中国空间站的微波星地时频比对技术及其初步试验验证和分析

高精度时频比对是现代科学技术的核心需求之一.然而,现有的技术受限于比对系统测量水平和链路系统误差处理算法,严重限制了时间比对性能的提升.针对这些问题,本研究搭建了基于中国空间站的高精度星地微波时频比对系统,并提出了一种基于双向测量的空间站-地面时频比对技术(三频模式),包括了对各项链路系统误差精细化建模新方法.通过对不同星地时频比对场景的仿真模拟发现,在配置高精度原子钟(10^(−15)~10^(−17))进行星地时频比对的场景下,经过本文算法优化后的比对长期性能仍可达与原本星地时钟相近的性能.利用中国空间站所搭载的氢钟与地面氢钟进行初步比对试验结果表明,在300 s可视弧段内的空间站-地面时间比对精度可达到10.77 ps,相应的ADEV(Allan DEViation)达到9.9921×10^(−14)@100 s,与仿真模拟结果大致吻合.本研究可为精密时频同步技术提供了新的理论依据和技术参考.

不同GPS/SINS超紧组合框架的分析与等价性推导

GPS和SINS的组合导航系统是实现连续、准确定位的有效方式之一,尤其二者的超紧组合导航方式,在解决GPS接收机的抗干扰和抗动态性能方面效果显著。分别针对基于GPS的I、Q信号层次数据融合的超紧组合结构和惯性信息辅助的超紧组合结构进行分析,在将惯性信息辅助结构演化为联邦形式的组合结构的基础上,对涉及其中的不同组合滤波的状态方程和量测方程深入研究。利用集成和联邦卡尔曼滤波器之间的关系,完成不同超紧框架的趋同等价性证明。仿真结果初步表明,相同初始条件下不同组合方法在定位精度方面具有一致性。

一种用于空间光学频率信号稳定度评估的微波双向测量系统

针对星地复杂环境下空间光学频率信号稳定度评估的需求,设计基于微波时频传递链路的双向时差测量系统.利用内置激光器对光学频率信号光纤传递链路进行相位漂移检测并补偿,控制光频信号传输时延;基于马赫-曾德尔干涉仪结构进行光学本振合成,提高射频信号质量;通过分时复用实现对通道载波多普勒频率牵引和相位跟踪,实现高精度测量.地面测试结果表明该系统可实现测量系统附加频率稳定度5.07×10^(-14)s/1 s,5.31×10^(-16)s/300 s,2.36×10^(-17)s/1×10^(4)s,7.46×10^(-18)s/8.64×10^(4)s.

应用PID思想的高动态GPS载波跟踪环路设计

传统的GPS载波跟踪环路对载体的高速运动敏感,难以适应动态环境下基带处理的要求,因此提出一种应用PID思想,融合频率误差微分控制项的环路优化设计方案。分析了载波跟踪环路锁相环的基本结构,将环路中对本地数控振荡器的控制近似为PI模型;根据锁相环的相位输出结果,提取频率误差量,作为增加的微分控制项的输入;适当选取模型参数,构建应用PID控制的GPS载波跟踪环路。仿真结果初步表明,改进方案的环路达到稳态时间比原始方案缩短了10 ms以上,在动态适应性方面显著优于传统跟踪环路。

引入微分控制思想的辅助GPS载波跟踪环路设计

载波信号跟踪环路制约着GPS接收机的工作性能,针对其易受高动态和弱信号等环境干扰的缺陷,提出一种引入微分控制思想、应用SINS辅助接收机载波跟踪环路的设计方法.剖析应用于载波跟踪的相位锁定环(PhaseLocked Loop,PLL),并将其近似为PI控制模型;在验证辅助信息引入时环路系统稳定的基础上,增加类微分控制项,利用SINS的输出和时钟误差信息估算的多普勒频率作为跟踪环路的中心频率,辅助PLL实现载波信号跟踪;仿真结果表明提出方法能够有效地缩短跟踪环路带宽,缓解热噪声和动态应力之间的矛盾,进而改善载波环路的频率响应和跟踪误差.

