深空网干涉测量技术在“嫦娥3号”任务中应用分析

针对中国深空网DOR/ΔDOR测量技术在"嫦娥3号"测控任务中的首次应用情况,论述了深空网干涉测量系统采用的稀疏交替射电源标校技术。在地月转移、环月段开展了多次观测,所获得的时延、时延率观测量结果直接应用于"嫦娥3号"的轨道确定。通过与事后精密轨道比对分析,深空网干涉测量技术的时延观测量精度优于1ns,对应于约90nrad的角位置精度;时延率精度优于1ps/s,相当于亚mm/s量级测速(差)精度,中国深空网干涉测量技术有力支撑了"嫦娥3号"的测定轨任务。     

“嫦娥3号”月面探测器同波束干涉测量系统的设计与实现

为了提高"嫦娥3号"探测器(着陆器和巡视器)的相对定位精度,针对两器信标实际设置情况,设计了同波束干涉测量(same-beam interferometry,SBI)观测方案。利用着陆器和巡视器星地对接数据分析检验了由差分群时延解算含微小系统差的差分相时延的方法,给出了甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)和同波束干涉测量模型及月面定位方法,并仿真分析了巡视器的相对定位精度。最终,把研究的方法实际应用于"嫦娥3号"巡视器的精密相对定位。结果表明,利用1h左右的连续观测弧段的着陆器数传信号以及巡视器数传信号(或遥测信号),采用事后处理方式,得到了随机误差约1ps的差分相时延数据。利用此数据,把"嫦娥3号"探测器的相对定位精度提高至1m左右。     

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。     

基于通用测控信号的多频点同波束干涉测量

提出利用两个深空航天器的通用测控信号进行多频点同波束干涉测量,实现两航天器的高精度相对测量。对差分相位时延进行理论推导,提出了一种针对两航天器测控信号主载波存在频差情况下的差分时延观测量误差的模型修正方法,并对月球轨道上两航天器间同波束干涉测量地面跟踪测量条件进行了分析。仿真结果表明,利用两航天器的通用测控信号进行多频点同波束干涉测量,经误差模型修正后获取了误差小于皮秒量级的差分相位时延,能为深空航天器间相对导航定位提供高精度的观测量信息。     

深空测控网干涉测量系统在“鹊桥”任务中的应用分析

在"嫦娥4号"任务的第一阶段—"鹊桥"阶段,北京航天飞行控制中心利用佳木斯及喀什深空站对"鹊桥"进行了干涉测量观测,获取了实时与事后的高精度测角观测量,有效支持了任务的实施。两深空站需同时完成测控任务,无法交替射电源观测来进行系统差标校,基于此系统采用了长时间隔、在航天器观测前及双站结束后观测射电源的标校方法,在地月转移段、月球至L2转移段、Halo轨道形成段开展了多次干涉测量观测,所获得的时延、时延率结果直接应用于事后联合轨道确定,结果表明:深空网的时延观测精度约为3 ns。     

面向"CE-3号"软着陆过程的深空网干涉测量技术

针对"CE-3号"探测器软着陆过程中弹道位置测定的问题,利用中国深空网干涉测量测轨数据,论述并验证了应用深空网干涉测量技术支持探月卫星软着陆过程中弹道位置测定的可行性。针对提取同一时刻观测量的两个核心技术,论述了自适应模型重构算法以及干涉相位解模糊算法,克服了软着陆过程航天器机动不确定性恶化轨道预报精度,进而引起相关引导模型失效的问题;利用跟踪过程中目标干涉相位连续特性递推实现干涉相位解模糊。实测数据的处理分析表明,深空网干涉测量数据处理分析精度在0.3ns量级,对应于约30nrad的角位置精度。     

一种基于基准优选的双目视觉位置解算方法

针对近距离空间非合作目标相对位姿测量任务需求,基于双目视觉原理建立了特征点位置测量模型与误差分析模型,分析了特征点位置解算奇异及奇异点附近位置解算误差过大的问题,提出了一种采用异面光轴配置和基准优选策略的双目视觉特征点位置解算方法。该方法通过错角安装相机光轴防止特征点在两个相机基准下进行位置解算时同时发生奇异,针对不同基准在测量域内误差分布的差异,建立了基准优选策略和相应的面向特定测量域的基准优选指标确定方法,从而获得了高精度测量结果。仿真结果表明,采用所提出的方法解决了特征点位置解算奇异问题,提高了测量域内特征点位置测量精度。     

