Measurement of turbulent kinetic energy dissipation rates in the mesosphere by a 3 MHz Doppler radar

A new narrow beam Doppler radar operating at 3.17 MHz has been installed close to the Andøya Rocket Range in Andenes, Norway in summer 2002 in order to improve the ground based capabilities for measurements of turbulence in the mesosphere. The main feature of the radar is a Mills Cross transmitting/receiving antenna consisting of 29 crossed half-wave dipoles. In combination with the modular transceiver system this provides high flexibility in beam forming and pointing. In general, vertical and oblique beams with a minimum one way half-power full-beam width (HPFW) of 6.6° are used. The observations are usually performed with a height resolution of 1 km and with off-zenith beams at 7.3° directed towards NW, NE, SE, and SW. Turbulence intensities have been estimated from the width of the observed signal spectra using an computationally intensive correction method which requires precise knowledge of the antenna radiation pattern. The program uses real-time measurements of the wind field in all determinations. Turbulent kinetic energy dissipation rates based on radar observations are presented and compared with corresponding climatological summer and winter profiles from rocket measurements, as well as with single profiles from model runs for selected periods from September 2003 to Summer 2004. The mean turbulent kinetic energy dissipation rates based on these radar measurements are about 5 mW/kg at 60 km altitude and about 20 mW/kg at 80 km, in reasonable agreement with mean turbulence intensities obtained from previous rocket soundings at Andenes.     

空间惯性定向姿态卫星数传链路设计

对于采用空间惯性定向姿态的卫星,其在数传设备工作期间不能保证固定安装在星体上的发射天线波束准确指向地面站,这给有效载荷高速数传提出更高技术要求. 研究了这类卫星在轨运行时其姿态相对地面站的变化规律,利用STK软件提供的卫星轨道仿真分析结果,寻找数传天线波束中心轴的较好指向,得到不同天线波束宽度能够实现的卫星对地数传时间. 通过研制140°波束范围内0dBi增益天线,在链路设计上保证了传输速率85Mbit·s-1时有足够的余量. 在星载设备小型化约束（质量10kg、功耗80W）条件下,采用小型化宽波束天线以及固态功放解决了空间惯性定向姿态卫星的有效载荷数据传输问题,设计方案满足相关任务要求.      

对地观测卫星固定波束数据传输天线覆盖特性研究

从卫星系统设计入手,利用J2轨道模型及星地空间几何关系研究了太阳同步、近极圆轨道、三轴稳定对地观测卫星的星地数传无线链路,得到了在地面站作用范围内均衡接收的波束分布特性。研究结果表明卫星进、出地面站的周向分布是不均匀的,沿卫星飞行方向进、出地面站概率最大,而垂直于卫星速度方向,卫星进、出地面站概率最低;并分析了波导十字缝阵组合天线的覆盖特性。     

卫星星间捷变型窄波束天线指向的误差分析

针对捷变型窄波束天线建链时间短、指向精度要求高的特点,通过建立星间天线指向误差模型,从理论上分析了卫星位置、姿态、天线安装等偏差因素对天线指向误差的影响。同时,采用STK软件对MEO卫星的天线指向误差进行仿真实验,实验结果与误差模型的理论预期一致。     

Comparison of mesopause region meteor radar winds,medium frequency radar winds and low frequency drifts over Germany

During 2004 and 2005 measurements of mesospheric/lower thermospheric (80–100 km) winds have been carried out in Germany using three different ground-based systems, namely a meteor radar (36.2 MHz) at the Collm Observatory (51.3°N, 13°E), a MF radar (3.18 MHz) at Juliusruh (54.6°N, 13.4°E) and the LF D1 measurements using a transmitter (177 kHz) at Zehlendorf near Berlin and receivers at Collm with the reflection point at 52.1°N, 13.2°E. This provides the possibility of comparing the results of different radar systems in nearly the same measuring volume. Meteor radar winds are generally stronger than the winds observed by MF and especially by LF radars. This difference is small near 80 km but increases with height. The difference between meteor radar and medium frequency radar winds is larger during winter than during summer, which might indicate an indirect influence of gravity waves on spaced antenna measurements.     

