基于有源定标器的海洋二号高度计系统延迟在轨绝对定标研究

发布时间：2017-05-27 06:02

  本文关键词：基于有源定标器的海洋二号高度计系统延迟在轨绝对定标研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：有源定标器作为一种在轨雷达高度计距离定标方法,提出于二十世纪八十年代。基于弯管型有源定标器的在轨高度计定标方法经过多年发展已进入业务化运行阶段,成功应用于多个星载雷达测高任务的距离绝对定标。二十世纪九十年代,一种基于转发信号重建体制的重建型有源定标器被提出,但重建型有源定标器始终未能正式应用于任何在轨雷达高度计的距离定标工作。中国首颗海洋动力环境卫星海洋二号于2011年8月16日成功发射,海洋二号主载荷之一的雷达高度计承担海面高度(Sea Surface Height,SSH)、有效波高和风速的测量任务。为了校正海洋二号高度计距离测量结果中的偏差,需要对在轨高度计进行距离绝对定标。2012年,基于重建型有源定标器的海洋二号高度计实验性在轨距离定标工作启动。本论文基于该定标工作,对应用重建型有源定标器的在轨雷达高度计系统延迟绝对定标进行了研究。所做的主要工作如下:1,基于信号相关的星地信号匹配和星上信号补偿方法研究。有源定标器在定标过程中记录接收信号。高度计接收信号与部分有源定标器接收信号之间存在一一对应关系,为有效利用有源定标器接收数据,需要确定该对应关系。由于有源定标器实时信号处理的非理想性,高度计接收到的有源定标器转发信号存在较大的波动,这种波动将会增大最终定标结果的不确定度。叠加在高度计信号上的波动序列同时也存在于定标器接收信号中。据此,提出了基于信号相关性的星地信号匹配方法。在建立匹配关系后可对星上原始接收信号进行补偿以显著降低波动性。此外,建立的星地匹配关系还在高度计时钟(超稳晶振,ultra stable oscillator,USO)频率偏差估计中起到重要作用。2,基于有源定标器的高度计时钟频率偏差估计方法研究。高度计通过时间测量实现距离测量。高度计时间测量的机理是对固定周期的时钟脉冲进行计数实现的。时钟周期的设计值是已知的。然而由于高度计超稳晶振的老化,实际时钟频率将偏离设计值,从而引入距离测量误差。有源定标器由原子钟提供时间基准,频率准确度显著高于高度计使用的恒温晶振。此外,原子钟还可进行定期校准,因此有源定标器时钟可视为参考时钟。本文提出了一种通过对比高度计观测信号和有源定标器观测信号来测定高度计时钟频率偏差的方法。本文计算并展示了通过有源定标器测得的海洋二号高度计时钟频率偏差。此外,还使用了星间交叉定标方法对校正结果进行了验证,结果证明本文提出的方法能显著降低海洋二号高度计海面高度测量结果的漂移。3,基于有源定标器的高度计内部信号路径延迟估计方法研究。高度计提供的高度测中国科学院大学博士论文—基于有源定标器的海洋二号高度计系统延迟在轨绝对定标研究量值理论上应当是高度计天线参考点与星下点之间的距离。然而,为了获得高度测量值,信号必须通过高度计系统组件构成的额外距离。这种额外的信号距离构成了高度计内部信号路径延迟。通过将高度计测量距离与参考距离比较,可测定高度计内部信号路径延迟。有源定标器和定轨数据结合可提供所需的参考距离。本文阐述了基于有源定标器对海洋二号高度计信号路径延迟进行定标的方法,并展示了相应的定标结果。高度计系统延迟等于高度计内部信号路径延迟与高度计时钟频率偏差引入的测距偏差之和。4,基于有源定标器的高度计数据时标偏差估计方法研究。高度计生成测得的距离和距离时标,与此同时,定轨设备生成轨道高度和轨道时标。反演海面高度时,距离和对应的轨道高度通过时标匹配。若距离时标和定轨时标之间存在偏差,则反演得到的海面高度将存在偏差。本文根据高度计观测的距离抛物线和定轨数据提供的参考距离抛物线之间的空间关系,对海洋二号高度计零级数据时标偏差进行了估计。5,有源定标器——海洋二号高度计C波段星地信号收发可行性验证。目前尚无有源定标器对在轨高度计成功进行非Ku波段信号转发的报道。海洋二号高度计工作在Ku和C双波段以校正电离层引入的距离测量偏差。本文工作中使用具有Ku-C双波段转发能力的有源定标器,验证了有源定标器——海洋二号高度计C波段星地信号收发的可行性。
【关键词】：海洋二号高度计 有源定标器 系统延迟定标 数据匹配 时钟频率偏差 内部信号路径延迟 时标偏差 C波段应答
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH766
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 1 绪论17-35
• 1.1 名词解释17-18
• 1.2 研究背景18-25
• 1.2.1 星载雷达高度计发展情况概述18-22
• 1.2.2 雷达高度计海面高度测量偏差源22-23
• 1.2.3 基于参考海面和基于有源定标器的雷达高度计定标方法23-25
