XNAV中的相对论效应（Ⅲ）——时空测量值的坐标转换

在文献[1-3]中求得的XNAV基本方程中,时间和距离是指太阳质心系(BCRS)中的坐标量.但在实际测量中,接收机测量的时间是时钟的固有时,接收机的位置一般应以地心系(GCRS)为基准.在相对论框架内完成这两个坐标转换,使得XNAV测量方程能够直接得到应用.最后给出了完整的XNAV高精度测量方程及其在实际测量中的计算过程.     

XNAV中的相对论效应（Ⅱ）——光线弯曲和引力延缓

详细讨论了XNAV基本方程中的广义相对论效应之一脉冲星到观测者的光线弯曲和传播时间的引力延缓.计算出1PN度规下的光线弯曲轨迹和时间延缓以及2PN度规下的引力延缓,文中得到的结论是对现行公式的修正.     

XNAV中的相对论效应(II)——光线弯曲和引力延缓

详细讨论了XNAV基本方程中的广义相对论效应之一:脉冲星到观测者的光线弯曲和传播时间的引力延缓。计算出1PN度规下的光线弯曲轨迹和时间延缓以及2PN度规下的引力延缓,文中得到的结论是对现行公式的修正。     

X射线脉冲星自主导航的基本测量原理

介绍美国军方正在研制中的X射线脉冲星自主导航系统(XNAV),应用广义相对论的时空理论,分析了它的基本测量原理及其在军事上的功能。     

机载测角三维无源定位的建模与算法分析

在机载测角三维无源定位应用中 ,采用载机NED (North_East_Down)坐标系作为状态坐标系、选在此坐标系中的目标位置坐标作为状态变量建立状态方程 ,采用测量系统天线坐标系为测量坐标系建立测量方程 ,两个坐标系以载机姿态角相关联。本文在此坐标框架下 ,通过对三个定位模型和四个定位算法的分析和仿真比较 ,确定了更适合于机载测角三维无源定位应用的模型和算法。     

X射线脉冲星导航的时延和频偏参量估计

X射线脉冲星导航(X-ray pulsar-based NAVigation,XNAV)的原始导航信息是航天器接收的X光子时间序列,在折叠过程中估计出观测脉冲轮廓与相应标准轮廓的时延、频偏和频偏变率等参量,是XNAV的关键问题.首先给出光子数序列等相位点的时间关系,利用Larsson周期折叠法和相干函数法求初步近似;然后采用最小二乘法求高级近似,并利用循环迭代得到较为精确的频偏和时延估计值.初步仿真试验结果表明:即使不进行消噪和平滑处理,该方法也可以获得高精度的估计参数.虽然这一算法较为复杂,但它证明了XNAV的导航方法是完全可行的.     

单星对卫星的仅测角被动定轨跟踪方法研究

针对单星对卫星被动定轨时使用经典轨道根数作为状态变量可能存在奇点且测量方程变量及相应坐标转换缺乏物理意义等问题,提出一种新的基于J2000.0惯性系的单星对卫星扩展Kalman滤波仅测角被动定轨跟踪方法,并对测量方程中的变量及其坐标转换进行明确定义;同时对状态预测方程、状态转移矩阵及测量雅可比矩阵进行详细推导,最后通过STK6.0仿真场景产生的数据对算法在不同初始状态误差和测角精度下的性能进行对比分析和仿真验证。多次仿真结果表明:该算法实现了单颗高轨卫星(准同步轨道)通过仅测量角度对圆轨道(e=0)低轨卫星辐射源的被动定轨和跟踪,当测角精度优于平均角度变化量时,滤波收敛所需时间及估计误差都大大减小,且该算法对滤波初始误差也具有较好的适应性。     

X射线脉冲星导航研究的若干问题

X射线脉冲星导航(X-ray pulsar-based NAVigation,XNAV)是继惯性导航、天文导航、卫星导航之后的一种新型导航技术,由于它可以为大气层外的任意航天器提供自主导航能力且具有诸多优势,近年来受到国内外研究者的极大重视和深入研究.XNAV的研究内容包括相对论框架下的大尺度时空基准和导航模型、X射线脉冲星辐射机制和观测特性、X射线探测器的探测能力和X光子谱的信号处理、动态航天器导航方法和数据处理程序等多个领域,目前已经取得一些阶段性成果.在概述XNAV主要研究内容的基础上,对国内外相关文献中一些存在争议或者没有形成共识的问题提出了看法,对下一步需要解决的问题提出了建议,希望对我国XNAV的工程研究有所裨益.     

