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。     

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。     

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。     

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。     

频域波束合成的深空宽带阵列信号处理

深空通信已进入了高速率传输的时代. 借助于射电天文中的小口径天线组阵思想,深空阵列网络因其优越的性价比, 已成为深空网络高速数据传输的最终解决途径.基于FX型相关器, 提出了一种集阵列信号合成、相关处理为一体的频域波束合成器架构和方法. 该架构和方法具有很强的鲁棒性和灵活性, 并可支持多任务探测. 同时,介绍了分析-综合滤波、阵列信号相干合成和自适应可变分数时延等信号处理关键技术.      

基于同波束干涉的空间三维相对位置测量研究

针对深空探测器相对位置精确测量需求,建立了空间三维相对位置测量模型,研究了基于单基线同波束干涉测量(Same-beam VLBI,SBI)的空间三维位置最小二乘解算方法。利用"嫦娥3号"着陆器的测控天线与定向天线的SBI实测数据,验证了测量模型与解算方法的有效性。结果显示:SBI干涉时延随机误差约0.225 ps(0.07 mm);测控天线与定向天线之间距离误差约0.216 m,方向误差约30.4°。该研究结果有望应用于后续深空探测任务譬如"嫦娥5号"器间高精度相对测量中。     

美国深空网的发展及其未来规划

1引言□□深空探测是指对月球和月球以远的天体和空间进行的探测,对实施深空探测的航天器进行测控通信的系统称为深空测控通信系统,它包括深空测控通信地面站和空间应答机两大部分。行星探测始于20世纪50年代末,美国和苏联/俄罗斯是行星探测的主要力量,它们通过发射无人行星探测器对太阳系内行星进行了大量的探测,极大地提高了对太阳系的认识程度。近些年来,深空探测再次成为航天技术发展的热点。目前,美国、欧洲航天局和俄罗斯等国家和组织已经建立了深空测控系统或测控网。法国、意大利和印度等国也在计划建立自己的深空站(DSS),用于对…     

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.      

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。     

深空探测低信噪比通信研究

与传统无线通信相比, 深空通信由于传输损耗巨大、探测器能量受限且轨道多变等因素, 须解决信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)极低、数据接收不连续及信道参数多变等难题. 针对这些问题, 论述了在深空探测极低SNR下需重点研究的深空天线组阵、编码与调制、联合解调译码、喷泉码以及其自主无线电实现等关键技术, 以有效协助解决上述深空通信难题. 同时, 讨论了这些关键技术的发展趋势及其在未来深空通信中的应用.      

月球背面探测任务多目标协同控制模式设计

月球背面探测需要中继卫星提供中继通信支持,实现地面测控网对月面探测器的控制。为解决月球背面探测任务过程中和环月探测卫星等多个航天器目标的相互控制及其与地面测控网之间的复杂协同控制问题,提出了协同控制关联目标描述方法,明确了控制目标和上行路由的概念和确定原则、上行路由测控网资源分配原则,设计了基于时间窗口的中继测控资源分配方法、多目标协同控制的标称计划模式、遥操作规划模式和上行控制模式。经过"嫦娥4号"天地大回路无线联试和"鹊桥"中继卫星在轨飞行证明,设计是合理可行的。     

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。     

深空探测人工智能技术应用及发展建议

深空探测任务的探测目标距离地球越来越远,测控延时逐步增大,并且目标的先验知识有限,在遥远、未知、不确定环境下开展科学探索对探测器的自主性能需求日益强烈。随着人工智能技术的快速发展并逐步实用,在深空探测领域中应用人工智能技术提高和改进航天器自主性也将成为必须和可能。简要介绍了人工智能技术的发展历程,分析了航天领域中人工智能技术的应用实例,重点结合规划的深空探测任务特点和应用场景,梳理分析了各具体任务对人工智能技术应用的潜在需求,并提出了对深空探测人工智能技术应用的一些看法和发展建议。     

“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。     

“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。     

日地L1点探测任务设计与结果分析

日地L1点是太阳观测任务的理想观测点，对于中国后续太阳观测任务具有重要意义，因此在嫦娥五号的拓展任务阶段设计并实施了中国首次日地L1点探测任务，通过在轨飞行验证了日地L1点转移轨道、环绕轨道设计的正确性，对日地L1点的测控链路环境、太阳辐照环境、三体动力学环境、空间辐射环境等飞行环境进行了探测和验证。轨道飞行和各项环境探测的结果与设计模型的预示结果之间比对一致性较好，通过在轨飞行数据验证了设计模型的正确性。各项试验获得了预期的技术成果，进一步丰富了嫦娥五号任务的成果产出，对中国后续深空探测任务和产品的设计具有重要借鉴意义。     

一种基于探测器下行信号融合处理的无线电干涉测量方法

针对深空探测器常用下行信号体制,结合无线电干涉测量特点,提出了一种基于探测器DOR信标信号和数传信号融合处理的干涉测量方法。该方法首先通过相关处理得到DOR信号和数传信号的差分相位,利用DOR信号进行带宽综合得到时延估计,并构建时延模型;然后,利用时延模型得到DOR信号与数传信号在数传载波处的相位差,并以此对数传信号差分相位进行补偿;最后,利用DOR信号差分相位和补偿后的数传信号差分相位进行带宽综合,实现高精度干涉测量。深空探测网数据处理结果表明融合处理后时延估计随机误差明显降低;但受介质时延误差影响,融合处理对系统时延精度的改善幅度有所减小。该方法仅通过改进干涉测量数据处理方法即实现了时延估计随机误差的改善,不仅提高了信号使用效率,而且增强了航天测控系统的鲁棒性,在应急测控背景下具有特殊意义。