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.     

月球轨道器交会对接同波束VLBI测量差分相时延实时解算

同波束VLBI技术是解决月球轨道交会对接地面高精度引导的重要手段．传统的多频点同波束VLBI实时解算算法成功解算差分相位整周模糊度的概率较低，而事后统计修正求解整周模糊度的算法存在较大的时间滞后，从而直接影响月球轨道交会对接两个航天器地面定轨、定位的精度以及实时性．在此背景下，本文研究了应用于月球交会对接条件下的同波束VLBI差分相时延实时解算算法．首先给出了多频点同波束VLBI解算差分相时延及整周模糊度的原理，根据差分相关相位整周模糊和差分相时延实时及事后解算结果，对整周模糊度产生的原因进行分析通过求解精确差分群时延值、采用匹配搜索算法以及差分相位连接条件对传统实时解算算法进行改进，提出一种新的差分相时延实时解算算法．利用SELENE同波束VLBI观测数据进行实时解算．结果表明该算法成功解算模糊度的准确度达到95．49％，相对于传统解算算法准确度提高了5．45％．     

神舟四号飞船综合精密定轨

针对神舟四号飞船的轨道特点和国内已有的测定轨手段的优缺点, 确定了联合GPS, SLR和USB 3种观测数据, 并进行了精密电离层延迟改正的综合精密定轨方案和联合定轨模式. 介绍了综合精密定轨系统的构成及定轨数学模型. 对实际观测数据不同模式的联合定轨结果进行了分析, 结果表明定轨径向精度优于2 m.     

基于导航星间链路的天基高精度时间传递方法

随着航天技术的不断发展,航天器的数量日益增多,迫切需要一种统一的、高性能的天基授时手段,以便为各类航天器的高效协同提供保障.导航星间链路广泛适用于卫星精密定轨与时间同步,并且覆盖了星座内的中高轨卫星,因此可作为一种理想的天基高精度时间传递手段.现有的导航星间链路时间同步方法依赖于导航卫星具备星历信息,并不适用于位置精度较低且空间信息缺乏完整性的任意空间飞行器.本文在导航星间链路双向测量原理的基础上,提出了一种动态条件下时延修正方法,该方法计算简单、工程可实现性强,只需要空间飞行器终端具备多普勒测量或连续伪距测量功能,即可实现空间飞行器在一般位置精度条件下的高性能时间同步.理论分析表明,授时精度优于0.1ns.最后,以地面站模拟空间飞行器,结合北斗星间链路星地实测数据开展了时间同步试验,试验结果验证了本方法的有效性.     

一种基于谱相减法的声信号时延估计

利用信号增强算法，结合广义互相关时延估计原理，提出一种声信号时延估计算法。在噪声背景下先采用谱相减法从带噪信号中估计出原始声信号，提高信噪比，利用四元立体传声器阵列和广义互相关算法原理，对相关数据进行加权处理得到较高精度的时廷估计值。该算法可以有效抑制空间加性噪声，得到有效声信号准确的时延估计。实验仿真结果表明了该算法的可行性，在信噪比较低的情况下，与单一使用广义互相关函数相比，极大地提高了时延估计算法的准确程度。     

面向空间态势感知的天基可见光空间目标自主跟踪方法

天基可见光(space-based optical, SBO)监视是空间态势感知的重要手段之一.传统的天基观测平台都需要在自身精密星历已知的情况下,通过对目标的测量,确定其状态.而本文提出了自主天基空间目标监视的概念,天基可见光观测平台在自身精密星历未知时,也可以完成空间态势感知任务.与传统的目标跟踪不同,此方法只需依靠平台获取的在惯性系下描述的仅测角测量信息,便可实现自主定轨.结合长弧段的观测数据,本文给出了基于历史数据的事后自主轨道改进算法.通过分析发现,观测卫星对其他目标观测的历史数据也可用于改进原有的被观测目标的轨道.基于此,本文提出了通过额外测量量辅助下的实时自主跟踪策略,可通过单星搭载多SBO相机,对多目标同时跟踪的方式实现.最后,本文通过仿真算例验证了所提出方法的可行性.与传统的空间目标跟踪相比,虽然自主跟踪的精度较低,但在同时跟踪两目标时,尤其是在同时跟踪低轨和高轨两目标的情况下,估计精度能接近传统方法的水平.本文为发展自主天基空间态势感知平台提供了可行的方法.     

