中国深空探测网干涉测量系统性能分析

中国深空探测网(CDSN)干涉测量系统目前由佳木斯深空站(JM01)、喀什深空站(KS01)、纳米比亚深空天线(NB01)和南美深空站(NM01)及北京相关处理中心组成,系统最长基线达到12000km。首先以嫦娥三号着陆器、嫦娥四号中继星和火星为目标,分析CDSN干涉测量系统的覆盖性。结果表明在统计时段内,NB01和NM01的建成将系统单站观测弧段及干涉测量观测弧段均提高一倍以上,显著增强了系统的定轨支持能力。然后利用嫦娥三号着陆器开展干涉测量观测试验。数据处理结果表明,干涉测量时延随机误差达到0.2ns,其中KS01-NM01基线的时延随机精度接近0.1ns,相应测角精度约为1.2nrad;KS01-NB01-NM01的闭合时延平均值约为0.1ns,显示了CDSN干涉测量系统具备较好的系统误差性能。最后分析CDSN干涉测量系统的限制因素及后续工作方向。

深空探测器无线电干涉测量开源数据处理系统构建及试验

为更好地开展深空无线电干涉测量试验,基于DiFX(Distributed FX,分布式FX型相关处理)、SPICE(Spacecraft Planet Instrument Camera-matrix Events,航天器行星仪器照相机矩阵事件)、HOPS(Haystack Observatory Postprocessing System,Haystack克天文台后处理系统)及AIPS(Astronomical Image Processing System,天文图像处理系统)等开源软件,搭建了一套可用于深空探测器信号相关处理的无线电干涉测量数据处理系统。首先介绍了该系统的整体架构及组成,然后介绍了系统各组成模块的功能及工作原理,最后利用该系统对嫦娥三号着陆器开展了观测试验,并对观测数据进行了处理。试验结果表明,该系统能成功实现深空航天器信号的相关处理、条纹拟合,以及时延解算等功能,有望为我国嫦娥五号任务及火星探测任务数据处理提供支持。

深空导航相位参考干涉测量技术研究

针对深空导航不断提高的测角精度需求和传统无线电干涉测量技术所面临的局限,介绍了相位参考干涉技术用于深空导航的优势,重点分析了该技术的基本原理和两个关键观测参数的影响,综述了该技术在国外的研究进展情况,最后介绍了我国开展该技术研究的软硬件基础和利用嫦娥三号任务数据开展的相位参考干涉测量试验情况,试验结果表明了基于我国深空测控资源开展该技术研究的可行性和高精度,有助于推动该技术转向实际工程应用,提高我国深空导航无线电干涉测量水平。

深空导航无线电干涉测量技术的发展历程和展望

结合世界各航天大国和组织所开展的深空探测活动和深空测控系统建设中,对无线电干涉测量技术的开发、应用以及深空导航技术试验验证情况,系统地梳理和总结了深空导航无线电干涉测量技术的发展历程,并通过该技术未来在国际上几个主要深空探测任务中的应用规划,分析了无线电干涉测量领域未来的发展方向。该领域技术的最新发展对我国深空测控网无线电干涉测量系统的后续建设也具有重要的借鉴意义。

深空探测器单基线干涉测量相对定位方法

针对中国深空探测中航天器高精度定位需求,提出一种基于相位参考成图技术的探测器单基线相对定位方法。该方法利用中国深空站长弧段跟踪优势,形成良好的UV覆盖,满足在中国仅有两个深空站的条件下获得高精度测量结果的要求,解决单基线高精度干涉测量的难题。利用中国深空测控网喀什至佳木斯基线开展了嫦娥三号月球探测器天线间的相对定位试验,确定了嫦娥三号着陆器全向天线相对定向天线的位置,天平面角分辨率优于0.5 mas(毫角秒),充分验证了该方法的有效性。该研究对以后嫦娥五号任务及火星探测中无线电干涉测量相对定位具有一定参考价值。

再入返回飞行试验深空网干涉测量应用分析

鉴于我国深空测控网的深空干涉测量系统在探月三期再入返回飞行试验中首次正式执行任务,北京深空干涉测量中心组织佳木斯、喀什深空站对再入返回飞行试验器进行了高精度干涉测量。针对深空站天线无法短时交替观测射电源,从而无法进行干涉测量系统差标校的问题,利用基于稀疏标校数据平滑内插、高精度钟差建模、环境参数时延补偿的数据综合处理策略,实现了干涉测量系统差高精度标校。利用飞行试验器VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)信标下行信号进行干涉测量获取时延观测量,用于飞行试验器联合定轨。联合定轨残差结果表明,深空网干涉测量时延测量精度在1ns水平,对应约100nrad测角精度,可以为飞行试验器精密定轨提供高精度测量数据支持。

“嫦娥五号”深空干涉测量性能分析

在“嫦娥五号”任务中,深空干涉测量系统正式参加轨道测量,提供了高精度的角位置信息。采用对流层时延混合建模技术,确保了实时干涉测量精度;利用分时跟踪技术,在链路带宽受限条件下首次开展了快速洲际干涉测量;通过对“嫦娥五号”探测器轨道测定结果分析,表明干涉测量误差修正、定轨精度符合给定的要求,验证了深空干涉测量在深空导航中探测器快速轨道确定的有效性。

