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《中国科学院国家空间科学中心》 2017年
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星载高精度测距与时间同步技术研究

王竹刚  
【摘要】: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,RangingSynchronization,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
【学位授予单位】:中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P228
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-14
  • 第1章 前言14-30
  • 1.1 研究背景14-18
  • 1.2 国内外研究现状18-28
  • 1.2.1 星间链路18-21
  • 1.2.2 星间测量21-27
  • 1.2.3 国内研究现状27-28
  • 1.3 论文研究内容28-30
  • 第2章 通信测距时间传递一体化技术系统构架30-46
  • 2.1 CRS系统需求与方案选择30-31
  • 2.2 CRS系统测距与时间同步方案31-37
  • 2.2.1 距离和同步误差测量过程31-32
  • 2.2.2 测距信号特性32-34
  • 2.2.3 距离解算34-36
  • 2.2.4 时差校正-频率驯服过程36-37
  • 2.3 CRS一体化信号特性37-38
  • 2.4 CRS系统硬件构架38-41
  • 2.5 CRS系统软件构架41-42
  • 2.6 CRS系统链路层协议42-44
  • 2.7 小结44-46
  • 第3章 CRS一体化信号处理算法研究46-80
  • 3.1 GMSK+PN调制46-60
  • 3.1.1 GMSK特性分析46-47
  • 3.1.2 GMSK+PN实现及优化47-60
  • 3.2 GMSK+PN解调与分离60-70
  • 3.2.1 解调器硬件参数设计60-61
  • 3.2.2 GMSK解调算法构架61-62
  • 3.2.3 解调器的匹配滤波62-63
  • 3.2.4 解调器的定时同步与载波同步63-67
  • 3.2.5 解调器的BER性能67-69
  • 3.2.6 GMSK与PN信号分离69-70
  • 3.3 PN信号的捕获和跟踪70-74
  • 3.3.1 Tausworthe PN信号的捕获及其改进算法70-72
  • 3.3.2 Tausworthe PN信号的跟踪算法改进72-74
  • 3.4 多路径FPGA流水线设计74-79
  • 3.5 本章小结79-80
  • 第4章 时间驯服技术研究80-100
  • 4.1 CRS系统对时钟抖动的需求80-81
  • 4.2 相位噪声与时域抖动以及短期稳定度的转换81-84
  • 4.2.1 相位噪声转换为时域抖动81-82
  • 4.2.2 相位噪声转换为阿伦方差82-84
  • 4.3 频率基准的时间误差建模84-91
  • 4.3.1 时钟误差模型85-88
  • 4.3.2 时间误差的仿真88-91
  • 4.4 时间驯服算法91-97
  • 4.4.1 驯服算法状态机93-95
  • 4.4.2 驯服算法稳态跟踪算法95-97
  • 4.5 同步性能仿真分析97-98
  • 4.6 本章小结98-100
  • 第5章 CRS误差建模与仿真分析100-116
  • 5.1 时间同步性能极限分析100-103
  • 5.2 测量误差分析103-110
  • 5.2.1 时钟偏差103-104
  • 5.2.2 设备时延偏差104-108
  • 5.2.3 测量误差108-109
  • 5.2.4 因为定时信号发送时间不同步导致的测量误差109
  • 5.2.5 测量误差总结109-110
  • 5.3 测试方案110-114
  • 5.3.1 同步性能桌面测试110-112
  • 5.3.2 同步性能外场测试112-114
  • 5.4 本章小结114-116
  • 第6章 总结与展望116-120
  • 6.1 课题总结与创新工作117-119
  • 6.2 后续研究展望119-120
  • 参考文献120-125
  • 博士期间发表文章情况125-126
  • 致谢126

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