深空微波测距测速现状及发展建议

研究了国外深空测控无线电测距和测速的最新进展,包括欧洲空间局（European Space Agency,ESA）和美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）的深空测控系统测量精度提升计划。结合总体单位的X频段试验测试数据,分析了目前我国深空测控系统无线电测距测速现状,从测量设备层面以及空间传输等方面,包括目前深空站采用的超窄带锁相环以及提高到500 kHz的测距主音等措施,对测距测速的误差源进行了分析,探讨了测距和测速精度提升的主要制约因素。结合我国深空测控系统发展规划,给出了后续深空测控无线电测量的发展建议,结合相关课题研究成果,重点分析了多频链路和实时标校技术的可行性及具体效果。     

基于修正瑞利分布的S/Ka双频天线捕获概率分析

为了满足星地链路间海量数据的传输需求，数据传输频段已由传统的X频段扩展到Ka频段。Ka频段卫星目标具有窄波束、高动态等特性，对地面接收系统的捕获跟踪性能提出了更高要求。针对Ka频段的不同工作模式，对捕获过程中天线跟踪精度、电轴一致性及搜索捕获范围等影响因素进行了分析，提出了一种近似为修正瑞利分布的捕获概率模型。仿真分析了不同影响因素对目标捕获的敏感性，总结了Ka频段捕获概率的性质。最后对某设备实际跟踪情况进行了验证分析，为有效提高Ka频段捕获跟踪能力提供了分析依据。     

一种基于信号合成的无线电干涉测量方法

针对后续深空探测任务更高测量精度需求,文章提出了一种基于信号合成的无线电干涉测量方案,并对方案性能进行了理论分析;结合目前主流信号合成算法,提出了一种基于相位补偿的Sumple算法,该算法不仅合成效率高,且合成信号与参考信号具有相同的相位特性,这是天线组阵技术应用于无线电干涉测量的前提;利用相控阵天线试验数据和DOR信号仿真数据对合成方案和合成算法进行了验证,结果表明信号合成处理可以提高无线电干涉测量时延估计精度,这在深空探测任务中具有重要意义。     

大气湍流对深空天线组阵相位影响分析

深空测控网采用大规模天线组阵系统比单个大天线具有一定优势,构建一个Ka频段的天线组阵系统无论对于星际测控通信还是天文观测都是一种经济、可持续扩展的技术方案。然而天线组阵系统工作于Ka频段时,由于天线间相位的快速起伏漂移将使得合成信噪比迅速恶化,尤其对于深空测控上行链路信号的相位监测和闭环控制带来巨大挑战,所以对天线间大气相位扰动测量和数值模拟非常必要。参考国外相关的干涉测量数据,首先分析了天线组阵大气相位扰动测量和统计分析方法;然后利用微波大气湍流模型,建立了天线组阵相位漂移抖动模型;对大气湍流引起的相位延迟扰动过程进行了仿真实现。利用模型产生的天线组阵相位抖动数值,可以测试和评估天线组阵信号合成处理系统的适用性。     

Ka频段低轨遥感卫星可变编码调制应用效能研究

分辨率的不断提高对低轨遥感卫星的星地数据传输能力提升提出了迫切需求,导致X频段星地数传通道压力急剧增加,而Ka频段可用带宽是X频段的4倍,理论上可大幅提升传输能力。当前低轨遥感卫星的星地数据传输通常采用固定编码调制（CCM）和可变编码调制（VCM）,均未利用地面站仰角增大时大气衰减减小所带来的信道条件改善,对链路资源造成浪费。针对此问题,对指定地面站和链路可用度,综合考虑自由空间损耗和大气衰减随接收仰角增加而同时减小的特性,提出基于DVB S2标准的Ka频段星上VCM系统实现方案,给出传输效能评估标准,并对降雨特性不同的喀什站、北京站、三亚站CCM,VCM的Ka频段传输效能进行了对比仿真分析,以寻找出适合不同站点的星地数传方案。仿真结果表明：干旱少雨的喀什站更适合采用CCM,且链路可用度高达99.82%;雨量中等的北京站可根据用户使用需求灵活选择CCM或VCM;而降雨丰富的三亚站更适合采用VCM,不仅可将传输效能提升8.37%,还可将链路可用度提升11.23%。     