飞秒稳定度事件计时器设计及激光时间比对应用

事件计时器可实现输入事件时刻的高精度、高稳定测量,且工作频率不受测量间隔限制,是星地激光时间比对中不可或缺的设备.为满足飞速发展星载原子钟的评估要求,对星地激光时间比技术中激光发射、到达和返回时刻的测量提出亚飞秒稳定度和皮秒精度需求.采用FPGA配合计时芯片THS788开发了高精度事件计时器,测量精度约8 ps,非线性误差皮秒级,测量频率大于10 kHz;将基准时钟分频后作为校准信号,实现时延漂移的实时标校,时刻测量稳定性提升5倍以上.将该计时器应用在星地激光时间比对载荷,载荷测量稳定性(Time DEViation,TDEV)优于0.07 ps@300 s和0.84 ps@1 day.计时器达到国际主流产品A033-ET水平,既满足10-18量级准确度原子钟的时频传递需求,又可用于毫米级精度卫星激光测距,具有较好的推广应用价值.

基于FFT的高动态GPS信号捕获方法优化

针对高动态环境下的GPS接收机对信号捕获速度的要求,提出一种基于小波变换和优化快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)的信号捕获方法。在基带信号预处理阶段,对采样后的中频信号进行小波变换,利用逼近信号完成码相位和多普勒频移的估计,降低基带处理信号的数据率;综合基2FFT、基4FFT和素因子算法(prime factor algorithm,PFA)的优势,对捕获过程中的大量FFT运算进行优化处理,提高运算效率。仿真结果表明,改进处理的基于FFT捕获方法可以有效地缩短捕获时间,改善基带模块性能。

基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制

针对存在不确定的执行机构部分失效故障和未知外界扰动的航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模控制的容错控制方法。在没有故障检测与诊断信息的情况下,采用快速终端滑模控制原理,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统在执行机构故障发生时,能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间渐近稳定,以及对航天器的容错控制和干扰的抑制。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,该方法在保证系统鲁棒性和可靠性的同时,具有更快的收敛速率,实现执行机构故障时有效的航天器姿态跟踪控制。

一种基于3×3光纤耦合器的短距离光纤频率传递的噪声抑制方法

提出了一种噪声抑制方法,设计了基于3×3光纤耦合器迈克尔逊干涉仪的频率传递系统,使用嵌入式系统进行控制,通过调整光纤长度,实时补偿由温度变化等环境因素引起的时延变化,并进行了实验验证。启用时延补偿后,实验用的30 m长传输光纤在环境温度变化21℃条件下长度变化量小于±1μm,对应时间延迟变化量小于10 fs,所传输的光梳重频信号的频率稳定度没有明显变化。本文工作有望为空间条件下的光钟信号向比对设备的传输路径噪声抑制提供有效的解决方法。

GNSS射频前端的多频信号兼容采样

针对不同频段GNSS信号存在的频率冲突问题,提出一种射频前端多频信号的采样频率兼容算法。分析了GNSS接收机射频前端的结构体制,指出射频直接采样数字化结构有利于同一射频前端实现多频信号的接收。在此结构基础上,考虑到多频信号采样频率兼容,采样后信号不发生混叠,以及实际工作环境的要求,提出一种计算多频段GNSS信号兼容采样频率的处理方法。利用该方法对GPS的L1、L2C和E5a信号的兼容采样进行仿真,结果表明,涉及到长码的采样兼容时,较小的采样频率对接收机的系统设计是有利的。

基于自适应快速终端滑模的航天器容错控制

针对执行机构发生故障时的航天器姿态控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模的容错控制设计方法。该方法通过选择具有快速终端特性的滑模面,提高航天器容错控制的收敛速率,实现系统有限时间稳定;利用自适应控制方法在线调整控制器参数,消除对故障最小值信息的依赖。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,所提出的方法在保证系统鲁棒性和稳定性的同时,三轴姿态角和姿态角速度收敛时间可分别降低约54.5%和50%,实现快速有效的航天器容错控制。