VLBI软件相关处理机研究进展及其在深空探测中的应用

甚长基线干涉测量（VLBI）是重要的射电天文技术，具有极高的空间分辨率，是国际上广泛采用的深空探测器高精度测量手段，相关处理机则是VLBI数据预处理的核心设备.由于VLBI观测数据的相关处理具有数据密集和计算密集的双重特点，目前绝大多数均由专用的大规模高速硬件相关处理机承担.随着通用计算机性能的迅猛发展，基于通用商用计算机的VLBI软件相关处理机的研究逐渐得到重视，并发展迅速，成为VLBI技术领域新的研究热点.软件相关处理机具有制造价低、复制容易、升级简便等特点，有可能在不久的将来，以深空探测领域为切入点，得以普遍应用，并且在常规天文数据相关处理中替代现有的硬件相关处理机。     

高光谱卫星海洋遥感资料辐射精度评价模型研究

对于海洋水色遥感卫星来说,辐射定标精度作为一项重要的核心指标,恰恰是目前我国自主海洋水色卫星存在的不足之处,需要对遥感器进行系统的在轨辐射测量精度评价.文中基于大气辐射传输理论开发了一套高光谱卫星海洋遥感资料辐射精度评价模型(HRSREM),可以比较精确地计算出卫星平台接收到的遥感反射率,来衡量可见光遥感数据的测量精度.通过Gordon查找表方法对HRSREM模型的大气Rayleigh散射和气溶胶散射分量的精度验证,表明模型对两种大气散射计算误差小于2%;利用海上现场ASD高光谱仪测量的天空光反射率对模型的前向散射计算结果验证,其光谱平均相对误差约5.4%;利用宽视场海洋水色扫描仪(SeaWiFS)数据对模型的大气顶遥感反射率计算精度进行验证,其相对误差小于3.5%,说明HRSREM模型对卫星遥感资料的光谱辐射测量评价具有很高的精度.利用HRSREM模型对高光谱遥感卫星Hyperion在澳大利亚附近海域测量数据进行精度估算,可见近红外波段的光谱平均相对误差约为7.3%;对中分辨率成像光谱仪(CMODIS)数据精度评价结果表明,CMODIS存在较大的测量误差,特别是近红外波段的定标系数明显偏大,需要重定标来提高定量化处理和应用水平.     

基于VLBI站接收的火星探测器信号研究行星际闪烁

利用VLBI单站对欧洲火星快车探测器(MEX)的太阳掩星过程进行观测,记录了太阳偏距(太阳中心到信号传播路径的垂直距离)在11 R⊙~160 R⊙范围内的MEX发射的X波段主载波信号,并通过VLBI宽带记录终端,提取了太阳风湍动导致的相位闪烁信息及相位闪烁功率谱,通过谱分析,测量了太阳风空间折射谱指数、折射结构常数与相位闪烁指数,探讨了利用相位闪烁指数反演沿视线方向的总电子含量(TEC)的可行性,分析表明,近太阳区域的相位闪烁显著强于远太阳区域;在3 mHz~0.3 Hz范围内,相位闪烁功率谱呈幂律分布,太阳风空间折射谱指数为-3.3±0.25,与Kolmogorov理论一致,且谱指数与太阳偏距无相关;表明在11 R⊙~160R⊙范围内,Kolmogorov理论可用于解释太阳风湍动及结构,太阳风折射结构常数与R近似满足~R~(-1.98±0.27)的关系,表明近太阳区域湍动强于远太阳区,利用相位闪烁指数获得的TEC与太阳活跃与平静期间模型计算值的变化趋势一致,试验表明,基于VLBI测站的多普勒测量及行星际闪烁研究可用于我国未来火星探测器的太阳掩星观测.     

弹道数据处理的融合算法

在多站定轨理论的基础上,从分析单个信源对定轨精度的影响出发,建立了偶发性系统误差辨识模型,提出了更好地融合多信源的有效信息,避免偶发性系统误差污染的方法原理。结合实际工程任务,将所研究的方法进行了应用,实际与仿真结果表明此方法可靠,有效,成功地诊断出在某些信源下的显著系统误差,大大地提高了飞行器定轨的精度。     

