深空网异地多天线组阵及其发展

我国即将开展以火星探测为代表的深空探测,深空任务对测控通信信噪比的要求越来越高。异地多天线组阵可以利用已有天线设施进行信号合成,从而提高接收信号的信噪比。论述异地多天线组阵的概念,介绍国外异地多天线组阵的发展情况,阐述我国天线组阵技术的发展趋势,并对异地多天线组阵技术在我国深空探测中的应用进行展望。     

可扩充深空天线组阵技术研究与试验验证

远距离高速通信始终是深空探测活动面临的重大挑战,建设大口径天线在技术上已经接近能力极限。天线组阵技术是将多个天线组成阵列,通过时延对齐、相位修正和权值估计将各个天线接收的信号进行合成,达到提高信噪比(SNR)的目的。该技术可以大大提高接收能力,是在射频范围解决深空测控通信问题的重要途径。其中,基于Sumple算法的全频谱合成(FSC)技术在解调前进行信号合成,能在极低SNR条件下实现最佳的系统性能。为了验证该技术的工程应用可行性,在国家高新技术发展计划支持下,突破微弱信号FSC技术,构建4×12m天线组阵试验系统。2010年10月,成功利用嫦娥二号(CE-2)任务开展天线组阵技术验证试验。试验结果表明,构建的4×12m天线组阵系统能够接收并合成CE-2卫星下行信号,合成效率优于90%。     

天线组阵中相位差的递推最小二乘估计与滤波

相位差的估计精度是影响深空网天线组阵中信号合成性能的关键因素。利用天线组阵S UMPLE或SIMPLE相关算法中相位差估计值之间的几何关系,提出了相位差变化率的最小二乘 估计,并在此基础上提出了相位差的递推最小二乘滤波方法。经过理论分析和仿真实验表明 ,所提出的方法能够大大提高相位差的估计精度;对于给定的例子,估计精度提高了接近两 个数量级。相位差经滤波后,天线阵的信号合成性能显著增强,从而大大提高对深空通信中 微弱信号的数据接收能力。
     

空间通信远距离非均匀天线组阵技术研究

介绍了用于深空通信的天线组阵技术中常用的SIMPLE和SUMPLE信号合成算法。根据远距离天线组阵的特点,采用符号流合成(SSC)方法对信号进行合成,用快速傅里叶变换(FFT)实现信号互相关来自适应地消除时差,用最小均方(LMS)误差算法实现最大比合成(MRC)。仿真结果表明:可实现300Mbit/s数据速率的信号接收,信号合成增益相对于理论增益损失在0.3dB以内,系统在信噪比(SNR)为-3dB的条件下仍能正常工作。文章采用的方法,可用于远距离非均匀天线组阵,也可用于具有较高数据传输速率的航天器通信。     

非均匀天线组阵SUMPLE权值信噪比及信号合成性能分析

SUMPLE相关算法是深空网天线组阵中信号合成最重要的方法之一。将SUMPLE权值估计信噪比的计算方法由均匀天线阵推广到非均匀阵,给出了非均匀阵合成损失系数的计算公式。理论分析与仿真结果表明,在非均匀阵SUMPLE合成中应对权值幅值进行修正,以使其满足最优合成条件。充分利用现有的大型射电望远镜,在其周围建设若干小口径天线进行组阵,可以获得比单纯由小天线组成的均匀阵更好的合成性能,且具有更强的微弱信号适应能力。
     

航天器地面无线测试链路中断现象分析

文章对航天器地面无线测试中微多普勒频移引起测试链路中断的现象进行了研究。首先着重分析了微多普勒频移对无线测试条件下接收信号幅度和频率的影响机理,指出微小的多普勒频移就能使得接收信号产生畸变,引发测试链路中断;然后,提出采用天线分集技术来改善微多普勒环境下无线测试链路的传输质量;最后,通过计算机仿真验证了微多普勒频移对无线测试信号的影响。     