深空测控系统跟踪接收机射电星校相的可行性分析

在深空测控系统的实际应用中,由于其天线口径大等原因,面临着角跟踪系统和差通道相位一致性需要在无塔条件下校准的关键技术难题。基于利用射电星校相的解决思路,首先通过分析确定了设计实现方案,并针对射电星信号的特点,结合具体的设计实现对其进行了理论分析,最后给出了实验验证结果。实验证明了射电星校相的可行性,这将对深空测控系统的应用具有非常重要的指导意义。

中国深空测控系统建设与技术发展

我国深空测控系统是伴随着探月工程"绕""落""回"三步走战略的实施,从突破关键技术、初步建成系统到系统完善,逐步建立起来的,火星探测工程的实施将进一步带动深空测控系统能力的建设。站在历史的视角,从顶层设计、关键技术攻关和系统建设等方面,回顾了我国深空测控系统从无到有的发展历程,并结合未来深空测控技术的发展,对我国深空测控系统的发展前景进行了展望。

深空测控系统中的射电星校相方法

深空测控系统要求具有角度自跟踪功能,而和差双通道跟踪体制下测控设备在任务前需要进行校相。传统校相依赖标校塔,深空测控系统天线口径大,无法建造满足远场条件的标校塔,从而只能采用其他校相方案。本文通过分析校相过程的机理,并结合射电星具有全天候、分布广、星历精确已知的特点,得到了利用射电星校相的方法。通过前期大量试验证明了该方法的可行性,并已确定应用于深空测控系统的研制。

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。

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。

美国深空网的同波束干涉测量技术

讨论了美国NASA深空网(DSN)对深空飞船所采用的同波束干涉(SBI)技术概念和测量原理,并介绍了这一技术的应用和发展情况。

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1~3ns,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。

ARA LDPC码在深空测控通信系统中的应用

介绍了CCSDS推荐的应用于深空通信的低密度校验(LDPC)码,根据码字的原型图对这类累积重复累积(ARA)码的特性进行了讨论。ARA码不仅具有良好的性能,同时其编码复杂度低,译码器具备有效的并行实现结构,此外码字具有很好的系列性。结合我国"嫦娥一号"卫星测控通信系统的设计讨论了LDPC码的应用问题,采用LDPC码能够获得更大的编码增益,在我国深空测控通信系统中具有广阔的应用前景。

VLBI深空测控的单光纤多测站频率传递系统设计

月球与行星探测中,甚长基线干涉(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)技术为实现高精度测角,需要稳定的频率基准。设计了一种仅用单套设备、单根光纤实现多用户传输的频率传递系统。该系统通过混频器与环形器等组合实现无锁相环的全自动快速往返校正,以补偿频率标准信号传输中的相位漂移,为测站提供稳定的频率基准,降低测量误差。该系统兼容电缆和光纤传输介质,兼具实时补偿和事后补偿模式,能满足有多天线的测站的需求。经地面验证,实时补偿模式天稳达10−17量级,并有能力升级到天稳10−19量级;事后补偿模式天稳达10−18量级。经VLBI射电源观测和对“天问一号”火星探测器的观测验证,两站钟速差降至10−14量级,能满足为多天线或多测站提供稳定本振进行VLBI观测的需求。目前该系统已在VLBI深空测控和地球定向参数(Earth Orientation Parameters,EOP)测量中应用,表现出较高可靠性。

凭测绘问天——访香港理工大学土地测量与地理资讯学系副主任、深空探测研究中心副主任吴波教授

生活中,想要知道城市的距离、大厦的高度、丘陵的起伏,测绘是我们的好帮手。如果,我们需要了解的是月球、火星的地形地貌,又该如何丈量呢?事实上,人们传统认知上的测绘技术早已融合了地理信息系统、遥感技术、卫星导航等各类技术,成功从地球走向太空。地球和深空,测绘无处不在千年以前,满腹忧思的屈原质问于天,“天何所沓?十二焉分?日月安属?列星安陈?”

深空测控系统自动化运行研究与设计

深空测控系统是航天测控系统的发展趋势之一,深空测控任务具有持续时间长、控制过程复杂的特点,需要研究具有深空特色的自动运行技术。在执行深空测控任务经验的基础上,结合用户的应用操作要求,设计了各种工作模式下的深空测控计划,介绍了计划驱动下的任务执行过程。通过搭建仿真测试环境,对深空自动运行功能进行了测试,测试结果验证了深空测控系统自动运行设计方案的可行性。

基于集群的深空测控系统设计策略

针对目前航天领域对深空探测系统的任务需求,利用集群技术适用于大数据量和并行计算处理的特点,提出了一种基于集群的深空测控系统的设计和实现策略,介绍了系统的架构和主要工作流程,并着重从系统平台选取、相关并行处理模型和预处理方法等方面对系统数据中心的设计策略进行了详细描述。对系统的主要功能和计算能力进行了说明,并结合系统的精度测试数据,对系统的性能进行了分析和总结。

深空测控系统1Hz低相噪频率合成技术

针对深空测控系统高精度测量对于信道附加相噪的要求,采用直接数字频率合成(DDS)正交调制方法设计频率综合器。通过巧妙的试验和外推方法,择优选取电压型鉴相器,在锁相环相噪模型的基础上,全面分析各部分相噪的贡献,综合设计环路带宽,有效控制附加相噪,实现低相噪频综器最理想的目标,即环路带内的相噪完全由参考决定,带外的相噪由压控振荡器(VCO)决定,并采用两源互比的方法完成1 Hz极低相位噪声的测试,测试结果为-73 d Bc/Hz,与设计结果完全一致。该方法对于测控站极低相噪的设计具有一定参考价值。