空间引力波探测器轨道确定及仿真分析

针对空间引力波探测器的精密轨道确定问题,选取LISA(Laser Interferometer Space Antenna)作为研究对象,建立了探测器的目标仿真环境,模拟生成美国深空网(Deep Space Network,DSN)和中国深空网(China Deep Space Network,CDSN)在不同测站下的测距测速数据,采用非线性加权最小二乘(Weighted Least Squares,WLS)和蒙特卡洛方法(Monte Carlo,MC)分析跟踪弧长、测轨数据类型、测站数量及其分布等因素对LISA探测器定轨精度的影响。仿真结果表明:①增加测站的定轨弧长,可有效提高轨道确定精度,当跟踪弧段达到20 d时,探测器位置确定精度可达92 m;②在现有测量精度条件下,测距信息对定轨精度的贡献较大,测距/测速组合定轨方式与仅利用测距、测速定轨相比,估计的位置精度分别提高了32.23%、99.52%;③采用多测控网定轨模式可以提高多站共视比率,有利于提高定轨精度和收敛速度,DSN/CDSN联合定轨比仅采用DSN定轨的平均位置精度提高43.73%。     

NASA历表在深空导航中的发展和比较

利用不同版本的数值历表,对我国正在进行的探月工程以及后续的金星、火星和木星等深空探测中的导航问题进行分析和讨论。对DE405、DE421和DE430的动力学模型及其使用的观测数据进行了分析比较,考察了历表的精度和稳定性。并根据DE430历表简单讨论了木星在我国深空探测站的可视问题,为以后深空导航提供参考。简单讨论了中科院国家天文台行星无线电研究团组基于月球无线电测距(LRR)发展我国自己的历表以及开展基于月球深空导航计划的可行性。     

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。     

USB测距测速数据误差建模和评估

统一S波段（UnifiedS-band,USB）系统是目前中国载人航天和月球探测任务的主要测控网。文章对中国USB系统的测距测速数据的误差构成进行了详细分析,给出了传播媒介、相位中心偏差、时标偏差、通道时延以及卫星星历误差的修正模型,并通过对实测数据的残差分析,对目前中国USB测量数据的精度进行了评估,给出了USB测距和测速数据的实际精度。最后,针对目前USB数据的处理和应用情况,提出了数据处理上需注意的一些问题。文章的结论对今后改善中国USB系统的测定轨精度具有一定的参考价值。     

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。     

一种新型多普勒噪声抑制技术对BepiColombo任务无线电科学实验的性能提升

在欧洲空间局和日本宇宙开发机构联合开展的BepiColombo水星任务中,将开展水星轨道器无线电科学实验,包括估计水星的引力场及其旋转状态,并对广义相对论进行验证。目前地面系统和星上设备的主流配置可以在无线电科学实验中建立X/X、X/Ka和Ka/Ka多个频段的链路,测速精度可达3 um/s（1 000 s积分）,测距精度为20 cm。提出了基于时延机械噪声对消技术提高无线电科学实验性能的方案。时延机械噪声对消技术需要处理在两个测站不同时刻的测量数据,一个测站实施双向多普勒测距,对另一个单收测站的要求较为严格,该测站需要具有较好的对流层条件。这种方法能够显著降低Ka频段双向链路的主要测量噪声,包括由对流层和天线机械系统震动引起的噪声。我们给出了端到端的仿真性能,并估计了在使用时延机械噪声对消技术前提下的水星引力场和旋转状态。考虑使用NASA位于美国本土戈尔德斯敦的DSS-25天线或欧空局位于阿根廷马拉圭的DSA-3天线作为双程测量站,并考虑使用位于智力的APEX天文观测天线作为单收站。分析结果表明在最好的噪声条件下,使用DSA-3天线作为双程测量站时,时延机械噪声对消技术可将待估计的全局和局部参数的估计精度提升一倍。对于无线电科学实验的目标,这一可能的性能提升对行星地质物理学很有意义,它将有益于研究水星内部的结构。     

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。     

中国深空测控系统建设与技术发展

我国深空测控系统是伴随着探月工程“绕”“落”“回”三步走战略的实施,从突破关键技术、初步建成系统到系统完善,逐步建立起来的,火星探测工程的实施将进一步带动深空测控系统能力的建设。站在历史的视角,从顶层设计、关键技术攻关和系统建设等方面,回顾了我国深空测控系统从无到有的发展历程,并结合未来深空测控技术的发展,对我国深空测控系统的发展前景进行了展望。     

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。     

深空伪码测距中复合码性能的分析与研究

深空伪码测距系统中复合码的选择影响到系统的无模糊距离、测距精度、捕获时间和硬件实现方法. 针对深空伪码测距系统中常用的测距码进行仿真、分析、比较与研究, 包括复合码的频谱特性、周期、直流分量、码钟衰减、捕获时间和测距抖动误差等. 利用同相相关系数和非同相相关系数的信号空间图分析复合码的捕获时间性能; 采用同相中相积分环作为码跟踪环, 利用其线性环路模型分析测距系统的抖动误差性能; 进而分析半正弦成型和方波成型对系统的捕获时间和测距抖动误差的影响. 通过研究和分析认为, 在深空测控测距中, 一种比较适用的测距方式是选择T4B作为伪码测距系统的测距码, 基于DDS原理产生任意码片移位的伪码序列, 采用半正弦成型调制方式和半正弦匹 配滤波接收技术, 利用同相中相积分环进行伪码的跟踪.      

