高精度星间测距与超稳振荡器研究

高精度K频段微波星间测距系统（KBR）采用双路微波测距技术,测量精度可达到1μm／s,是地球重力场测量卫星的三大有效载荷之一。作为整个系统时间基准的超稳定振荡器（USO）,是实现KBR微米级测量精度的关键。文章在研究KBR测距技术的基础上,对USO进行了研究和设计,研制成功的USO的短期频率稳定度达到了5×10^-13／s（Allan方差）,达到了指标要求。     

K频段测距系统星间高精度指向控制算法

为了避免多路径噪声对低低星间跟踪(SST-LL)重力测量卫星K频段测距(KBR)系统测距精度的影响,基于SST-LL重力测量卫星的超静卫星平台,提出了一种磁控制与喷气控制相结合的KBR系统星间高精度指向控制算法。首先,利用喷气执行机构使卫星快速机动到目标姿态角;然后,利用磁力矩器和喷气执行机构对卫星进行联合稳定控制,在满足省电和节省喷气量的条件下,实现长周期、高精度的天线相对指向控制。利用"重力场反演与天气试验"(GRACE)卫星参数进行仿真验证,结果表明:在正常轨道运行模式下,该算法能实现俯仰和偏航方向优于1mrad的控制精度,可为KBR系统在轨高精度测距提供保证。     

重力测量卫星KBR系统相位中心在轨标定算法

针对低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星K频段测距(KBR)系统相位中心在轨标定问题,提出了一种应用预测卡尔曼滤波算法的KBR系统在轨标定算法。首先,以磁力矩器和姿态控制喷气发动机为执行部件,对一颗卫星施加一定的组合力矩,使其绕另一颗卫星进行周期性姿态机动;然后,将星敏感器数据代入预测卡尔曼滤波算法中估计出卫星姿态;最后,根据KBR系统观测值与卫星姿态角之间的关系,利用扩展卡尔曼滤波算法估计出KBR系统相位中心的位置。数值仿真结果表明:KBR系统相位中心可以被实时估计,当存在较大的卫星姿态动力学模型误差时,KBR系统相位中心的标定误差仍在0.3mrad以内,证明此算法估计精度较高且鲁棒性强。     

基于加权最小二乘的星间数据高精度压缩算法

星间双单程测距技术（DOWR）是保证KBR测量精度最主要的手段。KBR星间原始相位测量量作为DOWR的输入数据，其精度对实现星间微米级测距具有重要意义。重力卫星将星上原始相位测量数据下传至地面，在地面进行测距、测速解算。为了解决卫星星地数据传输量大和数传带宽受限的矛盾，并确保下传至地面的原始测量数据精度不损失，文章提出利用分段加权叠加最小二乘拟合算法，对星上测量信息进行拟合压缩下传的方法；并利用该方法，对研发的KBR地面试验系统中实测的相位信息进行分析，结果表明，文中提出的算法压缩比为15.6∶1，压缩精度对测距的影响小于0.01μm量级，对测速的影响小于0.01μm/s量级，该量级的误差对于整个系统微米级测距的影响可忽略。研究成果对我国重力探测卫星KBR系统实现高精度的数据压缩及星地间大数据量的压缩传输具有重要意义。     

一种高分辨率的相差测量技术

在重力场探测和气象实验卫星(GRACE:Grace Recovery And Climate Experiment)中星间测距精度达μm级,工作频率选用K/Ka频段,即测相分辨率需达到千分之一至万分之一,加之相噪影响,研究高精度的频率估计和相位积分估计技术是一个重要课题。测相需采用数字化精跟、锁相和相差测量技术,研究快速、准确和稳定的锁相算法。文章以GRACE卫星的KBR系统(K-Band Ranging System)为背景,提出一种数字化高分辨率的相位检测算法,通过软件对算法进行仿真,验证其可行性。     

