MESSENGER Mission Design and Navigation

Nearly three decades after the Mariner 10 spacecraft’s third and final targeted Mercury flyby, the 3 August 2004 launch of the MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging) spacecraft began a new phase of exploration of the closest planet to our Sun. In order to ensure that the spacecraft had sufficient time for pre-launch testing, the NASA Discovery Program mission to orbit Mercury experienced launch delays that required utilization of the most complex of three possible mission profiles in 2004. During the 7.6-year mission, the spacecraft’s trajectory will include six planetary flybys (including three of Mercury between January 2008 and September 2009), dozens of trajectory-correction maneuvers (TCMs), and a year in orbit around Mercury. Members of the mission design and navigation teams optimize the spacecraft’s trajectory, specify TCM requirements, and predict and reconstruct the spacecraft’s orbit. These primary mission design and navigation responsibilities are closely coordinated with spacecraft design limitations, operational constraints, availability of ground-based tracking stations, and science objectives. A few days after the spacecraft enters Mercury orbit in mid-March 2011, the orbit will have an 80° inclination relative to Mercury’s equator, a 200-km minimum altitude over 60°N latitude, and a 12-hour period. In order to accommodate science goals that require long durations during Mercury orbit without trajectory adjustments, pairs of orbit-correction maneuvers are scheduled every 88 days (once per Mercury year).     

基于UWB/SINS组合的行人导航研究

在特殊环境下全球定位系统(GPS)信号强度被严重削弱,此时基于GPS技术的导航设备将受到严重影响。针对不依赖GPS的行人导航定位需求,提出了一种基于微机电捷联惯导系统(SINS)与超宽带(UWB)定位系统相结合的行人导航方法。该系统由捷联惯导系统与超宽带定位系统组成,行人导航算法在传统的捷联算法的基础上引入了零速修正技术用于检测零速时刻,并使用阈值法剔除了超宽带错误信息,通过联邦Kalman滤波融合了零速、位置和航向信息,并对系统速度、位置、航向进行了校正。行人导航实验表明,该方法能够提升系统定位精度,并进一步加强系统的稳定性与可靠性。     

基于双谱相位算法的无人机图像定位研究

由于传统的定位方法都有不同程度的缺陷,如GPS导航或者捷联惯导,所以借助图像匹配技术实现无人机导航定位具有重要研究意义。双谱中只提取相位信息,形成基于相位谱的算法,能很好地抑制不均匀的光照度变化等。首先以对数-极坐标方式进行相位谱的采样处理,然后由相位相关算法获取尺寸和旋转校正值。校正之后,再由相位相关算法进行2幅图像之间的平移配准。仿真结果验证了该算法不仅有很高的配准精度,而且有很强的稳健性。     

基于中介轴承润滑效率的流道结构参数反向预测

为了满足航空发动机中介轴承润滑系统设计需求,即在给出特定轴承润滑效率的前提下,获得与之匹配的合理的轴承润滑流道结构参数,提出了考虑各结构参数取值约束条件的轴承润滑效率——流道结构参数反向预测分析方法。根据轴承润滑效率神经网络模型,构造反映结构参数与润滑效率拟合关系的润滑效率函数;以润滑效率函数值与给定润滑效率误差最小为优化目标,通过考虑各结构参数取值范围的优化分析,获得满足给定润滑效率(误差最小)的流道结构参数。相较于目前已有分析方法,所提出的反向预测分析方法预测精度提高了439%,平均计算时长缩短了175 min,且能同时实现多个参数的预测,为中介轴承润滑系统设计提供了一种思路。     

超燃冲压发动机性能参数测量不确定度分析

以AIAA(AIAA S-071A-1999)推荐的不确定度评估标准,借鉴国内外在风洞试验、航空发动机性能测量、火箭发动机地面试验性能等不确定度分析方面开展的研究工作,建立了符合统计学一般原理的超燃冲压发动机总体性能参数测量不确定度分析和计算方法,开展了超燃冲压发动机总体性能参数测量不确定度进行了分析。结果表明:超燃冲压发动机自由射流试验中系统误差引入的不确定度占主导地位,占总不确定度的90%以上。该研究结果有利于提高超燃冲压发动机总体性能测量精度,为超燃冲压发动机的科学研究和工程设计提供支撑。     

基于高轨航天器的GNSS接收机技术

全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS）应用于高轨航天器时,因轨道高于导航卫星,可见星数量急剧减少,空间信号功率微弱,信号的快速捕获和跟踪十分困难。文章对高轨地球同步轨道（GeosynchronousEarthOrbit,GEO）接收技术进行了研究。以中国实践十七号卫星为研究对象,采用官方正式发布的发射天线方向图对GEO下GNSS信号特征及可用性开展研究分析,并针对高轨道航天器GNSS信号微弱的特点,采用长时间积分处理的梳状滤波方法、差分相干累加比特同步算法和基于动力学模型补偿的扩展卡尔曼滤波自主定轨算法设计GNSS接收机,并在半物理仿真平台进行了测试验证。试验结果表明：GNSS接收机捕获灵敏度优于-173dBW,跟踪灵敏度优于-175dBW,定轨位置精度优于50m,速度精度优于0.01m/s。     

星间链路新型信号体制设计

从信息理论基础和通信技术源头开展创新,将高频谱效率的扩展二进制相移键控调制波形、极大提升解调前信噪比的数字冲击滤波器、自适应锁相解调方法和进一步提升解调性能的波形参数匹配技术有机融为一种全新而独特的高效通用调制解调体制,并结合导航星座星间链路的要求进行仿真。结果表明其特定信噪比下单位带宽可传输的信息速率bit/s/Hz/SNR（Signal Noise Ratio）综合指标显著超过现有对比技术,且码率、带宽和信噪比可与空间环境自适应。     

导航星座自主导航的守时算法研究

导航星座自主导航是提高卫星导航系统生存能力的一个重要方面,而实现导航星座自主导航的前提在于自主守时,星上综合原子时的计算则是自主守时的关键技术之一。本文分别研究了星上综合原子时计算的传统加权平均算法与卡尔曼滤波算法,并分别做了仿真实验,结果表明,通过合理设置,两种方法均可保持60d内自主守时25ns。     

卫星定位误差椭球的几何特征研究

在卫星导航定位的误差分析中,准确估计定位误差椭球的几何特征有利于更好的描述定位精度,为估算定位精度参数提供依据。本文研究卫星定位中误差椭球的轴方向、轴长和轴比。通过分析精度衰减(Dilution of Precision, DOP)矩阵的特征向量和特征值,分离其中的三维定位部分和与钟差有关部分,构建了定位误差椭球的理论模型,并给出误差椭球轴方向、轴长和轴比的计算公式。结合GPS星座,在全球范围内选取8个有代表性的地点对该模型开展仿真分析,表明该理论模型可以准确的描述定位误差椭球的几何特征,误差椭球的轴方向、轴长和轴比与模型给出的理论值非常符合。同时,利用8个地点中2个地点附近的IGS测站秒级实测数据进行定位解算,对定位误差椭球进行了分析,结果表明测站误差椭球诸参数的理论值与实测结果基本一致。     

全球卫星导航系统兼容性分析方法研究

根据全球卫星导航系统信号捕获、载波跟踪和数据解调的原理,优化了等效载波功率与噪声密度比模型。针对有多普勒频率时的情况,提出了C/A码自干扰时的捕获-频谱隔离系数。结果显示,随着多普勒频率的变化,频谱隔离系数有着明显的变化。通过对仿真结果的分析,验证了模型的有效性,也为后续卫星导航信号的优化设计提供了支持。