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.     

一种新型零相位因子LEO/MEO双层卫星光网络

相对于微波卫星通信,卫星光通信具有容量大、速率高、高保密性和抗干扰性等优点.利用星间激光链路连接高中低轨道卫星形成空间信息高速公路将在通信、导航、军事侦察、遥感遥测以及深空探测中发挥巨大作用.文中利用覆盖带法,设计了全球连续覆盖低轨道(LEO)/中轨道(MEO)双层卫星光网络结构.LEO层是一个零相位因子walker-δ星座,系统具有准静态的Mesh逻辑结构,MEO层由赤道和极地轨道两个轨道组成,可以有效地覆盖LEO层.覆盖性能结果表明,该网络上升轨道卫星对全球提供99.9%的平均覆盖,对我国提供100%的覆盖.系统可为我国提供单星可见21°的最小仰角,双星可见16°的最小仰角.链路空间位置性能仿真表明,零相位因子星座相邻节点星间链路性能在仰角、方位角和距离上优于非零相位因子星座,非常适合激光链路.激光链路通信性能仿真表明,当卫星光通信在几个GBit/s的较低通信速率时,短波长和长波长波段误码性能相差很小,随着高达100GBit/s通信速率的出现,1550nm波段是一个明智的选择.     

地月中继链路系统设计与验证

嫦娥四号任务由着陆器、巡视器和中继星组成,中继星先于着陆器与巡视器发射,着陆器与巡视器着陆于月球背面开展探测任务.中继链路系统负责搭建地面站与月面探测器之间的通信链路,是其工程实现的关键组成部分之一.本文针对嫦娥四号任务特点,开展中继链路系统任务需求分析,并提出中继链路系统方案.该方案在兼顾任务需求的同时,充分继承了嫦娥三号任务成果,并开展系统级优化设计,降低了嫦娥四号任务工程实现代价.该方案结合嫦娥四号任务实际过程,对动力下降、着陆器与巡视器分离、休眠唤醒等关键过程中的中继链路系统工作模式开展设计.最后,本文对系统验证情况进行了介绍.     

基于重要性测度的一箭多星分离安全性分析

对于一箭多星发射任务,各颗卫星分离速度及分离角度可能存在一定误差,使得分离后星间距离存在不确定性,从而影响分离安全性.为提高一箭多星分离安全性,利用重要性测度分析方法对卫星入轨分离后的星间距离开展研究.提出了基于移动最小二乘的重要性测度指标求解新方法,数值算例表明新计算方法相比传统的Monte Carlo方法和Saltelli方法效率更高.针对分离后星间距离过于接近的情况,重要性测度分析方法能够有效识别出对星间距离影响较大的变量,对这些变量的分布参数进行优化调整后,星间最小距离明显增大且不确定性降低,从而保证了一箭多星的分离安全性.     

基于数字Costas环载波同步系统的设计

发射机与接收机的相对运动产生的多普勒现象引起的频率漂移会明显地恶化系统性能,导致误码率的增加.针对此问题,设计了一个载波同步系统,采用数字Costas环载波恢复技术补偿多普勒频移.系统可以有效跟踪大多普勒频移,从而实现可靠通信.     

激光混沌同步及其在光纤保密通信中的应用

通过耦合激光混沌同步系统和光纤传输信道, 提出光纤混沌保密通信设想; 建立了半导体激光器激光混沌反馈同步系统, 导出了同步误差和解码公式; 模拟实现了波长1.31 μm分布反馈半导体激光器的两个激光混沌系统的同步, 其同步误差几乎为零; 分析了系统参数失配、同步暂态响应、噪声影响; 提出了增加反馈系数提高同步和抗干扰的方法. 分析了光纤中的群速度色散效应和自相位调制对激光混沌信号及其同步的影响, 发现群速度色散不仅会影响脉冲的形态, 而且会影响激光混沌同步及其解码, 限制光纤混沌通信的传输距离; 而自相位调制却并不影响脉冲的形态, 但产生的非线性相移却会影响激光混沌同步及其解码, 限制光纤混沌通信系统的传输距离, 并由此导出了光纤混沌通信中的最大光功率公式; 数值模拟了远程光纤混沌保密通信的振幅调制和参数调制的应用方法.     