• 1.3 研究的意义25-26
• 1.4 国内外研究现状26-30
• 1.4.1 国外研究状况27-30
• 1.4.2 国内研究状况30
• 1.5 论文内容安排30-32
• 1.6 论文主要贡献32-35
• 2 论文基础工作综述35-61
• 2.1 高度计——有源定标器星地几何关系及基本观测信号模型35-37
• 2.2 海洋二号高度计在定标时的工作模式及其对定标工作的影响37-44
• 2.2.1 搜索模式37-39
• 2.2.2 跟踪模式39-40
• 2.2.3 高度计分辨率概念解析40
• 2.2.4 用于定标的高度计模式选择40-44
• 2.3 有源定标器系统介绍44-48
• 2.3.1 有源定标器系统组成45-46
• 2.3.2 有源定标器系统工作原理46-47
• 2.3.3 有源定标器定标流程47-48
• 2.4 基于有源定标器的海洋二号高度计定标试验总体情况48-50
• 2.5 海洋二号高度计定标实验地点概述50-59
• 2.5.1 经过实地定标实验的定标地点53-59
• 2.5.2 长期定标地点的确定59
• 2.6 本章小结59-61
• 3 基于信号相关的星地信号匹配和星上信号补偿方法61-91
• 3.1 星地信号收发原理及一一对应关系61-64
• 3.2 建立星地信号匹配的意义和可能的方法64-67
• 3.3 有源定标器信号跟踪——转发原理及星地信号匹配总体方案67-77
• 3.3.1 有源定标器二级时间测量/控制基本原理68-71
• 3.3.2 有源定标器跟踪原理71-75
• 3.3.3 利用转发信号可变延迟功能进行星地信号匹配的方案75-77
• 3.4 海洋二号高度计定标采用的星地信号匹配方法77-88
• 3.4.1 有源定标器距离门定点计算误差对海洋二号高度计定标的影响78-81
• 3.4.2 海洋二号高度计定标星地匹配算法原理81-88
• 3.5 根据星地信号匹配结果补偿高度计观测距离抛物线波动88-89
• 3.6 本章小结89-91
• 4 基于有源定标器的高度计时钟频率偏差估计方法91-109
• 4.1 高度计时间测量原理和时钟频率偏差对距离测量的影响91-93
• 4.2 海洋二号高度计时间基准概要情况及频率偏差存在的检验93-95
• 4.3 现有在轨高度计时钟频率偏差测量手段分析95-96
• 4.4 基于有源定标器的高度计时钟频率偏差估计方法96-102
• 4.4.1 基本原理96-97
• 4.4.2 路径延迟分析97-99
• 4.4.3 基于星地几何关系的处理方法99-102
• 4.5 基于有源定标器测得的海洋二号高度计时钟频率偏差结果102-105
• 4.6 星间交叉定标对有源定标器测得高度计时钟频率偏差的验证105-107
• 4.7 时钟频率偏差估计和验证工作小结107-108
• 4.8 本章小结108-109
• 5 基于有源定标器的高度计内部信号路径延迟定标109-121
• 5.1 基于有源定标器的高度计内部信号路径延迟定标原理110
• 5.2 定标处理流程110-119
• 5.2.1 高度计所测距离110-111
• 5.2.2 高度计时钟频率偏差111
• 5.2.3 质心-天线参考点偏差111
• 5.2.4 有源定标器转发延迟111-114
• 5.2.5 多普勒频移偏差114-115
• 5.2.6 星地参考距离115-116
• 5.2.7 对流层延迟116-117
• 5.2.8 电离层延迟117-118
• 5.2.9 内部信号路径延迟估计118-119
• 5.3 海洋二号高度计内部信号路径延迟定标结果及分析119-120
• 5.4 本章小结120-121
• 6 基于有源定标器的拓展工作121-131
• 6.1 海洋二号高度计时标偏差估计121-128
• 6.1.1 高度计时标偏差引入海面高度测量偏差机理121-123
• 6.1.2 高度计时标偏差校正工作回顾123-124
• 6.1.3 基于有源定标器的高度计时标偏差测量原理124-127
• 6.1.4 海洋二号高度计零级数据时标偏差测量结果及分析127
• 6.1.5 小结127-128
• 6.2 有源定标器-海洋二号高度计C波段星地信号收发可行性验证128-131
• 6.2.1 双频高度计非Ku波段测距偏差定标128-129
• 6.2.2 基于有源定标器的海洋二号高度计C波段星地信号收发可行性验证工作129-130
• 6.2.3 小结130-131
• 7 结语与展望131-135
• 7.1 论文工作总结131-132
• 7.2 论文主要创新点132-133
• 7.3 论文后继工作133-135
• 8 参考文献135-145
• 攻读博士学位期间发表的科研成果145-147
• 致谢147-148

【参考文献】

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