航天器应急姿态捕获中GPS信号的应用

星载全球定位系统（GPS）卫星接收机在测量接收各GPS卫星信号时,可同时得到接收信号的信号强度测量辅助数据E。理论分析表明,接收信号的强度E与信号入射天线的法向夹角α强相关。如建立E与α稳定的先验模型,E就可以作为测量值,计算入射天线的角度α。在同一时刻,通过三个以上GPS卫星信号入射天线的角度α,可计算星载GPS卫星接收机接收天线的空间姿态。确定姿态的精度取决于E与α相关先验模型的稳定性。利用CHAMP卫星星载接收机在轨实测数据检验,估算的初始姿态精度为2°~3°。该方法可作为航天器故障状态下应急姿态捕获的一种辅助手段,也可为携带星载GPS而无高精度定姿要求的简易航天器提供一种新的无附加成本的定姿途径。     

基于射频敏感器的卫星三轴姿态确定方法研究

带有大型网状展开天线的同步轨道移动通信卫星,一般通过卫星本体的姿态控制间接保障星上通信天线的指向精度,难以避免天线因自身安装、变形、挠性振动等引起的指向误差.提出直接利用射频敏感器测量的信标信号误差确定卫星三轴姿态,并计算天线保持目标指向所需三轴姿态角偏差,通过卫星姿态控制系统实时或离线姿态修正以保证天线指向精度.利用数学仿真方式验证算法正确性和有效性.     

快响SAR卫星零多普勒波束中心姿态机动策略研究

传统偏航牵引方法采用惯性系下卫星轨道6要素推导得出姿态机动参数,在此方法中仅控制卫星主轴方向多普勒频率为0Hz,无法补偿SAR天线安装偏差和波束在天线内的方位距离向离轴角引起的斜距偏差和多普勒频率偏移,不能满足SAR系统时序设计需求和快响SAR卫星在轨实时处理器性能要求。因此,提出了地心固定坐标系中SAR天线波束指向零多普勒面内目标方向的姿态机动策略,使快响SAR卫星在轨实际波束中心多普勒频率为0Hz。该策略首先计算了基于场景目标的SAR总体设计的精确时序参数和观测参数,然后在地心固定坐标系中建立了波束中心多普勒频率为0Hz的SAR天线波束三轴指向模型,推导得出卫星三轴指向和姿态机动参数,并通过Matlab对该策略进行了仿真验证。结果表明,该策略可将多普勒频率由地球自转引起的29kHz、天线与卫星安装偏差引起的360Hz和波束方位向离轴角引起的3950Hz补偿至0Hz,同时将由天线与卫星安装偏差和波束距离向离轴角综合引起的波束中心偏离目标的斜距偏差6.28km补偿至米的量级。     

空间惯性定向姿态卫星数传链路设计

对于采用空间惯性定向姿态的卫星,其在数传设备工作期间不能保证固定安装在星体上的发射天线波束准确指向地面站,这给有效载荷高速数传提出更高技术要求. 研究了这类卫星在轨运行时其姿态相对地面站的变化规律,利用STK软件提供的卫星轨道仿真分析结果,寻找数传天线波束中心轴的较好指向,得到不同天线波束宽度能够实现的卫星对地数传时间. 通过研制140°波束范围内0dBi增益天线,在链路设计上保证了传输速率85Mbit·s-1时有足够的余量. 在星载设备小型化约束（质量10kg、功耗80W）条件下,采用小型化宽波束天线以及固态功放解决了空间惯性定向姿态卫星的有效载荷数据传输问题,设计方案满足相关任务要求.      

卫星星间捷变型窄波束天线指向的误差分析

针对捷变型窄波束天线建链时间短、指向精度要求高的特点,通过建立星间天线指向误差模型,从理论上分析了卫星位置、姿态、天线安装等偏差因素对天线指向误差的影响。同时,采用STK软件对MEO卫星的天线指向误差进行仿真实验,实验结果与误差模型的理论预期一致。     

基于天线驱动组件的多体卫星MIMO控制及稳定裕度应用研究

针对两输入两输出的多体卫星控制系统,采用工程中的天线驱动组件为天线转动提供驱动力矩,在天线小角度机动条件下,对此线性模型采用多变量频域设计法中的序列回差设计技术,设计卫星本体俯仰姿态和天线转动的多输入多输出(MIMO)控制器,利用Nyquist稳定判据证明系统的稳定性.在此基础上分别利用回差阵奇异值法和逆回差阵奇异值法计算MIMO控制系统的稳定裕度,将两种方法所得结果相结合以减小稳定裕度计算的保守性,最后通过数值仿真验证了控制算法和控制系统稳定裕度结果的有效性.     