深空站区域对流层延迟模型构建及在嫦娥四号中的应用

深空干涉测量系统实时模式下主要依赖经典模型进行对流层延迟修正,但修正效果不佳,严重限制了实时测量精度.基于此,本文构建了一种区域高精度对流层延迟模型.首先,通过对流层延迟实测值与模型值的比对确定了Saastamoinen模型天顶延迟估计的修正系数,修正后对流层天顶延迟偏差由1.24 ns降至约0.9 ps;其次,为突破Saastamoinen模型气象数据约束,提出了高程修正的UNB3m模型,建立了测站区域大气参数估计模型,大气压强、温度、水汽压的估计偏差分别约为3.9 mbar, 6.7 K, 0.63 mbar,由大气参数模型值与实测值得到的对流层天顶延迟偏差约为14 ps,显著增强了天顶延迟估计的实时性;最后,通过分析Niell映射函数规律,确定干映射参数a为响应的主要影响参数,进一步通过最小二乘处理得到了参数a的最佳值.结果表明在仰角10°时,对流层延迟偏差约0.3 ns,相对缩小近1个量级.利用本文所提模型,嫦娥四号探测器实时定轨残差与事后对流层延迟实测值条件下的结果基本一致,相对原始对流层模型下的定轨残差显著改善.本文所提对流层区域模型不依赖于大气参数实测数据,估计精度高,可显著改善深空干涉测量实时定轨支持能力.     

基于压缩感知的多角度合成孔径雷达成像

多角度合成孔径雷达（syntheticapertureradar，SAR）成像是实现多SAR信息融合的重要方式．对提高成像分辨率．重构目标轮廓进而提高雷达目标检测或分类性能具有基础性价值．由于各传感器发射信号和测量位置的多样性，实现多角度SAR成像具有挑战性．如何在噪声干扰情况下快速实现多角度SAR成像是一个新问题．本文建立了基于压缩感知的多角度SAR测量模型．通过对测量矩阵的分析，证明多角度SAR测量角度范围、发射信号载频和空间采样位置是影响成像性能的关键因素，研究了目标空间离散间隔对成像质量和分辨率的影响．以上述分析为基础，本文对多角度SAR发射信号载频和测量位置进行设计，构建满足约束等距性的测量矩阵．针对测量矩阵阶次较高的问题，文章提出用分段正交匹配追踪（stagewiseorthogonalmatchingpursuit，STOMP）进行模型求解，在测量矩阵欠定严重的情况下，该算法可以迅速求得模型最优稀疏解．在实验环节．通过分析多角度SAR参数对成像性能的影响，进一步验证了本文结论．实验验证了模型和相应求解算法的有效性和鲁棒性．     

益阳地区遥感土地利用分类的波段组合效应分析

波段组合对监督分类的运算效率和分类结果有着显著影响。本文以湖南益阳TM影像为实验数据，通过波段光谱特征统计分析、叠合光谱图分析，对该地区土地利用分类波段进行了初步选取；按照3波段组合方式进行分类，并对分类效应进行了比较分析。结果表明，耕地和草地难区分、未利用土地易错分为建设用地是共同问题；TM2、3、4组合能够较好地区分耕地和草地，同时对林地和草地的区分效果也最好，分类总精度最高；TM2、3、5组合对未利用土地的识别能力相对最高；TM2、3、7组合，TM2、4、7组合以及TM2、5、7组合对水体的分类效果最好。本研究对数据降维、资料不足时最大限度发挥资料可用性、针对特别应用目的进行传感器波段设计具有一定的参考价值。     

基于自适应抽样的超点检测算法

超点是在一个测量时间区间内链接了大量源IP（宿IF）的宿IP（源IF），实时超点检测对网络安全和管理具有重要意义．现有的算法不能控制内存空间的使用和超点的测量精度，论文提出了一个具有自适应抽样功能的超点实时检测算法．该算法采用流抽样保留技术以减少非超点的测量并提高超点的测量精度；设计一个数据流结构维护流记录，并统计补偿Hash映射中产生的冲突；提出一个基于不等概率的自适应策略以维护内存空间．采用实际网络数据将论文的算法和其他算法进行分析比较，实验和数学分析表明论文算法在资源可控性、测量精度等方面优于现有的其他算法．     

内编队重力场测量卫星全推力姿轨一体化控制研究

内编队重力场测量卫星作为一种新概念的纯引力轨道飞行器,通过精密定轨和相对状态测量实现高精度地球重力场测量.其中对外卫星的控制保持编队内卫星在纯引力轨道上稳定飞行是决定测量水平的关键因素之一.针对稳态工作模式的内编队系统,研究了仅用推力器实现姿态轨道一体化控制的问题,构建了姿态非线性和共用推力器引起的姿态轨道耦合的六自由度平动和转动动力学模型,并基于约束非线性模型预测技术建立了姿轨一体化控制的二次型优化模型.通过仿真实验可知,约束非线性模型预测控制方法计算快速,能克服部分约束条件的非凸性;推力器布局合理,推力消耗低,满足内编队系统任务需求.     