高动态环境下载波频率的精确估计算法

传统载波频率估计算法对降采样数据非线性变换后,直接快速傅里叶变换以获取载波多普勒频移,方法虽然简单,但精度较差,不适用于高动态、弱信号等复杂环境。本文提出一种改进的载波频率估计算法,对降采样数据进行多普勒频移、多普勒变化率的双重补偿和调制类型的模式识别,提高载波频率的搜索范围和测量精度;在粗测频、精测频状态对第一级降采样数据频率预补偿后进行第二级降采样处理,以适当缩短测频状态的搜索时间。最后通过试验分析表明:该算法在高动态环境下可大幅度提高多普勒频移及其变化率的估计性能。     

脉冲串信号的时差和频差估计新方法

针对脉冲串信号的互模糊函数多峰特性以及时差频差估计运算量大的问题,提出一种时差和频差联合估计新方法。该方法首先基于信号频差与时差变化率的关系,利用时差序列引导互模糊函数的时差频差搜索范围,然后利用脉冲串信号的时域稀疏特性改进了基于互模糊函数的时差频差估计方法。理论和仿真分析表明,该算法可有效抑制频差模糊,并在估计精度损失不大的前提下有效降低运算量。     

天线组阵中基于SUMPLE算法的故障天线分析

在大规模天线组阵中,故障天线所引入的噪声会增加阵列的合成输出损失,而在低信噪比下难以用信号检测算法判断组阵天线是否存在故障。针对该问题,在分析故障天线对信号合成影响的基础上,本文提出一种基于SUMPLE算法的权值幅度修正方法实现天线增益分析,并分析了修正因子对降低故障天线影响的有效性。理论分析与仿真结果表明,权值幅度修正算法能明显降低故障天线的权值幅度,减少了合成增益损失,有利于在大规模天线组阵中故障天线的检测,具有重要的工程应用价值。     

基于轮廓特征的X射线脉冲星信号多普勒估计

探测器速度引起的多普勒效应会影响脉冲星信号累积轮廓特征,反之,这种轮廓特征改变可用于多普勒估计。提出了一种基于轮廓特征的X射线脉冲星信号多普勒估计方法。通过建立累积轮廓非齐次泊松模型,获得多普勒效应对累积轮廓的影响。构造轮廓特征函数对该影响进行度量,并利用函数值与周期误差的关系搜索信号周期。在搜索过程中,将离散观测数据转换为连续能量密度函数,消除相位间隔对累积周期的限制。根据周期搜索结果,结合脉冲星先验知识完成多普勒估计。仿真实验验证了该方法的有效性,其多普勒估计精度优于频域方法。     

天线组阵信号合成技术的研究

介绍天线组阵信号的几种基本合成方案和相关算法,对其进行软件仿真分析。重点研究全频谱合成方案,进行了软硬件仿真试验。结果表明,全频谱合成方案的合成效率可以达到90%以上。     

深空组阵Eigen算法及其低信噪比合成性能分析

根据深空组阵信号模型,分析了Eigen最优合成采用的两种准则即最大输出功率和最大 信噪比准则。为了快速计算最优权值,给出了两种迭代算法即PM和PMFM算法,同时为了改善 微弱信号合成效果,在PMFM算法中引入记忆因子,提出一种可以自适应跟踪信号相位变化的 自适应Eigen算法。仿真分析了基于最大输出功率准则的Eigen合成算法和自适应Eigen算法 对低信噪比组阵接收信号的合成性能,仿真结果表明自适应Eigen算法不但具有良好的合成 效果和自适应特性而且运算量小,具有重要的工程应用价值。
     

深空通信天线组阵关键技术及其发展趋势

天线组阵是未来深空通信中的重要发展方向之一。本文介绍了天线组阵的发展历程,重点讨论了组阵中的关键技术,包括阵址选择、阵元口径和数量设计、阵构型设计以及信号处理的方法,分析了上述技术对组阵性能的影响。最后,探讨了天线组阵的发展趋势。
     

