,利用2019年1月1日到12月31日的全球数据,开展基于GNSS掩星资料的风云气象卫星微波观测亮温对比和反演廓线产品质量检验研究。在匹配数据时间分辨率为30 min和经纬度分辨率为0.5°的情况下,亮温偏差小于5 K,大气温湿度探测精度分别为1.92 K和22.8%,同时分析了2019年青藏高原地区大气温湿度的时空分布规律。结果表明:风云气象卫星微波辐射计具有全球全天候探测大气温湿度的功能,在近地面具有丰富的反演数据,而对于GNSS掩星探测资料,3 km以上探测精度优于微波湿度计,近地面数据较少,两者联合,既可以互相补充和验证,又能以青藏高原为例,分析长时间序列气象和气候数据,为后续的气候研究提供基础数据集。     

一种重力测量卫星质心在轨标定改进算法

针对重力测量卫星质心在轨标定算法中存在的陀螺精度不高且易失效的问题,提出了一种应用星敏感器和静电加速度计的质心标定改进算法。在该算法中,将一个明显大于干扰力矩的周期性磁力矩,作用于卫星上;将星敏感器观测量代入预测滤波器中,估计卫星的角速度及角加速度;利用静电加速度计信息设计扩展卡尔曼滤波,从而实现卫星质心的标定。数学仿真结果表明:此算法能够对卫星的角速度及质心位置进行实时估计,卫星质心三轴最佳标定精度均优于0.05mm,可实现陀螺失效情况下卫星质心较为精确的标定。     

一种重力测量卫星静电加速度计在轨标定算法

静电加速度计是低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星的关键载荷之一,其性能直接影响地球重力场空间变化率的测定结果。为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合扩展卡尔曼滤波估计算法,提出了一种应用动力学方法确定静电加速度计校准参数的算法。首先建立静电加速度计及K频段测距(KBR)系统的量测模型;然后将高精度地球重力场模型和静电加速度计观测数据代入扩展卡尔曼滤波算法的状态方程中,将KBR系统观测数据代入观测方程中,建立静电加速度计在轨标定模型。数学仿真结果表明:静电加速度计的标度因子和零偏估计误差均在0.2%以内,实现了卫星静电加速度计较为精确的标定。     

首家独具特色的汉字图形显示五通道GPS接收机——VT9000 GPS接收机

技术性能·五通道C/A码单频GPS接收机; ·工作方式四星三维定位、三星二维定位:全自动、人工设置方式工作·精度:定位10～100m,差分后1～5m 测速0.05～0.5m/s,差分后0.01～0.1m/s 时间精度1μs: 可给出北京时间、UTC时间或任一全球24时区时: ·数据更新率1s; ·时间同步输出:1pps秒脉冲输出; ·捕获时间45s.重捕时间10s:     

精密离心机误差对石英加速度计误差标定精度分析

分析了离心机各个误差源,用齐次变换法精确地计算了产生的向心加速度,给出了向心加速度、重力加速度和哥氏加速度在加速度计坐标系下的分量,推导了被试加速度计输入加速度的精确表达式。在给出石英摆式加速度计在精密离心机上标定时的误差模型的基础上,着重讨论了误差模型系数的计算值与离心机误差之间的关系。根据仿真结果找出了某些离心机误差对加速度计误差系数标定的影响关系,为按照加速度计的标定精度来确定离心机的精度打下了理论基础。     

星载加速度计数据在卫星定轨中的应用

基于传统的动力学法,以加速度计数据替代非保守力加速度,提出了一种用加速度计数据进行卫星精密定轨的模型。用美喷气推进实验室(JPL)提供的GRACE星星载加速度计实测数据进行了验证。结果表明,用加速度计可获得较准确的卫星瞬时加速度,其积分轨道的误差小于纯力学模型,从而提高卫星定轨精度。但由于动力学定轨法的固有特点,其定轨误差会随时间而增大。     

利用GPS非差观测值的GRACE卫星精密定轨

参照GPS精密单点定位（PPP，Precise Point Positioning）模型设计了一种新的卫星定轨方法一组合星载加速度计测量数据和IGS提供的GPS精密星历及精密钟差数据进行低轨卫星的精密定轨。利用星载加速度计提高卫星受力模型准确性，使动力法定轨精度和可靠性都得到提升。同时，采用多种改正技术提高GPS非差观测值测量精度，保证最终高精度卫星定轨。本文建立了卫星定轨的轨道滤波模型，得出了有益的结论，即采用星载加速度计测量卫星非保守力可提高卫星定轨精度，在ITRF2000参考系下三轴精度优于18cm。这种方法不需要在全球建市基准观测站．定轨设备简单．费用低廉．     