基于同波束干涉测量的航天器姿态测量研究

基于地基同波束干涉测量,建立了航天器姿态测量数学模型及方程,给出了姿态解算方法,并对方程可解性与解算精度因子进行了分析。通过模拟在轨航天器轨道运行,进行了基于同波束干涉测量的航天器姿态解算数值仿真和误差分析,对解算误差和观测俯仰角的关系进行了分析和验证。结果表明,利用3个地面测站针对航天器上3个下行天线信号开展同波束干涉测量,辅以精度因子约束进行姿态解算,可以获得有效的航天器姿态信息,其精度最高可达0.001°。该方法可以作为在轨航天器姿态测量的备份手段。     

深空测控新技术研究进展

测控系统是航天工程不可或缺的重要组成部分,其导航通信能力在深空探测任务中尤为重要。深空探测任务远距离、长延迟、弱信号、易中断条件下高精度导航测量和高速可靠数据传输始终是深空测控技术需要重点解决的问题。围绕这些问题重点介绍了在天线组阵、再生伪码测距、连接端站干涉测量、相位参考干涉测量和容延迟网络等一系列新技术方面开展的研究工作和部分成果,可以看到,这些成果的应用将丰富深空测控技术手段,在未来更复杂、更遥远的深空探测任务中将会发挥重要作用。     

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。     

“嫦娥4号”中继星使命轨道段定轨计算与分析

"嫦娥4号"中继星是"嫦娥4号"探测器实现月球背面着陆与巡视的关键,目前正稳定运行在地-月L2点使命轨道上,该使命轨道为平均周期约14天的南族Halo轨道。因任务的需要,中继星本体系+Z轴需调整指向,处于正对太阳和非正对太阳两种状态。太阳光压在中继星+Z轴对日的情况下会加速卫星的角动量累积,增加卫星卸载喷气频次。基于中继星使命轨道段测控支持条件,采用重叠弧段法对两种状态下的中继星定轨精度进行分析与评估。结果表明,在中继星+Z轴非对日运行状态下,重叠弧段位置误差为1.6 km,速度误差为8 mm/s;在中继星+Z轴对日运行状态下,重叠弧段位置误差为0.6 km,速度误差为3 mm/s,这对中继星的长期运行具有重要参考价值。     

利用星地差分GPS的地基测控系统实时标校方法

针对地基测控系统传统标校方法和基于差分GPS事后标校方法的不足,提出了一种基于低轨卫星与地面测控站之间星地差分GPS的地基测控系统测量误差实时标校方法。与基于差分GPS的事后标校相比,实时标校能使地基测控系统及时获取标校后的测量数据,从而实时进行轨道解算和预报,并及时上注以提升卫星运行性能。针对星地长基线、高动态和实时标校场景,系统地分析了影响星地基线估计性能的各项误差及修正效果,并提出相对位置精度因子的概念,由此得到星地基线估计精度预算。采用基于抗差自适应卡尔曼滤波的实时星地基线估计算法,并利用加权最小二乘法求解测控系统测量误差,从而获得校准结果。利用星载双频GPS接收机和导航信号模拟器构建半实物仿真平台,仿真结果表明,实时标校后测距系统误差残差降低到40cm左右,测速系统误差残差降低到1cm/s以下,与理论分析结果一致,可以较好地满足未来航天任务的测控需求。     

异地天线组阵站间时延差修正技术研究与验证

异地天线组阵可综合利用现有的天线设施,充分发挥设施资源的综合效能,对于我国未来深空探测任务的测控通信支持,提高测控通信距离,具有特殊的应用前景。介绍了异地天线组阵特点,并对异地天线组阵中关键的站间时延差修正技术进行研究,利用"嫦娥3号"下行数据开展技术试验验证,不仅获得了喀什、青岛、北京、三亚四站间的精确时延差结果,完成四站信号的基带合成和符号流合成,而且优化了软件相关器参数;该技术同时应用到欧空局"金星快车"微弱信号的基带合成处理中,为后续深空探测信号合成的工程化应用奠定了良好基础。     

月球轨道交会对接航天器相对状态误差分析

为分析同波束干涉测量这一高精度相对测角技术对月球交会对接两个航天器的相对位置、速度(状态)影响,文章根据协方差分析理论及各测量量的模型,推导测量量关于相对状态量的信息矩阵,建立了相对状态误差协方差模型;结合月球轨道交会对接仿真轨道,开展测量误差对两个航天器的相对状态误差影响协方差分析。结果表明,在当前测量误差条件下,相对位置、速度误差分别达到米级和厘米每秒级。在分析相对状态误差影响因子的基础上,重点对同波束干涉测量差分相时延整周模糊误差及时延率误差对相对状态影响进行了分析,结果表明整周模糊度误差对相对位置误差影响显著,时延率误差对相对速度误差影响显著。     

