深空探测中的天线组阵技术

介绍了美国NASA深空网(DSN)天线组阵技术的概况、特点和工作原理,并探讨了其在我国深空测控领域应用的实际意义。     

深空大规模天线组阵布局设计

针对深空测控通信背景下大规模组阵的天线布局优化问题,给出了优化目标(即单元波束内合成波束附近的旁瓣最小化)以及优化边界条件(包括天线数、天线口径、工作频段、最小间距和最大布局范围等),并在此基础上建立了优化模型,理论分析表明,布局优化后的归一化旁瓣峰值比布局随机化的归一化旁瓣峰值低lnN/N(N为天线数)。最后基于梯度优化算法给出具体的优化流程并进行了仿真,仿真结果表明,在给出的优化边界条件下,优化后的合成波束方向图旁瓣峰值降到约-10dB,与理论分析结果基本一致。     

深空组阵迭代FX相关合成算法及性能分析

针对火星距离下大规模天线组阵中极微弱接收信号的高效合成问题,在VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)的FX相关器开环处理架构基础上提出了一种新的迭代FX相关合成算法,对算法原理进行了详细理论推导,对数据处理流程、算法合成性能等进行深入分析,与FSC(Full-Spectrum Combining,全频谱合成)、BC(Baseband Combining,基带合成)、SSC(Symbol-Stream Combining,符号流合成)等组阵方案进行性能仿真对比,并给出该算法在36接收天线组阵的实测试验结果。仿真和试验结果表明,迭代FX相关合成算法相比于FSC、BC、SSC等组阵方案具有较好的合成性能,在输入带内信噪比不低于-20d B时,合成效率达到了95%以上,非常适用于火星天线组阵微弱接收信号的组阵合成。     

深空天线组阵宽带信号频域合成技术研究

分析了深空天线组阵中宽带信号合成需求,提出一种宽带信号频域波束形成方法,设计相应的信道化滤波器组,达到了近似完全重建的目的;采用多相FIR(Finite Impulse Response,有限脉冲响应)和FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)结合的方式降低了DFT(Discrete Fourier Transform,离散傅里叶变换)滤波器组的计算量。在此基础上开展了原理样机的研制,并通过数传基带对样机进行闭环BER(Bit Error Rate,比特误码率)测试,根据测试BER数据计算样机本身SNR(Signal Noise Ratio,信噪比)恶化和合成效率。测试结果表明:合成信噪比损失小于0.4dB,验证了设计的正确性和合理性。     

天线组阵中SUMPLE算法的合成相位漂移补偿

针对SUMPLE算法在低信噪比时存在的相位漂移问题,在分析权值估计误差引起的合成信号相位漂移现象的基础上,提出一种以固定时刻合成权值作为参考的补偿算法。该算法以收敛后某个固定时刻的合成权值作为参考,其他时刻的相位补偿值通过与该参考权值进行相关计算得到。从理论上分析了该算法的可行性,并进行仿真验证。理论分析与仿真结果表明,所给出的相位补偿方法能有效地消除合成信号的相位漂移现象,补偿后的合成信号相位中心稳定。     

深空探测多天线组阵的增益损失研究

为定量分析上行天线组阵增益损失的影响因素,提出一种通过建立数学模型分析合成损耗的估计方法.首先基于天线原理和电磁波传输理论建立了天线组阵上行链路信号的数学模型,以统计学理论对数学模型进行分析,得到了影响上行链路信号的若干因素.通过分析得出,深空探测信号在远距离传输中因大气相位扰动引起的误差是造成天线组阵增益损失的最主要因素.再通过对大气相位扰动误差的进一步分析,构建S频段和X频段下大气相位扰动的空间自相关模型和时间自相关模型,得到组阵基线长度和工作仰角同合成损耗的关系.经过对各误差源的分析可知,在目前的技术水平下,能够满足上行天线组阵工程应用的精度要求.     

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。     

深空测控通信的特点和主要技术问题

分析研究了深空测控通信的特点,对频段提高、灵敏度提高、G/T值提高、EIRP提高、编码增益提高、定轨精度提高、极窄带锁相、低门限接收和调制/解调方式等主要技术问题进行了探讨.     

ARA LDPC码在深空测控通信系统中的应用

介绍了CCSDS推荐的应用于深空通信的低密度校验(LDPC)码,根据码字的原型图对这类累积重复累积(ARA)码的特性进行了讨论。ARA码不仅具有良好的性能,同时其编码复杂度低,译码器具备有效的并行实现结构,此外码字具有很好的系列性。结合我国"嫦娥一号"卫星测控通信系统的设计讨论了LDPC码的应用问题,采用LDPC码能够获得更大的编码增益,在我国深空测控通信系统中具有广阔的应用前景。     