一种重力测量卫星静电加速度计在轨标定算法

静电加速度计是低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星的关键载荷之一,其性能直接影响地球重力场空间变化率的测定结果。为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合扩展卡尔曼滤波估计算法,提出了一种应用动力学方法确定静电加速度计校准参数的算法。首先建立静电加速度计及K频段测距(KBR)系统的量测模型;然后将高精度地球重力场模型和静电加速度计观测数据代入扩展卡尔曼滤波算法的状态方程中,将KBR系统观测数据代入观测方程中,建立静电加速度计在轨标定模型。数学仿真结果表明:静电加速度计的标度因子和零偏估计误差均在0.2%以内,实现了卫星静电加速度计较为精确的标定。     

超高精度星间距离测量及其在卫星重力场测量中的应用

介绍卫星重力场测量的最新技术——GRACE低-低卫-卫跟踪的基本思想及其关键有效载荷。在此基础上,对高精度KBR星间距离测量的基本原理进行简要分析,并探讨其关键技术。     

星地动态双向时间同步与测距算法

针对卫星运动对星地距离和钟差测量的不利影响,提出一种基于最小二乘拟合的星地动态双向时间同步与测距算法。在建立星地可视模型基础上,仿真了MEO运动卫星与地面时间同步站之间星地距离的变化规律,分析了卫星运动对星地双向时间同步与测距的主要不利影响。该算法首先利用星地双向时间同步数据分别生成星地距离和钟差拟合多项式,然后联合求解出运动卫星误差最小的星地距离与钟差。实验结果表明了该算法的合理性和科学性,在包含仿真误差的条件下,其时间同步精度优于3ns,测距精度优于3m。将其应用到各种空天应用系统的星地时间同步与测距中,可以消除卫星运动对双向时间同步与测距的不利影响,提高时间同步与测距精度。     

基于星间链路的分布式导航自主定轨算法研究

针对脱离地面支持自主定轨的导航应用需求,提出了基于星间链路双向测距的自主导航定轨算法。文章分析了导航星座星间链路双向伪距测量模型,给出了分布式自主定轨数据流程,设计了导航星座基于星间链路分布式自主定轨算法。根据国际卫星导航服务组织公开的真实GPS系统事后精密星历,对本文设计的自主定轨算法进行仿真验证,结果表明：采用该设计的自主导航算法在自主定轨90天末期,用户测距误差（URE）达到30 m左右,验证了该设计的自主定轨算法具有较高的自主定轨精度。     

GRACE KBR的测量新体制及其精度分析

文章介绍了GRACE KBR所采用的同步双向测量比对技术的原理,总结归纳了KBR的测量误差源,对KBR测量精度进行了分析估算,最后提出了需解决关键技术的建议。     

Flight performance analysis of GRACE K-band ranging instrument with simulation data

A dual one-way ranging (DOWR) system provides very high accuracy range measurements between two satellites. The GRACE satellite mission implements the DOWR, called KBR (K-band ranging), to measure very small inter-satellite range change in order to map the Earth gravity field. The flight performance of the KBR is analyzed by using a hybrid software simulator that incorporates actual satellite orbit data into a comprehensive KBR simulator, which was earlier used for computing the GRACE baseline accuracy. Three types of experiments were performed. First is the comparison of the flight data with the simulated data in spectral domain. Second is the comparison of double differenced noise level. Third is the comparison of the range-rate difference with GPS clock estimates. The analysis shows a good agreement with the simulation model except some excessive high frequency noise, e.g. 10⁻⁴ m/√Hz at 0.1 Hz. The range-rate difference shows 0.003 cyc/s discrepancy with the clock estimates. These analyses are helpful to refine the DOWR simulation model and can be benefit to future DOWR instrument development.     

Flight performance analysis of GRACE K-band ranging instrument with simulation data

A dual one-way ranging (DOWR) system provides very high accuracy range measurements between two satellites. The GRACE satellite mission implements the DOWR, called KBR (K-band ranging), to measure very small inter-satellite range change in order to map the Earth gravity field. The flight performance of the KBR is analyzed by using a hybrid software simulator that incorporates actual satellite orbit data into a comprehensive KBR simulator, which was earlier used for computing the GRACE baseline accuracy. Three types of experiments were performed. First is the comparison of the flight data with the simulated data in spectral domain. Second is the comparison of double differenced noise level. Third is the comparison of the range-rate difference with GPS clock estimates. The analysis shows a good agreement with the simulation model except some excessive high frequency noise, e.g. 10⁻⁴ m/√Hz at 0.1 Hz. The range-rate difference shows 0.003 cyc/s discrepancy with the clock estimates. These analyses are helpful to refine the DOWR simulation model and can be benefit to future DOWR instrument development.     

