深空网干涉测量技术在“嫦娥3号”任务中应用分析

针对中国深空网DOR/ΔDOR测量技术在"嫦娥3号"测控任务中的首次应用情况,论述了深空网干涉测量系统采用的稀疏交替射电源标校技术。在地月转移、环月段开展了多次观测,所获得的时延、时延率观测量结果直接应用于"嫦娥3号"的轨道确定。通过与事后精密轨道比对分析,深空网干涉测量技术的时延观测量精度优于1ns,对应于约90nrad的角位置精度;时延率精度优于1ps/s,相当于亚mm/s量级测速(差)精度,中国深空网干涉测量技术有力支撑了"嫦娥3号"的测定轨任务。     

一种应用于实时深空干涉测量的电离层时延修正方法

针对"嫦娥4号"中继星任务S频段信标信号的高精度实时干涉测量需求,结合深空测控干涉测量系统采用的稀疏标校工作模式,研究验证了一种面向测控模式实时干涉测量的电离层时延修正方法。首先分析了电磁波经电离层传播的延迟机理及特性;基于深空站历史观测数据,通过自相关函数分析验证了天顶向TEC的周日特性;在此基础上,结合深空干涉测量中心数据处理设备软件系统,讨论了电离层时延修正方法;通过任务期间的实测数据处理分析,验证了所提方法可以将实时测量精度提升1～3 ns,对低仰角跟踪弧段,该技术方法优势更为明显。该方法为后续深入推进深空测控干涉测量系统在任务中的实时应用提供了技术储备。     

高精度相位参考甚长基线干涉测量技术与试验验证

摘要：由于探测距离远,火星探测任务对干涉测量具有很强的精度需求。首先描述了相位参考甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)原理,介绍了弧段内干涉相时延解模糊方法,阐述了弧段之间相互参考解算干涉相时延流程,给出了测量误差分析,并利用中国佳木斯深空站、喀什深空站针对射电源对1633+38和1641+399开展了相位参考VLBI试验验证。结果表明,消除模糊度后,相位参考时延精度优于0.1ns。这为提高中国未来深空探测器角位置精度提供一种可行的技术途径。     

双站跟踪模式下“嫦娥4号”中继星定轨仿真分析

位于地月平动点的探测器因为较差的观测几何,需要地基USB/UXB与天文VLBI长时间的联合跟踪数据获取稳定精确的轨道。提出了利用中国深空网双站共视跟踪平动点探测器,获取双程、三程测距及VLBI测量数据,解算探测器精确轨道的模式。以"鹊桥"卫星为分析对象,首先评估中国深空网对"鹊桥"的跟踪能力。然后分析不同观测组合模式下的定轨计算精度。结果表明:双站共视约束下,深空站每天对"鹊桥"跟踪弧长大于5 h;使用长于6 h的双站跟踪数据进行定轨,系统差的解算更有利于轨道精度提升;跟踪时长超过2天时,必须在轨道解算的同时估计光压系数,并有望实现优于百米的轨道精度。     

基于通用测控信号的多频点同波束干涉测量

提出利用两个深空航天器的通用测控信号进行多频点同波束干涉测量,实现两航天器的高精度相对测量。对差分相位时延进行理论推导,提出了一种针对两航天器测控信号主载波存在频差情况下的差分时延观测量误差的模型修正方法,并对月球轨道上两航天器间同波束干涉测量地面跟踪测量条件进行了分析。仿真结果表明,利用两航天器的通用测控信号进行多频点同波束干涉测量,经误差模型修正后获取了误差小于皮秒量级的差分相位时延,能为深空航天器间相对导航定位提供高精度的观测量信息。     