深空通信中的网络技术

介绍了深空通信的特点、目前空间链路所使用的数据传输协议对深空探测环境的适用性、新制订容延迟网络体系结构的设计思想和实现要点,以及有待进一步研究的内容。     

波束波导馈电系统在深空探测天线应用中的关键技术研究

针对波束波导馈电系统在深空探测天线应用中存在的电小尺寸镜面绕射引起波束波导传输效率降低,不同极化工作时波束指向不一致,以及TE21模跟踪时坐标转换等问题,进行深入研究并给出相应的解决方案或数学模型.通过优化椭球镜M5的曲率,解决了电小尺寸镜面绕射使波束波导传输效率下降问题,使S频段的传输效率提高约4％,35 m天线副反射面的截获效率增加约11％,天线增益提高0.7 dB;给出天线束峰值位置随方位、俯仰角变化的数学模型,提出了中值补偿方法,使天线左右旋极化峰值不一致增益损失减小约0.16 dB,并给出TE21模跟踪时的坐标转换数学模型.这些方法和数学模型已成功应用于实际工程中,并取得了良好的效果.     

基于VLBI的上行组阵标校技术研究

天线组阵能否完全替代大口径天线有一个关键性难题,就是天线阵是否支持上行链路组阵。深空航天器无法将不同地面天线的上行信号对齐,所以上行链路信号的调整必须在地面完成。针对上行组阵发射机相位调整问题,提出一种基于VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)技术的接收模式天线上行组阵标校方案,并对标校精度进行了简要分析。将上行链路时延分解为几何时延和发射系统时延,建立了几何时延模型,通过标定接收时延和发射时延,便可以得到天线阵元间的相位标校值。理论分析结果表明,该方案具有一定的可行性,对上行组阵相位标校的研究具有一定的借鉴意义。     

馈源制冷技术在深空测控系统中的应用分析

深空目标距离遥远,要接收其返回地球的微弱信号,需要接收系统具备尽可能高的系统品质因数(G/T)。接收设备工作在低温环境下,能够有效降低接收系统的噪声温度,提高系统G/T值。本文对采用馈源和接收机整体制冷的Ka频段接收系统性能进行了分析,并和采用常温馈源、制冷接收机方案的系统性能进行了比对。分析表明,采用前一种方案,系统G/T性能可以提升0.81dB,从而获得很高的效益。     

CCSDS建议在深空通信导航中的应用研究

结合深空通信导航技术的发展趋势,通过分析CCSDS(空间数据系统咨询委员会)的研究领域、应用CCS-DS建议的空间任务,梳理出与深空通信导航相关的CCSDS建议。详细论述了深空任务中射频与调制、带宽频率调制、再生伪码测距以及相对差分单向测距等技术体制的CCSDS建议内容。并重点分析了CCSDS建议对我国深空测控网建设的影响,提出了我国深空测控设备符合CCSDS标准的技术要求。     

美国下一代深空网发展计划探析

为适应未来美国深空探测的任务,此前美国NASA(National Aeronautics and Space Administration,国家航空航天局)对它的深空网发展的技术现状与能力进行了评估,梳理出了它们在未来深空任务中上下行通信速率需求,从而制定了美国下一代深空网的发展战略.针对此战略,梳理分析了美国深空网近年在深空通信导航领域开展的多项重大技术革新与演示验证试验,并从中剖析总结出了它的下一步的技术发展路线,期冀为我国深空测控网技术发展策略的制定提供参考.     

矢阵及其在航天器测控参数计算中的应用

本文将矢阵的概念及方法引入到航天器测控参数计算中,包括各种参数的坐标系转换计算方法、航天器姿态矩阵的计算、姿态确定方法等,使其概念更清晰,表达更明了,推导更简捷,算法更适合于数值计算。     

相控阵天线在民航飞机卫星宽带通信系统中的应用研究

本项目以民航飞机对高速、宽带、实时数据传输需求为导向,开展基于相控阵天线的民航飞机宽带卫星通信上网系统应用需求分析和机载宽带卫通系统架构设计,突破机载宽带卫星通信设备及相控阵天线关键技术、适航取证,实现机载宽带卫星通信设备及天线国产化,实现典型民航应用示范,为基于相控阵天线的民航飞机宽带卫星通信上网系统应用服务在民航领...     

矢阵及其在航天器测控参数计算中的应用

本文将矢阵的概念及方法引入以航天器测控参数计算中,包括各种参数的坐标系统转换计算方法,航天器姿态矩阵的计算,姿态确定方法等,使其概念更清晰,表达更明了,推导更简捷,算法更适合于数值计算。     

上行天线组阵载波相位并行标校方法研究

提出了利用伪随机序列并行确定上行组阵各天线载波相位差的标校方法.该方法具有精度高、并行处理、所需时间短、标校通道一致等显著技术优势.利用现有的扩频测控多功能数字基带系统搭建实验平台,通过演示实验验证了该标校方法的正确性以及工程可实现性.实验结果与理论分析十分吻合.     

扩展频谱技术在无人作战飞机通信系统中的应用

本文根据无人作战飞机的用途特点，从无人机的生存力角度出发（隐身通信），阐述了扩展频谱技术在其通信系统中的应用。