适用于CEI的GEO卫星相时延解算方法及试验

为解决在实际航天任务中利用连线干涉测量(CEI)技术进行高精度GEO卫星定轨以及共位GEO卫星相对定位时面临的载波相位整周模糊度难题,提出了一种基于卫星下行信号的多弧段融合相位模糊度解算方法,它通过相邻多弧段载波相位值和窄带信号群时延值的融合处理可精确获得无模糊载波相时延观测量。对提出的方法进行了性能仿真和实际外场试验验证,结果表明：在20 km基线上,利用北斗GEO卫星的伪码测距信号和天链卫星的测控信号均成功实现了S频段解载波整周相位模糊,相时延测量精度优于0.1ns,对应GEO卫星定轨精度优于54 m。该方法在国内首次实现了在几十km基线量级上利用几百kHz窄带测控信号获得无模糊载波相时延,具有较好的工程应用前景。     

基于单基线干涉测量的GEO卫星轨道测定与验证

干涉测量具有被动式测量特点,对空间非合作目标轨道监测具有天然优势。利用5.5公里基线干涉测量系统,针对GEO卫星开展了差分干涉测量实验。引入群时延辅助的相时延处理技术,GEO卫星干涉测量噪声约9.4ps。基于"2小时标校-13小时跟踪-2小时标校"的长时差分观测模式,GEO卫星干涉测量误差约0.267ns,定轨解算星历与精密星历最大径向偏差为35.7公里。结果表明,单基线干涉测量可以收敛解算GEO卫星轨道,实现较高精度的GEO卫星轨道被动式监测。     

多基线组合求解深空航天器载波相位模糊方法

针对深空航天器高精度定位需求,提出多基线组合求解载波相位模糊方法,获得比群时延更精确的相时延,极大地提高无线电干涉测量精度。首先建立多基线组合求解载波相位模糊的数学模型,推导该方法对长短基线组合的约束条件。然后利用美国甚长基线阵(VLBA)对本文方法进行仿真校验,结果表明航天器定位精度可以达到纳弧度量级。最后结合我国已有干涉测量网,分析在我国未来深空探测任务中采用多基线组合测量载波相时延的可行性,给出满足方法约束的站址选择建议,可为我国深空导航无线电干涉测量技术的发展和深空测控网的完善提供参考。     

一种辅助轨道确定的相对干涉测量方法研究

在嫦娥四号中继星任务期间某次干涉测量标校射电源观测无效、微卫星轨控后预报星历无法提供精确时延模型的背景下,提出了一种为微卫星轨控后轨道确定提供辅助约束测量信息的方法。该方法通过迭代相关处理修正时延模型,解决了轨控后微卫星预报星历不准的难题;利用中继星观测估计系统时延并修正微卫星干涉测量观测量,得到了实时条件下微卫星干涉测量观测信息,与事后相关处理结果的偏差约为4. 2ns(约1. 2m)。进一步分析了相对干涉测量中的误差因素,结果表明相对干涉测量的随机误差约2ns,与事后相关处理精度相当。最后,给出了应用于辅助探测器轨道确定的相对干涉测量数据处理方案,为后续相关背景下的干涉测量提供参考。     

基于组合方式的延时精确测量方法

研究了延时线的精确时间测量方法。首先介绍了传统群时延测量方法的误差，并分析了误差形成的机理，然后提出采用基于群时延和相位时延相结合的方式进行延时精确测量的方法。采用二次测量的方式，结合群时延的粗测量和相位时延的精测量，完成延时的精确测量，并通过仿真、试验验证了该方法在延时测量方面的精度更高。     

连线干涉测量信号处理方法及实验验证

干涉测量技术是深空探测任务中高精度获取导航数据观测量的重要技术手段。阐述连线干涉测量原理,详细推导干涉测量信号处理算法,用于准确提取反映航天器测角信息的时延观测量。分析信号处理数学模型,通过仿真验证算法的有效性。由于连线干涉测量具有严格的时间同步特性,同时消除了传播介质公共误差对信号的影响,通过搭建连线干涉测量实验系统实际采集地球同步卫星信号进行分析,结果表明实验成功获取了清晰的干涉条纹,得到高精度的时延观测量信息,从而验证了连线干涉测量信号处理方法的有效性。     