“龙江2号”月球轨道微卫星定轨分析

微纳卫星深空探测任务中,通常所分配的测控资源有限,因此有必要对有限测控资源条件下微纳卫星的定轨精度进行分析。以微纳卫星深空探测为背景,采用"龙江2号"微卫星的轨道测量数据对其定轨精度进行了分析。"龙江2号"微卫星只有USB轨道测量数据,且环月段测控资源相对紧张,每天有两站跟踪,共约3～4 h的轨道测量数据。首先介绍了"龙江2号"微卫星飞行任务及其飞行过程中影响测定轨的因素;其次给出了定轨的动力学模型,对微卫星地月转移段的定轨精度进行了分析;最后通过分析摄动力、动量轮卸载以及数据弧段长度的影响,给出了微卫星环月阶段所使用的定轨策略,并通过重叠弧段比较的模式,给出了微卫星环月段的定轨精度。研究结论可以为后续微纳卫星深空探测任务提供有益参考。     

利用VLBI技术进行深空航天器跟踪的仿真分析

差分VLBI(D-VLBI)技术常用于测量航天器相对于参考射电源的角位置,用其跟踪深空航天器可取得足够高的精度。针对深空探测任务中D-VLBI技术的特性,提供了观测时间间隔的设置参考,通过仿真分析,研究了航天器和参考射电源之间的角距离、传播路径上的介质差异等因素及其对观测精度的影响,为后续深空航天器飞行任务的设计提供技术支持。     

一种用于深空导航定位的新型DOR信标

甚长基线干涉测量(VLBI)是深空探测器导航定位的重要手段之一,深空探测器的VLBI观测通常采用差分单程测距(DOR)信标和双差单程测距(Delta-DOR)测量体制,精确地测量深空探测器相对于河外射电源的角距.相位杂散是影响Delta-DOR测量精度的主要误差源之一,针对这项误差研究了一种基于伪随机噪声调制方式的新型...     

基于单X射线探测器的航天器深空巡航段自主导航研究

为提高X射线脉冲星自主导航系统的工程实用性,提出一种利用单X射线探测器的深空巡航段自主导航系统,以脉冲星的脉冲到达太阳系质心时间差值作为基本观测量,利用美国"深空一号"任务中的批处理加权最小二乘滤波算法,估计航天器的位置和速度.以"深空一号"任务星际巡航段轨道为例,进行了数学仿真,并分析了脉冲星个数、脉冲星测量数据批数及定轨周期对导航结果的影响,并同卡尔曼滤波方法进行了比较,仿真结果表明了该系统的可行性和有效性.     

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。     

“嫦娥4号”任务有效载荷系统设计与实现

"嫦娥4号"任务将首次实现人类在月球背面软着陆。通过分析任务特点,以多类型有效载荷配置为背景,介绍了以科学目标和探测任务为核心的有效载荷系统设计思路和实现方法。同时针对首次在深空探测领域搭载国际合作有效载荷项目情况进行了说明。"嫦娥4号"任务最重要的科学目标是利用月球背面洁净的电磁环境进行天文低频射电观测,因此分别在着陆器和中继星上新增配置了国内新研制的低频射电频谱仪及荷兰研制的低频探测仪。科学探测的太阳爆发产生的低频电场信号极其微弱,如何消除着陆器和中继星上其他电子设备发射的近场噪声对远场探测信号的干扰就成了本次任务的最大难点。在相关研制单位的多方努力下,通过优化接收天线设计和地面数据处理算法等多种手段,实现了低频探测信号不低于30 d B的噪声抑制性能,具备了实现科学目标的能力。     

RadioAstron orbit determination and evaluation of its results using correlation of space-VLBI observations