基于CE-3的无线电测月研究

CE-3号探测器于2013年12月14日成功着陆于月表虹湾区,在预期1年的生存期内,着陆器能够相干转发下行X波段信号。基于这些信号,地面测控天线以及VLBI(very long baseline interferometry,甚长基线干涉测量)天线能够进行距离、速度、载波相位、VLBI时延以及时延率的测量。传统的激光测月技术只能提供距离测量信息,无线电测月技术能够同时提供更丰富的观测量类型,有可能获取优于激光测月技术的科学成果。为了分析LRM(lunar radio measurement,无线电测月)可能的贡献,MEKAS(Moon Earth kinematical analysis software)软件用于支撑无线电测月的数据分析处理,其能够模拟全部观测量类型,具备协方差分析以及CE-3着陆器定位、测站坐标解算等功能。模拟分析表明无线电测月技术在地月球科学方面具有广阔的应用前景。     

基于移动站的转发式地面站设备时延标校方法

在转发式卫星测定轨系统中,基于伪码测距原理的星地距离测量是实现卫星精密定轨和高精度时间比对的基础。为获得高精度的星地距离,需要将地面站设备时延从伪码测距值中精确扣除。在转发式卫星测轨原理的基础上,提出了基于移动站的转发式地面站设备时延标校方法,实现了对转发式地面站设备时延的标校,标校精度能够优于0.5ns,对提高转发式卫星定轨精度和卫星双向时间比对精度具有重要作用。     

捷联式天线平台的稳定性研究

将Rudin提出的红外成像捷联稳定模型用于天线平台的稳定,并应用不变性原理,采取匹配滤波方法,提高了稳定平台的解耦精度.具体仿真结果表明:在0.5 Hz~1.0 Hz频段解耦精度提高了35 dB.同时,在考虑传感器测量噪声的情况下,对天线平台的稳定误差进行了仿真分析,结果显示,传感器测量噪声对稳定误差有较大的影响,但通过滤波稳定误差可减小50%左右.      

星间相位干涉仪测角系统设计及精度分析

针对微小卫星编队飞行、星间组网等多星协同任务中的相对测角问题,提出了一种高精度的星间无线电测角系统。该系统的优势是在伪码测距系统的基础上增加两条相同的接收通道,对载波相位值采用相位干涉法得到高精度的星间相对角度值,可以在不增加额外软硬件开销的情况下完成实时性较好的高精度星间相对状态自主测量。从该系统的设计出发,对相位干涉仪测角系统进行了详细的精度分析,推导了链路中各个噪声源的传递函数和理论噪声水平,并搭建实物平台对角度测量精度的理论值和实测值进行比较。结果表明系统对本振相位噪声有抑制作用,热噪声是角度测量的最大噪声源,系统实际测角精度在强信号下可达1.4×10^-3度。     

双向时间同步系统的设备时延校准技术研究

设备时延校准误差是卫星导航系统中伪码测距实现双向时间同步的重要误差因素,其精确校准是实现时间同步的关键技术。针对设备时延问题展开研究,提出了一种物理含义清晰、易于测量的设备时延的新定义。设计实现了一种双向时间同步系统的设备时延校准方案,基于时间同步站硬件平台验证了设备时延校准的有效性,试验结果表明时延校准的精度与准确度达到了亚纳秒量级。     

基于脉冲调制的卫星射频测试系统变频链路群延时参数校准

群延时参数是变频链路的关键指标之一,本文主要研究卫星射频测试系统变频链路群延时参数校准方法。卫星射频测试系统是卫星地面测试设备的重要组成部分,其变频链路的群延时特性对卫星测距功能测试及信号的传输质量具有重要意义;从群延时定义出发,讨论了群延时的测试原理和方法,提出并实现基于软件无线电技术的调制法测量群延时,该方法特别适用于内本振无法接入的变频系统群时延的精确测量;详细说明调制法的基本原理并研建校准装置。实验表明调制法测量群延时具有较高的精度。     

