2018年 第5卷 第2期
2018, 5(2): 99-114.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.001
摘要:
我国深空测控系统是伴随着探月工程“绕”“落”“回”三步走战略的实施，从突破关键技术、初步建成系统到系统完善，逐步建立起来的，火星探测工程的实施将进一步带动深空测控系统能力的建设。站在历史的视角，从顶层设计、关键技术攻关和系统建设等方面，回顾了我国深空测控系统从无到有的发展历程，并结合未来深空测控技术的发展，对我国深空测控系统的发展前景进行了展望。
我国深空测控系统是伴随着探月工程“绕”“落”“回”三步走战略的实施，从突破关键技术、初步建成系统到系统完善，逐步建立起来的，火星探测工程的实施将进一步带动深空测控系统能力的建设。站在历史的视角，从顶层设计、关键技术攻关和系统建设等方面，回顾了我国深空测控系统从无到有的发展历程，并结合未来深空测控技术的发展，对我国深空测控系统的发展前景进行了展望。
2018, 5(2): 115-123.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.002
摘要:
在欧洲空间局和日本宇宙开发机构联合开展的BepiColombo水星任务中，将开展水星轨道器无线电科学实验，包括估计水星的引力场及其旋转状态，并对广义相对论进行验证。目前地面系统和星上设备的主流配置可以在无线电科学实验中建立X/X、X/Ka和Ka/Ka多个频段的链路，测速精度可达3 um/s（1 000 s积分），测距精度为20 cm。提出了基于时延机械噪声对消技术提高无线电科学实验性能的方案。时延机械噪声对消技术需要处理在两个测站不同时刻的测量数据，一个测站实施双向多普勒测距，对另一个单收测站的要求较为严格，该测站需要具有较好的对流层条件。这种方法能够显著降低Ka频段双向链路的主要测量噪声，包括由对流层和天线机械系统震动引起的噪声。我们给出了端到端的仿真性能，并估计了在使用时延机械噪声对消技术前提下的水星引力场和旋转状态。考虑使用NASA位于美国本土戈尔德斯敦的DSS-25天线或欧空局位于阿根廷马拉圭的DSA-3天线作为双程测量站，并考虑使用位于智力的APEX天文观测天线作为单收站。分析结果表明在最好的噪声条件下，使用DSA-3天线作为双程测量站时，时延机械噪声对消技术可将待估计的全局和局部参数的估计精度提升一倍。对于无线电科学实验的目标，这一可能的性能提升对行星地质物理学很有意义，它将有益于研究水星内部的结构。
在欧洲空间局和日本宇宙开发机构联合开展的BepiColombo水星任务中，将开展水星轨道器无线电科学实验，包括估计水星的引力场及其旋转状态，并对广义相对论进行验证。目前地面系统和星上设备的主流配置可以在无线电科学实验中建立X/X、X/Ka和Ka/Ka多个频段的链路，测速精度可达3 um/s（1 000 s积分），测距精度为20 cm。提出了基于时延机械噪声对消技术提高无线电科学实验性能的方案。时延机械噪声对消技术需要处理在两个测站不同时刻的测量数据，一个测站实施双向多普勒测距，对另一个单收测站的要求较为严格，该测站需要具有较好的对流层条件。这种方法能够显著降低Ka频段双向链路的主要测量噪声，包括由对流层和天线机械系统震动引起的噪声。我们给出了端到端的仿真性能，并估计了在使用时延机械噪声对消技术前提下的水星引力场和旋转状态。考虑使用NASA位于美国本土戈尔德斯敦的DSS-25天线或欧空局位于阿根廷马拉圭的DSA-3天线作为双程测量站，并考虑使用位于智力的APEX天文观测天线作为单收站。分析结果表明在最好的噪声条件下，使用DSA-3天线作为双程测量站时，时延机械噪声对消技术可将待估计的全局和局部参数的估计精度提升一倍。对于无线电科学实验的目标，这一可能的性能提升对行星地质物理学很有意义，它将有益于研究水星内部的结构。
2018, 5(2): 124-128,146.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.003
摘要:
针对深空测控通信任务中，空间时延和地球自转使大型地面天线窄波束不能覆盖对应的轨道区域导致的通信链路质量恶化甚至中断的问题，提出了在波束波导馈电的多反射面天线中，通过改变收发馈源位置使上下行波束峰值分离并指向不同的位置实时改善通信链路质量的方法，给出了波束波导馈电系统中馈源位置与波束分离以及增益损失的关系。该方法可以准确地预计并通过改变上行发射馈源的相对位置，使上下行波束按照要求指向不同的位置以减小天线上行链路增益损失。以35 m深空测控通信天线为例进行仿真，在Ka波段34 GHz频率，当上下行链路波束分离达0.032 72°时，增益损失小于4.25 dB。该方法也可用于确定馈源的位移量来修正由于反射面天线结构变形或复杂的多反射面系统镜面位置误差等造成的天线波束误差。
