环火星测量数据处理及精密轨道确定

为支持我国首次火星探测任务取得圆满成功，宇航动力学国家重点实验室将全自主开发的精密定轨平台系统，应用于环火星轨道确定中。为满足多对象、多弧段、多中心天体的定轨需求，平台系统设计了卫星结构、测站结构、观测结构和天体结构4大基础结构，并在4大基础结构之上，设计了灵活的弧段结构和估计结构。为验证平台系统是否具备环火星定轨能力，平台系统首先使用2020年上半年跟踪火星快车实验的数据对测量模型进行了检核，得到了理论测距和实测测距偏差（11m~21m）；其次，使用2009年实测双程测速和三程测速数据定轨，单独使用双程测速定轨，轨道与欧空局精密星历位置偏差最大不超过100m，测速残差的均方根（Root Mean Square, RMS）为0.0137(cm/s)。使用三程测速定轨，位置偏差不超过250m，三程测速RMS为0.0119（cm/s）；最后，使用两天三站测距仿真进行了自定轨验证，初轨和随机差都基本收敛回仿真初值。结果显示，宇航动力学国家重点实验室精密定轨系统能够满足我国首次火星探测任务的基本需求。     

重力卫星高精度测距系统观测量的降速率滤波算法

在卫星时频传递、矢量测量技术领域，有效观测数据的高精度滤波处理十分重要，其基本要求是在保留有效观测信息的同时能够降低噪声干扰，实现原始信息的高效、高精度传递。以中国地球重力场测量卫星高精度测距系统的工程研制为背景，为实现高频噪声抑制、保留低频重力场信息，基于对FIR滤波器结构的优化和窗函数的改进，提出了一种对10 Hz采样率的原始测距数据降速率、降噪滤波的算法。相比其他类似算法，所提方法同时具备降速滤波和差分运算两种功能，噪声抑制抑制度优于44%，且频率截止特性陡峭，第一旁瓣抑制度达到–94 dB。该算法在提高测距精度、充分保留重力场信息的同时，实现了地面数据后处理流程的简化，为微波测量系统、激光测量系统的数据处理提供了一种优选方案。     

激光测距通信一体化技术研究及深空应用探索

概述了空间激光测距通信一体化技术的研究现状,提出了一种激光精密测距与高速通信一体化技术,基于双向单程测距原理,在BPSK外差相干激光通信的基础上,采用码元相位测量实现了激光测距与通信一体化设计,并完成了地面实验验证。实验结果表明：在通信码速率1 Gbit/s的情况下,其测距精度优于0.9 mm,并分析了参考时钟频差对测距精度的影响。最后对激光测距通信一体化技术在未来深空探测中的应用进行了探索研究。     

近程动态范围激光雷达测距系统设计及误差分析

针对脉冲激光雷达测距精度受限于距离动态变化导致的行走误差和时刻抖动误差的问题，设计了一种基于自动增益控制（AGC）技术及恒比定时鉴别（CFD）技术的激光雷达测距系统，可适应进程动态范围的测量目标，并提高测距精度。激光雷达测距系统在10~100 m的静态测距实验中，测距精度达到厘米级别。在动态三维扫描实验中，室内测量得到11.4~31.2 m范围内靶标的平面拟合均方根误差为2.05~4.35 cm，室外测量得到距离15.97 m处目标平面拟合均方根误差为3.54 cm。      

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 %.      

基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜定位研究

潜艇只在必要时刻才浮出水面，对实时通信和导航定位造成极大制约。蓝绿激光具有深水穿透性高、衰减系数低等优势，已在机载和星载平台对潜艇通信中得到验证。借鉴GNSS导航信号产生原理，结合蓝绿激光通信测距一体化与低轨卫星自身精密定轨，提出了基于蓝绿激光通信的低轨卫星对潜定位算法。通过在激光通信中增加载波相位调制，实现潜艇激光接收器的伪距测量，联合其高程测量信息实现水下定位。以一带一路海域，特别是中国南海区域为服务对象，优化星座参数设计了3颗卫星组成的低轨稀疏星座。潜艇在星座覆盖区域内保持静态，间隔1~3min完成至少两次通信测距和导航电文接收，联合两组观测数据、精密星历及高程测量信息进行定位解算。仿真结果显示，在卫星过境期间，考虑卫星定轨精度，激光在空气、水下传播误差等因素，潜艇可在水下实现X、Z方向定位误差优于100m，Y方向误差约100~150m的高精度定位，对提升潜艇的战场作战能力具有意义。     

