北斗GEO卫星CEI相时延解算方法研究

连线端站干涉测量(connected element interferometry,CEI)是高精度测角技术,在中高轨卫星、月球及深空航天器定轨定位中有良好的应用前景。基于CEI技术特点,提出了一种新的测量方法,即在相干测距模式下利用测距音和载波信号作为信号源进行连线端站干涉测量。构建了CEI试验系统对北斗GEO卫星进行观测,利用相干测距模式下的下行信号解算群时延、相时延。利用北斗GEO卫星精密星历计算的时延理论值,对北斗GEO卫星CEI群时延和相时延结果进行评估。结果表明,相干测距模式下CEI群时延和相时延残差均值分别为0.47 ns、0.08 ns,标准差(3σ)分别4.2 ns、0.13 ns。该项研究验证了相干测距模式下CEI相时延解算的可行性,可为共位地球同步卫星精密相对定位、月球探测器CEI测量提供技术参考。

VLBI测控信号群时延及相时延解算方法研究

由于探测器天线没有对准地球,遥测信号时有时无或卫星飞离地球更远,导致地面接收到的测控信号带宽变窄,使VLBI群时延测量误差增大,野值点增多。针对这些情况比较了剔除野值点加权幅度的直线拟合、剔除野值点加权幅度平方的直线拟合、剔除野值点加权幅度3次方的直线拟合和剔除野值点加权幅度4次方的直线拟合在求解测控信号群时延时的优劣,得出剔除野值点加权幅度平方的直线拟合3基线群时延闭合效果最好和可决系数平均值较大的结论,并作为测控信号群时延拟合方法。为了进一步减小VLBI时延测量误差,还研究了将含有整周模糊度的相时延在整个观测期间内进行连接,并整体移至群时延中间位置的处理方法,从而得到了含微小偏移量的相时延数据。含微小偏移量的相时延随机误差与群时延相比大幅降低,系统误差相对来说更易在定轨处理中解算。这为嫦娥二号奔向远方等信号变弱情况下的时延测量精度的提高提供了一种新方法。

基于卫星DOR信号的VLBI相时延解算方法研究

VLBI技术是深空探测中主要的测角手段,其对与视线垂直方向上卫星的轨道和位置变化有很高的灵敏度。基于DOR信号的VLBI观测量一般是群时延,其精度一般为纳秒量级,在约2000km的基线长度上,月球探测器的位置测量误差达近百米,对深空探测器来说位置测量误差会更大。为了提高卫星测定轨测定位精度,研究了含微小偏倚量的VLBI相时延的解算算法,并利用嫦娥二号△DOR观测数据对连续观测和间断观测时的算法进行了验证。结果表明:两种观测模式下皆可行。经过比较,相时延的随机误差大幅降低。

适用于CEI的GEO卫星相时延解算方法及试验

为解决在实际航天任务中利用连线干涉测量(CEI)技术进行高精度GEO卫星定轨以及共位GEO卫星相对定位时面临的载波相位整周模糊度难题,提出了一种基于卫星下行信号的多弧段融合相位模糊度解算方法,它通过相邻多弧段载波相位值和窄带信号群时延值的融合处理可精确获得无模糊载波相时延观测量。对提出的方法进行了性能仿真和实际外场试验验证,结果表明:在20 km基线上,利用北斗GEO卫星的伪码测距信号和天链卫星的测控信号均成功实现了S频段解载波整周相位模糊,相时延测量精度优于0.1ns,对应GEO卫星定轨精度优于54 m。该方法在国内首次实现了在几十km基线量级上利用几百kHz窄带测控信号获得无模糊载波相时延,具有较好的工程应用前景。

基于中国余数定理的跳频信号相时延估计方法

跳频信号每跳带宽窄且多跳间积累困难,利用传统方法对其时延估计精度都很低。针对该问题,该文充分挖掘跳频信号"宽跳带"的潜能,建立了多频点相时延估计模型,把时延估计问题转化为整周模糊求解问题;然后在解模糊过程中引入中国余数定理,针对"非合作"场景中模数无法选择的问题,提出一种基于"虚拟频点"的干涉相位外推方法,构造出鲁棒中国余数定理的适用条件;最后采用闭式鲁棒中国余数定理解算整周模糊,得到高精度的相时延。该方法具有精度高、运算量小、不依赖于信道衰落特性的优点。仿真结果验证了所提模型及方法的有效性和正确性。

基于模糊度部分解算的高精度相时延估计方法

传统时延估计的精度严重受限于信号带宽而无法进一步提高。针对该问题，本文提出了一种基于模糊度部分解算的相时延估计方法。首先，定量分析了整周模糊解算对相时延的影响，并提出了模糊求解置信度指标，更加精细地表征了模糊度解算的可靠性：然后以群时延的时间均值作为模糊度解算的依据，进行整周模糊的部分解算：最后再结合信号互相关谱的相位信息得到高精度相时延估计。仿真结果表明，基于模糊度部分解算的相时延估计方法可将时延估计精度大幅度提升。