高精度星间微波测距技术

卫卫跟踪（SST）技术是目前地球重力场测量最有价值和应用前景的方法之一。高精度K波段星间微波测距系统（KBR K Band Ranging System）低低卫卫跟踪（SST-Ⅱ）重力卫星的关键有效载荷，它是一微米量级的测距系统，通过处理高精度的星间距离和距离变化率数据，可以恢复出地球重力场。在研究星间双路微波测距原理的基础上，提出了一种KBR系统的基本结构，详细描述了数据处理过程和KBR系统研究需要突破的关键技术，分析了国内目前的研究水平，给出了我国未来开展KBR系统研究的一些建议。     

星载GPS的毫米级编队卫星相对定位

在比较分析编队卫星相对定位与陆地相对定位技术的基础上,结合陆地相对定位技术和 卫星精密定轨技术提出了基于GPS进行编队卫星相对定位的方法及原理。文章采用2004年4月 1日到10日的GRACE卫星实测数据进行了相对定位计算,并采用KBR观测数据对本文相对定位 结果和JPL单独定轨结果进行了外部检核,检核结果表明：1. 与直接采用单独定轨结果相 比,该方法可以明显提高卫星的相对位置精度。2. 利用本文方法计算的两颗GRACE卫星相 对位置精度约为4.5 mm。
     

卫星跟踪卫星测量模式中关键载荷精度指标不同匹配关系论证

本文基于改进的能量守恒法,对GRACE星载K波段星间测量系统、GPS接收机和SuperSTAR加速度计精度指标的不同匹配关系进行了系统论证。模拟结果表明：第一,各关键载荷精度指标呈线性匹配关系;第二,由于耗散能表现为累积变化特性,加速度计误差对恢复重力场的贡献不同于其它载荷;第三,以K波段星间测速精度指标1～10μm/s为标准并结合其它载荷匹配指标,在120阶处大地水准面累积误差为17.6～174.8cm,1.5°×1.5°重力异常累积误差为0.3～2.8mGal,其中K波段星间测速精度指标取1μm/s时,结果与德国地学研究中心（GFZ）公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型符合较好;第四,建议我国将来采用的卫星跟踪卫星测量模式中关键载荷精度指标设计为星间测速1～3μm/s、轨道位置3～10cm、轨道速度0.03～0.10mm/s和非保守力 0.3～1.0 nm/s 2较优。本文的研究为将来GRAIL月球重力探测计划和太阳系其它行星探测计划（如火星）中全球重力场的精确和快速测量提供了理论基础和计算保证。
     

高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究

文章介绍了自行研制的石英灯红外辐射式气动加热试验模拟系统以及使用该系统对高超声速飞行器材料与结构进行的高温热评价试验。本热试验系统可实现升温速率高至200 ℃/s的非线性热冲击过程的动态模拟;能够生成1.8 MW/m2热流密度的瞬态非线性热试验模拟环境;能将试验环境温度提高到1 500 ℃。在该热试验系统上完成了如下试验研究: 1）金属蜂窝板结构在高温950 ℃非线性热环境下的隔热性能评价试验和数值模拟;2）对SiC/SiC复合材料试件在1 300～1 500 ℃下的隔热性能评价试验;3）采用轴向非分段加热试验方式对圆柱型壳体结构（长2.1 m）内壁进行高温热环境试验。本试验系统在可控的非线性温升速率、高温高热流密度变化过程的动态模拟、热试验环境模拟的准确性以及非接触式全场高温变形测量等方面的研究成果达到了国际先进水平。     

用于测频测向的偶对称神经网络模型

介绍了Hopfield神经网络用于测频测向的原理。为解决一些基本算法的局部极值问题，建立了偶对称神经网络的模型，并给出了相应的算法。理论分析和仿真结果表明，该算法用于解决全局优化问题是有效的，可用于解决测频测向问题。