星敏感器误差分析与补偿方法

星敏感器是目前航天器精度最高的姿态测量部件,其误差是影响姿态确定系统精度的关键要素.依据误差频率特性,系统地对星敏感器误差进行分析,主要阐述星敏感器低频误差和高频误差产生的原因以及当前的抑制与补偿方法.在此基础上,根据星敏感器误差的特点,展望星敏感器低频误差以及高频误差抑制与补偿方法的发展趋势.     

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。     

基于非抽取小波包变换的信号滤波算法

对航天测控信号进行滤波处理,有利于改善信号品质,提高系统的测量性能。针对航天测控信号中的差分单程测距(DifferentialOne-wayRanging, DOR)信标信号等侧音信号,提出了基于非抽取小波包变换（Un-decimatedWaveletPacketTransform,UWPT）的滤波改进算法。该算法以功率平坦度为准则,判断某一节点是否需要继续分解。改进算法克服了以能量聚焦度为准则时算法误判停止分解或多重分解算法复杂、计算量大等的缺点,同时解决了阈值不易确定的问题。仿真结果表明改进算法在降低算法复杂度的同时,滤波性能相对有所提高。最后采用改进算法对仿真信号和在轨卫星数据进行处理,结果表明滤波后仿真信号差分相位估计精度提高约3倍、实测数据差分相位估计精度提高0.72倍。     

基于加权鉴别函数的二进制偏移载波信号跟踪方法

在移除二进制偏移载波（Binary Offset Carrier,BOC）信号跟踪模糊的同时,为了保持BOC信号高的码跟踪精度,提出基于加权鉴别函数（Weighted Discriminator Function,WDF）的BOC信号无模糊跟踪方法。WDF使用非相干超前减滞后功率（Noncoherent Early Minus Late Power,NELP）鉴别器和子载波相位消除（Sub Carrier Phase Cancellation technique,SCPC）鉴别器,生成无误锁点的鉴别函数实现BOC信号跟踪。针对BOC(10,5)信号,仿真结果表明,相比于SCPC、基于伪相关函数的无模糊延迟锁定环（Pseudo correlation function based Unambiguous Delay Lock Loop,PUDLL）方法和对称脉冲模糊移除（Symmetrical Pulse Ambiguity Removing,SPAR）方法,所提WDF方法在码跟踪误差方面分别改善了2.5dB、5.5dB与8.3dB,多径误差分别降为60.4%、32.8%与38.0%。因此,WDF是一种有效的、高性能的BOC信号无模糊跟踪方法。     

北斗三号系统广域差分服务精度评估

为了保证北斗系统广域差分服务的平稳过渡，北斗三号系统（BDS-3）通过GEO卫星B1I/B3I信号播发北斗二号协议广域差分改正信息，包括等效钟差改正数与格网点电离层信息。分析了增加BDS-3卫星后，等效钟差改正数和格网点电离层信息的特征，并对BDS-2和BDS-3的用户差分距离误差（UDRE）进行了对比。联合BDS-2和BDS-3实测数据，对BDS-3广域差分服务定位精度进行了评估。分析结果表明:BDS-2卫星广播星历空间信号用户等效距离误差（UERE）约为1 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.3 m；BDS-3卫星广播星历空间信号用户等效距离误差约为0.4 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.2 m。等效钟差改正数可以修正广播电文更新带来的空间信号阶跃误差，显著提升卫星空间信号精度。与基本导航系统播发的Klobuchar 8模型，广域差分系统所播发的格网点电离层信息可将电离层误差修正精度提高约18%。与单独BDS-2卫星相比，BDS-2/BDS-3卫星联合条件下，基本导航的单频用户和双频用户定位精度可分别提升26%和41%；广域差分服务的单频用户定位精度为2.4 m，双频用户定位精度为1.7 m，单频用户和双频用户定位精度分别提升13%和41%。      

矩阵带宽缩减技术在隐式间断有限元中的应用

为了数值求解二维Euler方程，以间断有限元方法作为空间离散、向后差分公式（BDF）作为时间离散。针对采用牛顿法求解源于隐式时间积分的非线性方程组，构造了相应的Jacobi矩阵，其具有阶数高、稀疏性强、数值非对称的特点。在每个时间步内，选择带预处理的广义极小残量（GMRES）方法求解线性方程组，预处理矩阵由不完全LU分解（ILU）方法构造。将矩阵带宽缩减技术应用于上述求解过程，无需额外的存储空间，就缩小了预处理矩阵与系数矩阵的差距，从而加快了GMRES方法的收敛、增大了可用的时间步长。通过求解典型的空气动力学问题，检验了该应用的有效性。      

8802超低频标准相位产生器

８８０２超低频标准相位产生器采用数字技术，用Ｄ／Ａ变换方法产生正弦信号，由单片机控制频率和相位，频率由晶振综合产生，相位可数字预置，频率准确度高至±５×１０￣（－６），相位准确度高至±０．０００２°。介绍了主要技术指标、工作原理、技术特点和误差分析等。     

守恒律方程的导数人工压缩法

将高分辨率差分格式用于守恒律方程的导数方程,可以克服传统高分辨率格式在极值点精度退化的缺点,类似于Harten的人工压缩法,新方法称为导数人工压缩法.本方法既能提高间断的分辨率,又能提高极值点处的分辨率,是一种高分辨率低耗散低扩散格式.用单个守恒律方程带间断和多极值的初值问题和一维激波管问题进行了验证,比较了Harten-TVD,人工压缩,导数人工压缩方法的在间断和极值点的分辨率问题.     