一种三元结构的火星采样返回任务方案分析

介绍了目前国外提出的一种三元结构的火星采样返回任务方案,整个方案分3次发射,分别发射漫游车、着陆器和轨道器,每次发射间隔为4年,最终目的是将火星样品带回地球。该方案的优势在于,通过3次发射分别完成漫游车巡视勘察、着陆器现场探测、轨道器数据中继和在轨探测,最终综合完成火星采样返回,能够极大地缓解项目进度和资金压力,充分利用每次发射窗口分步骤完成探测任务。文章重点对方案涉及的关键技术进行了分析,包括样品获取与封装、行星保护、精准着陆、漫游车的危险规避能力和移动性、火星上升器、交会与样品捕获、地球再入器技术等;对方案的前景和优势进行了探讨,并给出几点启示,如精准着陆或成为今后行星探测着陆方式的新趋势,火星采样返回任务将是人类火星探测的里程碑,今后的深空探测任务趋向国际合作模式等。     

基于萤火一号技术的自主火星探测器方案

提出了基于萤火一号（YH-1）火星探测器技术的自主火星探测器方案,可携带多种有效载荷在准太阳同步圆轨道上对火星进行科学探测。该方案具有可实现性强、成本低、研制周期短等特点,并能满足火星探测后续工程中的环绕器设计要求,利于我国火星探测的长远发展。利用长征三号乙运载火箭,在西昌卫星发射中心就可实现2013/2016年的我国自主火星探测。     

连接单元干涉测量技术应用于嫦娥二号卫星测轨实验

为了支持月球、火星等探测任务,我国正在组织开展深空干涉测量信号处理中心的建设工作。在嫦娥二号卫星在轨运行期间,利用连接单元干涉测量系统对卫星下行的数传信号进行采集记录,应用自行开发的数据处理软件获得了清晰的干涉条纹,同时时延计算结果与理论轨道具有较高的一致性,精度优于纳秒级。测轨实验验证了数据处理算法的正确性,证明了应用连接单元干涉技术进行卫星测轨的可行性。文章的分析和结论可为后续深入开展深空干涉测量信号处理中心建设提供技术储备。     

航天器自旋对测轨数据影响的修正方法

从测量原理上分析了航天器自旋对地基无线电测轨数据的影响,提出了测距和多普勒测速自旋影响修正方法,该方法也可用于估算航天器天线安装位置与自旋轴的距离。利用修正方法对嫦娥二号地月转移飞行段的地基测距与多普勒测速数据进行处理,解算的嫦娥二号天线安装位置精度在厘米量级。使用修正后的测距和多普勒测速数据,并融合时延与时延率测量数据,进行定轨计算,结果表明,使用修正后的测轨数据对事后定轨计算有近50m的精度提高。     

适用于通信信号盲源分离的 分离条件数学建模方法研究

针对使用盲源分离技术分离卫星通信信号的数学假设工程实施问题,重点对分离条件中的数学假设混合矩阵列满秩展开研究。根据最优化理论,提出了一种适用于通信信号盲源分离的分离条件数学建模方法。首先,介绍了盲源分离的分离模型与基本假设;其次,选择矩阵条件数来衡量混合矩阵的正定性,并结合阵列天线接收模型,以矩阵条件数为目标函数,建立最优化模型,寻找最优天线间距;最后,以两个信号源、两个接收天线为例进行仿真。仿真结果表明：所建立的优化模型可以有效找到最优天线间距,通过设计合适的天线间距可以有效满足混合矩阵列满秩条件。最优天线间距与载波频率成反比。该建模方法有效将抽象的数学假设转化为具体的天线间距设计,加强了盲源分离技术的可实施性,为大规模的盲源分离天线阵列设计提供技术支撑。