星载SAR天线指向稳定度对成像质量的影响

从星载合成孔径雷达(SAR)天线指向不稳定对成像质量影响的角度研究天线指向稳定度.对均匀加权天线,详细推导了天线指向不稳定引起的成对回波的位置和幅度,分析了成对回波对点目标冲激响应的峰值旁瓣比、积分旁瓣比的影响.研究了天线指向不稳定造成的多普勒中心频率误差,根据多普勒中心频率误差与图像位置偏移的关系,给出了图像质量对天线指向稳定度的要求.最后进行了计算机仿真,验证了分析结果.     

雷达波束驻留模式下空间碎片数量的置信区间估计

碎片数量估计是空间碎片环境统计特征描述的重要内容之一,对于空间碎片环境模型验证、航天器碰撞风险分析以及碎片数量增长趋势预测有重要意义.针对波束指向正东、正南任意仰角的雷达波束驻留(Beam-park)模式(天顶指向是波束指向仰角为90°时的特例),给出了一种估计碎片数量置信区间的方法.对于给定轨道高度范围内一个具有穿越雷达波束可能性(即雷达散射截面足够大,且轨道倾角相对测站纬度足够大)的碎片,将其是否真正穿越波束这一随机事件用(0-1)分布来建模,根据所采集的轨道高度和倾角数据,计算出该轨道高度范围内碎片穿越波束的平均概率,进而采用中心极限定理来估计碎片数量的置信区间.仿真结果表明了方法的有效性.      

DFH-2A国内通信卫星天线系统

叙述了为国内电信服务的机械消旋卫星天线系统.该天线系统包括三部分:全向遥测遥控天线组件,定向通信天线和三信道无接触旋转关节.遥测遥控天线为双圆盘天线,辐射全向性方向图,圆极化.通信天线是收发共用单喇叭馈源偏置椭圆抛物面天线,辐射一个5°×8°的椭圆波束,恰好覆盖中国本土.三信道无接触旋转关节是一个同心三同轴线结构,形成三路传输信道.各同轴线旋转连接处有扼流槽.各信道的插入损耗为0.6～0.8dB,信道之间隔离优于50dB.     

An intercomparison of meteor radar measurements at the South Pole using two different processing systems

A new meteor radar system was installed at the Amundsen–Scott station South Pole in 2001 to further the understanding of the dynamics of the Antarctic region. The antenna array consists of four yagis pointed along the 0°, 90°, 180°, and 270° meridians and five folded crossed dipoles arranged in a cross configuration and operating as an interferometer to provide position measurements for the detected radio meteors. The four yagis are time division multiplexed and used for both transmitting and receiving while the five folded crossed dipoles are only used for reception. The current arrangement of data acquisition (DAQ) systems at the South Pole allows the collection of meteors in a configuration similar to the previous meteor radar system that operated at the South Pole in the mid 1990s while also using an interferometer to accurately determine the meteor positions in the sky, which enables the determination of the vertical structure of the observed waves. This has been accomplished through the use of two DAQ and post-processing systems: COBRA (Colorado Obninsk radar) connected to the yagis and MEDAC (meteor echo detection and collection) connected to the folded crossed dipoles. With two separate DAQ systems operating in parallel we have the ability to directly compare the results and understand the inherent variability in the derived scientific results based on different system architectures and processing assumptions. The impact of operating a system without an interferometer on the amplitudes and phases of the observed wave components is considered. We find that the lack of altitude resolution of the COBRA DAQ system leads to an underestimation of the amplitude of the s = 1 component of the semidiurnal tide of ∼20% during the summer months.     

星载GPS-R下视天线的可视性研究

对星载GPS-R海洋遥感接收机下视天线的波束中心指向、波束形状、波束推进方式对镜面反射点可视性的影响进行了研究. 定义了一个与天线可视区域内地球表面点具有一一对应关系的星下点平面, 提出了星下点平面内的天线波束覆盖区域的确定方法及数学表达式, 在此基础上分析了不同的波束中心指向、波束形状、波束推进方式对可视性的影响, 并根据某型号空间飞行器的轨道数据进行了仿真验证.      

