一种基于航天器通用下行信号相关处理的干涉测量方法及验证

针对航天器未搭载干涉测量信标机的情况,提出了一种基于通用下行信号相关处理的干涉测量方法。首先分析了通用下行信号相关处理中载波重建、整周模糊解算和系统时延偏差估计等技术;然后,结合试验,针对某地球同步卫星下行信号特点,提出了一种递进解模糊的载波提取方法;最后,对同步卫星实测数据进行了处理,得到了1.03 ps量级的时延估计精度,验证了所提方法的有效性。     

航天器DOR信号本地相关处理的建模与仿真

详述了DOR（差分单向测距）信号的本地相关处理方法。首先根据轨道预报确定先验时延模型值,利用高精度频率估算方法估计航天器DOR信号的星上发射频率,然后通过时延模型值与频率估计值构造DOR本地模型信号,再将此模型信号分别与测站接收的DOR实测信号进行互相关运算,提取相关相位,解算高精度时延观测量。推导了DOR信号本地相关处理的数学模型,通过信号仿真验证了该方法的有效性,在仅考虑系统噪声影响与轨道预报误差的条件下,仿真时延测量精度达到0.1 ns,为深空航天器精密轨道测量提供了一种可借鉴的技术方法。     

建设中的深空测控网甚长基线干涉测量系统

结合CCSDS(空间数据系统咨询委员会)给出的相关技术标准,介绍了我国目前正在建设的深空测控网甚长基线干涉测量系统,包括系统定义与性能需求,系统的设计与实现等方面。阐述了相关的设计原则和设计思路:对射电源信号,通过将2个测站接收到的同一射电源信号进行互相关的方式求取信号延迟;对航天器信号,利用对正弦信号的统计处理方法,对正弦相位进行估计再差分求取时延。最后简要分析了与欧空局开展机构间交互支持的性能指标。     

嫦娥卫星数传副瓣信号的干涉测量研究与精度验证

针对深空差分干涉测量(DOR)信号受数传副瓣信号干扰问题,首次研究了数传副瓣信号(泄露频谱)的干涉测量,建立了数传副瓣信号干涉测量优化模型,并利用嫦娥三号着陆器实测数据验证比对了数传干涉时延与DOR干涉时延。实验结果表明,干涉带宽相仿条件下,数传信号干涉时延随机误差约0. 02 ns(STD),优于DOR干涉时延0. 17 ns(STD)的随机误差;利用射电源差分观测后,DOR干涉时延与数传干涉时延基本吻合;以干涉相时延为基准,数传干涉时延的波动误差约为0. 14 ns(STD),稳定性优于波动误差约为0. 46 ns(STD)的DOR干涉时延。该结论对嫦娥五号、载人登月等任务中下行数传信号阶段提高干涉测量精度、火星探测任务中DOR信号与数传信号分时工作模式下增加干涉测量覆盖弧段具有直接的工程价值。     

深空探测器无线电干涉测量开源数据处理系统构建及试验

为更好地开展深空无线电干涉测量试验,基于DiFX(Distributed FX,分布式FX型相关处理)、SPICE(Spacecraft Planet Instrument Camera-matrix Events,航天器行星仪器照相机矩阵事件)、HOPS(Haystack Observatory Postprocessing System,Haystack克天文台后处理系统)及AIPS(Astronomical Image Processing System,天文图像处理系统)等开源软件,搭建了一套可用于深空探测器信号相关处理的无线电干涉测量数据处理系统。首先介绍了该系统的整体架构及组成,然后介绍了系统各组成模块的功能及工作原理,最后利用该系统对嫦娥三号着陆器开展了观测试验,并对观测数据进行了处理。试验结果表明,该系统能成功实现深空航天器信号的相关处理、条纹拟合,以及时延解算等功能,有望为我国嫦娥五号任务及火星探测任务数据处理提供支持。     

航天器密封舱加筋壁板碎片撞击监测技术研究

航天器密封结构在轨长期运行期间会受到空间碎片撞击,使密封结构出现不同程度的损伤。如果这些损伤不能被及时检测出来并采取相应措施,可能会带来灾难性的后果。对碎片撞击进行监测可以为航天员采用正确修复方案提供依据。本文利用基于超声导波的结构健康监测技术感知空间碎片对航天器密封结构的撞击。首先,在 Abaqus 有限元仿真软件中,用不同速度的钢球冲击模拟真实的冲击形式。具体分析了超声导波在该壁板结构中的传播特性。用小波变换的方法进行信号处理,据此提取了合适的冲击监测所需的信号频率。其次,设计了一种基于信号互相关分析的冲击成像算法确定撞击位置。比较了不同压电传感器网络定位准确度以及监测效率,选择了一种可靠的组网形式进行监测。最后针对航天器壁板,在实验室环境中验证了该算法的有效性。实验结果表明,该监测系统具有良好的准确性与可靠性。     