树形多体Hamilton系统的Lyapunov指数计算方法

研究了树形多体Hamilton系统Lyapunov指数的数值方法.利用多体Hamilton系统的正则方程和辛算法, 给出了多体Hamilton系统Lyapunov指数的计算方法,该算法具有较好的计算精度和通用性.利用该算法可对系统的运动稳定性进行分析.最后用算例说明了该算法的有效性.      

一种基于时间梳技术的高频正弦信号相位差测量方法

本文研究了一种基于时间梳原理的高频正弦信号相位差测量方法,给出了时间梳原理的数学模型,并详细分析了其特点,并将此原理首次应用于高频信号的数据采集中,可以用低频和被测信号构建一种高频等效采样技术,可以在不满足乃奎斯特采样定理下,对被测两路正弦信号进行同步采样,避免了高频信号采样的高采样率,结合多重互相关技术,实现了对高频正弦信号的相位差的高精度测量,实验结果表明本文算法对高频信号对高频正弦信号的相位差测量具有很高的测量精度,尤其在低信噪比下也有较高的测量精度,具有较高的工程实用价值。     

辛算法的纠飘研究

辛算法较RK(Runge-Kutta)方法,保持辛结构不变或保持哈密顿系统规律性不变是突出的优点,但点态数值精度并不理想.推导出了三阶、四阶辛算法的漂移量计算公式,通过补偿漂移量就能提高点态数值精度,既保辛结构又保证点态数值高精度,适合于工程应用.建立了分数步对称辛算法(即FSJS算法)的纠漂公式,制定了漂移的约束标准.相关算例的数值结果表明:三阶FSJS算法漂移量最小,点态数值精度更高.     

Influence of Earth’s shadowing effects on space debris stability

Solar radiation pressure affects the evolution of high area-to-mass geostationary space debris. In this work, we extend the stability study of Valk et al. (2009) by considering the influence of Earth’s shadows on the short- and long-term time evolutions of space debris. To assess the orbits stability, we use the Mean Exponential Growth factor of Nearby Orbits (MEGNO), which is an efficient numerical tool to distinguish between regular and chaotic behaviors. To reliably compute long-term space debris motion, we resort to the Global Symplectic Integrator (GSI) of Libert et al. (2011) which consists in the symplectic integration of both Hamiltonian equations of motion and variational equations. We show how to efficiently compute the MEGNO indicator in a complete symplectic framework, and we also discuss the choice of a symplectic integrator, since propagators adapted to the structure of the Hamiltonian equations of motion are not necessarily suited for the associated variational equations. The performances of our method are illustrated and validated through the study of the Arnold diffusion problem. We then analyze the effects of Earth’s shadows, using the adapted conical and cylindrical Earth’s shadowing models introduced by Hubaux et al. (2012) as the smooth shadow function deriving from these models can be easily included into the variational equations. Our stability study shows that Earth’s shadows greatly affect the global behaviour of space debris orbits by increasing the size of chaotic regions around the geostationary altitude. We also emphasize the differences in the results given by conical or cylindrical Earth’s shadowing models. Finally, such results are compared with a non-symplectic integration scheme.     

Carrier phase prediction method for GNSS precise positioning in challenging environment

Since the signals of global navigation satellite system (GNSS) are blocked frequently in challenging environments, the discontinuous carrier phases seriously affect the application of GNSS precise positioning. To improve the carrier phase continuity, this paper proposes a carrier phase prediction method based on carrier open-loop tracking. In the open-loop tracking mode, the carrier numerically controlled oscillator (NCO) is controlled by the predicted Doppler, but not by the loop filter output. To improve the phase prediction effective time, accurate receiver clock drift estimation is studied in the prediction method. The phase prediction performance is tested on GNSS software receiver. In the phase prediction effective time tests, open-loop processes were set for the tested channel. The test results show that, when some satellite signals are blocked in 15?s, the probability of carrier phase error less than quarter cycles is more than 94%. In the real time kinematic (RTK) positioning tests, some satellite signals are blocked in 10–15?s repeatedly. The test results show that, the carrier phase continuity is basically not affected by the signal interruption, and the RTK can almost keep continuous centimeter-level positioning accuracy without re-fixing the integer ambiguity.     