波束跃度对星载SAR滑聚模式成像影响分析

针对星载合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)滑动聚束模式方位向天线波束无法实现空间连续运动而引入虚假目标的问题,提出了波束跃度对成像质量影响的定量化分析方法.首先在方位向天线波束控制前提下,构建了星载SAR滑动聚束模式回波信号的数学模型.在此基础上,采用成对回波理论定性与定量化分析了波束跃度对成像质量的影响,尤其给出了天线最小波束跃度与虚假目标幅度和位置的定量映射关系,并讨论了不同波段下,虚假目标对分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比以及系统增益的影响,为系统顶层合理论证天线最小波束跃度指标提供了可靠的理论依据.通过计算机仿真实验验证了提出的理论分析方法的正确性.     

MW 级太空发电站微波能量波束指向控制精度分析

MW 级太空发电站是太空发电站事业发展规划的重要步骤,其微波能量传输系统的波束指向控制精度影响着波束收集效率。本文面向百米级能量发射天线,提出合理的微波能量波束指向控制精度要求。针对能量波束的渐变特性,以微波能量收发口径、传输距离和工作频率为约束,以系统对波束收集效率下降的容限为考察目标,建立了微波能量传输系统的波束指向控制精度分析模型,并提出了分析方法。应用提出的方法进行了数值仿真分析,根据仿真结果指出MW 级太空发电站微波能量传输系统的波束指向控制精度应为0.0023°,此时因微波能量波束指向偏离导致的波束收集效率下降不超过1%。这一指标可作为MW 级太空发电站微波能量传输系统重要设计参考。     

用于卫星入轨段测控的箭载天基测控中继系统

为满足卫星入轨段关键遥测参数下传和遥控指令上传的需求,设计了一种用于卫星入轨段测控的中继系统,方案主要基于火箭现成天基测控终端和卫星现成测控设备。介绍了中继系统的组成、工作原理和工作流程,研究了天基测控相控阵天线波束指向算法,设计了一种卫星遥测、遥控信号中继功能的地面测试系统。该箭载中继系统在快舟一号甲火箭上完成了两次飞行试验验证,两次飞行试验中继转发的卫星遥测数据完整,箭载卫星通信终端接收用户卫星遥测数据的载噪比大于20dB;地面测控中心接收天基遥测返向信号比特信噪比相对接收门限有3dB以上的余量。试验表明,该箭载天基测控中继系统通信链路余量充足,工作可靠,相比通过地面测控资源保障或卫星自身使用天基测控可节省一半以上成本。     

海洋二号卫星微波散射计自然扩展目标在轨定标

海洋二号卫星微波散射计(HY-2 Scatterometer, HY-2 SCAT)是一种旋转扫描笔形波束散射计, 能够对同一观测面元提供4次方位角和入射角的观测组合, 并通过地球物理模型反演海面风场. 为达到设计的风场反演精度, 要求其系统定标精度达到0.5dB. 利用不同区域自然扩展目标对HY-2 SCAT进行在轨外定标, 并与OSCAT散射计在同时期内的测量结果进行了对比. 定标结果显示可以消除因散射计天线指向偏差带来的方位向测量误差. 针对HY-2 SCAT方位向测量偏差进行了误差分析, 利用仿真方法以及海洋二号卫星雷达高度计同期测量数据的反演结果进行比对, 验证了误差来源.      

采用信标的大型可展开天线指向控制方法

为提高大型可展开天线的指向控制精度,并适应喷气卸载等在轨工况,基于Craig-Bampton法建立了表征柔性天线指向的动力学模型,在此基础上提出了一种采用信标的大天线指向控制方法.该方法先基于卡尔曼滤波,对大天线的振动状态进行检测,若天线未出现明显振动,则通过信标敏感器修正天线指向偏差,同时引入星本体姿态敏感器以保证稳定性;若天线振动超过阈值,则仅引入星本体敏感器以衰减振动,直至天线未出现明显振动.最后利用瑟拉亚(Thuraya)卫星的在轨实测热变形数据进行了仿真验证.结果表明,在未受到喷气扰动时,大天线指向精度优于±0.02°,在受到喷气扰动后,系统可正确检测并切换跟踪输入.这说明,该指向控制方法在保证稳定性的同时,可以有效修正大天线指向偏差,并能适应在轨位保、卸载喷气工况.     