近月空间带电粒子环境——“嫦娥1号”“嫦娥2号”观测结果

“嫦娥1号”（CE-1）、“嫦娥2号”（CE-2）都安装了1台太阳高能粒子探测器（High-energetic ParticlesDetectors,HPD）和2台太阳风离子探测器（Solar Wind Ion Detectors,SWIDs）,进行了月球轨道200 km和100 km空间环境探测,获得了月球轨道空间高能带电粒子（质子、电子和重离子）能谱随时间的演化特征、等离子体与月球相互作用特征以及太阳风离子速度、密度和温度参量。空间环境探测数据分析结果表明：太阳活动低年、空间环境扰动水平相对较低、月球处于太阳风中时,近月空间带电粒子环境的基本特征与行星际空间相比变化不大。CE-1、CE-2在轨运行期间,发现了多起0.1～2 MeV能量电子急剧增加事件,这些事件发生在月球从太阳风运动到磁尾的所有空间区域,其中20%的事件伴随着卫星周围等离子体离子加速。模拟和统计研究表明：能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降导致了离子加速现象的发生;能量电子总流量大于10¹¹ cm^-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负的上千伏。此外,月表溅射与反射太阳风离子、太阳风“拾起”离子等空间环境事件的发现,揭示了太阳风离子和月球存在复杂的相互作用过程。     

“嫦娥4号”自主运行任务的设计与实现

从自主运行需求获取、自主运行策略设计、自主运行任务实现3个方面对"嫦娥4号"自主运行任务进行研究。通过在轨飞行验证,"嫦娥4号"自主运行任务的实现除了完善自我诊断及重构能力,还增强了对未知风险的应对能力,增加核心设备的自主管理能力,保证关键事件完成的可靠性与精准性。不仅总结了重要的工程经验而且为未来深空自主运行任务的设计实现提供了直接而有力的技术支持。     

基于地月合影图像的“嫦娥5T”指向校正算法

以"嫦娥5T"地月合影图像作为基本数据,提出一种基于信息融合的相机指向校正方法。首先利用形态分析从合影图像中提取天体的形心坐标,然后构建目标函数,通过优化算法估计相机的安装误差矩阵。该方法的典型优势是只需要利用单个相机对天体所成的单幅图像,便可快速确定相机指向。仿真数据和实测数据得到相机指向误差估计值的偏差保持在1%度量级,证明了算法的有效性。算法可以为实际工程任务和应用提供参考。     

中国探月工程

"嫦娥4号"于2019年1月3日成功实现人类航天器首次在月球背面软着陆,"玉兔2号"月球车率先在月背刻上了中国足迹。至今,国际月球探测活动共实施126次,期间出现两个探月高潮。20世纪50—70年代,美苏两个航天大国之间的竞争引起第一轮探月高潮。20世纪末至今,各航天国家意识到月球探测的战略意义,纷纷提出月球探测计划并积极实施,月球成为各国争先探测的热点,掀起第二轮探月热潮。中国自2004年首次绕月探测工程立项实施以来,共开展了"嫦娥1号""嫦娥2号""嫦娥3号""嫦娥4号"及再入返回飞行试验共5次月球探测任务,实现"五战五捷",在空间技术、空间科学与应用、国际合作等方面取得了非凡成就,积累了丰富的经验,后续将继续开展以无人月球科研站为主的月球探测活动。     

“龙江2号”月球轨道微卫星定轨分析

微纳卫星深空探测任务中,通常所分配的测控资源有限,因此有必要对有限测控资源条件下微纳卫星的定轨精度进行分析。以微纳卫星深空探测为背景,采用"龙江2号"微卫星的轨道测量数据对其定轨精度进行了分析。"龙江2号"微卫星只有USB轨道测量数据,且环月段测控资源相对紧张,每天有两站跟踪,共约3～4 h的轨道测量数据。首先介绍了"龙江2号"微卫星飞行任务及其飞行过程中影响测定轨的因素;其次给出了定轨的动力学模型,对微卫星地月转移段的定轨精度进行了分析;最后通过分析摄动力、动量轮卸载以及数据弧段长度的影响,给出了微卫星环月阶段所使用的定轨策略,并通过重叠弧段比较的模式,给出了微卫星环月段的定轨精度。研究结论可以为后续微纳卫星深空探测任务提供有益参考。