CCSDS建议在深空通信导航中的应用研究

结合深空通信导航技术的发展趋势,通过分析CCSDS(空间数据系统咨询委员会)的研究领域、应用CCS-DS建议的空间任务,梳理出与深空通信导航相关的CCSDS建议。详细论述了深空任务中射频与调制、带宽频率调制、再生伪码测距以及相对差分单向测距等技术体制的CCSDS建议内容。并重点分析了CCSDS建议对我国深空测控网建设的影响,提出了我国深空测控设备符合CCSDS标准的技术要求。     

NASA深空网（DSN）的现状及发展趋势

详细介绍了美国深空网的发展过程、目前的状况以及未来的主要发展计划。     

JPL深空通信和导航丛书

美国NASA所属深空网的科研管理单位——喷气推进实验室（JPL），总结其40多年的深空测通信技术研究经验，于2003年出版了深空通信和导航系列丛书，目前已出版5部了，该丛书由各领域有多年经验的科学家和工程师撰写，系统深空测控通信的基本原理.     

深空网通信技术的发展

深空网(DSN)是由国家航空航天局(NASA)空间操作办公室(OSO)资助的,它为NASA的深空任务、月球及远地轨道任务提供通信和导航支持。深空网的设施在不断发展,其设备也用于行星探测、无线电科学以及射电天文学。在过去的30年中,深空网的通信和导航性能提高了许多个数量级。其接收灵敏度和无线电测量的数据精度接近目前可达到的最高水平,并可根据任务需要、技术发展以及资源用途进行改进。尽管一直在进行技术革新,但为了满足各种任务的要求,其操作不但要做到高度可靠,而且.还要具有通用性。 为了提高未来深空网的能力,正在积极开发先进技术。这些先进技术将在深空网中实施,将会为在通信和导航能力与航天器的质量和功率之间进行折衷提供更大的自由度。目前正在开发的主要领域有Ka波段(32GHz)技术、波束波导天线、低噪声放大器、编码、导航技术、大功率发射机以及光学技术。 本文介绍了目前正为深空网开发的技术及其在90年代中期和以后可能发挥的效益。     

深空导航无线电干涉测量技术的发展历程和展望

结合世界各航天大国和组织所开展的深空探测活动和深空测控系统建设中,对无线电干涉测量技术的开发、应用以及深空导航技术试验验证情况,系统地梳理和总结了深空导航无线电干涉测量技术的发展历程,并通过该技术未来在国际上几个主要深空探测任务中的应用规划,分析了无线电干涉测量领域未来的发展方向.该领域技术的最新发展对我国深空测控网无线电干涉测量系统的后续建设也具有重要的借鉴意义.     

深空探测自主导航技术综述

由于深空探测任务具有飞行时间长、距离远、环境复杂多变的特点,基于地面深空网的导航方法存在通信时延大、传输效率低以及天体遮挡等问题。自主导航技术可以使探测器具备自主执行部分或全部导航功能的能力,大大减轻了探测器对地面站的依赖程度,已成为深空探测领域的重点研究内容。从国内外深空探测任务的实际工程需求出发,首先概述了天文导航、惯性基组合导航以及星间测量导航方法的基本原理,其次介绍了三种自主导航方法的国内外发展现状,并重点分析了三种自主导航方法的关键技术,最后对未来深空探测自主导航技术发展给出了若干建议。     

我国深空探测地面站发射机的发展及展望

随着深空探测任务的发展,对地面站发射机输出功率有了越来越高的要求.在讨论了测控系统地面站发射机的国内外发展现状和应用趋势的基础上,重点分析了未来我国发射机的主要发展方向和趋势,并对其中的关键技术进行了详细描述;提出了我国未来发展深空探测地面站发射机应该开展关键技术、关键元器件或零部件的研究工作,以及一些技术发展方向性的理论研究的建议,为我国深空探测技术的发展提供了参考.     