一种基于探测器下行信号融合处理的无线电干涉测量方法

针对深空探测器常用下行信号体制,结合无线电干涉测量特点,提出了一种基于探测器DOR信标信号和数传信号融合处理的干涉测量方法。该方法首先通过相关处理得到DOR信号和数传信号的差分相位,利用DOR信号进行带宽综合得到时延估计,并构建时延模型;然后,利用时延模型得到DOR信号与数传信号在数传载波处的相位差,并以此对数传信号差分相位进行补偿;最后,利用DOR信号差分相位和补偿后的数传信号差分相位进行带宽综合,实现高精度干涉测量。深空探测网数据处理结果表明融合处理后时延估计随机误差明显降低;但受介质时延误差影响,融合处理对系统时延精度的改善幅度有所减小。该方法仅通过改进干涉测量数据处理方法即实现了时延估计随机误差的改善,不仅提高了信号使用效率,而且增强了航天测控系统的鲁棒性,在应急测控背景下具有特殊意义。     

利用X射线源实现航天器相对定位

利用X 射线源实现航天器相对定位, 突破了X 射线脉冲星绝对定位中需要选取具有稳定周期脉冲星的限制, 通过周期脉冲信号及非周期时变信号互相关时差测量仿真试算, 得出信号变化幅度是影响时延测量精度的重要因素. 在分析测距和星历误差对相对定位精度影响的基础上, 利用脉冲星数据库中提供的脉冲星参数, 对同时观测3~6 颗脉冲星的相对定位精度进行了试算.      

环火星测量数据处理及精密轨道确定

为支持我国首次火星探测任务取得圆满成功,宇航动力学国家重点实验室将全自主开发的精密定轨平台系统,应用于环火星轨道确定中。为满足多对象、多弧段、多中心天体的定轨需求,平台系统设计了卫星结构、测站结构、观测结构和天体结构4大基础结构,并在4大基础结构之上,设计了灵活的弧段结构和估计结构。为验证平台系统是否具备环火星定轨能力,平台系统首先使用2020年上半年跟踪火星快车实验的数据对测量模型进行了检核,得到了理论测距和实测测距偏差（11m~21m）;其次,使用2009年实测双程测速和三程测速数据定轨,单独使用双程测速定轨,轨道与欧空局精密星历位置偏差最大不超过100m,测速残差的均方根（Root Mean Square, RMS）为0.0137(cm/s)。使用三程测速定轨,位置偏差不超过250m,三程测速RMS为0.0119（cm/s）;最后,使用两天三站测距仿真进行了自定轨验证,初轨和随机差都基本收敛回仿真初值。结果显示,宇航动力学国家重点实验室精密定轨系统能够满足我国首次火星探测任务的基本需求。     

双站跟踪模式下“嫦娥4号”中继星定轨仿真分析

位于地月平动点的探测器因为较差的观测几何,需要地基USB/UXB与天文VLBI长时间的联合跟踪数据获取稳定精确的轨道。提出了利用中国深空网双站共视跟踪平动点探测器,获取双程、三程测距及VLBI测量数据,解算探测器精确轨道的模式。以"鹊桥"卫星为分析对象,首先评估中国深空网对"鹊桥"的跟踪能力。然后分析不同观测组合模式下的定轨计算精度。结果表明:双站共视约束下,深空站每天对"鹊桥"跟踪弧长大于5 h;使用长于6 h的双站跟踪数据进行定轨,系统差的解算更有利于轨道精度提升;跟踪时长超过2天时,必须在轨道解算的同时估计光压系数,并有望实现优于百米的轨道精度。     

大容量高精度自动车辆定位系统数据链路设计

目前自动车辆定位系统存在容量少,报警碰撞和精度低等缺陷.因此,对自动车辆定位系统和时隙ALOHA(SALOHA)的特点进行了分析研究,提出了广播预约ALOHA(BRALOHA)这一新的数据链路设计方法,即基站广播差分信息,子站预约传输位置等信息和平滑接收机噪声等.其集中控制策略,吞吐量负载性能以及时延吞吐量性能表明,它适宜于设计大容量高精度自动车辆定位系统.     