针对深空测控通信任务中，空间时延和地球自转使大型地面天线窄波束不能覆盖对应的轨道区域导致的通信链路质量恶化甚至中断的问题，提出了在波束波导馈电的多反射面天线中，通过改变收发馈源位置使上下行波束峰值分离并指向不同的位置实时改善通信链路质量的方法，给出了波束波导馈电系统中馈源位置与波束分离以及增益损失的关系。该方法可以准确地预计并通过改变上行发射馈源的相对位置，使上下行波束按照要求指向不同的位置以减小天线上行链路增益损失。以35 m深空测控通信天线为例进行仿真，在Ka波段34 GHz频率，当上下行链路波束分离达0.032 72°时，增益损失小于4.25 dB。该方法也可用于确定馈源的位移量来修正由于反射面天线结构变形或复杂的多反射面系统镜面位置误差等造成的天线波束误差。
2018, 5(2): 129-139.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.004
摘要:
创新通信技术在国家重大空间技术开发计划中有着巨大的需求。本文综述了基于网络编码的空间通信技术，旨在探索未来基于网络编码的空间通信技术的可行性和潜力。首先讨论了空间通信的特点，并给出了不同编码方法的概述；详细介绍了基于网络编码的批量稀疏编码（BATS码）创新技术。BATS码作为一种潜在的应用技术可以很好地解决多跳中继网络中严重丢包问题；给出一个BATS码原型设计和实现，实验结果证明BATS码比现有技术具有明显优势；最后，讨论了BATS码在空间通信中的应用前景。
创新通信技术在国家重大空间技术开发计划中有着巨大的需求。本文综述了基于网络编码的空间通信技术，旨在探索未来基于网络编码的空间通信技术的可行性和潜力。首先讨论了空间通信的特点，并给出了不同编码方法的概述；详细介绍了基于网络编码的批量稀疏编码（BATS码）创新技术。BATS码作为一种潜在的应用技术可以很好地解决多跳中继网络中严重丢包问题；给出一个BATS码原型设计和实现，实验结果证明BATS码比现有技术具有明显优势；最后，讨论了BATS码在空间通信中的应用前景。
2018, 5(2): 140-146.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.005
摘要:
研究了国外深空测控无线电测距和测速的最新进展，包括欧洲空间局（European Space Agency，ESA）和美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的深空测控系统测量精度提升计划。结合总体单位的X频段试验测试数据，分析了目前我国深空测控系统无线电测距测速现状，从测量设备层面以及空间传输等方面，包括目前深空站采用的超窄带锁相环以及提高到500 kHz的测距主音等措施，对测距测速的误差源进行了分析，探讨了测距和测速精度提升的主要制约因素。结合我国深空测控系统发展规划，给出了后续深空测控无线电测量的发展建议，结合相关课题研究成果，重点分析了多频链路和实时标校技术的可行性及具体效果。
研究了国外深空测控无线电测距和测速的最新进展，包括欧洲空间局（European Space Agency，ESA）和美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的深空测控系统测量精度提升计划。结合总体单位的X频段试验测试数据，分析了目前我国深空测控系统无线电测距测速现状，从测量设备层面以及空间传输等方面，包括目前深空站采用的超窄带锁相环以及提高到500 kHz的测距主音等措施，对测距测速的误差源进行了分析，探讨了测距和测速精度提升的主要制约因素。结合我国深空测控系统发展规划，给出了后续深空测控无线电测量的发展建议，结合相关课题研究成果，重点分析了多频链路和实时标校技术的可行性及具体效果。
2018, 5(2): 147-153,167.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.006
摘要:
