深空无线电开环测速技术与应用研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 陈略
|
| 答辩日期 | 2021-12-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 刘祥 |
| 关键词 | 深空探测,开环测速,多普勒频率,无线电科学,行星大气反演 |
| 学位名称 | 理学博士 |
| 学位专业 | 天体物理 |
| 其他题名 | Research on Deep Space Radio Open-loop Velocity Measurement Technology and Its Application |
| 英文摘要 | 深空探测任务以科学目标为牵引，通过发射特定深空探测器，探索研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状等科学问题。深空探测任务涉及技术与科学应用两大方向，其离不开地面深空测控系统的支持。无线电测量是支撑深空探测器轨道测定最重要技术手段，并可有效支持行星无线电科学研究。无线电测速在深空探测任务中发挥着不可替代的重要作用，尤其是当探测器围绕天体环绕飞行时，测速对于探测器精密定轨起着决定性作用。不断提高深空探测器测速的精度、可靠性与灵活性，是深空测控核心技术目标之一。无线电测速按照测量模式，可分为闭环测速与开环测速，本文重点研究深空开环测速技术，设计并实现在轨深空探测器观测试验，以实现测量精度高、可靠性强、灵活性好的测速目标。行星无线电科学（RS）是行星科学重要组成部分，深空开环测速技术为行星RS研究提供了优越的条件。通过探测器与测站间开环测量方式，精确检测信号相位、频率、幅度等变化，可用以开展行星大气、重力场等研究。本文聚焦深空开环测速技术与应用主题，一方面从关键技术上进行了攻关，另一方面探索开环测速技术在行星RS中的应用研究。主要开展以下几个方面研究，并获得了创新性研究成果。 （1）设计与实现了深空开环测速试验方案。本文系统地从探测器、空间环境、测站、信号等4个方面，就如何进行深空开环测速试验进行了创新性方案设计，并以一个实际的在轨深空探测器为例，实现了深空开环测速试验方案，为试验实施奠定了技术基础。 （2）提出了基于分段建模本地相关的深空开环测速信号处理方法。基于深空探测器下行主载波信号，研究综合应用FFT运算、线性调频Z变换（CZT）频谱细化、分段建模本地重构相关、高精度频率估计、测速观测量生成等全过程信号处理与数据处理算法，提出了适用于高动态、低信噪比条件下的高精度深空开环测速方法，并对该方法中的关键参数设置进行了详细阐述，并比对分析了传统基于锁相环（PLL）测速与深空开环测速差异。 （3）自主研发了深空开环测速软件。自主设计与实现了深空开环测速原型软件，按照模块化设计思路，将深空开环测速软件设计划分为：基频数字信号格式解析、参数配置、信号处理、测速观测量生成等4个软件结构单元，综合实现基于开环测量方式的探测器高精度测速。该软件具有测量精度高、可靠性强、灵活性好特点。 （4）开展了多个地外行星在轨探测器开环测速试验与效果评估。1）实现了国内首次地-木距离上探测器的跟踪与测量试验，对朱诺木星探测器进行了开环测速试验，测速精度约为13mHz（1s积分），与美国深空网测速精度相当，有效验证了中国深空测控系统关键技术；2）实现了国内首次地球-土星距离上探测器的成功跟踪与测量试验，对卡西尼探测器进行了开环测速试验，在国内首次获得了深空探测器坠入地外行星大气全过程测速数据，为土星大气等无线电科学研究提供了高精度测量数据支持；3）实现了对于火星快车、天问一号火星探测器的高精度开环测速试验。火星快车开环测速精度达到0.05mm/s（1s积分），通过比对表明，对火星快车开环测速精度达到国际先进水平，达到目前国内最高的深空探测器测速精度。针对天问一号的测量，深空开环测速精度优于深空站基带测速精度2倍以上；4）实现了深空开环测速技术在月球探测器轨道测量中的应用。嫦娥四号中继星开环测速试验中，开环测速精度达到0.1mm/s，优于0.3mm/s深空站基带测速精度；5）开展了深空开环测速观测量支持精密定轨试验，并有效验证了测速观测量能独立支撑环绕型深空探测器精密定轨。 （5）研究了基于测轨技术与基于无线电掩星技术的行星中性大气密度反演的方法和计算过程。调研分析了地外行星中性大气探测研究进展。提出了基于开环测速结果反演行星中性大气密度方法，给出了详细的推导计算过程；并阐述了基于无线电掩星技术的行星中性大气密度反演方法与步骤。 （6）实现了土星上层中性大气密度反演。基于中国深空站的开环测速结果，采用基于测轨技术的行星中性大气密度反演方法，有效反演了距离土星1个大气压（1 bar）表面76000km至1400km高度范围上，土星中性大气质量密度变化范围为1.410-15kg/cm-3至2.510-14 kg/cm-3，反演不确定为40%。 （7）开展了国内首次基于天问一号的火星大气无线电掩星试验。成功开展了基于天问一号的火星大气无线电掩星观测试验，以开环测量方式，有效获取了掩星全过程高精度测量数据，并在信号处理结果中发现了明显的掩星特征，为后续进一步火星中性大气密度反演科学研究奠定了基础。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 105 |
| 源URL | [http://ir.xao.ac.cn/handle/45760611-7/5154]  |
| 专题 | 研究生 |
| 作者单位 | 北京航天飞行控制中心 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈略. 深空无线电开环测速技术与应用研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：新疆天文台
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