地基深空网发射机现状及未来发展

我国未来深空探测工程的发展对地基深空站发射机提出了更高的要求,不仅仅需要具有更高的输出功率,同时需要解决发射机高频谱纯度、高效率以及上行功率合成等。针对这些要求,对国内外地基深空网的组成和深空站高功率发射机现状以及未来发展趋势进行了研究,分析了速调管发射机与固态发射机在高功率输出条件下的优势,在此基础上,提出了我国深空站速调管发射机需要开展高功率连续波速调管、高功率低损耗滤波器、低纹波高功率开关电源、上行功率合成等关键技术,并为相应关键技术提供了理论建议及相应的解决方法,这可以为我国未来深空探测工程高功率发射机研制提供技术支撑,为后续地基深空网建设和发展提供参考。     

深空探测器自主技术发展现状与趋势

深空探测器距离地球远、所处环境复杂、苛刻,利用地面测控站进行深空探测器的遥测和遥控已经很难满足探测器控制的实时性和安全性要求。深空探测器自主技术即通过在探测器上构建一个智能自主管理软件系统,自主地进行工程任务与科学任务的规划调度、命令执行、星上状态的监测与故障时的系统重构,完成无人参与情况下的探测器长时间自主安全运行,自主技术已经逐渐成为深空探测领域未来发展的一项关键技术。本文首先分析了传统测控模式对深空探测的约束,回顾了深空探测器自主技术发展的现状,分析了实现深空探测器自主运行的关键技术,包括在轨自主管理系统设计技术、自主任务规划技术、自主导航与控制技术、自主故障处理技术和自主科学任务操作技术。然后结合深空探测工程实施和技术发展需求,提出未来深空探测器自主技术发展的趋势和重点。     

我国深空探测领域防热材料的进展与需求

我国深空探测任务的不断发展对航天器的防热技术提出了更高的要求,而先进的防热材料是防热技术发展的重要支撑。本文主要针对月球探测返回任务和火星探测任务,重点介绍了我国在防热材料领域所取得的研究进展,并对未来以火星与小天体探测返回、火星大气制动、以及近日探测为代表的深空探测任务中防热材料的发展和需求进行了展望。     

美国深空网的无线电跟踪测量新技术

本文介绍了美国航空航天局所属深空网(DSN)在无线电跟踪测量方面已采用的新技术的应用情况,探讨了这些技术对于我国发展深空导航技术的实际意义。     

深空网伪码测距技术研究

介绍了NASA深空网所采用的伪码测距的基本原理,讨论了深空航天器应答机相干转发或再生所采用伪码序列的两种形式,对再生测距系统中的具体序列产生和相关、以及用中国剩余定理解算距离的实现方法和技术途径进行了分析,并计算分析了测距精度、捕获时间等系统关键指标,以对我国深空网的建设提供技术理论参考.     

Highly accurate, noncoherent technique for spacecraft Dopplertracking

A two-way, noncoherent spacecraft navigation technique has been developed to provide velocity accuracy comparable to that available from a deep space coherent transponder (0.1 mm/s). The technique is compatible with the normal tracking procedures of the Deep Space Network (DSN) ground stations and does not require the use of a highly stable oscillator on-board the spacecraft. The measurement technique, potential error sources, and test results obtained with prototype hardware are described     

国内外深空探测器精密定轨软件研究综述及WUDOGS简介

深空探测器精密定轨软件系统的研制在深空探测活动中是一个非常重要的环节,一直受到各大航天机构的重视。针对国内外深空探测器精密定轨软件平台的研究现状,重点介绍了具有代表性的美国JPL(Jet Propulsion Laboratory,喷气推进实验室)的DPTRAJ/ODP(Double Precision TRAJectory program/Orbit Determination Program,双精度轨道程序/定轨程序)和MONTE(Mission analysis,Operations,and Navigation Toolkit Environment,任务分析、操作和导航工具箱环境),GSFC(Goddard Space Flight Center,戈达德航天飞行中心)的GEODYN-II以及法国CNES(Centre National dEtudes Spatiales,国家空间研究中心)的GINS(Géodésie par Intégrations Numériques Simultanées,同步数值积分大地测量)软件系统,对这些软件的结构与功能进行了总结。之后对武汉大学自主研制的深空探测器精密定轨软件系统WUDOGS(Wuhan University Deep space Orbit determination and Gravity recovery System,武汉大学深空探测器精密定轨与重力场解算软件系统)的主要模块与功能进行了介绍,通过与GEODYN-II的交叉对比验证,表明:对于探测器的轨道预报,WUDOGS与GEODYN-II的1个月位置差异小于0.3mm,2d位置差值小于5×10~(-3) mm;双程测距、双程测速的理论计算值和GEODYN-II的差值RMS(Root Mean Square,均方根)分别在0.06mm,0.002mm/s的水平;WUDOGS目前已初步具备了月球和火星探测器精密定轨能力。最后对WUDOGS的下一步发展方向进行了展望。     

