基于中国深空站的木星探测器开环测量试验

中国深空网的建立用以支持我国正在实施的探月工程及后续火星、小行星、木星等探测任务。为验证中国深空网的跟踪测量能力,并获取行星无线电测量数据,基于中国深空站开展了对木星在轨探测器"朱诺号"(Juno)的跟踪测量试验与数据处理分析。在分析各种观测约束条件的基础上,首次实现了中国深空站在地—木距离上的深空探测器开环跟踪测量,通过VLBI数据采集记录终端原始探测器信号,经信号处理提取"朱诺号"探测器的主载波频率。采用傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)、线性调频Z变化及信号本地重构相关的联合信号处理方法,"朱诺号"探测器主载波频率提取噪声水平在10μHz水平,有效验证了深空开环测量技术,为后续我国深空探测任务积累了有益经验。     

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。     

高精度VLBI技术在深空探测中的应用

介绍了适合单探测器测定轨的高精度VLBI技术和适合多探测器测定位的同波束VLBI技术的研究进展。利用"嫦娥3号"着陆器的ΔDOR型VLBI观测,得到了误差0.67ns的VLBI群时延数据。利用"嫦娥3号"着陆器和月球车的同波束VLBI观测,得到了随机误差0.3ps的差分相时延数据,以数厘米的灵敏度监测出月球车的移动、转弯等动作,并把月球车的相对定位精度提高至1m。针对深空探测,提出了使VLBI时延测量精度进一步提高所需要开展的部分研究内容。     

双站跟踪模式下“嫦娥4号”中继星定轨仿真分析

位于地月平动点的探测器因为较差的观测几何,需要地基USB/UXB与天文VLBI长时间的联合跟踪数据获取稳定精确的轨道。提出了利用中国深空网双站共视跟踪平动点探测器,获取双程、三程测距及VLBI测量数据,解算探测器精确轨道的模式。以"鹊桥"卫星为分析对象,首先评估中国深空网对"鹊桥"的跟踪能力。然后分析不同观测组合模式下的定轨计算精度。结果表明:双站共视约束下,深空站每天对"鹊桥"跟踪弧长大于5 h;使用长于6 h的双站跟踪数据进行定轨,系统差的解算更有利于轨道精度提升;跟踪时长超过2天时,必须在轨道解算的同时估计光压系数,并有望实现优于百米的轨道精度。     

火星探测VLBI测定轨技术

我国将于2020年首次发射由环绕器和着陆巡视器组成的火星探测器,火星探测器的跟踪及精密测定轨是完成工程任务和科学探测的基础。火星探测器的跟踪和测定轨,目前主要采用基于地面无线电测量的测距、测速和甚长基线干涉VLBI测角3种手段。主要针对VLBI技术予以介绍,主要内容为:△DOR型VLBI技术在国内外的应用情况、火星探测器VLBI测定轨技术分析、基于同波束VLBI的火星车定位技术、火星探测器VLBI观测等。这些内容对我国的火星探测器测定轨有重要的应用价值。     

高精度相位参考甚长基线干涉测量技术与试验验证

摘要：由于探测距离远,火星探测任务对干涉测量具有很强的精度需求。首先描述了相位参考甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)原理,介绍了弧段内干涉相时延解模糊方法,阐述了弧段之间相互参考解算干涉相时延流程,给出了测量误差分析,并利用中国佳木斯深空站、喀什深空站针对射电源对1633+38和1641+399开展了相位参考VLBI试验验证。结果表明,消除模糊度后,相位参考时延精度优于0.1ns。这为提高中国未来深空探测器角位置精度提供一种可行的技术途径。     

面向绕月交会对接的同波束VLBI研究

针对"嫦娥5号"(CE-5)探测器间高精度相对测量需求,设计了我国深空干涉测量处理中心框架下的同波束VLBI处理算法,分析了X波段同波束VLBI相位解模糊条件和结果;通过引入群时延辅助的相位干涉技术,大幅抑制了干涉时延随机误差,为同波束VLBI中相位解模糊提供了先验条件;利用CE-5对接实测数据验证了本文工作的有效性,为CE-5任务同波束VLBI的实施奠定了基础。     

相对差分单向测距(ΔDOR)技术在探月工程中的应用研究

相对差分单向测距(△DOR)是一种高精度测角技术,在深空探测任务的高精度测定轨方案中得到广泛应用.介绍了△DOR测量的基本原理及CCSDS(国际空间数据系统委员会)关于△DOR测量的相关标准.针对中国探月工程月面软着陆任务提出的高精度测定轨要求,分析了△DOR测量的信号形式、工作模式以及测量精度,推导了解模糊过程.研究表明,△DOR测角精度达到25nrad,对应到月球上的距离约为10m.     

