深空探测无线电地基导航的统计信号处理方法

浩瀚星空，茫茫宇宙，充满了未知与挑战。人类对未知世界的探索从未止步，从陆地到海洋，从地球到太空，未来必将走向更遥远的星球，不断扩展认知边界，推动文明发展。同时，航天梦也是中国梦的重要组成部分，习近平同志曾指出： “探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦”。深空探测是航天领域未来发展的重点，能够帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状，认识空间现象和地球自然系统之间的联系。无线电跟踪测量是深空科学探测的重要基础，一方面为深空探测器提供遥控、遥测和测量的基础保障，另一方面为信号传输时延、多普勒等的高精度测量，星体运动规律、内部构造及固体潮等自然现象的研究提供科学数据支撑。
本书以我国深空测控网系统设计与建设为背景，从统计信号处理原理出发，较为全面地分析、梳理和总结了深空探测地基无线电跟踪测量信号处理的理论与方法，具体包括： 无线电跟踪测量的基本数学模型，主要测量体制的信号调制模型，深空探测载波多普勒及其变化率，到达时延（time difference of arrival,TDOA）测量的估计模型，以及深空再生伪码测距的捕获、跟踪测量模型，并开展了性能分析，在此基础上给出了负反馈跟踪环路、序贯立方相位函数及用于TDOA测量的载波辅助等多种实用算法，后结合“嫦娥”任务的实际跟踪测量结果及对未来深空多目标联合测量的初步体制设计，介绍了我国在月球和深空探测无线电跟踪测量领域取得的技术成果。
本书主要面向深空探测无线电信号处理领域的工程技术、科学研究及教学人员，对于开展深空探测无线电测量通信系统总体设计及相关技术的研究具有一定的参考价值和借鉴意义。
本书共7章，其中第1，5，6章内容主要由郝万宏完成，第7章内容主要由潘程吉完成，第2，3，4章内容由两人共同完成。本书在编写和出版过程中得到了北京跟踪与通信技术研究所董光亮所长、李海涛研究员，清华大学陆明泉教授，罗马大学Luciano Iess教授的大力支持和帮助，在此表示衷心感谢。

作者

2020年3月28日

《深空探测无线电地基导航的统计信号处理方法》以我国深空测控网系统设计与建设为背景，从统计信号处理原理出发全面分析、梳理和总结了包括多普勒测速、TOA测距和TDOA时延测量在内的深空探测地基无线电跟踪测量信号处理的理论与方法，并结合月球和深空探测实际任务数据给出了具有代表性的信号处理实例。

郝万宏，清华大学信息与通信工程专业博士 ,曾在国内外知名期刊、重要国际会议等发表论文40余篇。目前主要负责我国月球与深空探测任务无线电地基导航系统设计与信号处理算法研究。

第1章绪论

1.1引言

1.2研究现状

1.2.1相关领域的研究进展

1.2.2深空领域研究进展

1.3内容安排

参考文献

第2章深空探测地基无线电跟踪测量原理与基础

2.1深空探测主要测量方法

2.1.1多普勒与测距技术

2.1.2TDOA测量技术

2.2信号调制模型与特性

2.2.1再生伪码测距信号特性

2.2.2干涉测量信号

2.3数字信号处理接收信号的数学模型与信噪比分析

2.3.1高斯白噪声信号的统计模型

2.3.2接收机接收信号的数学模型与下变频的
信噪比模型

2.4小结

参考文献

第3章无线电测量信号参数估计的经典理论与方法

3.1极大似然估计原理

3.2载波参数估计模型与方法

3.2.1参数估计模型

3.2.2周期图估计

3.2.3锁相跟踪

3.3时延参数估计模型与方法

3.3.1参数估计模型

3.3.2广义宽平稳信号

3.3.3确定性信号

3.4小结

参考文献

第4章深空探测无线电测量处理方法的新进展

4.1立方相位函数模型与特性分析

4.1.1基本定义

4.1.2主要特性分析

4.1.3序贯CPF估计算法

4.2再生伪码测距性能分析与处理

4.2.1深空再生伪码测距处理算法研究

|目录
目录|

4.2.2再生伪码测距捕获性能分析及仿真

4.2.3再生伪码测距测量性能分析

4.3干涉测量性能分析与处理

4.3.1互模糊函数相关处理算法的性能分析

4.3.2航天器载波及DOR音信号信道参数估计
的CRLB

4.3.3深空干涉测量DOR信号全开环处理算法

4.4小结

参考文献

第5章月球任务高动态飞行段信号处理

5.1高动态飞行段多正弦侧音信号相关处理的模型与
算法设计

5.2异地接收载波辅助算法设计

5.3性能因素分析

5.3.1环路带宽

5.3.2载波辅助相干性损失

5.4“嫦娥三号”实测数据分析与验证

5.4.1佳木斯深空站相关处理结果

5.4.2喀什深空站相关处理结果

5.4.3异地载波辅助处理结果

5.5小结

参考文献

第6章火星EDL段高动态载波跟踪

6.1火星EDL段飞行过程与任务概貌

6.2火星EDL段载波动态特性分析

6.3信号功率极值二维搜索算法模型与性能分析

6.3.1算法计算模型

6.3.2检测概率模型

6.3.3性能与算法处理参数

6.3.4性能仿真评估

6.3.5改善途径分析

6.4序贯CPF信号跟踪环路设计

6.4.1环路跟踪算法设计

6.4.2环路参数选取

6.4.3跟踪门限分析

6.5EDL段CPF跟踪环路估计性能仿真

6.5.1气动减速段跟踪性能

6.5.2降落伞展开段跟踪性能

6.5.3跟踪性能对比

6.6CPF跟踪环路实测数据分析与验证

6.7小结

参考文献

第7章基于码分多址的深空同波束干涉测量体制设计

7.1总体体制设计

7.1.1同波束多目标干涉测量体制简介

7.1.2工作场景与体制需求

7.1.3上、下行信号体制选择

7.1.4体制参数初步设计

7.1.5测量实现方法研究

7.2混合体制多目标载波频率捕获策略初步分析

7.2.1深空数字应答机内载波锁相跟踪与频率变换
基本流程

7.2.2基于傅里叶变换的频率搜索捕获方法

7.2.3基于NCO频率扫描的频率捕获方法

7.3信道相频特性对扩频载波相位影响的初步分析

7.3.1FIR滤波器的特性影响分析

7.3.2IIR滤波器的特性影响分析

7.3.3关于滤波器影响的初步认识

7.4两种模式对载波相位测量的影响分析

7.4.1扩频信号的傅里叶级数展开和频域分析

7.4.2广义时变信道模型

7.4.3时变信道对扩频信号载波相位的影响

7.4.4不同模式在正态分布时变信道下对载波相位
测量的影响

7.4.5基于JPL实测信道分析两种信号对载波相位
测量的影响

7.5小结

参考文献

附录ACPF的极大似然估计原理及序贯CPF的统计特性

附录B航天器载波及DOR音信号信道参数估计的CRLB

《深空探测无线电地基导航的统计信号处理方法》以我国深空测控网系统设计与建设为背景，从统计信号处理原理出发全面分析、梳理和总结了包括多普勒测速、TOA测距和TDOA时延测量在内的深空探测地基无线电跟踪测量信号处理的理论与方法，并结合月球和深空探测实际任务数据给出了具有代表性的信号处理实例。

郝万宏，清华大学信息与通信工程专业博士 ,曾在国内外知名期刊、重要国际会议等发表论文40余篇。目前主要负责我国月球与深空探测任务无线电地基导航系统设计与信号处理算法研究。