一种连续波雷达高精度波束中心速度求取方法

解决着陆导航连续波测速雷达中面目标非均匀散射特性和加速度分量对测速精度的影响,提出了一种高精度波束中心速度求取方法。采用Kalman滤波完成速度跟踪和加速度估计,进行加速度补偿后,利用ZFFT变换完成对目标多普勒频移范围的细化分析,最后采用包络截取法完成高精度波束中心速度估计。通过仿真分析证明,包络截取法相比其他方法具有精度高、适应性强的特点,速度测量误差小于0.15m/s（3δ）;通过硬件系统处理时间分析,该算法流程易于实时处理,已成功应用于某着陆导航雷达系统中。     

“嫦娥4号”中继星开环测速方案设计与试验验证

针对深空探测器轨道测量任务高精度测速需求,提出了一种开环测速方案。首先,采用窄带模式对深空探测器下行信号进行采集记录,利用傅里叶变换+线性调频Z变换+本地重构相关联合信号处理方法,对探测器主载波信号进行处理,自适应提取探测器主载波频率;然后,基于主载波频率获取反映探测器相对于测站速度运动关系的多普勒频率,并评估多普勒频率的随机噪声水平;最后,将基于本文的多普勒频率与深空站测速基带多普勒频率、累积载波相位测速多普勒频率进行比对,并将3种多普勒频率输入探测器联合定轨程序,进一步评估本方案获取的多普勒测速绝对精度。基于"嫦娥4号"中继星在轨实测试验数据分析表明:所获得的多普勒频率提取精度为10 m Hz,优于深空站基带测速多普勒频率与累积载波相位测速多普勒频率精度;联合定轨表明:多普勒测速绝对精度为0.2 mm/s,有效验证了深空开环测速技术,为后续深空探测器轨道联合测量系统研制奠定了技术基础。     

MEMS陀螺旋转导航误差的分析与仿真

目前基于高精度陀螺导航的旋转调制技术研究及应用已相当成熟,为实现低成本、低精度微机电系统(MicroelectromechanicalSystems,MEMS)陀螺的高精度应用,文章引入旋转调制技术。对旋转调制前后导航误差进行了理论分析和仿真,对比了相同条件下对不同精度陀螺的调制效果,分析了影响陀螺误差调制的因素。仿真结果表明,相同条件下低精度MEMS陀螺的旋转调制效果比高精度陀螺更加明显,在100s内导航误差降低了30%以上。另外,对旋转导航误差的分析表明,研制高精度旋转调制转台是提高MEMS陀螺旋转调制精度的关键技术。     

地基伪卫星系统多址测距误差的校正算法

相对于卫星导航,地基伪卫星与接收机距离较近,测距中不涉及电离层传播等误差,易实现高精度测距和定位。但由于地基伪卫星位置固定,在信号连续发射模式下伪卫星信号间的多址干扰(MAI)会引起相对恒定的测距误差,针对地基伪卫星系统这一特点,提出一种基于反馈串行干扰抵消(SIC)的测距算法。首先对全部伪卫星信号进行捕获跟踪和功率估计,然后通过串行干扰抵消算法降低强功率伪卫星信号对期望测距信号的干扰,通过反馈模式进一步提高干扰抵消算法的性能。仿真结果表明,该方法可有效改善地基伪卫星系统强远近效应区域内的测距性能,不考虑其他误差下在强远近效应区域内基于码环可将伪卫星测距性能从10 m以上降低到约0.3 m。     

基于光电延时法的激光测距精度测试系统

介绍了一种激光测距精度测试系统,系统采用了光电延时模拟距离的原理,实现了对激光测距机测距范围（500～20 000）m内测距精度的测量。测试系统具有高测量精度、高分辨力、易操作、实用性强的特点。     

高精度光纤光栅波长测试系统研究CSCD

为了准确测量光纤光栅（FBG）的中心波长,设计了一种高精度光纤光栅波长测试系统,主要由可调谐激光器和光功率计组成,采用波长扫描的方法进行测试。利用可调谐激光器输出光波长精度和信噪比高的特点,通过在光功率计的全量程范围进行波长扫描,得到高精度、大动态范围的光纤光栅反射光谱曲线,然后应用四次多项式拟合来计算中心波长。测试结果表明,系统在（1520 - 1590）nm 波长范围内,测量重复性优于0.5pm,测量不确定度为2pm（k=2）,可以满足传感用光纤光栅的测试需要。     

艇载声波测量临近空间风场可行性分析

提出一种临近空间艇载原位测量大气风场的新方法,该方法利用声波传播时延差测量临近空间大气风场.介绍了该方法的原理,分析了测风误差来源和测风精度.通过分析声波在临近空间高度的衰减,对信号载波频率和传播距离进行了选择,并对不同信噪比条件下声波时延估计精度进行了仿真分析.结果表明:在临近空间20~50km高度,传播距离为2~5m,距离测量精度为1mm,平台测速精度为0.1m·s-1,信噪比优于-2dB条件下,时延估计精度优于1μs,利用该方法测风精度能达到0.2m·s-1的较高水平.      