GNSS接收机伪距测量对定位的影响

伪距测量是全球卫星导航系统（GNSS）与其它无线通信系统一大显著区别之一。在卫星导航定位系统中，必须通过PRN码测出用户接收机到各颗卫星的距离，才能定位。卫星钟差、用户钟差、多普勒效应、电离层延迟、对流层延迟等，都使测距产生一定的误差，所以称为伪距。伪距测量的精度，直接影响到定位的精度。为定量分析伪距测量对定位结果的影响，本文给出选择不同星的伪距和同一伪距不同误差情况下对最终定位结果的影响，为接收机的研发提供重要的参考。     

分布式MIMO-OFDM系统训练序列设计及时频同步方案

在分布式MIMO-OFDM系统中,不同收发天线对之间信号的时间延迟和频率偏移均不相同,因而同时估计各个收发天线对之间的定时和频率偏移是分布式MIMO-OFDM系统同步最具挑战性的部分之一.本文通过在时域对各发射天线的本原训练序列用具有良好互相关的伪随机序列加权,提出了一种适用于分布式MIMO-OFDM系统时频同步的新的训练序列及相应的时频同步方案.它首先利用伪随机加权序列的良好自相关和互相关性特性以及本原训练序列的分段共轭对称性估计各收发天线对之间的定时偏移,然后利用本原训练序列中的重复短序列进行迭代频率偏移估计.理论分析与仿真结果表明,相比传统方案,该方案不仅能够更好地估计出所有收发天线对之间的定时偏移,而且还能够同时估计出所有收发天线对之间的频率偏移.     

OFDM无线通信系统的时间和频率同步误差分析

由于无线信道的时变性、频率选择性、加性噪声以及发送和接收端晶体振荡器频率非一致性的影响，实际的OFDM系统中总存在时间和频率同步误差．定义了归一化干扰功率(NIP)来研究这两种误差对系统性能的影响．在此基础上，我们首先推导出：(1)由时间误差产生的NIP公式和它的两个上界；(2)由频率同步误差产生的NIP公式和它的两个上界，这两个界比Moose上界更逼近实际NIP值．然后，通过在典型短波和中波信道的仿真进一步验证了这些界的有效性和正确性．这些界有助于通信工程师在实际应用中在给定NIP值的条件下选择满足系统要求的时间和频率同步算法．同时，还提出一种新的方法以减少OFDM系统对时间同步算法的精度要求，该算法能实现时间同步精度和频谱利用率的有效平衡．     

广义正交信号理论及其应用

传统的正交信号用于码分多址（CDMA）通信系统时，由于多址接入时延和信道多径时延影响，信号间的正交性将不可避免地因相对时称而受到不同程度的破坏，从而严重影响通信性能，降低系统容量。作者提出的广义正交新概念，使得信号之间可以在一个区域内正交，而不是传统的单点正交，基于这一概念，可以构造出适用于准同步CDMA（QS－CDMA）通信且性能优异的广义正交扩频码本文阐述了这一广义正交新理论，给出了相应的广义正交信号设计和理论界，并讨论了在QS－CDMA通信系统中的应用。     

用于混沌同步的非线性观测器的稳定性分析

首先讨论了时间连续驱动混沌同步非线性观测器的线性化误差动力学方程的稳定性,给出了关于观测器渐近稳定性的判别准则.[KG*2]随后通过理论分析和数值仿真发现,在时间离散驱动下,只要满足一定条件,观测器与原系统仍有可能达到同步,而不管在连续驱动时是否有渐近稳定的同步观测器存在. 最后推导出了时间离散驱动时混沌同步非线性观测器的渐近稳定性的判别准则,仿真实验结果验证了该准则的正确性.     

