激光星间链路终端指向误差标定中的误差分离研究

针对激光星间链路终端指向误差在轨标定中航天器姿态测量误差影响标定结果的问题,本文提出了基于多链路测量的航天器姿态测量误差分离方法。该方法利用了导航星座中同一航天器同时建立多条链路的特点,获取不同方向的LCT指向误差测量数据。通过同时估计航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差参数,实现了航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差的分离。仿真结果表明：航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果有显著影响,利用本方法进行误差分离后,LCT指向误差标定结果最大偏差由分离前的64.9 μrad下降到误差分离(6条链路)后的21.1 μrad,有效降低了航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果的影响。该方法的有效性取决于链路条数和链路拓扑构型。     

激光星间链路快速捕获技术综述

介绍了激光星间链路终端的指向误差建模、终端指向误差在轨标定、激光星间链路扫描捕获参数优化及链路中断恢复重捕获4个方面的国内外发展现状,指出了须重点研究的几个方向,包括涵盖全面误差要素的非线性指向误差模型的建立、在轨观测数据获取方法的改进、激励轨迹的优化设计与参数估计方法的合理选取以及针对链路中断恢复重捕获方法研究,最后结合全球导航星座的特点提出适应导航星座的激光链路快速捕获技术研究建议。     

卫星光通信中耦合运动对光信号跟踪影响分析

光通信终端与卫星平台的耦合运动是影响卫星光通信系统光信号跟踪性能的重要因素。以铱星系统星间链路为例,建立了卫星光通信终端与卫星平台相互耦合运动的数学模型,并进行了数值仿真。理论分析及仿真结果表明:卫星光通信终端与卫星平台相互耦合运动使系统粗跟踪误差增大,方位轴、俯仰轴最大误差分别为94μrad和98μrad,超过精瞄系统补偿范围。为确保星间激光链路通信性能,提出了光束粗跟踪控制补偿算法,并进行了相应的仿真实验,仿真结果表明:补偿后的控制算法将方位轴、俯仰轴最大跟踪误差降低为37μrad和41μrad,符合精瞄系统补偿要求,保证了系统跟踪性能。该结果对今后小卫星星座激光组网具有一定的指导意义。     

一种同轨区域集中的北斗卫星自主导航算法

基于北斗三号卫星配置规划,提出了一种同轨区域集中的北斗卫星自主导航算法.利用Ka星间链路指向切换灵活特性与激光链路高速通信特性,并克服激光终端异轨面通信困难,指向切换不便等缺陷,算法设计将轨道面内各卫星采集的Ka双向测距信息利用激光星间链路传入轨道面主卫星中,从而将测距信息集中处理并完成轨道面内各卫星的轨道信息更新.并...     

基于修正模型的天线指向误差统计特性分析

作为评估天线性能的重要指标之一,天线指向精度直接影响着天线的跟踪观测性能。为了适应任务需求,提高天线及星地链路分析精度,本文基于指向误差修正模型对模型各分量的影响因素含义进行了系统分析,并定量研究了各个分量对指向误差的影响。基于各模型参数的分布特性,提出了一种指向误差概率分布模型,进一步完善了天线指向误差分析计算方法,最后利用天线的典型参数分析计算了天线指向误差角近似满足修正瑞利分布下的特征,可为后续星地链路统计分析提供参考依据。     

中低轨道卫星星座间的激光链路

阐述在中低轨道卫星星座全球通讯网络中应用的激光星间链路与在中继星间应用的激光星间链路相比，所具有的明显的优势。同时给出了应用于小卫星上的小光学用户终端的基本组成，并指出了当前在中低轨道卫星星座激光星间链路研究中所应当进行的主要研究方面。     

用户星姿态对中继终端天线跟踪的影响

用户星姿态对中继终端天线跟踪的影响主要在两个方面：姿态角误差对指向误差的影响和姿态角、姿态角速度对指向角速度的影响。文章首先引入了欧拉轴／角的姿态表示方法，然后根据欧拉轴与指向向量间的位置关系求得了姿态角误差所引起的天线理论最大指向误差，在此基础上，不考虑最大值取值条件的情况下，进一步求得姿态角速度所引起的天线理论最大指向角速度；接着，以常用中继终端天线的安装位置为例，求出了天线指向角速度与用户星姿态角、姿态角速度的数学表达式，这样便于分析各种情况下用户星姿态对天线指向角速度的影响；最后，借助于STK仿真软件进行了仿真验证，[JP2]仿真结果验证了上述结论的正确性。结论表明：天线理论最大指向误差除了与姿态角误差有关外，还受滚动姿态角的影响；天线指向角速度同时由姿态角、姿态角速度和天线指向角度确定。[JP]     