CCSDS空间网络互联协议发展及启示

空间互联网将是由各种区域网构成的复杂异构网络,为了使其能够逐步实现自动化运行,网络效益得到最大程度的发挥,须做好网络互联的顶层规划与设计,并开发具体的标准技术.根据近年CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems,空间数据系统咨询委员会)发布的建议书,以及相关工作组的项目规划情况,介绍了SSI(Solar System Internetwork,太阳系互联网)体系结构、IPoC(IP over CCSDS space links,在CCSDS空间链路之上承载IP),以及DTN(Delay Tolerant Networking,容延迟网络)等标准项目.从CCSDS空间网络互联技术的发展历程不难得出结论:我国未来空间网络互联应注重区域网之间互联的顶层设计;区域网内部各子网之间的互联技术应选择以航天任务需求牵引为主;DTN将在区域网之间互联以及区域网从简单到复杂发展中都发挥重要作用.     

CCSDS空间包在MOIMS领域中的应用

为了适应未来航天任务的发展,构建以服务为导向的、开放的、可重用的航天器任务操作系统,分析了CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems,空间数据系统咨询委员会)中MOIMS (Mission Operations and Information Management System,任务操作及信息管理系统)领域的任务操作服务框架的原理、层次结构及优点,对任务操作相关的通用服务、功能服务、COM(Common Object Model,通用对象模型)及MAL(Message Abstraction Layer,消息抽象层)对服务的抽象化描述方法进行了研究.MAL向任务操作相关的服务提供了通用的服务模型框架,所有服务均可用MAL消息格式进行规范化的描述,在此基础上建立了MAL消息格式与CCSDS空间包的映射关系,从而以CCSDS空间包为信息栽体实现了航天器与地面系统间的任务操作通信,可以作为以服务为导向的任务操作系统实际工程应用的参考.     

月地及月地以远测控通信与若干关键技术发展趋势

通过研究国内外主要测控通信技术现状与发展动态,梳理出了目前我国在月地及月地以远距离测控通信技术遇到的挑战:面临测量精度尚不能满足科学探测更高的要求,数据传输能力难以满足更高的数据传输速率需求,关键器件自主可控较为薄弱,激光通信高精度快速捕获手段单一,以及星载终端设计与关键技术在轨验证较少等。针对这些问题,提出了对天线组阵、激光测控通信技术、Ka波段及毫米波低温接收机、超导纳米线单光子探测器、深空光学跟瞄系统、窄线宽激光光源的产生技术、光通信调制技术和高功率低噪声放大器的迫切需求,并介绍了国外最新的用于深空测控通信的新概念与前沿技术,即一体化微波/光学混合通信系统与微波光子射频信号稳相传输技术。最后,结合我国现状,讨论了我国测控通信重点发展方向及其关键技术的建议,可供构建月地及月地以远测控通信系统参考。     

载人月球探测深空站布局体系

针对载人月球探测,在我国现有深空测控资源的基础上,结合其他航天组织,如NASA (National Aeronautics and Space Administration,美国国家航空航天局)、ESA(European Space Agency,欧空局)等分布在全球的深空测控资源,提出了全球深空站布局体系.该体系包括我国深空站在内的8个地面站,大体形成“南四北四,均匀分布”的格局.并以美国“重返月球”计划深空站布局为参照,对比分析了布局体系的测控覆盖、三向测量和干涉测量共视弧段,讨论了布局干涉测量不同观测站三角的测角精度,可以为后续载人月球探测任务提供支持和参考.     

深空探测用热防护材料的现状及发展方向

综述了热防护材料的发展历史,重点介绍了深空探测用烧蚀防热材料体系,并通过Pioneer Venus、

Galileo、Stardust 等探测任务的热防护系统(TPS)选材方案分析,对未来深空探测TPS 材料进行技术需求分析。

     

空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。