相对差分单向测距(ΔDOR)技术在探月工程中的应用研究

相对差分单向测距(△DOR)是一种高精度测角技术,在深空探测任务的高精度测定轨方案中得到广泛应用.介绍了△DOR测量的基本原理及CCSDS(国际空间数据系统委员会)关于△DOR测量的相关标准.针对中国探月工程月面软着陆任务提出的高精度测定轨要求,分析了△DOR测量的信号形式、工作模式以及测量精度,推导了解模糊过程.研究表明,△DOR测角精度达到25nrad,对应到月球上的距离约为10m.

中国深空网首次ΔDOR联合测轨试验分析

通过分析中国深空网首次ΔDOR(Delta Differential One-way Ranging,双差分单向测距)联合测轨试验的干涉测量事后数据,重点从观测量随机精度、闭合时延等方面讨论了国内深空网与国内VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)观测网、国内深空网与国际深空网的联合干涉处理情况,并与ESOC(European Space Operation Center,欧洲空间操作中心)数据处理结果进行了比对。试验结果表明:我国深空网已具备独立或联合开展深空探测器导航测轨的系统支持能力;深空站系统具备高速率数据接收、采集、记录、传输能力,采集数据处理精度优于1ns;深空网干涉测量信号处理中心具备多体制信号的干涉处理分析能力,其分析精度与ESOC处理精度差异在0.1ns量级。

航天器DOR信号本地相关处理的建模与仿真

详述了DOR（差分单向测距）信号的本地相关处理方法。首先根据轨道预报确定先验时延模型值,利用高精度频率估算方法估计航天器DOR信号的星上发射频率,然后通过时延模型值与频率估计值构造DOR本地模型信号,再将此模型信号分别与测站接收的DOR实测信号进行互相关运算,提取相关相位,解算高精度时延观测量。推导了DOR信号本地相关处理的数学模型,通过信号仿真验证了该方法的有效性,在仅考虑系统噪声影响与轨道预报误差的条件下,仿真时延测量精度达到0.1 ns,为深空航天器精密轨道测量提供了一种可借鉴的技术方法。

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。

符合CCSDS标准的干涉测量系统接口设计

在参考国外各机构△DOR(双差分单向测距)干涉测量系统的数据接口设计方案和CCSDS(空间数据系统咨询委员会)相关标准的基础上,对我国干涉测量系统的数据接口与通信接口进行了设计。该设计方案与CCSDS标准《△DOR原始数据交换格式》相兼容,通信带宽可以满足对大数据量原始测量数据的实时传输。后续,将利用欧空局"金星快车"进行中欧双方干涉测量交互验证试验,验证双方相关处理系统的兼容性,以及相互传输的干涉测量原始数据格式与CCSDS RDEF(原始数据交换格式)的一致性。

建设中的深空测控网甚长基线干涉测量系统

结合CCSDS(空间数据系统咨询委员会)给出的相关技术标准,介绍了我国目前正在建设的深空测控网甚长基线干涉测量系统,包括系统定义与性能需求,系统的设计与实现等方面。阐述了相关的设计原则和设计思路:对射电源信号,通过将2个测站接收到的同一射电源信号进行互相关的方式求取信号延迟;对航天器信号,利用对正弦信号的统计处理方法,对正弦相位进行估计再差分求取时延。最后简要分析了与欧空局开展机构间交互支持的性能指标。

深空干涉测量天线G/T指标设计

G/T是天线的一项重要技术指标,在综合考虑测地VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量)和航天器VLBI观测两者需求的基础上,提出了深空干涉测量天线的G/T指标设计方法。首先根据射电源的空间分布以及流量密度特性,确定了测地VLBI和航天器VLBI观测模式下射电源流量密度的要求。在此基础上建立了2种观测模式下时延误差与深空干涉测量天线G/T之间的关系模型。最后参考目前国际国内测地VLBI观测中的通用参数设置以及月球探测任务中航天器VLBI观测的参数设置,对不同观测任务、不同观测模式下的G/T要求进行仿真分析。综合测地VLBI和航天器VLBI观测仿真分析的结果,S频段G/T建议不小于32dB/K,X频段G/T建议不小于43dB/K。仿真分析结果可以作为后续深空干涉测量天线G/T设计的参考。

基于CCSDS建议的干涉测量数据格式设计

针对当前VLBI(甚长基线干涉测量)观测数据格式不统一的问题,介绍了进行ΔDOR(双差分单向测距)干涉测量所必需的数据类型和相关信息,分析了当前几种主流的ΔDOR数据交换格式的优缺点和可能性,并根据CCSDS(空间数据系统咨询委员会)建议的ΔDOR原始数据交换格式对干涉测量数据格式进行了初步设计。结果表明,该数据格式科学、简洁,包含了丰富的信源、测站和观测过程等信息,适用于作为国际ΔDOR观测数据交换格式的标准。

深空应答机的研究现状和发展趋势

随着深空探测任务的发展，对深空应答机的需求越来越大，同时要求也越来越高，国际上各空间组织在深空应答机的研制方面都进行了深入的研究。本文介绍了国际上各空间组织研制深空应答机的现状以及发展趋势，并结合我国深空探测任务的需求，提出了我国研制深空应答机的建议。

SBI在探月及深空测控中的应用研究

由于传统基于速度和距离测量数据来对航天器测轨有其固有的局限性,针对探月以及未来深空探测多个关键测控弧段多目标高精度测定轨的需求,提出将同波束干涉测量技术(Same Beam Interferometry,SBI)应用于深空探测的方法。介绍了同波束干涉测量原理,给出了深空SBI测量系统建设的初步考虑,分析了系统中的多项关键技术并给出了解决方案。计算结果表明,在低信噪比观测条件下时延差测量精度能够达到1 ns。

深空测控VLBI测角技术研究

结合国内外深空测控的现状，介绍了VLBI技术在深空测控通信系统中的测量原理，给出了目前试验的测量精度水平，重点进行了宽带VLBI系统主要误差源和测量精度的详细分析，并对VLBI的技术特点进行了探讨。

基于SUWPT的正弦信号滤波算法

针对航天测控DOR(差分单向测距)信标信号等侧音信号的滤波问题,借鉴扩频系统窄带干扰抑制领域中的SUWPT(频移非抽取小波包变换),提出了一种逆向算法。该算法通过最佳频移将信号移至各子带中间,然后选择能量较大的子带进行分解,通过记录的位置信息选择不同的重构滤波器,从而达到最佳滤波效果;最后将该滤波算法应用于航天测控侧音信号的差分相位提取过程。仿真结果表明,该算法比小波变换滤波、小波包滤波具有更好的滤波性能;滤波后差分相位提取精度相对滤波前提高3~4倍,有利于提高系统的测量精度。

嫦娥二号卫星X频段星载测控系统设计与验证

国际上深空探测任务的在轨测控主要采用X频段统一载波测控体制,嫦娥三号及后续深空探测任务将立足在建的国内深空站,采用X频段完成探测器的测控任务.为对X频段测控体制和星地设备工作的协调性进行先期的技术验证,嫦娥二号卫星作为探月二期工程先导星,设计并搭载了X频段星载测控系统,成功实现了国内首次X频段统一载波测控体制技术的在轨验证.X频段测控试验验证了适用于深空探测的高灵敏度载波捕获技术,500kHz主侧音测距技术,多档码速率遥控技术及差分单向测距音(DOR)信标测角技术等.本文主要对X频段测控方案设计、关键技术及在轨验证情况进行介绍.