A crucial part of a space mission for very-long baseline interferometery (VLBI), which is the technique capable of providing the highest resolution images in astronomy, is orbit determination of the mission’s space radio telescope(s). In order to successfully detect interference fringes that result from correlation of the signals recorded by a ground-based and a space-borne radio telescope, the propagation delays experienced in the near-Earth space by radio waves emitted by the source and the relativity effects on each telescope’s clock need to be evaluated, which requires accurate knowledge of position and velocity of the space radio telescope. In this paper we describe our approach to orbit determination (OD) of the RadioAstron spacecraft of the RadioAstron space-VLBI mission. Determining RadioAstron’s orbit is complicated due to several factors: strong solar radiation pressure, a highly eccentric orbit, and frequent orbit perturbations caused by the attitude control system. We show that in order to maintain the OD accuracy required for processing space-VLBI observations at cm-wavelengths it is required to take into account the additional data on thruster firings, reaction wheel rotation rates, and attitude of the spacecraft. We also investigate into using the unique orbit data available only for a space-VLBI spacecraft, i.e. the residual delays and delay rates that result from VLBI data processing, as a means to evaluate the achieved OD accuracy. We present the results of the first experience of OD accuracy evaluation of this kind, using more than 5000 residual values obtained as a result of space-VLBI observations performed over 7 years of the RadioAstron mission operations.     

空间核电推进系统比质量优化建模及其木星探测应用分析

空间核电推进(Nuclear Electric Propulsion,NEP)系统是一种将核热能转换成电能,并驱动大功率电推力器而产生推力的革命性空间推进技术。和传统推进技术相比,NEP具有高比冲、大功率、长寿命等技术优势,非常适合未来大规模深空探测任务。基于NEP系统组成和小推力轨道理论,建立了以有效载荷为目标的NEP系统比质量优化模型。该模型能够解析NEP航天器的轨道运行时间、比质量、功率与有效载荷比的复杂耦合关系,为任务优化提供了计算依据。最后,利用该模型对NEP系统完成NASA "Juno号"航天任务进行了技术指标评估分析。计算表明,当NEP系统比质量达到4.8 kg/kWe时,其能将"Juno号"航天任务的地木转移时间由2 266 d缩短至665 d,有效载荷由160 kg提高到1 179 kg,极大地提高了航天器的探测能力,为任务方案的可行性论证和后续设计提供参考。     

基于星联网的深空自主导航方案设计

为了降低地面测控系统的负担、提高深空探测器的导航效率,提出了基于星联网的航天器自主导航概念,对星联网的应用体系进行了设计。借助脉冲星、星间链路等手段实现星联网系统中基准航天器完全自主的高精度导航,用户航天器通过与基准航天器或其他用户航天器的交互通信与测量就可以实现自身状态估计。以地月转移任务为例,设计了星联网系统在地月空间的具体应用方案,分析了地月空间基准航天器的配置与自主导航方法,阐述了用户航天器的单层与多层导航策略。对基于脉冲星与星间链路观测的基准航天器自主导航进行了仿真,验证了观测基准航天器或者其他用户航天器时,地月转移段航天器自主导航的可行性。结果表明:基准航天器可以达到20 m的定位精度,用户航天器可以达到优于30 m的定位精度。基于星联网的航天器自主导航是可行的,发展星联网可以为我国构建天基自主基准导航系统提供有力支持。     

深空探测器自主天文导航技术综述

在深空探测中,单独使用无线电测控存在精度、实时性、覆盖性等方面的限制。作为无线电测控的有效补充,自主天文导航是保证深空探测任务成功的关键技术之一。面向深空探测对自主天文导航的迫切需求,概述了深空探测器自主天文导航的基本原理,简要介绍了深空探测器自主天文导航的研究进展,并重点分析探讨了深空探测器自主天文导航的关键技术和发展趋势。分析结果可为我国未来深空探测器天文导航系统研制提供参考,并为深空探测任务的总体设计提供帮助。     

