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星载高精度测距与时间同步技术研究

王竹刚

  本论文的研究内容的项目背景,是某绕月低频干涉测量卫星编队项目。通信、测距、时间同步(Communication,Ranging&Synchronization,CRS)是卫星编队进行干涉测量的前提条件,被视为有效载荷协同工作领域的关键技术之一。根据本论文的调研工作,有比较多的星间链路实现了通信功能,也有比较多的项目实现了非常高精度(200km距离达到1~2mm精度)的星间测距,较高精度的时间同步(优于1ns,现处于研究阶段)。但是,这些功能的实现,都还只是单一的功能,不能够在单一的射频链路上,同时完成完整的CRS功能。本论文所依托的项目,对卫星的体积、重量、功耗等都有严格的限制,同时,CRS设备还需要受到飞行器轨道、功耗等限制条件,不能够采用GNSS授时、温控等技术提高测量和后处理的精度。本文重点研究了同时满足上述约束要求的CRS一体化的星间链路方案,该项目的CRS系统需要达到的指标为:1~10km距离下,同时完成1Mbps信源速率的传输,1m的测距精度和3.3ns的时间同步精度。本论文首先研究了一体化CRS技术的信号体制:采用可以兼具数传、测距一体化的GMSK+PN(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying+Pseudo Noise)调制。它可以在兼顾高码率数传的条件下,完成较高精度的测距和时间同步,本文对此种调制解调方式的调制参数的设置、数传信号解调、测距信号分离和测距信号解调等进行了深入研究。本论文提出了一体化CRS技术在提供同步的、低抖动的参考时钟源的过程中,分成测量和驯服两步走的策略。测量精度是满足任务精度要求的前提,本文明确了双向单程伪距测量(Dual One Way Ranging,DOWR)的原理、对测量的各种误差源,进行了建模分析,并根据模型,对各种误差消除的技术进行了分析比较,得到了本技术在现有条件下,最终可以达到的性能极限。一体化CRS技术的测量得到的距离和时差信息,需要经过滤波后处理算法,才可以得到最终的距离,通过驯服算法,得到高精度、低抖动的参考时钟信号。本文对上述后处理算法,进行了深入研究。……   
[关键词]:星间链路;通信测距一体化;GMSK+PN;时间驯服
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)2017年