导航星座自主时间基准的相对论效应

从相对论框架下导航星座自主时间基准定义及其生成原理出发,对其实现要素进行了相对论分析及改正,包括卫星原子钟和星间链路测量量相对论效应,并以GPS、BDS为例计算说明。得出以下结论:1)卫星钟相对论常值由地面频率调整实现预修正,周期累积钟差则根据卫星星历实现实时计算和改正;在此基础上,2)星间链路伪距测量相对论效应主要是星间信号传播相对论效应,对中高轨卫星其最大影响为cm量级;3)星间链路多普勒测量相对论效应则是由卫星钟周期项频率变化引起,对小偏心率中高轨卫星而言,其对星间径向相对速度最大影响量在1 cm/s左右。分析结果有助于提高导航星座自主时间基准的准确度,并对深空测量和天基时间基准研究具有一定参考意义。     

星座时频测量技术研究

在卫星导航定位、天基无源定位等航天器系统构建中,需要星座具有统一的时间频率 系统,即卫星间实现时间与频率同步。在分析系统对星间时间与频率同步需求的基础上 ,提出了在星间建立双向单程测距链路,利用伪码测量获取的星间伪距、载波测相获取的星 间伪距变化率联合处理出时差、频差的算法,克服了一般双向比对方法中需要不断调整星间 时差的不足,工程实现星间时差测量标准不确定度可优于1 ns,星间基准频差测量标准不确 定度可优于1×10 -11 。
     

基于激光干涉星间测距原理的下一代月球卫星重力测量计划需求论证

月球卫星重力测量是21世纪国际开展深空探测的发展趋势和追逐热点。月球重力场的精密测量是国际探月计划的重要组成部分,它决定着月球探测器的轨道优化设计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取。本文首先介绍未来国际GRAIL（Gravity Recovery and Interior Laboratory）月球重力场探测双星计划的总体概述、关键载荷以及科学目标和研究方向。其次,重点阐述月球卫星观测模式可行性论证、月球卫星关键载荷的优化选取、卫星轨道参数的优化设计、仿真模拟研究的先期开展等我国将来月球卫星重力测量计划的实施建议。第一,由于高低/低低卫星跟踪卫星结合多普勒和甚长基线干涉系统观测模式（SST-HL/LL-Doppler-VLBI）对中长波月球重力场的探测精度较高,技术要求相对较低,月球重力场测定速度快、代价低和效益高,可借鉴地球重力卫星GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）系统的成功经验,对定轨精度的要求较低,而且可有效探测远月面区域的月球重力场信号,因此我国将来首期月球卫星重力测量计划采用SST-HL/LL-Doppler-VLBI观测模式较优。第二,我国应先期开展高精度的月球重力卫星关键载荷（激光干涉星间测距仪、非保守力补偿系统等）和地面Doppler\|VLBI系统的研制工作。第三,月球卫星轨道高度（50~100 km）和星间距离（100±50 km）的优化设计是成功实施将来我国月球卫星重力测量计划的重要保证。第四,建议我国将仿真技术应用于月球重力卫星的方案论证、系统设计、部件研制、产品检验、实际应用、故障分析等研制和运行的全过程。本文的研究不仅对我国将来首期月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考价值,同时对未来国际太阳系行星重力探测的发展方向具有广泛的指导意义。
     

一种星间测距与时间同步的地面验证方法

针对编队飞行卫星星间通信测距时间同步地面验证困难的问题,文章提出了一套系统的地面验证方法,包括有线测试和无线测试,能够系统充分地验证星间通信测距时间同步的静态和动态功能性能,适用于采用双向单程伪距原理进行测距的主从式多星星间测试。有线测试中通过信道模拟器和可调衰减器模拟星间远距离,可验证待测系统的静态性能,微波暗室无线测试、车载无线测试模拟星间相对运动,可验证待测系统的动态性能。龙江卫星的星间通信测距单机采用本地面试验方法进行验证,结果表明：提出的地面验证方法简单易行、误差可控,可用于组网卫星间的通信测距时间同步功能和性能验证,可为编队卫星星间通信测距时间同步功能和性能的地面验证提供参考。     