低重频PD雷达的临界散射截面计算方法

提出了低脉冲重复频率PD(Pulse Doppler)雷达探测飞行器目标的临界散射截面的计算方法.针对低重频PD雷达对目标的发现概率计算过程中所遇到的问题,采用临界仰角法处理雷达的未知参数,将之合并为雷达系统特征常数.将低重频PD雷达的旁瓣杂波合理等效为白噪声,处理目标频移落在旁瓣杂波区的情况.采用等效杂波散射截面积叠加旁瓣杂波中目标临界散射截面处理目标频移落在主瓣杂波区的问题,并考虑偏置相位中心天线(DPCA)技术对目标频移落在主瓣杂波中时临界散射截面的影响,使计算结果更合理,从而完善低脉冲重复频率PD雷达在全频域中临界散射截面的计算方法.该方法可应用于计算目标突防时的发现概率.最后以E－2C预警机为例计算某目标突防过程中的临界散射截面.      

廊坊中频雷达风场FCA算法的研究及应用

中频雷达是获得临近空间60～100 km范围内大气风场的重要探测设备之一. 全相关分析方法是空分天线模式中频雷达的一种重要风场反演方法. 通过介绍全相关分析方法算法的一般理论, 根据廊坊中频雷达的天线配置, 分别研究了利用三副天线数据与四副天线数据的风场反演算法FCA-3A和FCA-4A, 讨论给出了全相关 分析方法的剔除标准. 用廊坊中频雷达实测的回波相位和振幅, 得到由该算法反演 的大气风场. 为验证算法的可靠性, 将其结果与ATRAD公司的反演结果进行比较. 结果显示大气纬向风和经向风随时间和高度的变化特性基本一致. FCA-3A与FCA-4A的风场反演结果基本一致, FCA-4A略好于FCA-3A.      

基于波束分离技术的空间时延补偿方法研究

针对深空测控通信任务中,空间时延和地球自转使大型地面天线窄波束不能覆盖对应的轨道区域导致的通信链路质量恶化甚至中断的问题,提出了在波束波导馈电的多反射面天线中,通过改变收发馈源位置使上下行波束峰值分离并指向不同的位置实时改善通信链路质量的方法,给出了波束波导馈电系统中馈源位置与波束分离以及增益损失的关系。该方法可以准确地预计并通过改变上行发射馈源的相对位置,使上下行波束按照要求指向不同的位置以减小天线上行链路增益损失。以35 m深空测控通信天线为例进行仿真,在Ka波段34 GHz频率,当上下行链路波束分离达0.032 72°时,增益损失小于4.25 dB。该方法也可用于确定馈源的位移量来修正由于反射面天线结构变形或复杂的多反射面系统镜面位置误差等造成的天线波束误差。     

偏置动量系统中的挠性天线指向控制研究

从工程实践角度,探讨了在目前广泛采用的偏置动量轮三轴姿态稳定卫星上,进行大尺寸（３～５ｍ）和高指向精度（０．０５°）的挠性天性指向控制问题。在建立具有挠性天线的星体动力学模型,以及在借鉴和改进有关抑制挠性天线振动研究的基础上,设计了三轴稳定卫星平台上的挠性天线指向控制系统的方案。最后,根据数值仿真结果,给出了影响挠性天线指向精度的主要因素。     

单馈点圆极化GPS微带天线

在腔模理论基础上利用微扰方法分析与设计了单馈点圆极化微带贴片天线。通过对于GPS的单馈点圆极化微带贴片天线测试表明，结果与设计预估十分一致。天线除结构紧凑，易于微波集成外，还具有十分优良的圆对称半球波束，良好的广角圆极化和阻抗匹配特性，对GPS应用来说是一种性能优良的天线。