无线电干涉测量在深空航天器导航中的应用

介绍了用于确定航天器相对于自然射电源或另一颗航天器角位置的几种无线电干涉测量技术及其在深空探测航天器导航中的应用。差分干涉测量通过对传播时延进行差分消除了大量公共误差,可以达到很高的测角精度,对深空航天器的导航具有重要意义。针对几种干涉测量技术中包含的相位整周模糊这一关键问题,介绍了当前国际上的几种解决方法。系统地分析了影响干涉测量的主要误差源,并对这一领域未来的发展趋势进行了展望。     

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。     

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。     

X射线脉冲星信号时延的实时估计方法

针对在频域内计算X射线脉冲星信号延时量存在滞后性,进而难以为航天器自主导航提供实时信息的问题,提出将脉冲星信号延时估计转化为时域内标量估计的方法。首先,通过人工神经智能网络获得脉冲星信号的标准轮廓函数作为状态方程;应用粒子滤波算法对脉冲星信号延时量进行实时估计;其次,为了避免标准粒子滤波器中的粒子退化现象,推导并证明了一种新型粒子滤波算法;最后,推导出粒子滤波算法的精度函数,为航天器的导航策略提供参考。以航天器在轨运行中可能遇到的3种情况为背景,验证了所提粒子滤波算法的正确性与有效性。     

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。     

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.     

无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制

提出了一种无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制算法。首先建立起基于对偶四元数的带扰动和参数不确定性的航天器姿轨耦合动力学模型。然后基于浸入与不变流形理论设计了速度观测器,通过增益注入对非线性项抑制,从而同时估计角速度和线速度。利用李雅普诺夫函数分析了观测器状态量的收敛性以及注入增益的有界性,证明了该观测器的指数稳定性。最后设计了一个比例-微分（PD）位置与姿态跟踪控制器,该控制器可以实现航天器的任意姿态与位置跟踪,分析了这种观测-控制结构的闭环系统渐近稳定性。仿真验证了该速度观测器和控制器的有效性以及对于参数不确定性和测量噪声具有较好的鲁棒性。     

一种产生角定位莫尔条纹的方法

本文提出了一种由长直光栅产生角定位莫尔条纹的方法。当两光栅的刻线方向完全平行时，由两光栅产生的莫尔图样为平行条；如果其中的一块光栅相对另一块光栅转动时，莫尔图样为箭头状条纹，且角位移越大，箭头的夹角越钝。本文提出的方法可用于微小角位移的测量及角度定位。     

激光全息图像测量自动条纹计数

 在图像测最中,干涉条纹图像并不代表定最结果,而其中的各干涉条纹所具有的条纹级数则是精确测试计量的唯一重要依据。条纹图像判读的主要任务就是条纹计数,即经过识别对各条纹赋以条纹级数,使定性的条纹分布转化为定量的形式。 判读条纹图像有多种方法,如人工判读、机械扫描式判读和数字条纹图像判读处理。     

A composite disturbance observer and H_∞ control scheme for flexible spacecraft with measurement delay and input delay

In this paper, the attitude control algorithm of flexible spacecraft with unknown measurement delay and input delay based on disturbance observer is designed. The influence of measurement delay and input delay on the attitude control system and disturbance observer is analyzed. The disturbance estimation error equation is transformed into a differential system with a pure delay. Then, the observer gain is chosen based on the 3/2 stability theorem to ensure the stability and disturbance attenuation performance of the pure delay system. Next, the controller gain is designed based on the Linear Matrix Inequality(LMI) approach to guarantee the stability of the composite system and achieve H_∞ performance with two additive delays. The simulation results show that the proposed method can improve the anti-disturbance ability of the attitude control system.     

一种宽带信道群时延测量方法

针对VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)系统直接相位差分法的群时延测量精度与分辨率存在矛盾,以及线性最小二乘拟合法不适用于群时延失真链路的问题,采用一种基于非线性拟合的宽带信道群时延测量方法,对出现的问题进行分析与仿真,同时进行了实验验证并获取到实测数据。仿真表明,基于非线性拟合的宽带信道群时延测量方法适用于非线性相位系统,而且群时延的测量精度优于直接相位差分法2个量级。实测数据表明,在270~370 MHz频段内,传统的直接相位差分法和线性拟合测量法已失效,而该方法群时延的测量精度优于0.1ns,由此验证非线性拟合法能够以较高精度进行附加相位和群时延特性测量。     

Time delay techniques for satellite interference location system

Describes the development of a system for inferring the position of uplink ground stations, using existing domestic satellites, with minimal disruption of normal operation. The system uses the differential time delay of a single uplink signal passing through two adjacent spacecraft to infer the relative position of the uplink transmitter. A system for the measurement of such differential time delays is described. Since this technique alone does not provide an unambiguous determination of uplink transmitter location, the use of an interferometer to resolve such ambiguities is discussed     

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。     

Nonlinear observer and output feedback attitude control ofspacecraft

The problem of controlling a spacecraft by measuring only the angular position (roll, pitch, and yaw) is considered. A nonlinear observer is proposed which asymptotically reconstructs all the spacecraft state variables; if the spacecraft actuators are reaction wheels, the angular velocities of the wheels also must be measured. It is shown that if the observer is used in connection with asymptotically stable state feedback controllers, the extended system (spacecraft, controller, and observer) is still asymptotically stable. Simulation results are reported to illustrate the dynamic behavior of the observer