GPS授时校频方法研究与试验结果

为了解决多目标综合测量系统各测站之间时间同步和频率校准问题,提出了利用GPS(Global Positioning System)单星或多星共视方法进行站间时间同步与校频,给出了这两种方法的计算公式,分析了星历误差、星钟误差、电离层折射误差、对流层折射误差、多径效应和接收机硬件延迟对时间同步精度的影响.为了验证GPS授时校频精度,进行了相关试验.通过与铯原子钟比对,表明利用GPS可实现纳秒级时间同步,校频精度也优于5.0×10-11,多星共视具有更高的同步校频精度.      

一种基于自适应滤波的GPS滚转角估计方法

全球定位系统（GPS）测姿技术主要是利用GPS载波相位和信号功率2种方法,但是测量信息单一且独立,针对旋转载体的测姿问题,提出一种基于自适应滤波的GPS滚转角估计方法,通过融合GPS接收机天线信号功率和多普勒频率信息测量载体滚转角和滚转角速度。利用当前统计模型对滚转角和滚转角速度测量进行系统建模,根据滚转角预测估计值选取量测量,并提出自适应滤波,采用滚转角加速度估计自适应滤波算法,实现了对系统噪声方差阵的自适应调整,避免了滚转角加速度最值的选取问题,降低了噪声的影响。通过仿真验证了基于自适应滤波的GPS滚转角估计方法的可行性,结果表明该方法的测量精度高于无迹卡尔曼滤波（UKF）。      

一种应用于实时深空干涉测量的电离层时延修正方法

针对"嫦娥4号"中继星任务S频段信标信号的高精度实时干涉测量需求,结合深空测控干涉测量系统采用的稀疏标校工作模式,研究验证了一种面向测控模式实时干涉测量的电离层时延修正方法。首先分析了电磁波经电离层传播的延迟机理及特性;基于深空站历史观测数据,通过自相关函数分析验证了天顶向TEC的周日特性;在此基础上,结合深空干涉测量中心数据处理设备软件系统,讨论了电离层时延修正方法;通过任务期间的实测数据处理分析,验证了所提方法可以将实时测量精度提升1～3 ns,对低仰角跟踪弧段,该技术方法优势更为明显。该方法为后续深入推进深空测控干涉测量系统在任务中的实时应用提供了技术储备。     

USB观测数据时标偏差影响分析与评估

USB系统是目前中国载人航天和月球探测任务的主要测控网.由于USB测量设备本身以及无线电信号传播媒介以及其他误差因素的影响,USB测量数据中包含了各种误差,需要在定轨时对观测数据进行误差修正.通常,例行的USB测量误差修正包括对流层折射修正、电离层延迟修正和通道延迟修正,但对定轨过程中可能影响观测数据计算精度的时标偏差并未作修正.针对USB测距测速观测数据,详细研究了观测数据时标偏差对观测值计算精度的影响,分析了误差影响特性,建立了相应的误差修正模型,并通过与卫星星历偏差对USB测距测速观测值计算精度影响特征的比较,发现时标偏差对测量的影响与轨道沿迹误差对观测计算值的影响等效,这使得在定轨过程中分离时标偏差的难度较大.提出了基于星载GPS定位数据分离时标偏差的方法,并利用某次任务的实测数据,分离出了该次任务中USB测量的时标偏差.最后针对目前USB数据时标偏差影响和观测误差量级相当的情况,建议将目前的观测时标精度提高到优于0.1ms的水平,使得时标偏差的影响降低到比观测误差小一个量级的水平.