一种基于大力矩飞轮的敏捷卫星路径规划的姿态机动控制方法

遥感卫星对姿态机动能力的快速性提出了更高的需求,提出一种路径规划控制方法及在线计算模型,利用大力矩飞轮作为执行机构提供控制力矩,通过大量测试得到修正角度的模型,从而使卫星具备高精度敏捷姿态机动能力.通过数学仿真结果说明了本方法的有效性.     

卫星锐波束天线指向算法及仿真

推导了卫星锐波束天线指向算法,给出了简化计算模型和仿真结果。文章所给出的天线指向算法是在已知卫星轨道和姿态的基础上,计算锐波束天线指向点二维转动角度的公式,实现卫星动态过程对指向点的保持;通过仿真给出指向点精度和姿态精度的关系,给出自主生成控制函数的简化模型,同时也验证了该算法的正确性,算法可作为星上自主计算的依据。     

卫星测控天线日照温度场极端工况预测方法

针对卫星测控天线日照温度场产生的热变形影响天线电性能问题,提出了一种预测天线极端温度工况的方法.该方法将太阳照射参数与天线面板方程有效结合起来,求得天线面板的太阳直射点运动轨迹,从而确定天线姿态参数.在Ⅰ-DEAS中建立该姿态的模型,同时引入环境因素的影响,进行瞬态仿真分析,预测天线的极端温度工况.通过试验天线,验证理论计算太阳直射点运动轨迹与极端温度预测方法的正确性.     

基于气浮台的微小卫星姿态控制实时仿真

针对某在研卫星项目任务需求,以单轴气浮台为仿真平台,对单刚体微小卫星的姿态控制问题进行了气浮台实时仿真研究.介绍了微小卫星仿真气浮台系统的硬件组成,论述了仿真系统软件实现的机制,分析了姿态控制系统的基本原理.根据任务要求,对微小卫星三轴正常姿态稳定控制,大角度机动姿态控制模式进行了仿真实验.实验结果表明姿态控制系统的控制精度能够满足任务要求,从而验证了姿态控制系统方案的正确性和可行性.     

一种基于自适应滤波的GPS滚转角估计方法

全球定位系统（GPS）测姿技术主要是利用GPS载波相位和信号功率2种方法，但是测量信息单一且独立，针对旋转载体的测姿问题，提出一种基于自适应滤波的GPS滚转角估计方法，通过融合GPS接收机天线信号功率和多普勒频率信息测量载体滚转角和滚转角速度。利用当前统计模型对滚转角和滚转角速度测量进行系统建模，根据滚转角预测估计值选取量测量，并提出自适应滤波，采用滚转角加速度估计自适应滤波算法，实现了对系统噪声方差阵的自适应调整，避免了滚转角加速度最值的选取问题，降低了噪声的影响。通过仿真验证了基于自适应滤波的GPS滚转角估计方法的可行性，结果表明该方法的测量精度高于无迹卡尔曼滤波（UKF）。      

应用数字工业摄影测量实现天线反射体姿态恢复

介绍了天线在安装现场实现无塔标校的一种方法。根据公共点坐标转换原理,采用数字工业摄影测量(简称摄影测量)技术,实现天线反射体(包括主反射面、副反射面、馈源)姿态的恢复。通过天线反射体姿态恢复后所测试Ka/S波段方向图和测试Ka/S波段原始方向图比对,可知天线电性能指标恢复满足要求。     

单馈点圆极化GPS微带天线

在腔模理论基础上利用微扰方法分析与设计了单馈点圆极化微带贴片天线。通过对于GPS的单馈点圆极化微带贴片天线测试表明，结果与设计预估十分一致。天线除结构紧凑，易于微波集成外，还具有十分优良的圆对称半球波束，良好的广角圆极化和阻抗匹配特性，对GPS应用来说是一种性能优良的天线。     

航天GPS接收机信号搜索捕获策略

航天GPS接收机的无辅助冷启动时间是一项重要指标,研究近地轨道应用的12通道C/A码导航型接收机减小冷启动时间的方法.分析GPS信号的多普勒频率和伪码相位搜索方法、捕获检测器及其参数选择、多普勒频率搜索步长和伪码搜索速率, 得到多普勒频率搜索步长为500?Hz,伪码搜索速率为475码元/s.研究轨道倾角、轨道高度、GPS天线仰角和轨道偏心率等因素对多普勒频率搜索范围的影响.阐述根据GPS卫星间夹角的统计信息选择合理的卫星分配方法.分析和仿真结果表明,根据GPS卫星间夹角的统计信息选择合理的卫星分配方法,可将冷启动时间减少25%~30%,影响多普勒频率搜索范围的因素按程度依次为:轨道倾角、轨道高度、GPS天线仰角和轨道偏心率,再考虑这些因素时可将冷启动时间减少25%~40%.     

