高精度K频段星间微波测距技术研究

论文摘要

地球重力场的精确测量对大地测量、地球物理、地球动力学和海洋学等学科的发展具有极其重要的意义。利用卫星对地球重力场进行测量具有划时代的意义,是当今大地测量领域的研究前沿和关注热点之一。国际上卫星重力场测量主要有三种模式,即高低卫卫跟踪（SST-h1,如CHAMP卫星）;低低卫卫跟踪（SST-11,如GRACE卫星）;卫星重力场梯度测量（如GOCE卫星）。其中低低卫卫跟踪技术是地球重力场测量最有价值和应用前景的方法之一。低低卫卫跟踪重力场测量卫星包括三大有效载荷,即高精度加速度计、双频GPS接收机、高精度K频段星间测距系统（KBR,K Band Ranging System）。其中高精度加速度计、双频GPS接收机,国家在计划中已经投入了大量财力和人力进行预研,取得了一定的成果,而KBR系统的研究因为各种原因仍处于研究阶段。KBR系统所需达到的微米量级测量精度使其成为测距技术的制高点,美国用了20多年时间才研制成功,目前处于高度保密状态。由于系统非常复杂、技术难点多,在我国KBR系统还没有成熟产品。因此,能否研制出星间高精度KBR系统是我国重力场测量卫星能否成功的瓶颈之一。在KBR系统中,作为频率基准的超稳晶振（USO,Ultra-stable oscillators）的技术性能对系统测量精度的影响至关重要,当前国内的技术水平与应用要求相比差距还很大,需要重点攻关突破。本文在研究国内外有关卫卫跟踪（SST,Satellite-to-satellite tracking）技术的基础上,针对现实需要,对用于我国重力场测量卫星的KBR系统方案进行了研究,并提出了关键技术,对关键技术之一——USO进行了深入研究,研制出了满足我国重力场测量卫星使用的USO。本文所研究的主要内容和相关结论如下:1.介绍了卫星重力场测量的基本原理及主要方法。讨论分析了国际上现有的三种重力场测量卫星工作模式的特点,阐述了采用低低卫卫跟踪模式的原因及优点。2.深入研究了星间双单路微波测距原理,提出了一种用于我国重力场测量卫星的KBR系统设计方案,描述了KBR系统的主要结构,详细分析研究了KBR系统需要突破的七项关键技术,初步提出了各项关键技术的攻关途径;3.对影响KBR系统精度的各种误差来源进行了深入地分析,建立了误差仿真模型,并对各单项误差和系统总体误差进行了初步估算;4.介绍了星载双频GPS接收机的发展过程,分析了星载双频GPS接收机的关键技术及系统设计要点,对GPS接收机和KBR系统一体化设计平台进行了分析;5.在着重分析影响USO频率稳定度,特别是短期频率稳定度的各种因素的基础上,对超稳晶振的主要组成部分石英谐振器、振荡电路、恒温控制系统进行了优化设计,研制成功的USO短期频率稳定度指标达到5×10-13/s（阿伦方差）,满足使用要求;6.对KBR系统低频倍频链路进行了研究,研制了用于KBR的八倍频器电路,经过测试,性能满足使用要求。本文的主要创新点为:1.在分析微波测距理论的基础上,提出了我国用于重力场测量卫星的KBR系统设计方案,该方案在全国重力场测量研讨会上得到了专家的认可。对需要突破的关键技术进行了研究和分析;2.对关键技术之一——USO进行深入研究,成功研制出满足我国KBR系统需求的USO和八倍频器,USO短期稳定度指标达到5×10-13/s（阿伦方差）,远远超过了国内KBR系统研制初期提出的技术指标要求2×10-12/s（阿伦方差）,达到国内领先水平。本文所作的KBR系统基础理论分析及关键技术之一——USO研究,促进了我国KBR系统自主研发进程。KBR关键技术的突破,不仅有利于我国重力场测量卫星的发展,同时对卫星编队飞行、卫星自主导航以及复杂系统设计、高稳定基准频率源、高精度测相等相关技术领域的发展都有深远的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 卫星重力场探测技术发展历程
• 1.3 卫星重力测量技术主要模式
• 1.3.1 CHAMP卫星系统
• 1.3.2 GRACE卫星系统
• 1.3.3 GOCE卫星系统
• 1.3.4 三种卫星系统的比较