深空伪码测距中复合码性能的分析与研究

深空伪码测距系统中复合码的选择影响到系统的无模糊距离、测距精度、捕获时间和硬件实现方法. 针对深空伪码测距系统中常用的测距码进行仿真、分析、比较与研究, 包括复合码的频谱特性、周期、直流分量、码钟衰减、捕获时间和测距抖动误差等. 利用同相相关系数和非同相相关系数的信号空间图分析复合码的捕获时间性能; 采用同相中相积分环作为码跟踪环, 利用其线性环路模型分析测距系统的抖动误差性能; 进而分析半正弦成型和方波成型对系统的捕获时间和测距抖动误差的影响. 通过研究和分析认为, 在深空测控测距中, 一种比较适用的测距方式是选择T4B作为伪码测距系统的测距码, 基于DDS原理产生任意码片移位的伪码序列, 采用半正弦成型调制方式和半正弦匹 配滤波接收技术, 利用同相中相积分环进行伪码的跟踪.      

一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法

深空探测任务中自主导航测量误差是影响深空探测自主导航系统精度的主要影响因素。针对抑制自主导航测量误差的问题,提出一种平面约束辅助测量的深空探测器自主天文导航方法,该方法在对系统非线性不等式几何平面约束建模的基础上,利用序列二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)非线性规划方法,对深空探测器自主天文导航系统的非线性不等式约束进行非线性规划,直接辅助减小深空探测器自主导航系统的量测误差;利用CKF-SQP量测优化非线性约束滤波方法,对深空探测器自主导航系统的状态进行估计,进一步减小系统随机误差。仿真结果表明:所提方法可以有效抑制测量误差,实现深空探测器高精度自主导航。该方法可为深空探测器提供一种可行的高精度自主导航方法。     

基于星光角距/激光测距的卫星组合导航方法

为了进一步提高卫星天文自主导航精度,提出了一种利用激光测距辅助的天文组合导航方法。激光测距能够直接获取卫星到地面参考信标的高精度距离信息,在以星光角距为观测量的天文导航系统中引入激光测距辅助数据,可以拓展滤波器观测量的维度,从而改善滤波效果。由于组合导航系统为非线性系统,为避免泰勒展开线性化引起的二阶截断误差,采用UKF滤波方法进行组合导航系统信息融合。仿真结果表明,所提出的组合导航方法能够明显提升导航精度,改善滤波性能。     

基于非线性规划的室内TOA测距值优化方法

在室内环境中,无线信道中的非视距和多径传输等效应严重影响了到达时间（TOA）定位系统的测距值精度,从而导致较大的测量误差和定位误差。将测距值优化抽象为非线性规划问题,在实现视距/非视距（LOS/NLOS）场景识别的基础上,利用TOA测距误差模型和“目标-基站”间的几何约束为序列二阶非线性规划方法设置合理的初始值,建立了目标函数和约束条件,对定位测距值进行了有效校正。利用典型的TOA测距误差模型进行了仿真验证,利用具有TOA测距功能的无线定位节点在办公环境中进行了实测验证。结果表明,该方法优化后的测距值精度明显优于原始测距值和传统的测距值修正方法,从而验证了该方法的有效性。      

