在轨测试系统通用平台建设的研究

对目前国内外在轨测试技术的发展及国内航天测控需求进行了研究分析,提出了建设通用在轨测试系统平台思路和通用平台的初步设计思路。     

同步轨道通信卫星天线覆盖图在轨测试方法

同步轨道通信卫星天线覆盖图在轨测试的目的是检验卫星入轨后上下行覆盖图与设计覆盖区域的一致性,以及太阳照射产生的天线热变形等因素对覆盖特性的影响。针对卫星上常用的固定赋形波束天线、区域波束天线和可移动点波束天线等类型的星载天线在轨测试问题,分析了几种在轨测试方法的原理,包括偏置卫星姿态法、转动天线平台法以及使用移动测量站的方法,提出了偏置卫星姿态法中融合转发器遥测参数判决和多站联合在轨测试的解决方案,有效解决了既要节省宝贵的燃料又要尽可能测量多条切线方向图的工程难题。对真星的固定赋形波束天线和可移动点波束天线进行了在轨测试,测试结果与实际特性吻合很好,验证了方法的可行性。最后,针对融合遥测参数判决的多站联合偏置卫星姿态法的测量不确定度进行了分析。     

欧空局OPSNET通信网新进展

为了支持我国航天测控通信网的IP(互联网协议)化以及未来发展,对欧空局的航天任务操作通信网OPSNET(操作支持通信网)的新进展进行了研究。首先回顾了OPSNET网络发展历程中的里程碑事件(完成网络IP化,调整网络拓扑结构,通过载荷分担模式超越网络链路的带宽极限),之后介绍了该网络面临的高数据速率挑战及多个备选解决方案,详细介绍了最终选用的基于MPLS(多协议标签交换)技术的网络设计。OPSNET网络向MPLS迁移的方案经实验室环境验证后分步实施,经多个层面的验证及实际运行证明,采用MPLS技术后,以较低的成本实现了很好的网络性能。未来OPSNET将以此为基础部署更多的MPLS链路,并可能增加加密业务。OPSNET通信网的新进展值得我们关注和借鉴。     

IP over CCSDS协议适配的高速并行实现技术

天地一体化组网应用须在空间网和地面网之间部署IP over CCSDS(基于CCSDS空间链路承载IP业务)协议适配网关,以实现在高速CCSDS(空间数据系统咨询委员会)空间链路之上传输IP(互联网协议)数据包。针对此需求,提出一种IP over CCSDS协议适配的高速并行实现方法,并在Linux内核中采用多线程技术实现IP over CCSDS协议适配过程,通过实验进行测试与验证。测试表明,在处理器多核数目的范围内,协议适配处理性能随线程并发数目的增加而增加;当线程数目超过处理器核数时,受限于处理器核数和线程调度开销的影响,协议适配的性能并不能随着线程数目的增多而线性增加。后续,可利用FPGA(现场可编程门阵列)硬件逻辑电路的并行能力在硬件上实现协议适配的高速并行处理,并设计更高速率的同步接口,以从硬件上实现几千兆比特甚至几十千兆比特的高速IP over CCSDS协议适配。     

STK三维模型制作与优化方法研究

为建立逼真的三维模型,在STK(卫星工具包)软件中进行任务仿真,讨论了直接获取mdl格式模型、编写mdl文件、转换模型等3种STK模型制作方法,并对这几种制作方法的优缺点进行了分析。针对不同制作方法带来的模型问题,重点探讨了组件层次调整、形状修改、显示效果优化、动作关节优化、特效设置等5种mdl格式模型优化方法。通过实例说明5种优化方法的优化效果,结果表明相关方法能有效地优化模型。     

调频连续波合成孔径雷达噪声调相干扰

针对调频连续波合成孔径雷达的干扰问题,提出一种新型的噪声调相干扰方法,得到干扰噪声以高斯形式分布在真实干扰机回波目标周围,可用于遮盖分布式目标或区域。该方法利用噪声转发手段保持信号的相干性,调制指数和噪声功率决定干扰的覆盖范围,干扰效果基本不受侦察误差的影响,其相干干扰体制可获得部分的雷达二维处理增益。典型系统参数仿真实验验证了该干扰方法的有效性,在相同目标检测概率下,相较传统噪声压制干扰节省功率29.3dB。     

并行月面三维地形重建系统设计

月面三维地形重建系统的实时性直接关系到探月任务的执行效率。为提高地形重建速度,针对立体像对处理平台体系架构、地形高程模型生成算法设计及地形数据压缩与解压等环节的不同特点,利用并行计算思想实现各阶段的并行化设计,使各环节的执行速度相比串行系统均有3～10倍的提升,一定程度上解决了系统时间瓶颈问题。最后基于月面仿真试验场的真实地形数据进行了系统验证,并对所生成月面地形进行了可视化展示。     

