深空探测与行星际互联网

深空探测是指对太阳系内除地球之外的行星及其卫星、小行星和彗星等的探测,以及太阳系以外的银河系乃至整个宇宙的探测。行星际互联网(IPN)作为一种通用的空间信息网络架构,旨在为深空探测任务提供科学数据传递的通信服务及探测器和深空轨道器的导航服务。首先给出了深空探测和行星际互联网的概念,介绍了深空探测的发展现状,然后对行星际互联网体系架构进行了详细介绍,最后给出了行星际互联网的关键技术。     

一种基于信号合成的无线电干涉测量方法

针对后续深空探测任务更高测量精度需求,文章提出了一种基于信号合成的无线电干涉测量方案,并对方案性能进行了理论分析;结合目前主流信号合成算法,提出了一种基于相位补偿的Sumple算法,该算法不仅合成效率高,且合成信号与参考信号具有相同的相位特性,这是天线组阵技术应用于无线电干涉测量的前提;利用相控阵天线试验数据和DOR信号仿真数据对合成方案和合成算法进行了验证,结果表明信号合成处理可以提高无线电干涉测量时延估计精度,这在深空探测任务中具有重要意义。     

异地天线组阵站间时延差修正技术研究与验证

异地天线组阵可综合利用现有的天线设施,充分发挥设施资源的综合效能,对于我国未来深空探测任务的测控通信支持,提高测控通信距离,具有特殊的应用前景。介绍了异地天线组阵特点,并对异地天线组阵中关键的站间时延差修正技术进行研究,利用"嫦娥3号"下行数据开展技术试验验证,不仅获得了喀什、青岛、北京、三亚四站间的精确时延差结果,完成四站信号的基带合成和符号流合成,而且优化了软件相关器参数;该技术同时应用到欧空局"金星快车"微弱信号的基带合成处理中,为后续深空探测信号合成的工程化应用奠定了良好基础。     

深空测控新技术研究进展

测控系统是航天工程不可或缺的重要组成部分,其导航通信能力在深空探测任务中尤为重要。深空探测任务远距离、长延迟、弱信号、易中断条件下高精度导航测量和高速可靠数据传输始终是深空测控技术需要重点解决的问题。围绕这些问题重点介绍了在天线组阵、再生伪码测距、连接端站干涉测量、相位参考干涉测量和容延迟网络等一系列新技术方面开展的研究工作和部分成果,可以看到,这些成果的应用将丰富深空测控技术手段,在未来更复杂、更遥远的深空探测任务中将会发挥重要作用。     

基于中国深空站的木星探测器开环测量试验

中国深空网的建立用以支持我国正在实施的探月工程及后续火星、小行星、木星等探测任务。为验证中国深空网的跟踪测量能力,并获取行星无线电测量数据,基于中国深空站开展了对木星在轨探测器"朱诺号"(Juno)的跟踪测量试验与数据处理分析。在分析各种观测约束条件的基础上,首次实现了中国深空站在地—木距离上的深空探测器开环跟踪测量,通过VLBI数据采集记录终端原始探测器信号,经信号处理提取"朱诺号"探测器的主载波频率。采用傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)、线性调频Z变化及信号本地重构相关的联合信号处理方法,"朱诺号"探测器主载波频率提取噪声水平在10μHz水平,有效验证了深空开环测量技术,为后续我国深空探测任务积累了有益经验。     

大气湍流对深空天线组阵相位影响分析

深空测控网采用大规模天线组阵系统比单个大天线具有一定优势,构建一个Ka频段的天线组阵系统无论对于星际测控通信还是天文观测都是一种经济、可持续扩展的技术方案。然而天线组阵系统工作于Ka频段时,由于天线间相位的快速起伏漂移将使得合成信噪比迅速恶化,尤其对于深空测控上行链路信号的相位监测和闭环控制带来巨大挑战,所以对天线间大气相位扰动测量和数值模拟非常必要。参考国外相关的干涉测量数据,首先分析了天线组阵大气相位扰动测量和统计分析方法;然后利用微波大气湍流模型,建立了天线组阵相位漂移抖动模型;对大气湍流引起的相位延迟扰动过程进行了仿真实现。利用模型产生的天线组阵相位抖动数值,可以测试和评估天线组阵信号合成处理系统的适用性。     

国外深空测控网坝状与发展趋势

1 国外深空测控网现状 1.1 美国 目前,美国航空航天局的深空测控网是世界上最大、最灵敏的科学远程通信系统,由经度间隔120°的3个深空地面站组成.这些设施分别位于美国加利福尼亚州戈尔德斯敦、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉,能对行星际航天器进行连续跟踪.深空测控网的网络操作控制中心位于喷气推进实验室的230号楼内.     