基于单脉冲跟踪体制的V频段宽带角跟踪 接收机设计与验证

随着高通量通信卫星系统对星间数据传输速率需求的不断提高,星间链路的工作频段将由Ka频段逐渐向频率资源更加丰富的毫米波频段发展。为了满足星间链路对毫米波频段自动角跟踪系统的发展应用需求,给出了一种基于单通道单脉冲角跟踪技术的V频段宽带角跟踪接收机的设计方案。采用LTCC和MCM技术实现了V频段接收组件的集成一体化设计;采用基于IQ正交混频的跟踪调制器结合数字相位补偿的单通道单脉冲角误差信号处理技术完成了宽带输入信号的角误差信号解调。在产品研制基础上,搭建了V频段角跟踪接收机测试系统,测试结果表明该V频段宽带角跟踪接收机可以完成对-95dBm~-55dBm输入信号电平范围内多种宽带数据传输信号的角误差信号解调,角误差信号抖动优于±250mV;表征输入信号电平强弱的AGC遥测电压随输入信号电平的增大而单调递增,各项指标满足V频段星间链路建链需求,为我国后续将要发展的毫米波星间链路系统奠定了扎实的技术基础。     

耦合运动对星间激光链路瞄准过程影响及补偿方法研究

在星间激光链路的瞄准过程中,光通信终端与卫星平台的耦合运动是影响瞄准精度的重要因素。本文以耦合运动数学模型为基础,建立了仿真实验系统,并以铱星系统为例,对低轨卫星星间激光链路光束瞄准过程进行了仿真研究。理论分析和仿真结果表明,终端与平台耦合运动所产生的瞄准偏差大于0.9mrad,目标卫星可接收到的信标光功率将被衰减达-7.2dB以上,严重影响目标卫星对信标光的捕获。为确保星间激光链路的建立,提出了耦合运动补偿方法,并进行了相应的仿真实验。仿真结果表明,补偿控制方法使耦合运动产生的瞄准偏差小于2μrad,对信标光的衰减小于-1.7×10-5dB,衰减量可忽略不计。该结果对低轨卫星间激光组网技术的研究具有重要意义。     

捷联惯导系统的两种系统级标定方法研究

针对现有捷联惯导的标定方法标定误差大,且部分参数的可观测性较差的问题,本文根据观测量的不同设计两种系统级标定方案,在误差传播模型的基础上,重新推导建立捷联惯导系统的系统级标定模型,分别建立以“速度误差”为观测量的24维大系统标定模型和以“速度误差+姿态误差”为观测量的12维降维标定模型,并设计不同的标定路径。仿真结果表明,两种标定方案都有较高的标定精度,且优势互补,能在不同的标定环境下配合使用。     

Acquisition and tracking of laser beams in space communications

A general consideration of the problem of acquisition and tracking of laser beams is given for intersatellite communications. An optimum multi-step system for antenna acquisition and pointing is determined. For the acquisition and pointing stage an equivalent bit rate is introduced. Using this criteria, an approach is derived to compare the acquisition system to the optimum one as well as to the communication channel with regard to the required optical power. The laser tracking system has been also considered. The advantage of a tracking system with two integrators has been shown.     

星载激光通信终端在轨机动对温度影响

对激光通信终端在轨瞬态温度变化开展了仿真,以期研究在轨机动的影响、热分析和热试验时机动模式的简化模拟。通过合理地分析与简化,建立终端的轨道热分析模型,准确模拟在轨机动,根据典型机动模式、外热流和涂层退化等因素设计了计算工况,得出了终端在轨运行过程中的温度场随时间和姿态变化规律。结果表明：不同机动模式下的温度变化存在差异,最大可达23.0℃,采用固定姿态或一维转动的简化热分析或热试验不能准确模拟实际飞行温度,甚至不能部分替代二维转动热分析或热试验;光学天线和反射镜的温度控制是制约终端工作的瓶颈,为终端设计合适的避光机动策略,可大幅度提高温度稳定度和均匀度。研究结果可以为光机电设备在轨机动策略的设计和改进提供参考。     

密封舱内漂浮小球运动规律的数值模拟研究

"天宫二号"空间实验室开展了首次人机协同在轨维修技术试验,机械臂操作终端抓取漂浮小球试验为在轨试验任务之一。为研究漂浮小球与机械臂操作终端运动特性之间的匹配性,文章建立了在轨微重力环境下小球运动的物理模型与数学模型,采用动网格方法对不同小球的运动特性进行数值模拟,得到小球的运动规律,由此确定小球的设计参数范围,作为机械臂操作终端系统方案设计的依据。最终,数值模拟结果与"天宫二号"空间实验室在轨试验数据的对比初步验证了该计算结果的正确性。     