中继卫星系统按需接入业务应用模式研究

DAS(按需接入业务)作为一种新兴业务,不但扩展了美国TDRSS(跟踪与数据中继卫星系统)的多址返向能力,而且还采用模块化的体系结构,为未来的空间网络互联提供了支撑。根据规划,我国未来的中继卫星系统也将提供按需接入业务。因此,在简要介绍TDRSS DAS概念与体系结构,并对其用户分类、返向波束工作方式、典型操作场景、服务模式进行分析的基础上,总结出6种DAS应用模式:1)航天器用户+随机接入+动态波束跟踪方式+任意TDRS或全TDRS服务模式;2)航天器用户+非随机接入+动态波束跟踪方式+特定TDRS服务模式;3)航天器用户+非随机接入+动态波束跟踪方式+任意TDRS或全TDRS服务模式;4)非航天器用户+随机接入+静态波束组合方式+特定TDRS服务模式;5)非航天器用户+随机接入+动态波束跟踪方式+任意TDRS或全TDRS服务模式;6)非航天器用户+非随机接入+动态波束跟踪方式+特定TDRS服务模式,以期能对我国未来中继卫星系统S频段多址业务的应用提供技术支撑。     

SDL在空间通信协议开发中的应用

针对空间通信协议开发难度大、代价大的问题,提出了基于协议工程思想利用SDL(规范与描述语言)对SCPS-TP(空间通信协议规范-传输协议)进行开发的方法,包括SDL建模、仿真和验证。首先对SCPS-TP进行了功能分析,确定功能点和状态机,并据此利用SDL建模;接着对模型进行实时仿真,测试其正确性,通过调试保证所有功能通过仿真;最后对模型进行了验证。验证结果表明,SCPS-TP不存在死锁、活锁等逻辑错误,为其在空间通信中的应用提供了有力支持,同时也说明了SDL在空间通信协议开发中的重要应用。     

一种新的USB系统调制指数优化算法

针对深空USB(统一S频段)系统下行链路的功率分配问题,提出了基于余量等均准则的调制指数优化算法,并给出了算法的理论证明。根据工作方式的不同,将下行链路分为仅有遥测信道、仅有测距信道和同时存在遥测与测距信道3种情况,并设定链路预算余量相等,其中在仅有遥测、仅有测距信道的情况下,根据余量等均准则可确定调制指数的最优值;在同时存在遥测与测距信道的情况下,需要增加约束条件,以进一步缩小并限制调制指数的取值范围。最后仿真结果验证了该准则的有效性。     

基于SUWPT的正弦信号滤波算法

针对航天测控DOR(差分单向测距)信标信号等侧音信号的滤波问题,借鉴扩频系统窄带干扰抑制领域中的SUWPT(频移非抽取小波包变换),提出了一种逆向算法。该算法通过最佳频移将信号移至各子带中间,然后选择能量较大的子带进行分解,通过记录的位置信息选择不同的重构滤波器,从而达到最佳滤波效果;最后将该滤波算法应用于航天测控侧音信号的差分相位提取过程。仿真结果表明,该算法比小波变换滤波、小波包滤波具有更好的滤波性能;滤波后差分相位提取精度相对滤波前提高3~4倍,有利于提高系统的测量精度。     

天线组阵全频谱合成性能分析

天线组阵FSC(全频谱合成)方案是一种最优的天线组阵信号合成方案。本文分析了相位估计方差对FSC合成性能的影响,对开环方法和闭环方法的相位估计方差进行了进一步分析,给出了FSC合成性能与单路信噪比、相关带宽、积分时间、环路带宽等因素之间的关系。技术验证试验结果表明,在标准TT&C测控和BPSK数传2种体制下,合成效率均达到90%以上。     

卫星参数趋势预测EMA熵组合算法

卫星遥测参数的趋势变化状态对卫星故障预测的判断起到重要的指导作用,立足于遥测参数特性,提出等高线预测方法,从特征数据出现的时刻对参数进行趋势预测。为了提高预测精度,引入EMA(增加期望模式)误差分析模式,结合之前提出的新息灰预测模型,根据熵组合基本原理建立基于EMA熵组合预测模型。通过工程数据仿真计算,并利用预测有效度对各种算法进行评估,结果验证了基于EMA的熵组合预测模型的正确性和可靠性。     

基于CCSDS MO服务参考模型公共服务接口设计

为提高飞行器任务运控系统的可重用性和可扩展性,对基于CCSDS(空间数据系统咨询委员会)MO(任务运营)服务参考模型的系统设计和实现方法进行了研究。针对MO服务参考模型的核心服务层,以我国飞行器任务运控系统的需求为出发点,在分析了MO服务参考框架、MO服务定义、运控功能服务定义和公共服务组成的基础上,对MO各公共服务的接口进行了分析与设计。采用面向对象方法学、设计模式等理念,设计并实现了相关公共服务接口。通过向运控功能服务提供API(应用程序接口),可以支持系统应用层开发。这为建立符合CCSDS MO服务参考模型的飞行器任务运控系统,并实现系统的可扩展性和可重用性提供了支持。     