• 1.4 国内研究状况
• 1.5 KBR的研究现状
• 1.6 论文研究内容
• 参考文献
• 第2章 卫星重力场测量技术简介
• 2.1 地球重力场基本概念
• 2.2 卫星运动状态的定性分析
• 2.2.1 保守摄动力影响分析
• 2.2.2 非保守摄动力影响分析
• 2.3 重力场反演技术的含义
• 2.4 卫星重力解算的基本方法
• 2.5 卫星重力解算的研究现状
• 参考文献
• 第3章 KBR系统研究
• 3.1 电磁波测距理论基础
• 3.1.1 差频测相法
• 3.1.2 双向测量比对技术
• 3.2 KBR系统测量理论
• 3.3 KBR系统构成
• 3.3.1 系统方案
• 3.3.2 系统设计要点
• 3.3.3 系统技术指标估算
• 3.4 KBR系统关键技术及攻关途径
• 3.4.1 精密测距系统仿真和优化设计技术
• 3.4.2 高时延稳定的天线和射频通道技术
• 3.4.3 极高精度的相差测量技术
• 3.4.4 星间时间尺度的系统比对测量技术
• 3.4.5 超稳晶振USO和低相噪频率综合技术
• 3.4.6 观测数据的地面高精度校正处理技术
• 3.4.7 系统精度地面验证测试技术
• 参考文献
• 第4章 KBR系统误差分析
• 4.1 系统误差分析概述
• 4.2 KBR系统的主要误差来源分析
• 4.2.1 振荡器噪声引起的相位测量误差
• 4.2.2 系统噪声引起的相位测量误差
• 4.2.3 动态应力引起的相位测量误差
• 4.2.4 电离层延时误差
• 4.2.5 多路径效应误差
• 4.2.6 时标校正误差
• 4.2.7 星间瞬时距离校正误差
• 4.2.8 相对论效应误差
• 4.2.9 其它误差
• 4.3 KBR系统总体误差估算
• 参考文献
• 第5章 双频GPS接收机研究
• 5.1 发展进程
• 5.2 主要作用
• 5.3 系统组成
• 5.4 关键技术
• 5.4.1 无码接收技术
• 5.4.2 精密定轨技术
• 5.4.3 数据处理技术
• 5.5 GPS接收机指标要求
• 5.6 双频GPS接收机研制要点
• 5.6.1 优化设计
• 5.6.2 硬件平台
• 5.6.3 软件技术
• 参考文献
• 第6章 超稳定晶体振荡器USO研究
• 6.1 晶体振荡器概述
• 6.1.1 晶体振荡器的发展
• 6.1.2 超稳晶振国内外研究状况
• 6.2 晶体振荡器设计基础
• 6.2.1 晶振频率稳定度指标
• 6.2.2 石英晶体谐振器特性
• 6.2.3 晶体振荡器的频率稳定性分析
• 6.2.5 影响频率稳定度的因素
• 6.2.5.1 外部因素的影响
• 6.2.5.2 晶体振荡器自身因素的影响
• 6.2.6 提高晶体振荡器频率稳定度的主要措施
• 6.3 超稳晶振（USO）设计
• 6.3.1 石英谐振器选择
• 6.3.2 晶振振荡电路设计
• 6.3.2.1 主振电路设计
• 6.3.2.2 放大电路设计
• 6.3.2.3 自动增益控制（AGC）电路设计
• 6.3.2.4 缓冲隔离电路设计
• 6.3.2.5 输出电路设计
• 6.3.3 恒温系统设计
• 6.3.3.1 恒温控制电路设计
• 6.3.3.2 恒温槽设计
• 6.3.4 抗震动结构设计
• 6.4 超稳晶振装配及调试
• 6.4.1 晶振的装配调试
• 6.4.2 晶振拐点温度测试
• 6.5 超稳晶振性能测试及对比分析实验
• 6.5.1 测试条件
• 6.5.2 测试结果
• 6.5.3 对比分析实验
• 6.6 小结
• 参考文献
• 第7章 倍频电路研究
• 7.1 倍频器电路分类及原理介绍
• 7.1.1 丙类倍频器
• 7.1.2 变容管倍频器原理
• 7.1.3 阶跃恢复二极管倍频器
• 7.1.4 晶体管参量倍频器
• 7.2 电路设计
• 7.2.1 技术指标要求
• 7.2.2 方案
• 7.3 八倍频器测试结果
• 参考文献
• 第8章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 攻读博士学位期间的科研成果
• 致谢