深空测角测速组合导航系统时间配准方法研究

深空测角测速组合导航系统通过测角信息与测速信息融合,获取探测器位置、速度等参数,具有连续、自主、实时、高精度的优点。在深空测角测速组合导航系统多源信息融合过程中,要求各敏感器数据必须是统一时间基准。基于天文测角测速组合导航系统基本原理,阐述了在实际系统中,测角敏感器、测速敏感器由于时间基准误差、采样周期不一致、数据传输时延等都会造成时间不同步,而时间误差对位置和速度测量信息会带来很大的影响。本文分析时间误差在深空测角测速组合导航系统位置估计和速度估计中的作用机理,研究基于内插外推方法的时间配准方法,实现了测角敏感器与测速敏感器量测信息的同步。数学仿真结果表明,内插外推时间配准算法可有效抑制时间误差,提高深空测角测速组合导航系统导航精度。     

Autonomous navigation of Mars probe using X-ray pulsars: Modeling and results

Autonomous navigation of Mars probe is a main challenge due to the lack of dense ground tracking network measurements. In this paper, autonomous navigation of the Mars probe Orbits is investigated using the X-ray pulsars. A group of X-ray pulsars with high ranging accuracy are selected based on their properties and an adaptive extended Kalman filter is developed to incorporate the Mars probe dynamics and pulsar-based ranging measurements. Results of numerical experiment show that the three-dimensional positioning accuracy can achieve 750m in X-axis, 220m in Y-axis and 230m in Z-axis, which is much better than the positioning results by current Very Long Baseline Interferometry (VLBI) or Doppler observations with the accuracy of 150 km or several kilometers, respectively.     

Research on navigation of satellite constellation based on an asynchronous observation model using X-ray pulsar

Pulsar navigation is a promising navigation method for high-altitude orbit space tasks or deep space exploration. At present, an important reason for restricting the development of pulsar navigation is that navigation accuracy is not high due to the slow update of the measurements. In order to improve the accuracy of pulsar navigation, an asynchronous observation model which can improve the update rate of the measurements is proposed on the basis of satellite constellation which has a broad space for development because of its visibility and reliability. The simulation results show that the asynchronous observation model improves the positioning accuracy by 31.48% and velocity accuracy by 24.75% than that of the synchronous observation model. With the new Doppler effects compensation method in the asynchronous observation model proposed in this paper, the positioning accuracy is improved by 32.27%, and the velocity accuracy is improved by 34.07% than that of the traditional method. The simulation results show that without considering the clock error will result in a filtering divergence.     

基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜定位研究

潜艇只在必要时刻才浮出水面，对实时通信和导航定位造成极大制约。蓝绿激光具有深水穿透性高、衰减系数低等优势，已在机载和星载平台对潜艇通信中得到验证。借鉴GNSS导航信号产生原理，结合蓝绿激光通信测距一体化与低轨卫星自身精密定轨，提出了基于蓝绿激光通信的低轨卫星对潜定位算法。通过在激光通信中增加载波相位调制，实现潜艇激光接收器的伪距测量，联合其高程测量信息实现水下定位。以一带一路海域，特别是中国南海区域为服务对象，优化星座参数设计了3颗卫星组成的低轨稀疏星座。潜艇在星座覆盖区域内保持静态，间隔1~3min完成至少两次通信测距和导航电文接收，联合两组观测数据、精密星历及高程测量信息进行定位解算。仿真结果显示，在卫星过境期间，考虑卫星定轨精度，激光在空气、水下传播误差等因素，潜艇可在水下实现X、Z方向定位误差优于100m，Y方向误差约100~150m的高精度定位，对提升潜艇的战场作战能力具有意义。     

对一种月球与火星探测多程微波测量链路定轨定位的数值模拟初步分析

轨道器精密定轨与着陆器的精确定位在深空探测任务中具有非常重要的科学意义。对一种月球与火星探测多程微波测量链路的定轨定位能力进行了初步仿真分析,推导了这种多程微波测量链路的测量模型,分析了该模型的优势。模拟仿真分析结果表明,此测量跟踪模式的数据具有提升轨道精度的潜在能力,并且同时求得着陆器的位置。定量分析表明,在考虑坐标系转换误差,重力场误差,行星历表误差以及星上转发误差的情况下,模拟1 mm/s的噪声,对于月球探测器来说,轨道器的定轨精度可达几米,着陆器的定位精度有望达到分米量级;对于火星探测器来说,轨道器的定轨精度可达到数10 m,着陆器的定位精度可达到几米。