甚长基线干涉时延估计算法研究

摘要

甚长基线干涉技术是现在已经应用于对深空探测航天器的导航与定位方面的重要技术与未来对航天器精确定位方面发展的必然趋势。在近十年来主流航天大国都将此技术应用于各项深空航天器定轨的试验之中，取得了纳秒级甚至皮秒级的时延估计精度。在甚长基线干涉技术中的核心算法为时延参数估计算法，本文特别针对在深空导航这一应用背景下，进行了误差因素分析，并根据该特定应用背景通过建立深空信号的数学模型，设计了符合深空信号特点的时延参数估计算法以及相应算法的性能分析。
　　本文围绕甚长基线干涉为背景的时延参数估计，开展了以下工作：
　　对同波束下的甚长基线干涉测量所产生的时延估计的误差进行了详细的分析，阐述了其基本原理，以及将各类因素对时延估计精度所产生的影响进行了量化指标分析。特别针对由地球自转产生的时延率对时延估计进行了数学推导及其证明，验证了该项误差通过补偿过后，对时延估计产生的影响可以忽略不计。
　　对单载频深空信号的时延估计算法进行了深入研究，对其信号进行了数学建模，并进行了对其时延估计理论精度的CRB界的理论推导。针对射电星信号的时延估计提出了互相关函数的超分辨算法及快速实现方式，并将该时延估计算法性能进行了仿真实验，验证了该算法的估计精度几乎达到CRB界。同样针对航天器信号的时延估计介绍了带宽综合技术，并针对该技术做出了相应的算法性能仿真，得到了用少数频点相位信息同样可以进行有效的信号时延估计。
　　对多载频深空信号的时延估计算法进行了深入研究，对其信号进行了数学建模，并进行了对其时延估计理论精度的CRB界的理论推导。在多载频时延估计中，采用的双管齐下的工作。一方面对多载频信号时延估计算法进行了改进，提出了构造相关函数法测量信号时延，避免了直接用相位估计时延所产生的相位整周模糊问题。另一方面，对航天器多载频信号的配置提出了自己的设计，提高了信号理论时延估计精度，该仿真实验表明，设计得到的多载频信号有良好的自相关特性，信号周期性较弱，不易产生时延估计模糊。

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第一章 绪论

1.1 甚长基线干涉测量研究背景

1.2 甚长基线干涉测量的发展与现状

1.3 研究的目的和意义

1.4 本文的研究内容及安排

第二章 甚长基线干涉测量基本理论

2.1 甚长基线干涉技术基本原理及其系统框架概述

2.2 双差分甚长基线干涉测向原理

2.3 同波束干涉测量误差分析

2.4 信号时延变化率分析

第三章 单载频深空信号时延估计

3.1 接收信号时延模型

3.2 时延估计精度CRB界

3.3 射电星信号时延估计

3.4 航天器信号时延估计

3.5 仿真实验

3.6 小结

第四章 多载频深空信号时延估计

4.1 多载频深空信号

4.2 多载频深空信号时延估计算法

4.3 多载频信号设计

4.4 仿真实验

4.5 小结

第五章 总结

5.1 本文主要研究成果

5.2 进一步的工作

致谢

参考文献