电网信号高准确度频谱插值测量算法

在非同步采样条件下,利用快速傅里叶变换算法分析电网谐波时将出现由长范围频谱泄漏、短范围频谱泄漏、负频点频谱泄漏等造成的测量误差.为了提高测量准确度,推导了频谱泄漏误差的表达式.针对工频交流正弦信号,提出了一种能够同时消除短范围频谱泄漏和负频点频谱泄漏的插值算法.仿真结果和实际的测量实验结果表明:与已有的插值算法相比,所提算法不需要对信号施加特殊的窗函数,在非同步采样程度较大的情况下,利用较少的采样样本便可准确地获得信号的频率、幅值和相位,适用于对准确度要求很高的精密测量领域.     

微波幅相接收机的低中频正交优化结构

为解决微波毫米波幅相接收机的频率偏移超过中频带宽的问题,提出了一种低中频正交接收机结合双边带抑载的优化结构.利用频率误差对消的方法,获得了稳定的低中频信号,不包含微波本振源的频率偏移且保持了2路输入信号之间的相位关系.它的2路中频通道不对称,其中一路用一个晶体振荡器产生的正弦波预调制,对消过程用模拟乘法器和正交解调器在第1中频实现.与频率误差跟踪不同,它避免了锁相环引入的寄生调制和复杂性.分析了其性能,包括I/Q幅相不平衡的误差和校正.概述了一个实际的基于此结构的微波接收机,该接收机的特点是电路结构简单、成本低和小型化,性能测试结果和实际应用表明其具有较高的灵敏度和精度.     

Symplectic integration of space debris motion considering several Earth’s shadowing models

In this work, we present a symplectic integration scheme to numerically compute space debris motion. Such an integrator is particularly suitable to obtain reliable trajectories of objects lying on high orbits, especially geostationary ones. Indeed, it has already been demonstrated that such objects could stay there for hundreds of years. Our model takes into account the Earth’s gravitational potential, luni-solar and planetary gravitational perturbations and direct solar radiation pressure. Based on the analysis of the energy conservation and on a comparison with a high order non-symplectic integrator, we show that our algorithm allows us to use large time steps and keep accurate results. We also propose an innovative method to model Earth’s shadow crossings by means of a smooth shadow function. In the particular framework of symplectic integration, such a function needs to be included analytically in the equations of motion in order to prevent numerical drifts of the energy. For the sake of completeness, both cylindrical shadows and penumbra transitions models are considered. We show that both models are not equivalent and that big discrepancies actually appear between associated orbits, especially for high area-to-mass ratios.     

光栅莫尔条纹信号细分方法设计与Simulink仿真CSCD

根据计量光栅莫尔条纹信号高精度细分的要求,提出了一种基于ADC幅值采样和相位解算的光栅细分方法,并利用Simulink搭建仿真模型,使两路正余弦信号通过正余切变换、幅值采样、固定相位步长细分等处理后输出为两路正交编码信号。仿真实验表明,该细分方法在输入理想信号情况下细分倍数主要与ADC采样精度有关,提高ADC采样位数可有效提高最大细分倍数。通过在两路时变sin/cos信号中添加幅值不等、相位不正交以及高次谐波分量等干扰噪声的仿真实验,验证了该方法的细分精度与信号质量有关。     

SINS辅助GPS跟踪环误差分析与最优带宽设计

SINS(Strapdown Inertial Navigation System)辅助GPS(Global Positioning System)跟踪环路的结构设计是SINS/GPS超紧组合系统实现的主要环节,而环路带宽是决定不同误差源作用下GPS跟踪环路性能的关键.首先对SINS/GPS超紧组合系统中影响载波锁相环(PLL,Phase Lock Loop)跟踪性能的各误差源进行了详细的建模与分析,进而设计了一种最优环路带宽的调节方法.该方法基于最小化跟踪误差的准则,根据接收机检测到的信号载噪比实时调节PLL带宽,以使环路保持最优跟踪状态.结果表明,所设计的最优环路带宽调节方法能够有效提高SINS辅助PLL的抗干扰性能与跟踪精度.     

导频脉冲载波频率的快速捕获与跟踪

针对短时导频脉冲载波频率的同步问题,提出一种快速捕获和跟踪方法.该方法采用相位推算法进行快速载波频率初估计,完成频率的捕获.相位推算法首先利用最小二乘法估计实采样点的相位,再应用相位解卷、一元线性回归和最小二乘法拟合求取信号频率的估值,其测频精度优于常用的Prony算法,在高信噪比情况下逼近实正弦信号的Cramer-Rao界.应用数字下变频和Kay算法实现频率的跟踪,通过建立仿真模型,验证其跟踪精度优于叉积自动频率控制环.在给出的设计实例中,对于脉宽为1ms的导频脉冲,在信噪比大于13dB的情况下,环路频率跟踪的最大误差小于3Hz.