Vondrak-Cepek组合滤波在北斗共视和卫星双向时间比对融合中的应用

为减小卫星双向时间比对(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer, TWSTFT)中的周日效应,利用北斗共视链路没有周日效应的特点,通过Vondrak-Cepek组合滤波方法对中国科学院国家授时中心(National Time Service Center, NTSC)、德国物理技术研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)以及中国计量科学研究院(National Institute of Metrology, NIM)间的北斗共视时间比对结果分别与硬件卫星时间和距离测量设备(SAtellite Time and Ranging Equipment, SATRE) TWSTFT和软件接收机(Software-Defined Radio, SDR)TWSTFT结果进行了融合处理。采用时间偏差和幅值频谱两个指标以及GPS精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)时间比对分别对融合结果进行内外符合评估。结果表明,经过Vondrak-Cepek滤波的融合结果中周日效应基本消失,其与GPS PPP链路差值结果的绝对值保持在链路校准的不确定度范围内。对于长基线NTSC-PTB链路,融合结果1 d的时间偏差稳定度对SATRE和SDR TWSTFT的增益因子分别为1.85和1.81;对于短基线NTSC-NIM链路,融合结果对SATRE和SDR TWSTFT的增益因子分别为1.69和1.59。融合结果的短期稳定度显著提高。     

北斗系统新民用导航电文历书参数算法与性能分析

研究新公布的北斗民用导航电文中的两类历书与北斗二号导航电文历书的差异，对比分析各类历书对接收机首次定位时间的影响。利用实际的历书数据，比较不同历书类型的用户算法，分析不同龄期数据对接收机首次定位性能的影响。结果表明，高精度历书在1周的数据龄期内性能较为稳定，中等精度历书精度稍逊于高精度历书，但由于简化了电文空间，能接近高精度历书性能。简约历书进一步简化了参数数目和电文空间，尽管位置误差达到了数百千米，但却能在数月之后保持相应精度，有利于缩短接收机首次定位时间。     

XNAV中的相对论效应（Ⅰ）一引力频移和Doppler频移

详细讨论了XNAV(X射线源自主导航)中的广义相对论效应之一：脉冲星发射与观测者接收到X射线的引力频移和Doppler频移。在太阳质心系的1PN和2PN度规下,计算出引力和Doppler频移产生的时间误差,所得结论是对现行公式的修正。     

基于锁相环的GNSS授时接收机钟差校准算法

GNSS(全球卫星导航系统)授时接收机利用卫星导航信号获取钟差并校准本地时钟,从而与GNSS系统时间同步。提出了全新的基于锁相环的GNSS授时接收机钟差校准算法,将钟差校准过程等效为传统的锁相环模型,鉴相器的功能由PVT(位置、速度与时间)解算实现,压控振荡器的功能由本地时间调整接口实现,环路将本地秒相位与GNSS系统的秒相位锁定。分析了环路总误差的组成,以及环路参数与各误差项的关系,给出了误差最小的环路优化设计准则。在北斗二号卫星导航接收机平台上进行了对比实验,验证了算法的有效性。     

基于X射线脉冲星的Halo轨道卫星自主导航和控轨

讨论x射线脉冲星自主导航（X—raypulsar-basedautonomousnavigation,XNAV）技术应用于halo轨道卫星的可行性。给出halo轨道卫星的6维状态方程和基于x射线脉冲星导航的6维观测方程,对用x射线脉冲星导航和小推力方法控轨后的日地系第一平动点halo轨道卫星进行了数值模拟。结果表明：在现有的测量精度下,可以将卫星保持在标准轨道附近。最后对实验参数数值的选择给出了相应的分析讨论。     