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.     

用于多天线通信系统的自适应波束形成与空时块码相结合方案

针对多天线通信系统,提出了一种将自适应波束形成(ABF)与空时块码(STBC)相结合的下行链路发射方案.首先基于STBC所产生的等效加权加性Gauss白噪声(AWGN)信道模型,求得接收平均信噪比(SNR)最大化条件下的发射端自适应波束形成权矢量.接着以常用的3大类调制方式下的误符号率(SER)上界为准则,设计出各个波束间的最优功率分配算法.该发射方案实际上是对应于信道自相关矩阵的特征波束形成,同时结合空时编码以获得分集增益,从而提高无线通信下行链路的性能.此外,基于矩生成函数(MGF)和Gauss-Chebyshev积分,还提出了一种简单而精确的数值计算方法,用来分析采用新方案的通信系统在常用调制方式下的性能.最后计算机仿真结果验证了新方案的性能优于常用的空时块码和现有相关文献上介绍的方法.     

特定区域密集观测的低轨卫星星座最优设计方法

利用较少数目低轨卫星构建星座实现对特定区域的密集观测任务是2016年第8届中国力学学会全国空间轨道设计竞赛乙组题目的主要内容.本文描述了中国科学院空间应用工程与技术中心的设计方法与结果(该设计结果获得本届竞赛一等奖).针对地面特定区域内225个目标点重访周期小于1 h的观测需求,采用了基于多条共星下点轨迹构建卫星星座的设计方法,旨在使得所需要的低轨卫星颗数最少.星座设计方法包括建立"圆形回归轨道-目标点"数据库、全局搜索可观测所有目标点的圆形回归轨道以及共星下点轨迹卫星星座轨道参数求解等3个主要步骤.设计结果验证了该方法在求解较少卫星颗数、地面特定区域多目标点密集观测问题的有效性.该设计方法有望拓展为低轨卫星星座设计的一类通用方法.     

低轨道(LEO)宽带卫星网络最短路由优化算法

宽带卫星网络不仅能提供全球范围内的覆盖而且能提供广泛多样的不同种类和服务质量的数据通信业务，由低轨道（LEO）卫星簇组成的星座网络由于具有较短的端到端的时延以及更宽的带宽的优点，越来越为人们所重视，但针对LEO卫星星座网络而特别设计的简单有效的路由算法却是急待解决的问题，从LEO卫星星座网络抽象出一种新颖的三维球面网格拓扑结构，即蜘蛛型拓扑网络（SWTN），并提出了基于SWTN的分布式分组路由算法，本算法具有非常低的星上计算复杂度以及不需要星上路由表的特点，非常适合星上处理，通过仿真可以得到本路由算法的性能。     

多电厂频繁低幅次同步振荡的现象模拟及抑制措施研究

频繁超过发电机轴系疲劳累积阈值的低幅次同步振荡会大幅降低机组轴系的服役年限,是近年来出现的次同步振荡新问题.以呼盟系统为研究对象,根据实际录波分析了多电厂机组出现频繁超标低幅次同步振荡的根本原因.计算了电气阻尼对次同步扭振相互作用环节中主要电气参量的敏感度,基于此提出了在触发角上施加扰动激励模态振荡的仿真方法.基于呼盟系统电磁暂态仿真模型,对宽带通和窄带通SSDC抑制该类型次同步振荡问题的局限性进行了分析.从响应时间和阻尼转矩提供能力两方面对比了SEDC与机端并联型FACTS装置的差异.分析表明,二者的响应时间较为接近,而FACTS装置提供阻尼转矩的能力却远强于SEDC.采用时域仿真法对比了SEDC,SVC以及STATCOM的抑制效果.综合考虑抑制效果和占地面积等因素,推荐STATCOM为优选的抑制方案.提出了适用于实际工程应用的级联型STATCOM的控制策略,对其抑制容量和输出特性进行了分析.结果表明,采用所提出的控制策略的STATCOM在较小容量下具有较好的抑制效果和输出特性.     