概述了空间激光测距通信一体化技术的研究现状，提出了一种激光精密测距与高速通信一体化技术，基于双向单程测距原理，在BPSK外差相干激光通信的基础上，采用码元相位测量实现了激光测距与通信一体化设计，并完成了地面实验验证。实验结果表明：在通信码速率1 Gbit/s的情况下，其测距精度优于0.9 mm，并分析了参考时钟频差对测距精度的影响。最后对激光测距通信一体化技术在未来深空探测中的应用进行了探索研究。
概述了空间激光测距通信一体化技术的研究现状，提出了一种激光精密测距与高速通信一体化技术，基于双向单程测距原理，在BPSK外差相干激光通信的基础上，采用码元相位测量实现了激光测距与通信一体化设计，并完成了地面实验验证。实验结果表明：在通信码速率1 Gbit/s的情况下，其测距精度优于0.9 mm，并分析了参考时钟频差对测距精度的影响。最后对激光测距通信一体化技术在未来深空探测中的应用进行了探索研究。
2018, 5(2): 154-161.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.007
摘要:
轨道器精密定轨与着陆器的精确定位在深空探测任务中具有非常重要的科学意义。对一种月球与火星探测多程微波测量链路的定轨定位能力进行了初步仿真分析，推导了这种多程微波测量链路的测量模型，分析了该模型的优势。模拟仿真分析结果表明，此测量跟踪模式的数据具有提升轨道精度的潜在能力，并且同时求得着陆器的位置。定量分析表明，在考虑坐标系转换误差，重力场误差，行星历表误差以及星上转发误差的情况下，模拟1 mm/s的噪声，对于月球探测器来说，轨道器的定轨精度可达几米，着陆器的定位精度有望达到分米量级；对于火星探测器来说，轨道器的定轨精度可达到数10 m，着陆器的定位精度可达到几米。
轨道器精密定轨与着陆器的精确定位在深空探测任务中具有非常重要的科学意义。对一种月球与火星探测多程微波测量链路的定轨定位能力进行了初步仿真分析，推导了这种多程微波测量链路的测量模型，分析了该模型的优势。模拟仿真分析结果表明，此测量跟踪模式的数据具有提升轨道精度的潜在能力，并且同时求得着陆器的位置。定量分析表明，在考虑坐标系转换误差，重力场误差，行星历表误差以及星上转发误差的情况下，模拟1 mm/s的噪声，对于月球探测器来说，轨道器的定轨精度可达几米，着陆器的定位精度有望达到分米量级；对于火星探测器来说，轨道器的定轨精度可达到数10 m，着陆器的定位精度可达到几米。
2018, 5(2): 162-167.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.008
摘要:
针对深空测控通信系统中，接收端收到的载波信号信噪比极低的特点，提出了一种时分复用的二维FFT载波捕获方法。该方法在降低资源消耗的情况下，能够有效实现低信噪比条件下的载波捕获。仿真实验表明，使用此种方法，能够在载噪比为17 dBHz的条件下，完成对载波频偏最大为100 kHz、载波频率变化率最大为100 Hz/s的载波信号的快速捕获，是一种兼顾性能和工程应用的捕获方法。
针对深空测控通信系统中，接收端收到的载波信号信噪比极低的特点，提出了一种时分复用的二维FFT载波捕获方法。该方法在降低资源消耗的情况下，能够有效实现低信噪比条件下的载波捕获。仿真实验表明，使用此种方法，能够在载噪比为17 dBHz的条件下，完成对载波频偏最大为100 kHz、载波频率变化率最大为100 Hz/s的载波信号的快速捕获，是一种兼顾性能和工程应用的捕获方法。
2018, 5(2): 168-174.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.009
摘要:
分布式天线组阵是指利用现有的天线资源，使用较低成本实现超大的天线口径。针对分布式天线组阵中，不同口径天线接收信号信噪比差异较大，任意天线是否均可引入天线阵中，加入较低接收信噪比的信号进行组阵合成能否提高最终合成信号的误码率性能等问题，提出了分布式天线组阵的优选准则。该准则依据载频、时延以及相位这三者估计算法的性能及其克拉美罗性能下界，证实当接收信号信噪比低于载频估计的异常值效应门限时，受载频差估计精度急剧恶化的影响，将该信号加入天线阵中进行合成将引起最终合成信号误码率性能的恶化。系统仿真算例验证了结论的正确性，为我国未来深空探测任务提供可靠的保障。
