武汉大学卫星地面站成功接收月球卫星信号

<正>近日,武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室深空探测器测距测速设施成功接收月球卫星信号,观测了美国月球卫星月球轨道器(LRO)和嫦娥三号着陆器。该研究团队带头人为李斐教授。团队对月球轨道器LRO的观测成功获取了多普勒测速数据,测速精度达mm/s的量级。对嫦娥三号着陆器进行的观测成功获取了着陆器载波和数传信号,针对载波信号的多普勒测速,     

深空探测器同波束相位参考成图相对定位方法

针对我国后续深空探测任务中高精度相对定位需求,提出了采用天文同波束相位参考成图技术进行深空探测器相对定位的方法。首先建立适用于深空探测器信号特点的同波束相位参考成图相对定位模型,然后分析信号带宽和UV覆盖两个因素对测量精度的影响。最后利用我国VLBI观测网(CVN)在2013年15、20和21日接收的嫦娥三号着陆器和玉兔号巡视器下行同波束数据,处理得到了巡视器在5个环拍点相对着陆器的位置,验证了本文方法的可行性及其对探测器下行信号的强适应性。与视觉定位结果的对比表明,巡视器相对着陆器定位精度达到米级。     

CE-5器间分离的同波束干涉测量的准实时监测法

“嫦娥5号”探测器的组成包括轨道器、返回器、着陆器和上升器。在环月阶段,两个组合体(轨道器/返回器组合体和着陆器/上升器组合体)之间的分离实时监测,是飞行控制的关键检测段。本文提出利用甚长基线干涉测量(VLBI)测轨技术实现绕月探测器器间分离实时监测。特别是在器间分离前后,本文方法能够利用探测器器间两路下行信号进行同波束干涉测量(SBI),差分时延测量能够提高器间相对距离的解算精度。单基线试验分析表明,本文方法基于实测数据的“嫦娥3号”着陆器两天线的相对距离解算精度优于0.3m,平均相对距离误差约为0.15m,基于“嫦娥5号”仿真数据的双阈值判定对器间分离监测的响应时延优于30s。     

稳健的多基线SAR干涉相位估计

针对传统多基线合成孔径雷达干涉相位估计方法存在稳健性不高、适应性不强的问题,该文提出一种稳健的多基线合成孔径雷达干涉相位估计方法。利用最大似然频率估计准则从最短基线干涉图中提取每一复像元随基线变化频率的粗略估计值,并把提取的粗略频率通过共轭复乘补偿给相应的抽样复干涉信号,来降低抽样复干涉信号频率,避免了干涉基线间隔过大导致的抽样复干涉信号频谱混叠现象,从而克服了干涉基线间隔对长基线干涉相位估计精度的限制。实验结果表明,该方法不受干涉基线间隔的限制,能较为精确地获得长基线干涉相位估计值,对多基线干涉合成孔径雷达技术应用拓展以及高精度地理信息系统构建等具有参考价值。     

GPS弱信号捕获算法研究

随着GNSS的广泛应用,许多新技术和新领域对GNSS弱信号捕获提出了新要求,其关键技术之一就是弱信号捕获跟踪算法的实现。在相干积分和非相干积分的基础上,通过相位补偿和时延修正、奇偶分路等方法,可以在盲搜索中捕获到比正常信号低25dB的弱信号,实现了对粗捕到的弱信号进行载波频率精化,并分别利用仿真数据和实测数据验证了算法的正确性。此外,分析了信号相位翻转对信号捕获的影响,对GNSS弱信号应用领域具有重要的参考价值。     

基于酉ESPRIT算法的极化干涉相位估计

目前SAR极化干涉测量地形参数已经成为一种新兴的前沿技术。在现有提取极化干涉相位的技术中,由空间谱估计理论发展而来的,利用MUSIC、TLS-ESPRIT算法获取干涉相位信息的方法正逐步完善起来。但由于SAR信号存在散射点的观测数据少的问题,利用上述方法往往不能得到更高精度的干涉相位。作者提出的基于酉ESPRIT算法估算干涉相位的方法,充分利用了复观测数据以及共轭数据中的信息,使得观测数据等效增加了一倍,从而提高了植被高度参数的估计精度。本文详细阐述了该方法的原理和实施步骤,并通过对SIR-C/X-SAR的L波段实际数据进行验证处理,表明酉ESPRIT算法十分有效。     

基于同波束VLBI测量对嫦娥五号卫星交汇对接的相对实时定位

嫦娥五号(CE-5)卫星调姿复杂,包括多次星上探测器分离及交汇对接,在两器分离或靠近阶段,我国甚长基线干涉网对其进行同波束测量。CE-5首次实现了月球距离上的卫星交汇对接。基于VLBI差分时延,本文采用差分定位方法首次实时测定了CE-5轨返组合体与上升器交汇对接过程中的相对位置。该方法能够更加直观快速地判断对接状态。CE5首次在月球以远的距离上对卫星实施月球轨道逃逸制动,本文采用瞬时状态归算方法实时监测了CE-5轨返组合体两次月地转移入射的制动过程,精确判断了轨道制动的状态,为后续深空探测的定位及轨道制动提供借鉴。     