大数据背景下的信号处理

宽带信号、高维信号、高分辨信号以及多传感器组网技术的快速发展，使得信号采集数据增长率高于数据存储增长率和信号处理速度增长率，信号处理进入了大数据时代．本文指出了大数据背景下的信号处理的关键问题．对于多传感器组网具有的多样性和复杂性的海量信号数据，必须进行信息融合．本文介绍了信号融合的主要模型方法，分析了信息融合技术的发展趋势．智能传感网技术能降低对信号处理和通信容量的要求，有效地在大数据中提取有价值数据．本文给出了智能传感器的基本结构，阐述了智能传感器的计算方法．结合大数据容量信号对高速实时处理的要求，介绍了高速数字信号处理芯片以及高性能硬件平台发展现状，展望了高速信号处理核心技术的发展动向．     

地面城市轨道交通环境振动源的反演

地面城轨列车运行引起周边场地环境振动．针对振动源难以直接量测的困境，本文借助工程地震学的反演方法研究轮一轨不平顺的动力激励源．将地表振动的列车．轨道一三维场地耦合动力分析与遗传算法结合，通过待反演量解空间的设置、反演问题目标函数的建立、反问题求解的遗传策略设计等步骤构建了轮一轨不平顺振源函数和轨道结构参数的联合反演方案．依据实际观测数据反演了北京城轨13号线的激励功率谱，结果显示：振源函数在1．2m以上的波长范围反映了轨道不平顺性，在1．2m以下的波长范围表达了车轮的几何与弹性不圆顺．本文强调指出，城轨车速较低，这个短波长段恰恰对应环境振动的主要频带．以轨道谱表达轨道交通环境振动源，1．2m以下短波长的不平顺会被低估，严重影响环境振动主要频率成分的估计．相对轨道谱只反映轨道的平顺状况，轮．轨谱既反映轨道不平顺因素，又包含车轮不圆顺状况，更适合作为城轨交通的振源函数．同时也表明，用地表振动实测数据反演振动源，是定量揭示轮．轨组合不平顺的有效途径．     

相控阵多址系统中通道间群时延不一致性分析

首先从数学公式分析了多用户相控阵通信系统的通道时延将会引起调制数据过零点出现偏移；再针对多通道时延不一致的情况,通过理论和仿真分析发现,如果空分处理前不进行通道间时延均衡而直接进行数字波束形成处理,会使得输出信号失真,系统误码性能恶化.     

嫦娥二号工程X频段测控技术

深空探测任务以在远距离、弱信号条件下,实现尽可能高的通信速率和测量精度为基本目标,采用更高的射频频段是实现上述目标的主要途径之一.因此,在嫦娥二号工程中对相对于常规S频段更高的X频段测控技术进行了研究和试验验证.本文对X频段测控的优势进行了全面论述,简要介绍了嫦娥二号工程X频段测控总体设计和试验方案.根据开展的相关试验结果表明:在相同信噪比条件下,与S频段相比,X频段测速精度提高一个数量级、测距与干涉测量时延精度提高一倍;X频段月球辐射噪声引起的接收信噪比恶化值在1.6~2.7dB范围内.     

平面三自由度并联机床的分步运动学标定

针对一台平面3自由度并联机床的运动学标定，提出一种基于最少参数线性组合的分步运动学标定方法．该方法利用并联机器多参数耦合误差传递系统中的参数线性组合映射关系，将一般运动学标定中参数的误差建模、辨识和误差补偿，改变为参数线性组合的误差建模、辨识和误差补偿．首先由最少参数线性组合的4个定理进行辨识性分析，确定出影响机床终端绝对和相对精度的最少参数线性组合；然后给出工程实际中常用的基本绝对测量方式和基本相对测量方式，逐一进行最少参数线性组合的辨识性分析，抗干扰指标的抗扰动性能计算，兼顾测量成本的条件下，设计出最少参数线性组合的分步测量方案、分步辨识和分步误差补偿方案，完成运动学标定．最终的实验结果证明这种方法具有如下优点：（1）消除了其他无关参数的影响；（2）反映了误差传递中的参数线性组合映射关系，提高了参数辨识的准确性；（3）方法简洁高效，最终的机床精度已经接近测量扰动精度．因此，该方法不仅可用于这台平面3自由度并联机床，也可适用于其它运动学非线性弱的并联机器．