室外大气折射率结构常数实时测量研究

与传统的射频链路相比,自由空间光通信FSOC（Free Space Optical Communication）系统是对现有无线通信技术的有力补充,为了抑制大气湍流对信号光束带来的相位噪声和强度波动,有必要对通信信道状况进行实时监测。首先介绍了基于光斑质心漂移的大气折射率结构常数测量方法,利用大口径接收靶面和窄带滤光片,结合实时图像处理算法,实现了大气折射率结构常数的全天候实时监测。将大气折射率结构常数和光强闪烁指数进行了比较分析,测量结果表明它们的包络之间具有很好的线性关系,进一步验证了实时测量系统的可靠性。     

抗大气湍流近红外计算鬼成像

为解决大气湍流造成成像质量严重下降的问题,提出一种抗大气湍流近红外计算鬼成像方法。计算鬼成像利用调制光场和物光总光强进行强度关联来获取图像信息,调制光场是决定成像质量的一个关键。利用湍流随时间和空间变化,将其作为计算鬼成像中的随机调制光场,通过功率谱反演法模拟强、中、弱三种大气湍流引起的相位扰动影响,并加载到光传播链路中完成抗大气湍流近红外鬼成像仿真分析。利用近红外相机作为探测器搭建计算鬼成像实验系统,并进行外场实验对提出的方法进行实验验证。仿真和实验结果表明,仿真三种不同强度湍流情况和外场条件下均能重构出目标物体的像,仿真图像信噪比分别为19.4 dB、24.2 dB和64.58 dB,表明了计算关联成像在近红外波段抗大气湍流的有效性。该方法结构简单,易于实现,可为近红外抗大气湍流探测提供一种技术途径。     

轨道分子屏极高真空实验室设计技术研究

给出了一种新型的近地轨道极高真空分子屏实验室设计。作者计算了可变翼分子屏周围大气分子的入射及散射、分子屏材料放气在屏内的分子数流密度。通过调整分子屏的翼角,分子屏内的压力可以达到10-12Pa。计算结果指出:在近地轨道选择合适的分子屏参数,可以在极高真空环境下加工超纯材料。     

M湍流信道下副载波BPSK调制系统的误码率分析

将FSO激光通信应用于遥测系统已成为技术发展趋势。讨论FSO激光通信中BPSK调制的误码率问题,提出一个复合信道模型。该模型考虑了大气衰减、M大气湍流模型和非零瞄准指向误差的共同影响,并利用Weibull分布拟合得到一个近似模型。基于这个近似信道模型,利用广义Gauss-Lagueree展开式,推导出误码率闭合表达式,并分析FSO激光通信副载波BPSK调制系统的误码率性能。数值仿真结果表明,推导的误码率理论值与仿真值十分接近。该研究有助于未来将激光通信应用于遥测系统的设计。     

星地激光通信链路中的极化码性能研究

在星地激光通信链路中，激光在大气信道中传输时容易受湍流作用，导致信号功率衰落。考虑到极化码在短码下的优良性能和较低的实现复杂度，将其应用于星地激光通信系统中来对抗大气湍流引起的信号衰落。基于对湍流信道的分析，搭建了星地激光通信系统仿真平台，并在其中引入了极化码。实验结果表明在中等湍流和强湍流下，极化码分别降低了13%和25%的通信中断概率，极大地改善了星地激光通信系统的性能。     

空-地激光通信链路地面站选址大气信道传输因素研究

对影响空-地激光通信链路地面站选址的大气信道传输因素进行了理论及数值模拟分析、研究。研究表明：(1)大气信道对不同波长激光传输的影响程度不同；(2)能见度越好，大气衰减效应对激光传输的影响越小；(3)激光传输在海拔较高的大气分层中受到的衰减比海拔低的层段小；(4)0．53μm、0．8μm、1．06μm波段激光传输受气溶胶衰减的影响比分子吸收和散射更严重；(5)大气湍流效应会降低直接探测系统的信噪比，恶化传输光束的空间相干性，降低相干探测系统的信噪比。结合部分我国气象统计分析资料及地理分布特点，建议我国空-地激光通信链路地面站选址可多考虑大气衰减及湍流效应影响相对较弱的高海拔、少雾、多晴的西部乡村地区。     