基于功率和相位联合估计TLS-ESPRIT算法的极化干涉SAR数据分析

在推导各散射信号功率计算方法的基础上,提出基于功率和干涉相位联合估计的TLS-ESPRIT方法。因为干涉图像中的各主散射波和干涉相位能被分别估计,所以该算法可以利用同一分辨单元中不同散射机制后向散射信号功率的不同,将干涉相位分类实现散射中心分离。该方法通过提取两个占优势的相位得到两个高度,从而分别检测出森林的植被层和地表,特别是当散射波不相关并有不同的极化特性时,该方法有较好的性能,从而提高植被高度参数的估计精度。详细阐述该方法的原理和实施步骤,并通过对SIR-C/X-SAR的L波段实际数据进行分析处理,验证算法的有效性。     

车载双天线干涉SAR DEM提取方法

相对于星载和机载SAR而言,使用车载SAR数据提取DEM可有效缩短DEM数据更新周期,降低成本。由于车载SAR平台结构可变,干涉定标需要重复进行,本文提出了基于单控制点的车载双天线干涉SAR的DEM提取方法。该方法基于单个控制点的精确坐标信息进行相位、斜距和高程改正,并实现高程的迭代求解,无需布设大量控制点进行干涉定标,有效简化外业工作。仿真试验证明：当基线长度估计达到毫米级精度,基线倾角估计也达到较高的精度时,可保证该方法较高的DEM提取精度。利用2018年在湖北武汉地区获取的车载双天线干涉SAR数据使用该方法和基于干涉定标的多控制点方法进行DEM提取对比试验,结果表明该方法在检查点的高程中误差为0.301 8 m,多控制点方法为0.258 4 m,在高相干区域,两种方法的DEM结果具有高度的统一性。     

基于瞬时频率估计的InSAR相位解缠

相位解缠是InSAR处理的关键步骤,解缠结果的可靠性和稳定性影响着InSAR测量的性能。从干涉条纹频率与相位解缠结果之间的内在联系出发,推导了干涉条纹频率与干涉复数值之间的严密关系式,设计了基于瞬时频率估计的相位解缠方法,采用多套干涉数据获取的干涉图进行了相位解缠实验,验证了基于瞬时频率估计方法进行相位解缠的可行性。     

南极长城站建立深空测控站的可行性

在深空探测中,测控(跟踪)系统的有效运行是整个探测任务成功完成的重要保证。由于我国测控站都布设在国内,属于局部性分布,影响深空跟踪和测控的连续性和通信质量。本文提出在中国南极长城站建立深空测控站的设想,以当前热点的月球车巡视探测为例,从地-月通信的改善情况、南极长城站建站的地质条件、电磁环境、气候条件、交通运输后勤保障条件等方面分析了建站的可行性。研究表明:①对于国际主流探月国家所选取的月面探测区域月球南极,南极长城测控站的地-月通信受月面地形的影响要小于我国国内测控站,且测控时间与国内测控站可以实现互补,减小由于地球自转的影响;②南极长城站的地质条件、电磁环境和气候条件等适合于测控站的建设和使用;③南极长城站经过了30 a的建设,建站的各方面条件趋于成熟,逐步适合于深空跟踪站的建立。     

一种SINS/GPS深组合导航系统技术问题分析

为了满足高动态用户及强干扰条件下的应用需求,提出了一种基于卫星信号矢量跟踪的SINS/GPS深组合导航方法,设计了基于FPGA硬件平台的实施方案。利用组合卡尔曼滤波器反馈回路取代了传统接收机中独立、并行的跟踪环路,能够同时完成所有可视卫星信号的跟踪和导航信息处理;通过矢量跟踪算法对所有可视卫星信号进行集中处理,能够增强跟踪通道对信号载噪比变化的适应能力,从而提高接收机在强干扰或信号中断条件下的跟踪性能;根据SINS导航参数和星历信息推测GPS伪码相位和多普勒频移等参数,用以辅助卫星信号的捕获和跟踪,能够大大缩短接收机的搜索捕获时间,并增强接收机在高动态条件下的跟踪性能。基于矢量跟踪的深组合方法不仅在GPS信号短暂中断期间,能够保证系统的导航精度和可靠性,而且在强干扰环境中能够维持较好的伪码相位和载波频率跟踪性能。     

多普勒与伪码相位值结合的A-GPS快速定位算法研究

辅助全球定位系统通过蜂窝网基站提供给A-GPS接收机捕获辅助信息、辅助星历、时间与概略坐标,解决了微弱信号下的定位问题。从信号捕获到完成跟踪,解码导航电文需要经历相关锁定、相位锁定、比特同步、帧同步等过程,在信号很弱以至于无法实现帧同步、不能解调卫星TOW的情况下,常规定位算法无法实现定位。文中提出多普勒与伪码相位结合的A-GPS快速定位算法,利用伪码相位值进行伪距重构法消去整数毫秒伪距中隐含的公共误差,利用多普勒定位提供的初值保证初始位置和时间误差在0.5光毫秒以内,实现了粗时间、粗位置辅助下利用多普勒与伪码相位值的A-GPS快速定位。     