同波束干涉测量差分相时延观测模型研究及验证

针对月球轨道交会对接地面高精度引导需求,对同波束干涉测量差分相延观测模型进行分析验证。根据甚长基线干涉测量几何时延观测量同一波前的定义,推导出同波束差分时延观测量的观测模型。并提出一种精确的同波束干涉测量差分相时延闭合算法,同时结合SELENE任务实测的数据计算差分相时延闭合值,用于对观测模型进行验证。实测数据计算结果表明,采用本文提出的精确算法显著地消除同一波前差分相时延闭合值中的趋势项,差分相时延闭合值的精度在0.5ps~1ps范围内,验证了观测模型的正确性。该研究对于后续的月球交会对接地面高精度测定轨任务分析设计将具有一定的参考价值。     

"高分三号"卫星图像干涉测量试验

由于自然或人工建造引起的形变可能引发灾难,对其进行形变量监测非常必要,合成孔径雷达(SAR)技术与传统监测技术相比,可以实现全天候对地观测,并监测地表的形变。"高分三号"(GF-3)卫星作为中国国首颗SAR卫星,是否具有干涉测量的能力以及精度尚待验证,为此文章利用GF-3卫星SAR数据对河南省登封市周边地区进行二轨差分干涉处理,获取了该地区的地表形变图。结果表明地表相对沉降量为±0.03m,验证了GF-3卫星作为SAR卫星具有了干涉测量(InSAR)的能力。针对GF-3卫星数据由于轨道误差引起的平行条纹导致相位解缠效果不好的问题,提出利用SRTM(Shuttle Radar Topograpty Mision)DEM高程作为所选样本点的高程,选取5个地面控制点,消除了由于轨道误差引起的平行条纹,提高了反演的形变量精度;GF-3卫星与技术成熟的"哨兵一号"卫星同一测区数据对比,形变信息大致相同。GF-3卫星作为一颗SAR新星具有干涉测量的能力,同时精度上也满足监测的需求。     

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。     

Ka波段机载双模式干涉SAR系统设计及测量精度分析

为解决传统干涉合成孔径雷达(SAR)系统只能顺轨干涉或交轨干涉,无法兼顾高精度高程测量和速度测量的问题,开展了Ka波段机载双模式干涉SAR系统设计与干涉测量精度分析。基于Ka波段电磁波波长短、干涉相位敏感度好的特点,利用较短的干涉基线在同一干涉SAR系统中实现高精度干涉测高与测速,并介绍了所设计的Ka波段机载双模式干涉SAR验证系统。仿真结果表明:该系统具备高效率、高精度干涉测量能力,可获得亚米级的绝对测高精度和0.1 m/s的测速精度。     

中国深空探测网干涉测量系统性能分析

中国深空探测网(CDSN)干涉测量系统目前由佳木斯深空站(JM01)、喀什深空站(KS01)、纳米比亚深空天线(NB01)和南美深空站(NM01)及北京相关处理中心组成,系统最长基线达到12000km。首先以嫦娥三号着陆器、嫦娥四号中继星和火星为目标,分析CDSN干涉测量系统的覆盖性。结果表明在统计时段内,NB01和NM01的建成将系统单站观测弧段及干涉测量观测弧段均提高一倍以上,显著增强了系统的定轨支持能力。然后利用嫦娥三号着陆器开展干涉测量观测试验。数据处理结果表明,干涉测量时延随机误差达到0.2ns,其中KS01-NM01基线的时延随机精度接近0.1ns,相应测角精度约为1.2nrad;KS01-NB01-NM01的闭合时延平均值约为0.1ns,显示了CDSN干涉测量系统具备较好的系统误差性能。最后分析CDSN干涉测量系统的限制因素及后续工作方向。     

卫星微波干涉测高体制及性能分析研究

针对传统卫星星下点高度计测高体制只能实现一维测量,不能兼顾时间和空间分辨率的问题,重点分析了可实现宽刈幅测高的传统合成孔径雷达干涉(InSAR)测量和新型InSAR高度计测高两种体制;阐述了卫星微波干涉测高的工作原理及误差传播关系;研究了不同雷达下视角情况下随基线倾角的变化相位与基线误差对干涉测高精度的影响,从测高精度与地面分辨率方面分析两种体制的异同及应用范围。文章最后对不同的测高体制的测高精度和应用进行了总结对比,提出了可使测高体制充分发挥优势的应用范围和条件。     

卫星群时延特性测量新方案的设计和实现

设计并实现了适用于卫星整星综合测试的群时延测量新方案。与传统模拟解调方案相比,此方案对信号采样后直接进行数字信号处理,采用数字解调、估计相位的方式测量群时延,减小了引入的噪声和对信号的畸变,适用于不同卫星的群时延特性测试,省去了时间差测试设备,降低了测试成本。实际测试结果表明,此方案在C频段的测量精度小于1ns,UHF频段的测量精度小于16ns,满足卫星群时延测试要求,为卫星测试的自动化、通用化奠定了基础。     