分布式天线组阵优选设计

分布式天线组阵是指利用现有的天线资源,使用较低成本实现超大的天线口径。针对分布式天线组阵中,不同口径天线接收信号信噪比差异较大,任意天线是否均可引入天线阵中,加入较低接收信噪比的信号进行组阵合成能否提高最终合成信号的误码率性能等问题,提出了分布式天线组阵的优选准则。该准则依据载频、时延以及相位这三者估计算法的性能及其克拉美罗性能下界,证实当接收信号信噪比低于载频估计的异常值效应门限时,受载频差估计精度急剧恶化的影响,将该信号加入天线阵中进行合成将引起最终合成信号误码率性能的恶化。系统仿真算例验证了结论的正确性,为我国未来深空探测任务提供可靠的保障。     

萤火一号深空测控设备

深空测控通信是实施深空探测的关键技术, 萤火一号探测器是中国第一个深空探测器. 本文介绍了深空测控通信的特点、存在的技术困难及需要攻克的关键技术, 描述了萤火一号火星探测器的测控通信技术方案及星载测控设备的功能分配, 给出了星载测控设备的基本配置情况及主要技术指标. 萤火一号探测器的测控和数传采用一体化设计方案, 在10 kg重量约束条件下, 实现了上行遥控通道及下行遥测通道, 具备科学数据传输通道及测定轨信号发送的功能, 而且每个通道均具有冗余备份设备.      

一种适用于空间应用的高速调制系统的设计和实现

为了适应空间科学技术的发展, 满足空间科学应用系统的数据传输速率、多进制数字调制方式以及实现调制体制灵活性的要求, 提出了一种适用于空间应用的高速调制系统的设计与实现方案. 该方案采用了基于FPGA和DAC的通信调制技术, 可在硬件设计不变的情况下, 实现QPSK, 8 PSK和16 QAM等多种调制方式下的高速数据传输. 分析了高速调制在硬件实现上的技术难点, 解决了高频率高精度同步时钟生成、高速数据转换、宽带调制等技术问题. 实测表明, 在载频为2 GHz时, 该调制系统在8PSK调制下速率可达750 Mbit/s, 且调制信号的矢量幅度误差(EVM)仅为3.3 %.      

深空遥操作大回路延时研究

深空探测是航天未来发展的重要领域,遥操作技术是深空探测的重要研究内容,是人类开展深空探测不可或缺的重要支撑技术。对遥操作交互模型进行了研究,阐述了典型深空遥操作闭环系统的遥控、遥测功能实现过程,基于深空遥操作的直接控制模式,对回路延时组成参数进行了分析,给出了回路延时各参数的工程测算方法,提出遥操作中遥测数据判读时刻的修正方法。理论分析表明,该方法提高了连续指令发送效率,充分利用了系统资源,缩短了任务执行时间。     

深空再入返回飞行仿真及工程应用分析

深空高速再入对返回技术提出了许多新的挑战.采用传统弹道式返回,将使返回器面临残酷的气动热环境,同时需要解决落点偏差大的问题;采用新的预测制导返回技术需要解决返回过程的航迹规划、制导和姿态控制问题.根据球冠倒锥外形飞行器在大气层内再入飞行时的受力情况建立飞行器的动力学模型,然后对弹道式返回和预测制导返回两种飞行方案进行仿真,最后围绕返回飞行总体特性参数和返回方式的技术要求等进行工程应用分析,为深空返回的工程实践提供指导.     

深空天文自主导航技术发展综述

航天器地面无线电导航在深空中面临着信息传输时延长、数据传输率低、天体遮挡等问题，难以满足未来深空探测的导航需求。天文自主导航技术利用天文信息为航天器提供导航支持，可有效提高其在深空中的生存能力及任务执行能力，已成为深空导航领域的研究热点。结合国内外深空探测任务及其实际工程需求，首先概述了深空天文自主导航技术发展的现状和特点，进而总结了深空天文自主导航的发展趋势和重点研究内容，最后对深空天文自主导航技术的发展提出了若干建议。     

一种X频段50 kW高功放的设计

针对未来深空测控及其他航天器测控通信业务不断拓展的需求,设计了一种基于速调管方案的X频段连续波高功放。该方案采用了高效率低电源纹波的模块化高压开关电源、集中式液体冷却设备、串联与并联相结合的高功率谐波和收阻滤波器,以及高速可靠的控保措施,实现了在深空X频段连续波高功率输出的技术能力。测试结果表明：在规定的带宽内,输出连续波功率达到了50 kW,最高可达60 kW以上,第2、3、4次谐波及接收频段内信号的抑制能力等主要指标都达到了预期目标,整机散热效果理想;经长时间连续加电考机表明：设备考核指标和工作状态都稳定可靠。这将为我国深空探测技术的进一步发展、探测能力的进一步提高奠定坚实基础。     