一种星载GPS接收天线

根据星载 GPS接收天线的主要技术要求 ,给出了谐振式四臂螺旋天线用于星载 GPS天线的设计思路与设计过程 ,并给出了最后的测试结果。结果表明 :该天线具有十分优良的圆对称半球波束特性、良好的广角圆极化特性和优良的阻抗匹配 ,结构紧凑 ,集成度高 ,并通过了环境鉴定试验 ,为星载 GPS应用提供了一种性能优良的天线     

同步式GPS欺骗干扰信号生成技术研究与设计

出于对"低、慢、小"无人机进行导航定位诱骗的实际需求，在实验室原有的异步生成式GPS欺骗干扰源的基础上，研制了一种小型化的同步生成式GPS欺骗干扰源。首先，在异步生成式GPS欺骗干扰源射频信号模型的基础上，考虑到干扰源信号处理延时、欺骗信号的传播延时、无人机上目标接收机所接收真实卫星信号状态以及无人机运动模型，建立了对同步欺骗信号仿真时间和状态参数进行精确计算的数学模型。其次，通过本地授时型接收机提供驯服后的基准时钟和秒脉冲（1PPS）信号，实现欺骗干扰信号与真实卫星信号系统时的同步，并通过高阶直接数字频率合成（DDS）技术精确控制信号参数、保证欺骗信号到达目标接收机接收天线相位中心时与真实信号的相位状态在成功诱骗所允许的误差范围之内。最后，通过商用接收机和无人机进行了实验验证，在无人机上目标接收机正常跟踪真实卫星信号的前提下，开启同步生成式GPS欺骗干扰源发射欺骗信号，能够使目标接收机逐渐偏离正常定位测速结果而产生受控的定位测速结果。结果验证了同步信号模型和所设计同步信号生成电路的正确性，且表明同步生成式GPS欺骗干扰源能够实现对商用接收机和无人机导航定位的诱骗。      

GNSS外辐射源雷达低慢小目标探测概率

尽管全球导航卫星系统(GNSS)外辐射源雷达具有信号源广泛、覆盖率高、容易进行时间同步等特点，受到了国内外研究机构的广泛关注，但由于卫星位置变化和单颗卫星的目标探测性能有限，难以满足实际探测需求。根据几何构型给出GNSS外辐射源雷达双基地角计算方式，仿真研究双基地角与目标雷达散射截面积(RCS)的关系，分析探测时间与目标最大探测距离的关系，得到目标探测概率的理论表达式，并据此评估基于GPS L5信号的外辐射源雷达在单星、多源融合及前后向协同探测模式的目标探测概率。仿真结果表明：单星前向和后向探测模式的有效探测时间覆盖率不足1%，采用前后向协同及多源融合的探测方式，可有效提升GNSS外辐射源雷达的目标探测性能至25%；通过采用连续扫描检测的方式实时改变接收天线的照射方向进行目标探测，在前后向协同的多源融合探测模式下，有效探测时间覆盖率达到98.96%，基本满足全天时有效探测需求。     

低轨卫星的北斗反射信号海洋覆盖分析

北斗系统作为我国自行研制的导航系统，具有独特的混合星座特性，其反射事件在海洋上的空间分布和覆盖性能的研究成果较少。针对上述问题，模拟了北斗三号（Beidou System 3，BDS3）以及全球定位系统（Global Positioning System，GPS）空间星座，模拟不同性能参数的低轨接收卫星，在此仿真系统的基础上，计算反射事件在各仿真场景下的海洋覆盖率以及同时发生反射事件的卫星数量。结果表明：BDS3与GPS相比具有更大的反射事件海洋覆盖率，覆盖性能更优；仿真周期7天与1天相比,前者卫星产生的反射事件海洋覆盖率约为后者5倍；低轨道卫星（Low Earth Orbit,LEO）轨道高度越高，天线波束角度越大，反射事件海洋覆盖率越大；3颗LEO卫星下同时发生反射事件卫星数的平均值约为单颗LEO卫星的3倍。可通过设计多星组网来提高反射事件海洋覆盖率。研究结果对星载反射技术海洋遥感应用方面有一定的参考价值。