空间大地测量新技术及应用

随着空间及卫星定位技术的飞速发展,各种空间定位技术及应用也愈来愈多。简要介绍了甚长基线干涉测量(VLBI)技术、激光测月(LLR)技术、卫星激光测距(SLR)技术、卫星雷达测高技术、多普勒定轨和无线电定位系统(DORIS)、精密测距及其变率测量系统(PRARE)以及合成孔径雷达干涉测量(InSAR)等空间定位测量技术,重点阐述了GPS新技术及应用。     

顾及测量方式的地球自转参数差异性分析

随着甚长基线干涉测量(VLBI)、卫星激光测距(SLR)、激光测月(LLR)、全球卫星导航系统(GNSS)、多里斯系统(DORIS)等多种空间大地测量手段的使用,地球自转参数(ERP)的测量精度不断提高,为航天器导航、深空探测等诸多领域提供了高精度的国际天球参考系(ICRS)和国际地表参考系统(ITRS)之间的转换参数. 以国际地球自转与参考系服务发布的C04序列为基础序列,选取500天ERP序列,分析不同测量手段得到的ERP数据的误差分布情况,为研究利用不同数据之间的一致性进行精度检核的可行性及精度水平提供数据基础,同时也为ERP预报提供更多的数据选择.      

使用参照物的射电望远镜中心坐标测量方法

为满足新建射电望远镜在单站或多站联合进行的深空探测或射电天文观测对中心坐标精确测定的要求,提出一种利用已知精确中心坐标的望远镜作为参照物,测量地平式射电望远镜中心点坐标的方法和测量数据处理方法。这一方法对场地和设备的要求较低,能够得到毫米级或亚毫米级的位置精度。尤其适合对天线阵列的中心位置进行测量。对国家天文台密云观测站的40 m射电望远镜进行了中心坐标测量,位置均方根误差为2.312 mm,满足了后续的观测工作对其位置的需求。     

Ka波段天测与测地VLBI观测的利弊分析

分析了天测与测地甚长基线干涉测量（very long baseline interferometry,VLBI）观测频率设置的必要性,重点分析了Ka波段观测的利弊。相比于X波段,Ka波段观测的优点包括河外源更致密、核移效应更小,更有利于提高射电天球参考架的实现精度以及与天体物理学全球天体测量干涉仪（global astrometric interferometer for astrophysics,Gaia）计划准惯性光学参考架的连接精度。在深空探测方面的优点表现为遥测数据率高,VLBI跟踪测量精度高,更有利于减小大气电离层和太阳等离子体对测量时延的不利影响。缺点包括河外源相对较弱,天线反射面精度和指向精度要求较高,大气吸收和辐射效应的影响更大等,但是这些因素所造成的系统灵敏度的降低有望通过高数据率采样而得到补偿。结合我国VLBI技术现状提出了发展建议。     

Weak GPS signal tracking using FFT discriminator in open loop receiver

An open loop tracking architecture, which tracks GPS signals under weak and challenging conditions, is analyzed. The in-phase and quadrature-phase integration pair is regarded as a single tone complex signal. An FFT-based method is used as a frequency discriminator to estimate the Doppler frequency residual of the single tone signal. Another FFT-based method applies complex squaring to eliminate the effect of the navigation data bits polarities. The performance of the FFT-based discriminators is assessed in three criteria. Those criteria are the signal strength and dynamic range that can be tracked and the accuracy of the estimated Doppler frequency. In addition, the performance of the discriminators is analyzed to provide the theoretical and simulated peak detection probability. The results indicate that the FFT discriminator can track signals about 5 dB weaker than the signals that can be tracked by the complex squared FFT discriminator. In a quasi-static environment, the Doppler frequency residual can be assumed to be around zero, which can enable the FFT-based discriminators to track signals with approximately 2 dB less power. Moreover, the performance of the FFT-based discriminators is compared with the performance of two other frequency discriminators, namely the fast–slow and power-based. The comparison results indicate that these two frequency discriminators give higher frequency estimation accuracy, but they have a narrower dynamic range.     

罗兰-C小型有源接收天线设计与仿真

针对罗兰-C无线电导航信号接收需求,研究一种高性能的罗兰-C小型有源接收天线,可以减小天线体积和安装难度,方便罗兰-C导航接收机的使用,具有较高的实用意义.天线主体采用磁棒线圈天线接收长波频段罗兰-C信号,在天线内设计了包含放大电路、带通滤波电路、差分输出电路和供电电路在内的前端信号调理电路,从而增大信号灵敏度,提高信噪比;设计了一体化的天线结构,以便工程化应用.通过仿真和实测结果表明：该天线在工作频带内,可以全向高效接收罗兰-C信号,而且对接收到的微弱罗兰-C信号进行放大并滤除带外噪声,信号强度和信噪比满足使用要求.该天线具有体积小、灵敏度高、使用方便的特点,可应用于罗兰-C无线电导航,组合导航、附加二次相位时延计算等场景.