深远空连续推进动力与施图林格解的解析

针对太阳系远深距离的探测将是人类下一阶段深空探测活动的主要目标。这一目标的实现依赖于探测器连续推进动力技术的突破。从描述连续常值推力下太空飞行的施图林格解出发,对其中反映的深远空飞行任务有效载荷比、任务时间、飞行距离等关键参数与发动机性能之间的关系进行了深入分析。给出了在特定任务时长、特定飞行距离要求下发动机比冲、功率需要满足的条件及其对有效载荷比、最终飞行速度等指标的影响。此外,基于二体轨道动力学对太阳系行星探测的大椭圆转移轨道和转移能量进行了推导,并对连续推力的太阳帆任务方案涉及的关键技术指标做了理论性的计算。这些结论是对深空探测连续推力方案基础理论的归纳,可以为我国未来开展深远空探测活动提供重要的启发和指导。     

一种深空粒子采样返回探测器构型设想

以太阳风粒子、深空尘埃等为目标的采样返回探测任务是空间科学与深空探测研究的热点方向之一。对“星尘号”“起源号”两个典型采样返回探测器的构型进行了分析,并梳理了其主要构型特点。结合我国月地高速再入返回飞行器的构型特点,提出了一种深空粒子采样返回探测器构型的设想：总体构型由长方形主体和流线型返回器组成,主体构型适应于承载返回器和其他装器设备,返回器构型适应于样品收集和再入返回气动外形。设计方案采用了充气式采样器进行粒子收集,具有体积小、重量轻、折叠效率高、展开可靠、工程实施简单等特点,并采用了可重复收拢展开的太阳翼,能够适应收集不同类型深空粒子的需求。     

Small satellite survey mission to the second Earth moon

This paper presents an innovative space mission devoted to the survey of the small Earth companion asteroid by means of nano platforms. Also known as the second Earth moon, Cruithne, is the target identified for the mission. Both the trajectory to reach the target and a preliminary spacecraft budget are here detailed. The idea is to exploit high efficient ion thrusters to reduce the propellant mass fraction in such a high total impulse mission (of the order of 1e6 Ns). This approach allows for a 100 kg class spacecraft with a very small Earth escape energy (5 km²/s²) to reach the destination in about 320 days. The 31% propellant mass fraction allows for a payload mass fraction of the order of 8% and this is sufficient to embark on such a small spacecraft a couple of nano-satellites deployed once at the target to carry out a complete survey of the asteroid. Two 2U Cubesats are here considered as representative payload, but also other scientific payloads or different platforms might be considered according with the specific mission needs. The small spacecraft used to transfer these to the target guarantees the manoeuvre capabilities during the interplanetary journey, the protection against radiations along the path and the telecommunication relay functions for the data transmission with Earth stations. The approach outlined in the paper offers reliable solutions to the main issues associated with a deep space nano-satellite mission thus allowing the exploitation of distant targets by means of these tiny spacecraft. The study presents an innovative general strategy for the NEO observation and Cruithne is chosen as test bench. This target, however, mainly for its relevant inclination, requires a relatively large propellant mass fraction that can be reduced if low inclination asteroids are of interest. This might increase the payload mass fraction (e.g. additional Cubesats and/or additional scientific payloads on the main bus) for the same 100 kg class mission.     

月球轨道编队超长波天文观测微卫星任务

月球背面能够有效屏蔽来自地球并同时遮挡来自太阳的射电信号干扰,拥有太阳系中近乎最安静的电磁环境,是开展空间超长波天文观测的最佳选择区域。在立足完成空间干涉实验的基本任务目标基础、并力争实现重大科学发现的研究思路基础上,研制并发射两颗微卫星,搭载"嫦娥4号"任务进入地月转移轨道,自主完成地月转移、近月制动,在有效燃料约束下形成环月大椭圆轨道编队,构建环月超长波天文干涉仪。说明了系统的工作模式,对数据处理与科学分析方法进行了论述,包括数据预处理、干涉成像与全天功率谱获取角度,进而从支持服务模块和科学载荷模型两个方面对微卫星方案进行了简要概述,凝练了项目任务解决的关键科学与技术问题。月球轨道编队超长波天文观测微卫星的实施将通过全球首个绕月近距编队飞行系统,构建全球首个星–星干涉射电天文观测系统,进而打开人类认识宇宙的新窗口。