无人作战飞机空中加油建模与近距机动控制律设计

针对无人作战飞机(UCAV)空中加油时存在加油机尾流干扰导致相对位置难以保持的问题,基于等效气动效应法建立了UCAV动力学模型,并设计了近距机动最优飞行控制律。将加油机尾流对UCAV的影响等效为平均风速度和风梯度,计算出附加于UCAV的诱导力系数和诱导力矩系数,建立了含尾流扰动的受油机模型。以位置跟踪误差的积分为增广状态,基于加权二次型性能指标设计了近距机动最优飞行控制律。仿真结果表明,UCAV模型能真实地体现尾流对受油机的影响,并通过设计的近距机动控制律可有效实现对加油机相对位置的精确跟踪。     

智能轮询在航天测控运行管理系统中的应用

为提高对航天测控系统设备状态监视和运行管理的实时性和效率,研究了航天测控设备状态采集轮询方法,分析了固定周期轮询算法和传统基于马尔可夫链的智能轮询算法的不足,提出了一种基于马尔可夫链的改进型智能轮询策略。该方法能根据航天测控设备TRAP("陷阱")事件和MIB(管理信息库)变量关系模型,实时动态地对关联变量进行局部轮询,并动态调整轮询间隔时间。通过实验对比表明,与固定周期轮询算法、传统马尔可夫链智能轮询算法相比,该算法在数据采集的真实度和网络带宽占用上取得了更好的平衡,更能实时反映出设备状态的变化细节,占用更小的网络带宽。     

恒定建立时间数字AGC环路设计

针对传统恒定建立时间数字AGC(自动增益控制)环路实现方式复杂、成本高的问题,基于AGC环路的对数模型,推导出AGC环路建立时间恒定的条件,提出采用线性放大器实现恒定建立时间AGC环路的方法,该方法能够在数字实现上省去传统方式的指数运算单元,降低了实现复杂度和成本。另外,对于非突跳或突跳幅度较小输入信号,利用输出信号平方检测代替对数功率检测,省去传统方式的对数运算单元,进一步降低了实现复杂度和成本。通过上述2种改进,提出了一种简单的恒定建立时间数字AGC环路设计方法。Simulink仿真证明了该设计方法的正确性。该方法应用于无线数字接收机中,能够简化设计,节约成本。     

北斗卫星导航系统远洋评估试验及初步结果

我国"北斗"卫星导航系统于2011年底宣布提供试运行服务,2012年底宣布提供正式运行服务,其服务性能一直是国内外关注的焦点。考虑到海上及南半球的系统性能测试较少,因此借助国家海洋局组织的第28次、第29次南极科考任务,进行了"北斗"卫星导航系统远洋评估试验。试验以GPS(全球定位系统)PPP(精密单点定位)为基准,将"北斗"卫星导航系统的定位结果与PPP结果相比较,取95%进行统计。初步结果表明,随着系统的逐步完善,服务性能逐步提高,目前在系统的南半球覆盖范围内,海上航行可以获得水平精度11m、高程精度14m的定位服务。     

数学表达式遥测工程参数解析系统实现

为解决航天靶场测控中心实时遥测数据处理软件开发过程中航天器工程参数类型多、数据量大,遥测参数必须频繁更动源代码的问题,引入了数学表达式解析方法。论述了表达式解析系统的设计思想,并从理论上对表达式解析系统的需求和设计原则进行简要分析,在Qt集成开发环境中结合标准C++库进行了系统实现,提出了逆序函数处理思想,有效解决了函数嵌套的问题,最后通过举例详细说明了表达式解析系统的处理过程,并通过测试字符串表达式验证了系统的正确性。     

时延平滑系统对实时数据传输影响分析

在实时数据传输过程中,科考船海事卫通链路会出现数据丢包和乱序数据处理不当的问题。通过分析科考船海事卫通链路系统组成,数据传输协议和类型,数据传输时延及抖动,时延平滑系统工作机制和处理流程等,发现时延平滑系统设计上存在缺陷。针对这一缺陷,提出在时延平滑系统中增加数据包分点实时监测、序号判定、序号重排等改进方法,对时延平滑系统的处理流程进行了完善。通过搭建仿真环境并进行模拟演练,验证了改进设计方法的可行性;在某工程应用中,科考船海事卫通链路采用改进后的时延平滑系统,未出现丢包和乱序问题,达到了预期效果。