应用ARMA模型的辅助载波多普勒精确估计

在GPS和捷联式惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,SINS)的超紧组合结构中,惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)和星历信息等估计得到的载波多普勒辅助值是影响跟踪环路性能的主要因素,因此提出一种应用自回归滑动平均(auto-regressive moving average,ARMA)模型对估计过程中存在的随机多普勒误差建模,精确估计载波多普勒方法。通过判定随机多普勒误差序列的平稳性,采用时间序列分析的方法建立数学模型;根据随机误差序列的自相关函数和偏相关函数特性,确定模型类型和阶数;利用Yule-Walker方法估计模型参数,得到符合该随机序列的数学模型。仿真结果表明,该模型具有很好的适用性,能准确拟合随机多普勒误差,为超紧组合系统中的辅助环路提供精确的载波估计。

布里渊光纤陀螺克尔效应误差消除方法

针对克尔效应对布里渊光纤陀螺输出结果的影响,建立了基于方波调制的布里渊光纤陀螺克尔效应理论模型。分析表明,由克尔效应引起的陀螺误差不仅与光纤环内两相反方向光束的光强差有关,还依赖于两路泵浦光频率调制的幅度。通过适当调节两光束的频率调制幅度,可有效实现克尔效应误差的消除。该方法实验装置简单,对调制频率要求低,是消除布里渊光纤陀螺克尔效应的有效方法。

基于离散小波的GPS中频信号噪声抑制方法

针对GPS接收机射频前端的中频信号在模数转换过程中存在的信号损失问题,提出一种应用离散小波抑制噪声干扰的处理方法。在研究ADC结构的基础上,分析采样误差、量化误差,以及孔径抖动等因素对中频信号信噪比的影响;根据中频信号中的有用信号和噪声在小波变换时表现出的不同特性,设计方法中采用离散二进制小波对采样后的中频信号进行小波分解,并选择适当的阈值处理方式进行重构。测试结果表明该方法可以提高接收机基带捕获的相关峰值,对载噪比在35～40dB/Hz的中频信号捕获时,检测概率提高3%左右。

高精度微波时频传递链路体制设计及关键技术

高精度时间频率的产生和超高精度时频信号的传递是现代物理学、天文学和计量科学的基础,中国空间站高精度时频科学实验系统已随“梦天舱”成功发射,标志着我国天地融合、立体交叉的国家时频系统建设迈出了关键一步。介绍了高精度时频科学实验系统项目的基本情况以及微波时频传递链路的研究进展,重点阐述了高精度时频系统微波传递链路的信号体制设计,基于提出的信号体制设计了同频+三频两种微波时频传递链路比对模式并给出了钟差比对模型,最后通过仿真及在轨实测数据分析表明设计的微波时频传递链路可实现亚皮秒级伪距测量精度。

行人过街的上下游信号交叉口协调控制方法研究

本文以长春市亚泰大街部分路段为例,提出了行人过街的上下游信号交叉口协调控制的设计方案。利用控制优化理论,对上下游交叉口进行信号配时参数优化,通过调节交叉口间的相位差来控制车流到达人行横道的时间,从而达到在人行横道前方安装"信号灯"的作用。通过这个"虚拟信号灯"减少人车的冲突,从而达到减少车辆延误,提高行人安全的作用。最后论文利用设计方案与现有状况对比,结果显示了该设计思想的可行性和实用性。

基于北斗导航系统的全球天基测控技术

结合航天测控网的发展规划,对全球天基测控问题及任务需求进行分析。根据北斗导航系统的组成和任务支持能力,剖析应用北斗导航系统支持全球天基测控的通信过程。基于北斗全球导航系统组成,设计三种星座支持的通信方案,并给出了基于北斗导航系统的全球测控任务规划和结论。

提高LAAS空间信号可用性的完好性监测新膨胀算法

局域增强系统(LAAS)地面主控站(LGF)广播的差分修正量所包含的非零均值高斯误差和非高斯误差对系统的可用性造成较大的威胁。为此,提出一种均值膨胀和非高斯膨胀相结合的算法以改进传统的sigma膨胀算法。通过恰当地选取各膨胀系数,采用改进算法可在满足各类型误差尾部覆盖的同时,还可有效提高系统的可用性水平。计算机仿真结果表明:与传统的sigma膨胀算法相比,在无卫星故障时,改进算法可将系统可用性水平提高至99.99%;在关键卫星发生故障时,改进算法的可用性增益可提高18.97%,同时可用性水平可提高至95.24%。