利用MODIS对CBERS-02卫星CCD相机进行辐射交叉定标

CCD相机数据的应用是CBERS-02为国民服务的重要部分,而提供长期稳定的绝对辐射定标系数是其应用的关键.试验场定标法是一种有效的方法,但该方法需要地面同步测量数据,提供的定标系数数量不可能很多,且该方法不能对历史数据进行定标.交叉定标是解决该问题的有效方法之一.但目前该方法对同步测量数据的依赖性较大.模拟分析各种因素对光谱匹配因子的影响.结果表明地物的光谱匹配因子受大气条件、传感器观测几何条件及地物类型的影响.但是在环境一样时,不同时期或测区获取的同类型地物的光谱匹配因子相对稳定,可代替同步测量数据来模拟光谱匹配因子.基于该方法,利用MODIS数据对CCD数据进行交叉定标,研究发现CCD各波段都存在偏移量,传统的单点定标法不适用于CCD的辐射定标.文中以多点交叉定标法计算获取各波段偏移量,并获得了时间序列图像的定标系数,发现CCD传感器响应随时间衰减.     

一种基于同步动力学模型的层次聚类方法

本文基于建模同步动力学行为的Kuramoto模型提出了一种新的有效层次聚类方法.本文提出的方法基于局部邻域的概念,能够实现稳定的局部同步聚类.通过不断扩大对象同步的邻域半径,所提出的方法能够实现层次化的同步聚类.此外,提出对象邻域闭包的概念,在对象间到达完全同步之前就能预测出聚类的形成,从而减少对象动态交互的时间.本文的方法不依赖于任何数据分布假设,无需任何手工参数设置,可以检测出任意数量、形状和大小的聚类.由于同步过程能够有效地规避离群点,该方法有较强的噪声数据抑制能力.在大量真实数据集和人工合成数据集上的实验结果表明本文的方法聚类准确率高,且运行时间较同类基准算法显著缩短.     

环境一号B星红外多光谱相机综合辐射定标

环境一号B星红外多光谱相机(简称HJ-1B星IRS)在轨运行过程中受各种因素的影响,其探测性能不断发生衰减,绝对辐射定标可有效地改善遥感器辐射特性的测量精度,从而提高遥感数据辐射质量.文中针对HJ-1B星IRS星上定标系统特点,利用2010年8月地面同步试验数据对IRS热红外通道进行综合辐射定标,修正了原始定标系数,并进行定标系数的真实性检验.结果表明借助地面试验数据进行的综合辐射定标弥补了星上定标系统的不足,获得的定标系数准确可靠,可满足遥感数据定量化应用的需要.     

星敏感器星点聚类提取方法

星敏感器现有的星点提取方法运算时间长、存储需求大,从而限制星敏感器姿态初始捕获时间、轻小化等性能指标的提高.针对以上问题,提出了一种星敏感器星点聚类提取方法.首先,介绍和分析了星点聚类提取方法中的预处理滤波算法和聚类算法;然后,给出了该方法在北京控制工程研究所新研小型星敏感器中的实现方式和实现效果,该星敏感器在探月三期月地高速再入返回飞行器中成功实现了首次在轨飞行实验;最后,通过星敏感器观星实验对星点传统提取方法和星点聚类提取方法进行了比对验证,并通过小型星敏感器在轨飞行实验对星点聚类提取方法进行了在轨验证.实验显示,该方法提取星点所需时间最大约为传统方法的16%,星图存储需求不到传统方法的1%,且星点提取正确,在轨表现良好.结果表明,星敏感器星点聚类提取方法能有效减小星点提取所需时间,不需大容量星图存储器件,且逻辑简单、移植性好,适用于各类光学成像敏感器.