USO-KBR测距系统建模与仿真

K频段微波测距(KBR)系统是低-低卫星跟踪卫星(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,而KBR系统中超稳振荡器(USO)的稳定度对KBR系统整体测距精度有着重要影响。文章根据双向测量载波相位对比原理和USO幂率谱模型,对KBR系统进行了建模。首先,描述了测距系统的基本原理、系统功能组成及适用于KBR系统的数学模型;然后,利用Matlab软件对"重力恢复和气候实验"(GRACE)卫星的KBR系统进行了仿真。仿真结果表明,采用该模型和方法后获得的双向测距中误差(RMSE)为9.81μm,与公布的GRACE卫星KBR系统10μm的中误差相符。文章为KBR系统的工程设计提供了仿真分析工具,可为工程应用提供设计参考。     

重力测量卫星KBR系统相位中心在轨标定算法

针对低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星K频段测距(KBR)系统相位中心在轨标定问题,提出了一种应用预测卡尔曼滤波算法的KBR系统在轨标定算法。首先,以磁力矩器和姿态控制喷气发动机为执行部件,对一颗卫星施加一定的组合力矩,使其绕另一颗卫星进行周期性姿态机动;然后,将星敏感器数据代入预测卡尔曼滤波算法中估计出卫星姿态;最后,根据KBR系统观测值与卫星姿态角之间的关系,利用扩展卡尔曼滤波算法估计出KBR系统相位中心的位置。数值仿真结果表明:KBR系统相位中心可以被实时估计,当存在较大的卫星姿态动力学模型误差时,KBR系统相位中心的标定误差仍在0.3mrad以内,证明此算法估计精度较高且鲁棒性强。     

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。     

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。     

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。     

低低卫-卫跟踪重力测量物理模型及部分姿轨控技术需求

文章从低低卫-卫跟踪(SST-LL)重力测量的基本物理思想出发,导出了SST-LL重力测量的物理模型,并由此确定了SST-LL重力测量所需要的观测量;从重力测量对低低孪星的编队要求出发,得出了孪星轨道的平均半长轴之差最低控制需求,导出了卫星姿态俯仰角控制与孪星到地心的距离、及与孪星沿迹相对距离的关系,并估算了孪星两次编队保持机动的时间间隔。     

高精度星间微波测距技术

卫卫跟踪（SST）技术是目前地球重力场测量最有价值和应用前景的方法之一。高精度K波段星间微波测距系统（KBR K Band Ranging System）低低卫卫跟踪（SST-Ⅱ）重力卫星的关键有效载荷，它是一微米量级的测距系统，通过处理高精度的星间距离和距离变化率数据，可以恢复出地球重力场。在研究星间双路微波测距原理的基础上，提出了一种KBR系统的基本结构，详细描述了数据处理过程和KBR系统研究需要突破的关键技术，分析了国内目前的研究水平，给出了我国未来开展KBR系统研究的一些建议。     

卫星多轴指向姿态控制全物理仿真实验研究

具有大型天线和大面积太阳帆板的多体卫星多轴指向控制技术是航天器控制的关键技术之一,针对这一问题,设计了“前馈+变结构”方案控制卫星本体,天线指向控制根据任务要求结合本体姿态产生,形成本体与天线多轴指向控制方案。基于常用的“飞轮—喷气”执行机构模式,考虑了控制精度和喷气消耗量问题。利用带有大型挠性板与程控天线系统的单轴气浮台物理仿真实验系统,成功地进行了卫星多轴指向控制物理仿真实验,本体姿态控制精度达到0.020,天线指向精度达到0.50。该研究对多轴指向卫星控制系统设计具有实际参考价值。     

基于ILLE和SVM的卫星执行机构系统故障检测与定位

针对某超高指向精度要求的卫星平台,采用增量式局部线性嵌入(ILLE)与支持向量机(SVM)结合的方法,研究系统配置的多组磁伺服机构的故障检测与故障定位技术。在分析执行机构故障模式以及故障影响的基础上,采用LLE算法实时提取并更新与故障相关的卫星姿态控制系统高维信息,对其进行降维及特征提取,实现执行机构系统故障检测。当检测到故障时,提取执行机构系统输入输出信息,利用支持向量机(SVM)方法进行故障定位。该方法无需采集离线数据生成样本集,直接利用卫星姿控系统产生的在线故障特征数据集进行故障检测,并能根据故障检测结果,有效地实现卫星姿控系统执行机构的故障定位。算例仿真结果验证了所提方法的有效性。     

一种卫星微角振动高精度测量方法

卫星微振动引发的结构微角振动限制了高精度卫星指向精度和姿态控制稳定性,因此有必要对其进行在轨测量。为准确测量卫星结构微角振动,文章在对比不同的测量方法后,提出了一种基于磁流体动力学(Magnetohydrodynamics,MHD)微角振动传感器的卫星结构微角振动高精度测量方法,并针对由动量轮引起的有效载荷微角振动的特性,进行了仿真和试验验证。试验结果表明,其测量精度满足现阶段卫星控制的要求。此方法能为卫星扰动源的定位及卫星的主动减振反馈提供依据。