“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。     

深空测角测速组合导航系统时间配准方法研究

深空测角测速组合导航系统通过测角信息与测速信息融合,获取探测器位置、速度等参数,具有连续、自主、实时、高精度的优点。在深空测角测速组合导航系统多源信息融合过程中,要求各敏感器数据必须是统一时间基准。基于天文测角测速组合导航系统基本原理,阐述了在实际系统中,测角敏感器、测速敏感器由于时间基准误差、采样周期不一致、数据传输时延等都会造成时间不同步,而时间误差对位置和速度测量信息会带来很大的影响。本文分析时间误差在深空测角测速组合导航系统位置估计和速度估计中的作用机理,研究基于内插外推方法的时间配准方法,实现了测角敏感器与测速敏感器量测信息的同步。数学仿真结果表明,内插外推时间配准算法可有效抑制时间误差,提高深空测角测速组合导航系统导航精度。     

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...     

环火星自主导航系统设计及参数优化研究

当前火星探测器环绕段的导航信息主要依赖地面深空探测网提供,基于光学成像的导航方式尚不能提供较高的导航精度。因此提出一种应用相对测量的探测器实现火星环绕段的自主导航。两颗编队飞行的探测器进行相对测量,观测信息为探测器之间的相对视线矢量(LOS)。同时利用主星的星敏感器确定星体在惯性空间的姿态,将观测信息转换至惯性系下获得简化的观测方程,使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)对卫星的轨道进行确定。介绍了具体导航方案的实现方法和技术细节,使用粒子群优化方法(PSO)对模型设计的相关参数进行优化,导航精度得到明显提高。实现位置确定精度10 m,速度确定精度0.01 m/s。为设计最优的编队导航系统参数提供了有效思路。     

深空激光通信进展及应用研究

深空激光通信是实现深空高速通信的主要手段之一。对国外深空激光通信的发展现状进行了综述,总结了深空激光通信技术发展的若干启示,给出了深空激光通信的典型应用,分析了深空激光通信涉及的主要关键技术,以期为我国深空激光通信的发展提供一定的参考和借鉴。     

毫米波调频引信的优化二维FFT信号处理算法

针对毫米波调频引信对目标距离速度信息联合估计的问题，提出一种基于相对距离评价函数优化的二维快速傅里叶变换（FFT）信号处理算法。首先，通过分析二维FFT算法实际测距测速精度与FFT点数的关系，建立了优化数学模型，利用相对距离评价函数对数学模型求解，得到FFT点数最优解；然后，采样将差频信号数据转换成二维数据矩阵，分别对矩阵的行列进行相应FFT变换；最后，通过提取峰值点的坐标估计目标的距离速度信息。结果表明:该算法有效提高了传统二维FFT算法的测距测速精度，并且满足实时性要求，能够同时提取毫米波调频引信的目标距离速度信息。      

质谱计在行星系统与小天体探测中的应用

质谱计多次应用于行星系统和小天体的大气层与土壤吸附气体或挥发组分及其同位素含量探索,是太阳系行星系统和小天体探测计划中的首选载荷之一。大气和土壤元素及其同位素组分探测对资源勘探、行星系统的宜居性、天体演化、起源及其重要事件的精准时间坐标研究等具有重要意义。质谱计已多次成功应用于火星、土星系、木星系、彗星等探测任务中开展大气环境探测。质谱计的探测对象主要包括太阳系行星、行星卫星如月球、木星伽利略卫星、土卫,以及地外小行星和彗星。四极杆质谱计在当前的深空空间环境探测活动中应用最为广泛。利用四极杆质谱计除可用于探测稀薄天体大气与土壤析出气体外,如增加抽真空能力的前端设计,则具备探测稠密大气成分的能力。中科院空间中心研发的星载质谱计已多次成功应用于地球行星大气成分和密度探测。     

深空测控网干涉测量系统在“鹊桥”任务中的应用分析

在"嫦娥4号"任务的第一阶段—"鹊桥"阶段,北京航天飞行控制中心利用佳木斯及喀什深空站对"鹊桥"进行了干涉测量观测,获取了实时与事后的高精度测角观测量,有效支持了任务的实施。两深空站需同时完成测控任务,无法交替射电源观测来进行系统差标校,基于此系统采用了长时间隔、在航天器观测前及双站结束后观测射电源的标校方法,在地月转移段、月球至L2转移段、Halo轨道形成段开展了多次干涉测量观测,所获得的时延、时延率结果直接应用于事后联合轨道确定,结果表明:深空网的时延观测精度约为3 ns。     

北斗GEO卫星CEI相时延解算方法研究

连线端站干涉测量(connected element interferometry，CEI)是高精度测角技术，在中高轨卫星、月球及深空航天器定轨定位中有良好的应用前景。基于CEI技术特点，提出了一种新的测量方法，即在相干测距模式下利用测距音和载波信号作为信号源进行连线端站干涉测量。构建了CEI试验系统对北斗GEO卫星进行观测，利用相干测距模式下的下行信号解算群时延、相时延。利用北斗GEO卫星精密星历计算的时延理论值，对北斗GEO卫星CEI群时延和相时延结果进行评估。结果表明，相干测距模式下CEI群时延和相时延残差均值分别为0.47ns、0.08ns，标准差(3σ)分别4.2ns、0.13ns。该项研究验证了相干测距模式下CEI相时延解算的可行性，可为共位地球同步卫星精密相对定位、月球探测器CEI测量提供技术参考。