分布式天线组阵是指利用现有的天线资源，使用较低成本实现超大的天线口径。针对分布式天线组阵中，不同口径天线接收信号信噪比差异较大，任意天线是否均可引入天线阵中，加入较低接收信噪比的信号进行组阵合成能否提高最终合成信号的误码率性能等问题，提出了分布式天线组阵的优选准则。该准则依据载频、时延以及相位这三者估计算法的性能及其克拉美罗性能下界，证实当接收信号信噪比低于载频估计的异常值效应门限时，受载频差估计精度急剧恶化的影响，将该信号加入天线阵中进行合成将引起最终合成信号误码率性能的恶化。系统仿真算例验证了结论的正确性，为我国未来深空探测任务提供可靠的保障。
2018, 5(2): 175-181.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.010
摘要:
针对未来深空测控及其他航天器测控通信业务不断拓展的需求，设计了一种基于速调管方案的X频段连续波高功放。该方案采用了高效率低电源纹波的模块化高压开关电源、集中式液体冷却设备、串联与并联相结合的高功率谐波和收阻滤波器，以及高速可靠的控保措施，实现了在深空X频段连续波高功率输出的技术能力。测试结果表明：在规定的带宽内，输出连续波功率达到了50 kW，最高可达60 kW以上，第2、3、4次谐波及接收频段内信号的抑制能力等主要指标都达到了预期目标，整机散热效果理想；经长时间连续加电考机表明：设备考核指标和工作状态都稳定可靠。这将为我国深空探测技术的进一步发展、探测能力的进一步提高奠定坚实基础。
针对未来深空测控及其他航天器测控通信业务不断拓展的需求，设计了一种基于速调管方案的X频段连续波高功放。该方案采用了高效率低电源纹波的模块化高压开关电源、集中式液体冷却设备、串联与并联相结合的高功率谐波和收阻滤波器，以及高速可靠的控保措施，实现了在深空X频段连续波高功率输出的技术能力。测试结果表明：在规定的带宽内，输出连续波功率达到了50 kW，最高可达60 kW以上，第2、3、4次谐波及接收频段内信号的抑制能力等主要指标都达到了预期目标，整机散热效果理想；经长时间连续加电考机表明：设备考核指标和工作状态都稳定可靠。这将为我国深空探测技术的进一步发展、探测能力的进一步提高奠定坚实基础。
2018, 5(2): 182-187.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.011
摘要:
针对上行天线组阵技术对高稳定度射频信号的需求，提出了一种适用于上行天线组阵技术的光纤稳相传输试验方案。基于光纤延迟线的闭环稳相传输系统通过双向传输侧音信号，对光纤链路相位抖动进行监测并闭环补偿。阐述了试验原理和方法，搭建了桌面演示试验系统。试验结果表明，1 km光纤温度变化达到40 ℃时，射频信号通过该系统后相位抖动不超过1°，从而说明利用该技术可以有效补偿光纤射频传输系统的相位抖动，满足上行天线组阵技术对高稳定度射频信号的需求。
针对上行天线组阵技术对高稳定度射频信号的需求，提出了一种适用于上行天线组阵技术的光纤稳相传输试验方案。基于光纤延迟线的闭环稳相传输系统通过双向传输侧音信号，对光纤链路相位抖动进行监测并闭环补偿。阐述了试验原理和方法，搭建了桌面演示试验系统。试验结果表明，1 km光纤温度变化达到40 ℃时，射频信号通过该系统后相位抖动不超过1°，从而说明利用该技术可以有效补偿光纤射频传输系统的相位抖动，满足上行天线组阵技术对高稳定度射频信号的需求。
2018, 5(2): 188-200.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.02.012
摘要:
随着航天技术的发展，卫星的微型化对热控技术提出了挑战。可变发射率热控器件作为一种重要的航天器热控技术，对于航天器减小负载和体积，适应复杂多变的空间热环境具有重要的意义。基于热致变色技术的智能可变发射率热控器件可以根据环境温度实现智能热控，其结构简单，能最大限度地减小热控系统的体积和质量，是一种非常有潜力的航天器热控技术。概述了主动型和被动型两类可变发射率热控器件的基本原理和进展，并对钒氧化物基热致变色可变发射率热控器件的研究进展、存在问题予以了重点介绍,展望了未来航天器用可变发射率热控器件的发展趋势。
随着航天技术的发展，卫星的微型化对热控技术提出了挑战。可变发射率热控器件作为一种重要的航天器热控技术，对于航天器减小负载和体积，适应复杂多变的空间热环境具有重要的意义。基于热致变色技术的智能可变发射率热控器件可以根据环境温度实现智能热控，其结构简单，能最大限度地减小热控系统的体积和质量，是一种非常有潜力的航天器热控技术。概述了主动型和被动型两类可变发射率热控器件的基本原理和进展，并对钒氧化物基热致变色可变发射率热控器件的研究进展、存在问题予以了重点介绍,展望了未来航天器用可变发射率热控器件的发展趋势。
