一种低轨航天器与北斗卫星高精度时间传递方法及其初步试验验证

低轨卫星系统近年来在空间目标探测、手机移动通讯、卫星导航系统增强、载人航天等方面都得到了快速发展和应用.我国载人航天工程近几年取得重大突破,在空间站设计搭载的高精度时频科学实验系统,预计可以建立日稳定度和不确定度在10^-17量级的空间时间频率基准.利用空间站精密时间信号向北斗卫星进行高精度时间传递,可以进一步提升北斗时间系统性能及北斗卫星自主时间维持能力.另一方面,我国北斗三号卫星导航系统具备全球组网星间链路功能,能够实现全星座的高精度定轨和时间同步.本文基于空间站和北斗卫星现有可用资源,提出一种基于双向测量方式的低轨航天器与中高轨卫星高精度时间传递方法.根据低轨航天器运行速度快等特点,给出相对高速运动环境下双向测量链路的运动时延误差修正方法.通过进一步建立仿真模拟平台、搭建真实天地试验场景等方式,对双向时间传递性能进行验证.仿真和试验结果表明,基于双向测量方式的低轨空间站与北斗卫星时间同步精度优于0.3 ns.本文可为实现天基高精度时频传递、空间站精密原子钟授时服务、提升北斗系统自主运行能力等提供理论和工程技术参考.     

双层协同对地观测卫星星座设计

针对日益增长的卫星对地观测需求,提出了一种双层卫星星座设计方案.首先,分析了我国目前对地观测卫星的覆盖性能,以时间分辨率和空间分辨率作为对地观测星座的评价指标;然后,通过优化卫星轨道高度,得到满足任务要求的最优轨道;最后,通过设置轨道相位使得整个星座构成全连通链路,单个地面站与卫星相连便可以与整个星座相连,从而摆脱了对中继卫星的依赖.该方案充分结合了中轨星座时间分辨率高、低轨星座空间分辨率高的优点,相对于传统的单层卫星组网方案,双层星座能够以高空间分辨率和时间分辨率对全球任意目标1 d观测多次,并实现遥测指令与观测数据的实时传输.     

基于STK的空间站星载GPS接收机仿真分析

将GPS系统用于航天器的导航、定位和授时是目前的趋势。但是星载接收机的高速轨道运动特点有区别于地面用户。通过建立GPS星座与国际空间站的链路进行仿真分析。仿真结果表明GPS星座可以满足空间站的大于4颗卫星的信号可用性需求。     

转发器式卫星轨道测定新方法

基于卫星双向时间传递技术,提出了一种全新的卫星轨道测定方法——“转发器式卫星轨道测定方法”．该方法不但能高精度地测定卫星的轨道,而且能给出高精度的时间比对结果,其优点是观测精度高．发射信号和接收信号的不同组合,形成不同模式的卫星测轨观测方法：测站接收卫星转发自己站发射的信号,这种模式称作自发自收模式;所有测站接收卫星转发的某一个站发射的信号,这种模式称作一发多收模式;所有测站接收经卫星转发的所有站发射的信号,称作多发多收模式．给出了各种模式卫星定轨的严格归算公式及自发自收模式和一发多收模式的实际观测结果．结果表明自发自收模式和一发多收模式有很高的观测精度：测距精度优于1cm,一天观测弧段的定轨观测残差优于9cm．     

椭圆限制性三体问题模型下平动点拟周期轨道卫星的自主定轨分析

基于椭圆限制性三体问题,研究了平动点轨道卫星导航星座仅利用星间测距进行自主定轨的技术。分别分析了平面Lyapunov轨道和垂直Lyapunov轨道上卫星仅利用星间测距进行自主定轨的精度。为了提高拉格朗日轨道导航星座对月球空间的覆盖范围,设计了由地月系的L1、L2、L4和L5四个平动点附近的拟周期轨道上的卫星构成的导航星座,分别利用扩展卡尔曼滤波方法和无迹卡尔曼滤波方法进行了自主定轨仿真分析,结果表明:平动点轨道导航星座可以仅利用星间测距实现长期高精度自主定轨。     

EBPSK编码调制的二次监视雷达测速性能分析

为了解决二次监视雷达(SSR)接收到目标应答信号时受到异步干扰的问题,在SSR对目标的应答信号的脉冲宽度内,引入扩展二元相移键控(EBPSK)对载波进行相位编码调制.理论分析了SSR系统中速度与频偏的关系,通过研究EBPSK相位调制脉冲的波形特点,提出了将EBPSK相位编码脉冲信号作为SSR系统应答信号的方案,从而有效利用异步干扰提升双基站SSR系统的目标测速精度.理论分析与仿真实验结果表明,在目标测速精度方面,EBPSK相位编码的双基站SSR系统明显优于EBPSK相位编码以及纯正弦调制脉冲的单基站SSR系统.因此,验证了EBPSK相位编码脉冲信号在双基站雷达系统中的有效性和可行性.     