群时延对测距误差的影响

基于直接序列扩频体制的伪距测量在卫星导航、雷达、航天测控、深空探测等领域获得了广泛的应用。射频链路,滤波器等引入的系统群时延会对扩频信号的传输时延产生影响,进而影响延迟锁定环(DLL)的伪距测量结果。文章首先介绍了群时延的概念和表达式,然后设计了满足仿真要求的群时延滤波器,建立了扩频信号的捕获、跟踪、测距模块,将群时延对接收机的影响量化到相关峰以及跟踪测距阶段的测距误差上。仿真结果表明,线性群时延(1阶)和抛物线群时延(2阶)对伪距测量的影响最大。     

基于小卫星编队的稀疏孔径遥感技术

介绍了实现稀疏孔径系统的迈克尔逊干涉和斐索干涉的两种干涉成像原理,讨论了实现稀疏孔径探测和成像的子孔径的空间布局、相位一致和图像恢复,分析了载荷展开,卫星编队中的编队卫星轨道设计、空间基线测量与控制,以及光机技术等工程化实现的关键技术。     

月面着陆器与巡视器同波束差分时延相对定位算法

针对月球着陆巡视探测活动中的月面着陆器与巡视器的相对定位问题,建立了月面双目标相对运动方程和状态方程,给出了同波束差分时延测量量关于双目标相对位置的测量方程,进而实现了基于统计估计方法解算双目标相对位置的算法。结合嫦娥三号探测器跟踪测量条件,利用该算法开展仿真分析。结果表明:在测量弧段达到5min以上、同波束干涉测量(SBI)时延仅有1ns随机误差的情况下,相对定位精度可达20m;测量数据存在3ns系统误差时,相对定位精度为200m,此时如果增加甚长基线干涉测量(VLBI)时延数据,可将相对定位精度提高到150m。利用嫦娥三号实测数据处理结果验证了此算法的正确性和仿真分析的有效性,可为合理制定月面双目标相对定位策略提供参考。     

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。     

下一代高精度卫星重力测量技术研究

以下一代高精度卫星重力测量为背景,针对低低卫卫跟踪模式与卫星重力梯度测量模式,论述了下一代低低卫卫跟踪和下一代重力梯度测量卫星方案。下一代低低卫卫跟踪重力卫星采用纳米级星间激光测距替代原微波测距,同时降低轨道高度以提高重力场敏感度。下一代重力梯度测量卫星采用原子干涉重力梯度仪替代静电重力梯度仪,原子干涉重力梯度仪在空间有超高的潜在灵敏度,可进一步提高卫星重力梯度测量的精度。同时,突破现有牛顿力学框架下的卫星重力测量技术,提出了基于广义相对论引力钟慢效应的卫星重力测量技术概念,卫星遍历地球周围空间时,通过测量星上时钟频率变化获取全球重力分布。仿真结果表明:三种新型高精度卫星重力测量技术可恢复200~305阶的全球重力场模型。     

低轨星载光学测量确定静止卫星轨道的方法

为了研究低地球轨道(LEO)卫星对地球静止轨道(GEO)卫星的跟踪定轨能力,文章提出利用LEO星载光学测量技术对GEO卫星进行轨道确定.文章充分考虑光学可视条件与星载相机的观测区域,对LEO卫星跟踪GEO卫星的空间环境以及测量模式进行模拟.利用模拟得到的测角数据采用数值方法对GEO卫星进行定轨并与参考轨道进行重叠对比....     

一种基于频移补偿的apFFT相位估计改进方法及应用

全相位快速傅里叶变换（all phase Fast Fourier Transform,apFFT)相位一致性特点使正弦信号相位估计不受频率估计影响,但由于频谱泄露和栅栏效应,apFFT相位估计性能受信号频率位置影响。针对该问题,提出了一种基于高精度频率估计和补偿的apFFT相位估计方法。首先,对信号进行高精度频率估计,并以此对信号进行频移补偿,然后对补偿信号进行apFFT,最后求解信号相位。蒙特卡洛仿真结果表明：所提算法的相位估计性能不受信号频率位置影响,相位估计误差性能与理论值一致,受两参数克拉美罗界（CRLB₂）约束,约为1.158 2倍的CRLB₂;相位估计性能和抗噪声能力明显优于经典apFFT算法和其他对比算法。更进一步,利用我国首次火星探测器TW-1（天问一号）近火捕获段干涉测量数据进行算法验证,结果表明：相位估计精度约4 mrad,干涉测量时延估计精度约50 ps。