控制点/控制点对最优能量解析的图像配准

 针对遥感图像配准中匹配同名点少、配准精度低等问题,提出了一种基于控制点/控制点对最优能量解析的图像配准方法。在控制点提取中,通过多尺度曲波变换,实现不同尺度下图像质量的灰关联分析和噪声抑制,并根据灰关联能量值,自动调整尺度不变特征变换配准参数,提高匹配同名点数量;为保证控制点选择的均匀性和准确性,创建了控制点对能量模型,采用马尔科夫蒙特卡洛优化算法实现分布、匹配能量最优的控制点筛选,提高了图像配准精度。实验结果表明,本方法对遥感图像匹配同名点少、控制点分布不均匀、图像配准精度低等问题有很大改善,具有较高的应用价值。     

超高精度星间距离测量及其在卫星重力场测量中的应用

介绍卫星重力场测量的最新技术——GRACE低-低卫-卫跟踪的基本思想及其关键有效载荷。在此基础上,对高精度KBR星间距离测量的基本原理进行简要分析,并探讨其关键技术。     

Flight performance analysis of GRACE K-band ranging instrument with simulation data

A dual one-way ranging (DOWR) system provides very high accuracy range measurements between two satellites. The GRACE satellite mission implements the DOWR, called KBR (K-band ranging), to measure very small inter-satellite range change in order to map the Earth gravity field. The flight performance of the KBR is analyzed by using a hybrid software simulator that incorporates actual satellite orbit data into a comprehensive KBR simulator, which was earlier used for computing the GRACE baseline accuracy. Three types of experiments were performed. First is the comparison of the flight data with the simulated data in spectral domain. Second is the comparison of double differenced noise level. Third is the comparison of the range-rate difference with GPS clock estimates. The analysis shows a good agreement with the simulation model except some excessive high frequency noise, e.g. 10⁻⁴ m/√Hz at 0.1 Hz. The range-rate difference shows 0.003 cyc/s discrepancy with the clock estimates. These analyses are helpful to refine the DOWR simulation model and can be benefit to future DOWR instrument development.     

Flight performance analysis of GRACE K-band ranging instrument with simulation data

A dual one-way ranging (DOWR) system provides very high accuracy range measurements between two satellites. The GRACE satellite mission implements the DOWR, called KBR (K-band ranging), to measure very small inter-satellite range change in order to map the Earth gravity field. The flight performance of the KBR is analyzed by using a hybrid software simulator that incorporates actual satellite orbit data into a comprehensive KBR simulator, which was earlier used for computing the GRACE baseline accuracy. Three types of experiments were performed. First is the comparison of the flight data with the simulated data in spectral domain. Second is the comparison of double differenced noise level. Third is the comparison of the range-rate difference with GPS clock estimates. The analysis shows a good agreement with the simulation model except some excessive high frequency noise, e.g. 10⁻⁴ m/√Hz at 0.1 Hz. The range-rate difference shows 0.003 cyc/s discrepancy with the clock estimates. These analyses are helpful to refine the DOWR simulation model and can be benefit to future DOWR instrument development.     

谐振式传感器高精度频率测量技术研究*

随着MEMS振梁加表、振梁压力传感器等谐振式传感器精度的提高,对频率测量精度的要求也随之提高。现有的测频技术通常采用单片机内置的输入捕获及中断功能,与实际需求的测量精度差距较大。提出一种基于FPGA的高精度频率测量方案,在5ms的采样间隔下实现1ppm的相对频率测量精度,满足高精度谐振式传感器的精度要求。     

月球车视觉系统的一种匹配算法

针对月球车立体视觉系统对匹配速度和准确度要求较高的特点，提出了一种基于特征约束的区域匹配算法。该算法用多尺度小波变换实现边缘提取和降噪，采用多特征匹配、双向匹配、部分二次采样、选取图像子集等技术保证匹配的速度和精度。最后对匹配结果进行滤波，进一步提高匹配的准确性。