深度学习技术在空间激光通信中的应用

与射频通信相比，空间激光通信具有传输速率高、保密性能强、终端功耗低等优点，目前已成为当前通信领域的一个研究热点。同时，空间激光通信也面临着一些严峻的技术挑战，如大气湍流导致空间激光通信的信道情况十分复杂，复杂的信道会引发信号光强度起伏剧烈，信标光跟踪与瞄准困难，接收端的信号光场波前畸变严重等。为了提升空间激光通信在复杂信道环境中的性能，学者们将深度学习技术引入到空间激光通信系统中。多项研究表明，深度学习在空间激光通信的诸多方面表现出了优越的信息处理能力。对近年来深度学习技术在空间激光通信信号处理与检测，信标光捕获与跟踪以及波前畸变探测与校正等方面的应用做一全面梳理，并对用于空间激光通信的深度学习技术的前景进行展望。     

卫星波束标校信号码型对比分析

针对GEO轨道通信卫星同步定点后会出现周期性漂移,导致波束指向不确定的问题,本文对波束标校系统中的信号捕获进行了研究。由于标校信号捕获依赖于标校信号之间的正交性及其自相关特性,因此文中提出了标校系统中信号码型选择需要考虑的关键问题。特别是在天线存在指向误差时,Ka频段标校站接收信号功率最大差异可达近30 dB,这给标校信号码型设计和标校信号的捕获带来了困难,因此文中从码型的抗干扰性能、实现复杂度、能量估计精度和捕获特性等几个方面,分析和对比了m序列信号、Walsh信号、单频信号和Chirp信号（扫频信号）这4种码型各自的优点和缺点,并用MATLAB进行了仿真。结果表明：在抗干扰性能上,伪随机序列信号和Walsh信号最好,Chirp信号次之,单频信号最差;在复杂度方面,Chirp最复杂,伪随机序列和Walsh序列次之,单频方式最简单;在估计精度方面,三者的估计精度相当;在捕获性能方面,Walsh信号的捕获性能明显优于m序列,而且当两个标校站的接收信号功率之间存在较大差异时,Walsh信号的捕获性能明显优于m序列。因此标校系统可优先选择Walsh码作为标校信号。     

基于自适应带通滤波的航天器正弦扫频试验数据处理方法

为解决传统STFT(Short Time Fourier Transform)方法因非同步采样引起频谱泄漏,造成频域曲线幅值降低,产生较大误差的问题,提出一种基于频域带通滤波的数据处理方法,通过在频域逐次移动带通滤波器的中心频率,获得信号中各个频率分量幅值的最大值。利用该方法对某载人航天器搭载的力学参数测量系统在整器正弦振动试验中采集的数据进行频谱分析,结果表明,该方法可有效获取力学参数测量系统各测点的频率幅值曲线,减少传统STFT方法产生的能量泄漏的影响。研究成果也可用于不依赖振动控制仪或无COLA通道的数据采集系统正弦振动试验的数据处理。     

GEO移动通信卫星多波束天线指向测量与精度分析

讨论了地球静止轨道移动通信卫星多波束天线指向测量问题。基于比幅单脉冲原理,给出了天线指向测量的最大似然估计方法,并分析了该方法的测量精度和测量误差分布,指出测量误差的构成包括系统定标误差和估计误差,误差分布服从正态分布。仿真结果表明,当信噪比高于20dB时,测量精度随信噪比增大的改善变缓,此时精度主要取决于定标误差。当通道不确定性高于1dB（σ）时,测量精度受通道稳定性影响显著。     

基于遥测电流的太阳翼在轨振动参数辨识方法

针对传统太阳翼在轨振动特性测试需采用高精度星载设备或额外增设测量装置的问题,建立了太阳翼发电电流与太阳光线入射角之间、太阳翼在轨振动与太阳翼发电电流波动之间的关系。在此基础上提出了仅依靠遥测电流波动信息辨识太阳翼在轨振动固有频率和阻尼比的方法,即：首先通过傅里叶变换获取电流波动信号的幅频响应;结合模态分析结果辨识振动频率及对应阶次信息;通过滤波算法分解各阶次振动,逐一计算对应阻尼比。为验证本方法有效性及误差水平,构造了由多个单自由度衰减振动及随机信号叠加而成的模拟电流波动信号进行仿真分析,结果表明方法有效,误差可接受。在某卫星太阳翼在轨振动参数辨识上的应用实例也表明,本文所提出的方法满足工程应用需求。     

地基激光测距系统观测空间碎片进展

卫星激光测距作为地基光电望远镜系统重要技术应用,可直接精确测量空间碎片距离,提升碎片目标轨道监测精度。基于上海天文台60 cm口径激光测距望远镜,应用百赫兹重复率高功率激光器、高效率激光信号探测系统等,建立了空间碎片激光测距系统,实现了对距离500~2600 km、截面积0.3~20 m2的碎片目标观测,测距精度优于1 m,具备了碎片目标常规测量与应用能力。此外,开展了空间目标白天监视技术研究,实现了亮于6星等恒星的白天观测,并进行了望远镜局部指向误差模型分析,分析结果可应用于空间碎片白天激光观测的目标监视与引导。