大气折射对光学卫星图像定位影响分析

研究了大气折射对光学卫星图像定位的影响。基于水平均匀球面分层模型,建立了定位误差与视线偏离角的关系,以SCIATRAN模型大气垂直廓线作为输入,计算了大气顶到目标大气各层的折射率,仿真模拟了不同卫星高度和不同位置目标的定位误差,以及光线波长、目标高度、折射率日变化等对定位误差的影响,研究结果可用于光学遥感卫星的图像定位与配准技术设计。     

基于神经网络的大气湍流退化图像的快速仿真

大气湍流的随机扰动会对大气中传输的光场性质产生影响,导致远距离的目标经过大气湍流传输后出现图像退化和畸变。研究大气湍流的建模,对图像退化进行仿真模拟是矫正湍流引起的图像畸变、改善成像质量的关键,为此文章提出了一种快速实现仿真大气湍流所引起的图像畸变的方法,通过使用Zernike多项式表示大气湍流的相位,利用Zernike系数之间的相关性求解Zernike系数,搭建神经网络,实现了快速求解湍流的点扩散函数;依据图像退化的过程将清晰无失真图像模拟成受大气湍流影响的退化图像;同时,根据不同参数生成不同效果的湍流图像,分析大气湍流对成像的影响,并对斜程大气湍流传输对成像的影响进行了分析和讨论。此外,文章还将模拟图像与实际湍流图像进行了定量对比,两者的结构相似性（SSIM）和均方误差（MSE）指标数值仅差0.32%和0.92%,表明模拟图像与实际湍流图像具有较好的一致性,验证了文章所提方法在可见光波段应用的可行性。     

近地航天器受照角系数的矢量计算法

本文提供了一种近地航天器受照角系数的计算方法。在一定的假设条件下,近地航天器空间外热流的计算,可归结为计算三个辐射角系数。太阳直接辐照角系数、地球红外辐射角系数和地球反照的太阳辐射角系数。计算公式是采用矢量分析和坐标变换的方法推导出来的,并且用航天器的轨道和姿态参数来表示,这些参数可以是已知的或由测量获得。本文提出的方法,不仅可以用于变轨和不变轨的近地航天器的空间外热流的实时计算,而且也可以用于近地空间目标的红外辐射特性的预测。     

空间激光通信系统中的信道纠错编码技术

由于空间激光通信系统的信道状态和链路捕获跟踪的不确定性,多种形式的信道纠错编码技术正被广泛发展研究。结合空间激光通信链路中误码性能的主要影响因素,分别选择合适的编码方案进行分析。通过仿真实验可知,对于在大气结构参数为1.5×10~(-14) m~(-2/3)、风速为20 m/s的空地激光链路的环境下,在系统数据速率为2 Gbit/s、要求误码率为10~(-6)时,LDPC码结合交织码相对未编码系统有3 dB的等效编码增益,LT码相对未编码系统有3.8 dB的等效编码增益。提供了一种能快速生成、扩展和校验的编码和交织实现方法,以抵抗大气湍流的快速变化对系统性能产生的影响。     

光敏推进剂激光烧蚀过程建模与仿真

相较于传统大卫星,微小卫星具有结构紧凑、质量轻便和成本低廉的特点。然而,受功率和质量负载的限制,微小卫星一般不装备推进系统,其航线也局限于近地轨道。为扩展微小卫星的功能,满足日益复杂的任务需求,需给其配备合适的微推进系统。固体推进系统具有结构简单、寿命长、可靠性高的优点,但无法重复启动。为得到可重复启动的固体微推进系统,设计了一种非自持燃烧的光敏推进剂,采用激光控制其燃烧。在背压为大气压的环境下,利用高速摄像机拍摄燃烧过程并记录燃速。之后,对光敏推进剂的激光烧蚀过程进行建模。分析结果表明:激光可控制光敏推进剂的燃烧,燃速与激光强度成线性关系;该光敏推进剂的最小激光点火强度为0.28 W/mm~2;燃速计算值与实测值的误差在10%以内,证明该数学模型具备工程应用价值。     