多星座GNSS卫星轨道模型简化方法研究

为提高多星座GNSS卫星轨道模型的可视化效率,从卫星椭圆轨道的近似,统一同一星座卫星轨道半长轴长度,基于K-means算法对升交点赤经数据进行聚类划分与重新赋值这3个方面对模型进行了简化,并进行了仿真计算. 仿真结果表明,该方法的采用显著减少了需要显示的轨道数量,减少了完成模型渲染所需的时间,提高了每秒显示帧数. 多星座GNSS卫星轨道模型的可视化效率得到明显提高.      

重力卫星串联编队仿真分析

现有重力卫星任务存在时空分辨率不足、时空混频以及重力场信号各向异性等局限性.分别对重力卫星串联编队的轨道高度、轨道倾角、星间距离等指标进行仿真分析,就重力卫星串联编队星座模式对重力场时空分辨率的影响进行了数值分析.结果表明,卫星轨道高度的选择需要兼顾重力场信号衰减和卫星寿命等因素,以维持在300～400 km为优;轨道倾角选择应充分考虑极空白问题的影响,极空白区大小不宜超过6°;星间距离大于250 km时,重力场精度的提升并不明显,重力卫星串联编队星间距离设为50～100 km为优.重力卫星串联编队星座模式可同时有效提升地球重力场时空分辨率,实现时变重力场的各向同性探测.     

一种矿井下新型无线通信网络方案

提出了适合于煤矿井下工作特点的一种新型全无线通信组网方案,该方案由地面网管、地面通用网、双系统控制模块、双基站、远端设备构成.鉴于煤矿井下的特殊情况,提出了一种线状微微网与分布式网络相结合的组网方案,并采用一种分布式网管系统方案.同时为了提高整个系统的抗灾害能力,采用双基站(双系统控制模块、双基站)结构.当其中一个基站所处位置发生灾害时,可以通过另一个基站及时实现全无线通信.     

北斗三号系统互操作实现与性能分析

针对当前国际卫星导航应用从单一GPS时代发展到多GNSS(全球卫星导航系统)时代带来的新趋势和新要求,本文从星座互操作、信号互操作、时间互操作和坐标互操作四个方面开展北斗三号系统与其他GNSS系统间的互操作设计.在星座设计方面,北斗三号的星座轨道高度与倾角设计与GPS,GLONASS和Galileo三大系统的星座充分互补,全球导航卫星PDOP平均可提升37.9%;在信号体制方面,北斗三号通过相同频率相似频谱设计实现与其他系统的互操作,并签署了兼容与互操作协议,可确保用户在不改变硬件设计的情况下同时使用各大系统导航服务;在时间基准与坐标基准方面,北斗三号系统建立与维持了与国际上高度一致的基准体系,实现与国际UTC,GLNT等时差偏差保持在50 ns以内,并与国际ITRF 2014坐标参数精度保持一致.因此,北斗三号系统通过四个方面的努力,实现了与其他GNSS的互操作,可联合美俄等全球卫星导航系统为全球用户提供更优质的服务.     

全球导航星座的远地/深空导航应用研究

全球卫星导航系统为低轨和地面用户提供导航服务已有广泛的研究.中高轨卫星以及深空卫星的定轨、定姿和时间同步,目前主要利用地面测控系统完成,存在设备复杂、投资高、无法同时支持大量飞行器、无法自主运行等缺点.本文研究中高轨卫星和深空卫星利用全球导航星座进行定轨、定姿和授时服务的可行性,实现其扩展应用,寻求全球导航星座作为天基网时空基准的高效途径,使得天基网的自主导航与自主运行成为可能.论文提供了一套解决方案,在不增加卫星设备的前提下,通过星间链路的巧妙设计,实现对远地、深空飞行器的无源导航服务,重点研究了卫星可见性、几何精度因子（GDOP）等内容,进行了定位、定时精度分析,为全球导航星座的建设提供思路.     