水下无线传感器网络的节点精确定位

以无线传感器网络(WSN)水下应用为背景,针对特定的环境要求,提出了一种可实现网络规模升级的分布式无锚点网络节点自定位机制。该定位算法通过距离误差估计和分布式坐标计算方法,有效地减少了由于测量距离误差所带来的坐标计算误差和节点坐标计算所带来的通信开销,有利于网络节点能量的合理使用和大规模的WSN布放。通过试验仿真计算,验证了该定位机制的合理性,为水下WSN应用提供了有力的技术支持。     

提高近场测量系统隔离度的方法研究

近场电磁散射特性测量中,发射机发出的大功率信号直接或经反射后进入接收机,容易引起接收机阻塞;同时发射信号经功率放大器后波形改变出现较长的拖尾,拖尾信号与经过目标散射后的回波信号叠加后同时进入接收机,回波信号会受到严重影响。如果系统隔离度较差,以上问题将会导致接收机动态范围不足,系统测量能力受到制约。通过采用时域滤波、天线优化设计等给出了一种提高近场电磁散射特性测量收发隔离度、改善低RCS(radar cross-section)测量性能的设计方法。     

α粒子在高温高密度氘氚等离子体中输运和能量沉积率的有限元计算

α粒子在高温高密氘氚等离子体系统中输运时其角密度分布函数满足非定态Ｆｏｋｋｅｒ－Ｐｌａｎｃｋ方程。本文将一维球对称情况下的Ｆｏｋｋｅｒ－Ｐｌａｎｃｋ方程在时域离散时分离成速度与坐标方向的两个方程，再对此两个方程中的速度变量作多群化处理，坐标变量（包括运动方向变量）采用有限元方法处理，分别得到了两个有限元方程。通过对两个有限元方程的耦合求解，数值求解了α粒子角密度分布函数随时间的变化，据此分别计算了α粒子对背景等离子体中的离子、电子的能量沉积率以及α粒子对背景等离子体的总能量沉积率随时空的演化。     

也谈GPS的相对论效应

对于高精密度的军用GPS定位系统,必须考虑它的相对论效应。文章从广义相对论的角度讨论GPS的基本测量方程,并指出有关文献中关于卫星与接收机钟差的相对论效应的计算错误。     

冲压式翼伞开伞仿真计算

本文分析了冲压式翼伞开伞的特点,提出了一个展弦向二维开伞模型,建立了伞衣的径向运动方程。在推导系统运动方程和分离体运动方程的基础上,建立翼伞开伞仿真状态方程,用龙格-库塔法求解,给出开伞充满时间、开伞动载、翼伞速度和位置坐标等参数的变化值。本文提供的开伞仿真计算软件包,可用于各类冲压式翼伞的开伞仿真计算。     

STFT数字信道化的雷达脉冲参数测量改进算法

数字信道化技术是现代雷达侦测系统的重要组成部分,短时傅里叶变换(STFT)算法是实现数字信道化常用的一种算法。该算法所构建的数字滤波器组具有滤波特性一致、运算量少的优点,通过测量滤波器组的输出可以确定输入脉冲信号的参数,然而该算法对于接收机截取的脉冲信号与实际脉冲信号不匹配所测量的参数误差较大。为改善参数测量精度,提出了一种基于STFT信道化的雷达脉冲参数测量的改进算法,该方法在信道化基础上引进Haar小波变换对脉冲到达时间精确提取,通过相关累加对脉冲信号幅度精确测量。通过仿真分析验证了算法的有效性。     

三维模型大尺度坐标测量辅助设计与评估方法

针对大尺度产品三维模型坐标测量信息缺乏和面向任务坐标测量结果质量评价困难的问题,引入新一代产品几何量技术规范(GPS),提出了基于CATIA二次开发技术的坐标测量辅助设计方法,设计了CAD与CMM集成的XML数据结构,建立了坐标测量数据的UML模型;实现了符合新一代GPS要求的测量方案脚本化描述,开发了部分数据处理算法;提出了基于Monte Carlo方法的坐标测量不确定度评估方案和流程。基于以上技术开发了基于三维模型的大尺度坐标测量设计与评估系统并应用于飞机装配中的部件位姿测量,结果表明,设计的测量方案能够满足飞机柔性装配对接的要求,验证了上述方法的有效性。