基于空间交会的天基反卫作战方案

对位于高地球轨道天基平台攻击低地球轨道目标的方案进行了研究,讨论了高轨作战平台的攻击范围。采用完全推力法实现远程空间交会。为消除异面霍曼变轨方法等待时间过长的缺点,提出了两种主动调相方法。研究表明：用该法可实现天基武器由高轨至低轨的空间转移交会,引入主动调相轨道可明显缩短交会所需时间。     

地球同步轨道SAR曲线轨迹模型和成像算法研究

由于地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)轨道高度高,地球自转对其影响较为严重,其相对地球的运动变得更为复杂,低轨SAR中的直线轨迹模型已不能精确逼近其真实成像几何,基于该模型推导的成像算法也不再适用。针对这一问题,本文首先根据GEO SAR平台的运动特点,使用高阶逼近模型建立了适用于GEO SAR长合成孔径时间的斜距方程,并结合级数反演法,推导出该斜距方程下的二维频谱高阶近似表达式。在此基础上提出了一种二维频域成像算法并分析了其运算量。该算法所有操作都由快速傅里叶变换和相位点乘完成,具有较高的效率。点目标仿真结果表明本文斜距方程精度较高,该算法能实现GEO SAR全孔径高精度成像。     

Analysis of the effect of various disturbing factors on high-precision forecasts of spacecraft orbits

The necessity of taking many force components disturbing spacecraft (SC) orbits into account is demonstrated for the example of forecasts of GLONASS ephemerides. The disturbances of SCs in high-earth orbits (HEO) and low-earth orbits (LEO) are systematized, and the degree of their effect on SC motion is estimated. Disturbance models are developed that provide essential increases of the accuracy of one-day forecasts of GLONASS and GPS ephemerides. Modeling results are presented that allow, depending on the required accuracy of SC orbit forecasts, the determination of the necessary list of disturbances included in the model.     

圆形太阳同步轨道卫星的空间热环境分析

近年来得到广泛应用的微小型卫星大多运行于圆形的太阳同步轨道,空间外热流的计算对卫星热控制系统的设计至关重要。分析了圆形太阳同步近地轨道受太阳照射的特性,建立了运行于圆形太阳同步轨道的三轴稳定的长方体卫星的外热流模型,归纳了太阳辐射热流、地球反照热流和地球辐射热流的瞬时和周期平均值的计算公式,分析了外热流的变化规律。分析指出太阳同步轨道的受晒特性主要由轨道的降交点地方时决定,外热流中太阳辐射最强,地球反照最弱。通过计算卫星各表面的外热流特性,可选择合适的散热面及太阳能电池安装面。     

Scintillation model of laser beam propagation in satellite-to-ground bidirectional atmospheric channels

This paper discusses a scintillation model of laser beam propagation in satellite-to-ground bidirectional atmospheric channels. The frequency characteristics of the downlink were theoretically derived on the basis of measurements in low Earth orbit satellite-to-ground laser communication experiments. The speckle patterns were averaged and the frequency response of the received optical signal was filtered by a telescope aperture. The model parameters were obtained by fitting the results to the model. This paper introduces scaling factors for the uplink and extends the theory for the downlink to that for the uplink. The proposed model can generate time-varying optical signals based on the von Kármán spectrum for space-to-ground laser links. The scintillation index was estimated using the modified Hufnagel–Valley model, which was obtained from real measurements. The probability density function was fitted by the estimated scintillation index and compared to the gamma–gamma distribution under strong turbulence conditions. The scaling factor for the root mean square wind speed was newly introduced to fit the frequency spectra for the uplink. The simulation results are presented in this paper. The proposed scintillation model can contribute to improving the fading simulation of satellite-to-ground communication links as well as add to the future discussion of standards, like those proposed by the Consultative Committee for Space Data Systems.