样本量对空间碎片测距精度的影响

日益增多的空间碎片严重威胁着在轨航天器的运行安全,对空间碎片的监督与防御逐渐引起了关注。高重复率激光测距技术为空间碎片测量提供了有效手段。激光脉冲的高重复率意味着大样本量。而在满足精度要求下,对样本量需求的研究较少。本文基于高重复率取样,研究了样本量对测距精度的影响,并得到了满足精度要求的最小样本量。首先,将空间碎片的轨道根数作为先验信息对测量数据进行预处理。通过多项式拟合和迭代获得有效样本点,逐渐减少样本量,绘制精度随样本量的变化曲线。从精度曲线变化阈值中可以获得最小样本量,可以此选取激光测距系统激光发射重复频率。对一些空间碎片的测距实验结果表明,有效样本量可以获得30%—60%的降低。     

基于射频的导航卫星星间链路信息传输与仿真研究

星间链路是导航卫星实现精密定轨和自主导航的关键技术之一。导航卫星通过星间链路完成伪距测量和数据交换,维持系统稳定运行的时空基准,保证系统持续提供精准导航服务。根据全球导航卫星系统的建设情况和发展趋势,首先介绍星间观测和信息传输频段,并从天线特征、多址控制方式和网络拓扑结构等角度分析了射频链路的工作体制。最后,针对实际导航卫星星座,应用OPNET平台建立导航信息传输仿真模型,通过分析信息传输效率,验证了基于射频链路导航信息传输的可行性和有效性,对全球导航卫星系统的星间链路研究具有一定的参考价值。     

激光测距通信一体化技术研究及深空应用探索

概述了空间激光测距通信一体化技术的研究现状,提出了一种激光精密测距与高速通信一体化技术,基于双向单程测距原理,在BPSK外差相干激光通信的基础上,采用码元相位测量实现了激光测距与通信一体化设计,并完成了地面实验验证。实验结果表明：在通信码速率1 Gbit/s的情况下,其测距精度优于0.9 mm,并分析了参考时钟频差对测距精度的影响。最后对激光测距通信一体化技术在未来深空探测中的应用进行了探索研究。     

编队卫星空间状态与星间基线的建模与分析

针对编队卫星任务中起重要作用的星间基线指标,在考虑精度需求的基础上对用于确定星间基线的空间状态量进行了选择,建立了空间状态量与星间基线的关联数学模型,提供了误差分析方法,仿真给出了一定场景设置下的精度影响因子等指标以定量刻画二者之间的误差传播关系。基线长度仅与编队卫星的相对空间状态有关,而基线姿态角还与主星的绝对姿态有关;且由卫星空间状态得到星间基线的过程中误差放大。     

航空制孔机器人末端垂直度智能调节方法

针对飞机蒙皮的机器人制孔中铆接孔的垂直度问题,提出了一种曲面法线测量的新方法,然后对钻头的姿态进行调整,保证钻头沿钻孔点的法线方向钻孔.该方法首先利用3个激光测距传感器测量出钻孔点周围3个特征点的坐标,然后求出已知的钻孔点处的切向量,通过叉积原理计算出钻孔点的法向量及其与钻头中心轴线的夹角,并将它们反馈到控制系统,最后控制系统利用定角度的二元角度调节法调节钻头的角度使其与钻孔点的法线重合.在航空制孔机器人平台上的实验及结果证明了这种钻头垂直度调节的高精度和高效性.     

基于谐波传动的星间链路天线驱动机构设计研究

星间链路天线驱动机构(GDA)具有长寿命、大驱动力矩、高精度指向和适应复杂空间环境的任务要求.谐波传动具有减速比大、承载能力大、传动精度高等优点,在航天、航空等多个领域广泛应用.分析了主要设计约束,比较了三种双轴构型的优缺点,给出了基于谐波传动的GDA单轴驱动器的结构框图,对电机、谐波减速器、测角传感器的选择以及机电热接口的设计要点进行了分析,论述了紧凑而轻量化的结构布局、长寿命润滑、高精度指向等关键技术,介绍了长寿命和高精度捕获跟踪性能的验证试验方案.