基于小卫星的地空超视距通信系统设计与仿真

远程地空通信的超视距通信是一个亟需解决的难题，为此提出一种以分布在多个椭圆轨道面的小卫星为中继的地空超视距通信方案。对小卫星的轨道参数进行设计，证明了用4颗中轨小卫星可以实现对特定区域99.41%的视距覆盖。研究了小卫星地空超视距通信系统的工作原理和链路传播特性，并在此基础上设计了通信链路的收发参数。仿真结果表明:用该系统进行地空超视距通信不受距离的限制，具有通信效果好、抗毁能力强、成本低等优点。     

基于SGP4模型的卫星多普勒频移补偿方法研究

针对卫星与地面站进行通信时,地面站接收到的信号存在明显的多普勒频移现象,提出了一种基于SGP4模型的卫星多普勒频移补偿算法。首先,根据开普勒定律推导出多普勒频移公式;然后由卫星星历信息,基于SGP4模型预测出卫星的轨道,计算出卫星和地面站之间的相对位置和相对速度,得出多普勒频偏,在地面站分别进行预校正与补偿;最后,使用STK/HPOP生成标称轨道对SGP4模型生成的预测轨道进行误差分析和性能评估。仿真结果表明,对于工作在Ka频段、轨道高度200~1 000 km的低轨卫星,多普勒频偏估计精度优于50 Hz,精度高;随着轨道高度的增加,多普勒频偏估计更加精确。     

面向任务要求的编队轨道设计及基线性能分析

为了满足编队系统空间基线稳定性要求,在考虑J2摄动基础上提出了一种面向任务要求的编队轨道设计方法.在初步确定编队轨道参数后对从卫星平均半长轴进行了小量修正,从而使得系统满足稳定性要求,检验了编队系统空间基线性能.研究结果表明,该方法设计的编队初始轨道参数能使空间基线保持基本稳定,能够满足地面高程测量(DEM)和慢动目标检测(GMTI)的任务要求.     

用于地空通信的单轨小卫星组网轨道特性研究

提出了采用小卫星组网的方法来解决战斗机超视距通信问题。为实现某一局部区域的超视距通信保障，提出并设计了单轨道小卫星组网方案，多颗小卫星单轨道组网实现简单，只要数量足够多，就能够实现对局部区域的连续通信覆盖，满足对局部区域作战的超视距通信需要；研究了单颗小卫星的在不同高度时覆盖范围半径、覆盖区域与地心的夹角等特性；研究了小卫星组网时，在轨道高度为780 km，不同数量的小卫星组网通信宽度、相临小卫星覆盖范围的重叠宽度和夹角等特性。     

基于多目标进化算法的低轨区域通信星座优化设计

研究利用进化算法实现低轨区域通信星座的多目标优化设计。首先分析、确定低轨星座优化的轨道控制参数，然后将基于Pareto最优概念的多目标进化算法引入星座优化中。结合星座覆盖性能的评价准则，给出了一种利用非劣分层遗传算法(NSGA—Ⅱ)实现星座轨道控制参数优化的框架。最后对具体实例进行了优化仿真，结果表明，该方法可以获得一组分布合理的Pareto解，为星座方案决策提供了有力的支持。     

一种新型多层卫星星座组网设计

随着空间技术需求的不断增多,传统的单层卫星星座组网模式,由于其结构简单,在未来空间技术的发展中受到限制.近年来,采用多层卫星进行星座组网受到业界的普遍关注.鉴于多层卫星星座模型的优点,设计了一种新的基于GEO/MEO/LEO的三层卫星星座模型.本模型充分结合高、中、低轨道各自的优势,以尽量少的卫星数量实现了对地球的全面覆盖,较之传统单层模型更为立体化.最后,通过STK和MATLAB对所提出的多层卫星星座组网模型进行了数字化仿真,从星间链路的长度、链路通信俯仰角以及方位角等方面进行了对比和分析,验证了本模型的合理性和有效性.     

基于滚动模糊时间窗的场面动态路径规划

为了减少机场场面滑行冲突,提高机场运行效率,提出了一种基于模糊规则系统的滚动模糊时间窗算法。首先构建机场滑行时间预测模型,其次将滚动时间窗和模糊时间窗算法相结合,对滑行路径进行动态优化,最后结合机场地面滑行数据进行检验,结果表明,地面延误降低了9%-17%,地面冲突减少了10%-18%,说明该方法能够有效提高机场地面运行效率。