一种新型的用于深空高动态微弱信号载波跟踪环

分析了深空通信中高动态微弱信号载波跟踪方法，提出并分析了载波跟踪中状态方程非线性与量测方程的非线性取舍问题，分析了滤波过程中影响高动态与低信噪比的决定因素，给出了两个推论，提出了强跟踪算法的必要性。并以此选择了以传统卡尔曼滤波（KF）为基础，以锁相环（FLL）、无迹卡尔曼滤波（UKF）为辅助使用两种工作模式来应对不同环境。针对组合跟踪环路状态转换过渡易出现的频率阶跃问题，给出新型环路的工作模式及切换门限的数学表达式，在环路中添加计算判别器，实时控制环路输出的同时不浪费计算力地剔除了野值，提高了环路稳定性。仿真表明，该新型环路算法与现有的算法相比有很好的低信噪高动态适应能力，消除了切换峰值，剔除了野值。     

三角带较大功率增速传动的可行性研究

三角带传动具有结构简单，制造维修方便，过载保护等优点，一般用来实现减速传动，只有当传送的功率较小时，才用来实现增速传动，在工程实际应用中，常常遇到功率较大时需要传送较大功率时，能否利用三角带实现增速传动的问题，然后介绍了三角带增速传动的功率损失以及普通三角带和特种三角带的区别。在此基础上提出利用特种三角带实现较大功率增速传动的可行性，最后阐述了三角带增速传动的计算准则及步骤，对较大。     

一种适用于高轨空间的GNSS矢量跟踪方案设计

高轨空间中全球卫星导航系统（GNSS）信号可用性严重变差，对GNSS接收机的跟踪性能提出更高要求。利用GNSS信号传播链路模型分析了高轨空间GNSS信号特点，对比了标量跟踪和矢量跟踪这2类典型跟踪环路在高轨空间的适用性，进而设计了一种适用于高轨空间的GNSS矢量跟踪方案。该方案通过估计载噪比确定量测噪声方差阵，以对各通道量测信息进行加权处理来获得高精度的导航参数；并根据高轨航天器的动态性能确定过程噪声方差阵，利用轨道动力学模型对导航参数进行一步预测，从而实现了对各通道信号跟踪参数的准确预测及联合跟踪。仿真验证表明:所设计的跟踪方案可实现高轨空间中强信号对弱信号的辅助跟踪，从而提高了高轨空间中弱信号的跟踪性能及可用性，并对中断信号具有一定的桥接能力。      

基于时空和时相关系的时频处理方法

随着导航定位、空间技术、计量、精密时频测控包括各种量子频标的发展,对特高分辨力的时间测量和处理以及高频率的点频信号测量提出了更高要求。针对这方面的问题可以采用以信号稳定传输现象为基础以及相位变化规律存在于任意频率信号之间等特性达到高精度测量的目的。基于信号传播的稳定性,根据时间和空间之间的关系,通过建立针对性的传输通道把被测量的时间间隔与相应的路径上的延迟时间拟合进行测量。能够把被测量的时间间隔,尤其是短时间间隔量在空间的方向上展开通过对相应长度量的测量和处理算出被测量。作为对短时间间隔的测量结果,它可以成为传统多种技术的替代品,并且成为大量频率、周期和时间间隔测量技术与仪器精度进一步提高的关键手段。这项工作与传统的时—空关系的认识及利用结合更有利于对于时间、传输、空间的联系、单位的相关性等的理解进一步深化。另一方面,在频率信号之间基于最小公倍数周期会周期性地出现信号间相位重合的情况。这样在时间轴上,可以按照时间的延伸周期性地出现代表随着时间而进行的最小公倍数周期间隔的重合标志。在此基础上调整来自同一参考源的两个频率信号的频率关系,就能够调整时间轴上的时间标记。因此,基于上述频率信号特征的时间传输和处理技术可以实现建立在频率信号特性基础上的时间信号的形成、传递和处理等问题。     

CCSDS-RS(255,223)码高速译码器的硬件实现研究

研究了空间通信用高速Reed-Solomon(255,223)码硬判决译码器的FPGA实现方法,提出一种新的纠错算法实现结构以最大程度提高译码器性能。设计中采用RiBM算法求解关键方程,并通过应用高速比特并行乘法器以及流水线和并行处理方法提高译码通过率。综合和测试验证结果显示,该译码器译码通过速率为1.7Gbit/s,译码延迟为296个时钟周期,优于目前同类型的RS译码器性能指标。