基于尺度变换的相时延混合估计方法

针对传统相时延解模糊方法在预估值低精度的情况下解算正确率低的问题,提出了一种基于尺度变换的相时延混合估计方法。首先,通过广义互相关算法获得低精度的相时延预估值:其次,利用中国余数定理的变尺度效应构建出相时延估计的混合模型:最后,用低精度预估值引导混合模型解模糊,得到高精度的相时延。仿真实验表明,所提方法既保留了相时延估计的高精度特性,又显著地降低了解模糊对预估值精度的限制。

VLBI相时延及其在深空探测器测定轨中的应用

甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)技术是深空探测器测定轨的方法之一,也是行星无线电科学研究的重要手段.VLBI相时延通过解算相关相位的整周模糊度解算出探测器的VLBI时延观测量,可有效地降低相位随机误差的影响,从而提高时延测量的精度.本文论述了解算相位整周模糊度的条件和方法,给出相时延的解算方法,并分析比较了相时延与群时延的随机误差水平.以嫦娥二号(CE2)卫星飞往拉格朗日L2点的探测任务为例,求解了两个月内10次VLBI观测的相时延并分析了数据质量.相时延和群时延分别联合测速测距数据的定轨结果表明,在150万公里的距离上相时延用于探测器的定轨是可行的.

可编程微波光纤延迟线时延特性分析与测量

本文采用激光器、光调制器、可编程光纤延时阵列及光探测器等构成了新型的微波光纤延迟线系统,对系统的发射、传输和接收三个组成模块进行了理论分析,建立了各模块及系统的数学模型,对系统的传输特性和时延特性进行了仿真。结果表明,此类微波光纤延迟线可视为线性系统。并采用矢量网络分析仪对系统进行了实测,幅频特性和相频特性在合理频带范围内均接近于理想情况,群时延测量结果与理论计算一致,延时精度达到10ps以内。

高精度相位参考甚长基线干涉测量技术与试验验证

由于探测距离远,火星探测任务对干涉测量具有很强的精度需求。首先描述了相位参考甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)原理,介绍了弧段内干涉相时延解模糊方法,阐述了弧段之间相互参考解算干涉相时延流程,给出了测量误差分析,并利用中国佳木斯深空站、喀什深空站针对射电源对1633+38和1641+399开展了相位参考VLBI试验验证。结果表明,消除模糊度后,相位参考时延精度优于0.1ns。这为提高中国未来深空探测器角位置精度提供一种可行的技术途径。

应力波时延与结构面刚度的关联性分析

首先基于波动理论和非连续位移模型,推导倾斜入射P波在线弹性结构面处的透、反射关系式,得到的入射P波透、反射系数与结构面刚度之间的关系式与前人的结果一致。根据应力波的时延理论,进一步推导应力波透射线弹性结构面的相时延和群时延关系式。运用离散元法的数值软件UDEC模拟中心频率为100 Hz的高斯余弦应力波穿越单一节理与多条平行节理岩体,在此基础上分析应力波时延特征,并将该数值结果与相应的解析解进行比较。研究结果表明:(1)应力波垂直入射单一结构面的岩体模型后,利用未经滤波的透射波波形和包络线得到的应力波相时延与解析解基本一致,而群时延有一定差别;对透射波进行带宽为97~103 Hz滤波得到的相时延与群时延完全一致。(2)对存在多条平行结构面的岩体模型,当结构面间距大于1/2高斯余弦波波长λ时,经滤波后的群时延与解析解基本一致;当结构面间距小于1/2λ时,数值模拟得到相时延、群时延均与解析解相差很大。(3)透射波波前一般不会受到结构面多次反射波的干扰,在3种不同间距的结构面模型中利用透射波波前得到的初至波时延近乎相同,与单一结构面时初至波时延和结构面数量的乘积也相差不大。当结构面为线弹性体时,本文研究结果有助于利用应力波时延特征来预测结构面刚度或结构面数量。

面向绕月交会对接的同波束VLBI研究

针对"嫦娥5号"(CE-5)探测器间高精度相对测量需求,设计了我国深空干涉测量处理中心框架下的同波束VLBI处理算法,分析了X波段同波束VLBI相位解模糊条件和结果;通过引入群时延辅助的相位干涉技术,大幅抑制了干涉时延随机误差,为同波束VLBI中相位解模糊提供了先验条件;利用CE-5对接实测数据验证了本文工作的有效性,为CE-5任务同波束VLBI的实施奠定了基础。