基于星光角距/激光测距的卫星组合导航方法

为了进一步提高卫星天文自主导航精度,提出了一种利用激光测距辅助的天文组合导航方法。激光测距能够直接获取卫星到地面参考信标的高精度距离信息,在以星光角距为观测量的天文导航系统中引入激光测距辅助数据,可以拓展滤波器观测量的维度,从而改善滤波效果。由于组合导航系统为非线性系统,为避免泰勒展开线性化引起的二阶截断误差,采用UKF滤波方法进行组合导航系统信息融合。仿真结果表明,所提出的组合导航方法能够明显提升导航精度,改善滤波性能。     

基于相位条纹的高精度GPS码相位测量方法

GPS接收机在测量卫星到接收机的传播距离时,通常能得到码相位和载波相位2个基本测量值。虽然载波相位测量值比码相位测量值精度高,但存在整周模糊度的问题,在实际应用中比采用码相位的技术付出的代价高很多。因此,基于相位条纹技术,提出了一种高精度的码相位测量方法。在传统码跟踪环的基础上,通过提取互功率谱相位条纹的频率,得到高精度的码相位测量值,从而组装出高精度的码伪距。仿真实验结果表明:在信噪比为-15 dB的情况下,码相位测量误差均方差约0.37 m,优于传统延迟锁定环在相同条件下约1.82 m的跟踪精度。得到了比传统码跟踪环更高的码相位测量精度的同时,不需要解算载波相位的整周模糊度,对提高GPS定位精度具有研究意义和应用价值。      

电缆长度辅助的光纤陀螺测斜仪组合测量方法

为实现光纤陀螺(FOG)测斜仪高精度长时间测量,结合测井作业方式,提出基于卡尔曼滤波技术的电缆长度信息辅助的组合测量方法.介绍了捷联惯性测量系统(ISS)误差模型和电缆长度测量模型,设计了组合测量方法的总体方案,建立了组合测量系统误差状态模型及量测更新模型.采用半实物仿真计算对本文提出的组合测量方法进行了验证.仿真结果表明:14 400 s的仿真过程,井斜角误差小于0.02°,工具面角误差小于0.12°,方位角误差小于0.98°,位置误差小于47.5 m.相比纯惯性测量,误差得到了有效的抑制,保证了仪器长时间保精度的测量,提高了仪器的性能.      

可见光/激光组合的相对位姿测量研究

针对可重构航天器模块超近距离对接场景下特征点消失问题，提出一种可见光/激光的高精度相对位姿测量方法。该方法先通过可见光/激光组合对初始相对横滚角误差进行校零，完成粗校准环节；然后通过激光二维双镜反射法进行精确的相对位姿解算，获得高精度相对位姿数据。仿真结果表明，在现有技术条件下，该方法在模块相对距离在100cm内可不依赖视觉特征点，实现±1.2mm和±0.03°的相对位姿测量精度，为模块航天器对接后续的超近距离高精度位姿控制奠定基础。     

全相位FFT频率测量在调频激光测距技术中的应用

调频连续波激光测距技术在常见的非合作目标激光测距技术中,目前具有最高的测量精度,其原理是对激光的光频进行线性调制,通过测量发射信号和回波信号的频率差反推目标的距离。因此频率测量精度对于距离测量精度具有决定性影响。传统FFT由于存在频谱泄露,且频谱细化方法从根本上受限于FFT的精度,导致测量精度低。全相位FFT较好的解决了频谱泄露的问题,具有相位不变性。本文提出将全相位FFT方法应用于调频激光测距,采用时移相位差法对频率进行测量,在MATLAB环境下对试验获取的数据进行频率解算并计算目标距离。试验证明,全相位FFT应用于调频激光测距数字信号处理时,在大于50m距离处测距误差小于0.3mm,达到了良好的应用效果。     

激光跟踪仪现场测量精度检测

激光跟踪测量系统具有测量精度高、实时快速、动态测量、便于移动等优点,因此,对激光跟踪仪进行现场校准和精度检测是非常有必要的.为了验证LT300激光跟踪仪的测量精度是否满足实际测量要求,用该激光跟踪仪检测固定点的测量精度和标准花岗岩三角尺的平面度.改变三角尺的测量距离和测量角度,得到测量精度与测量角度和测量距离的关系,从而得到在实际测量位置下的测量精度.     

双相机工业摄影测量系统精度影响几何因素测评

介绍了影响双相机系统精度的多种几何因素并进行实验测试,进一步对双相机工业摄影系统的精度进行优化;采用高精度单相机系统的测量值作为精度评定的参考值,改变双相机测量系统不同的几何结构,如摄影距离,摄影基线,以及基线偏离检定场中轴线位置等。并对单、双相机系统测量的数据结果进行比对测试。实验结果表明基线长度与摄影距离的改变对点位精度影响最大,前后对比最大值可达0.3mm,改变摄影光轴与基线的夹角对精度影响较小,仅0.04mm。