分布式微型航天器的時(shí)鐘同步研究.pdf

1、本學(xué)位論文以國家安全重大基礎(chǔ)研究973項(xiàng)目——“微型航天器新概念、新機(jī)理研究”為背景，對(duì)分布式微型航天器DMSS(Distribtute Micro Spacecraft System)的星間時(shí)鐘同步問題進(jìn)行深入研究。
　　對(duì)分布式微型航天器系統(tǒng)而言，星間定時(shí)同步關(guān)系是非常關(guān)鍵的。分布式微型航天器要求多顆微小衛(wèi)星編隊(duì)或者組網(wǎng)共同完成協(xié)同觀測(cè)和信息交換等空間任務(wù)，星間時(shí)鐘同步是保障這些空間任務(wù)正常執(zhí)行的基礎(chǔ)。目前系統(tǒng)研究星間時(shí)鐘同步

2、問題的文獻(xiàn)較少，本文針對(duì)分布式微型航天器的星間時(shí)鐘同步問題提出了全面的解決方法，包括微小型星間相對(duì)定時(shí)同步工具、GPS(Global Positioning System)定時(shí)同步技術(shù)、星間鏈路通信協(xié)議和星間鏈路時(shí)鐘同步四個(gè)研究部分，對(duì)影響同步的各種因素予以分析，指出改善同步精度的措施，為實(shí)現(xiàn)高精度的星間時(shí)鐘同步提供實(shí)踐和理論上的基礎(chǔ)。
　　在分析國外現(xiàn)有星間相對(duì)狀態(tài)測(cè)量設(shè)備的基礎(chǔ)上，提出微小型的星間相對(duì)定時(shí)同步設(shè)備——微型核同步

3、系統(tǒng)。根據(jù)星間精確交換時(shí)間信息的原理，結(jié)合星間射頻通信技術(shù)和星載電子系統(tǒng)微型化技術(shù)，本文提出星間相對(duì)定時(shí)同步設(shè)備的框架結(jié)構(gòu)，包括信號(hào)處理、射頻收發(fā)和GPS接收單元，并進(jìn)行軟、硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作。本文采用COTS(Commercial off-the-shelf)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)同步系統(tǒng)的原理樣機(jī)，采用緊湊靈活的電路結(jié)構(gòu)取代原有星間通信工具的分系統(tǒng)、多單元的電路結(jié)構(gòu)。通過搭建測(cè)試平臺(tái)，本文對(duì)該同步系統(tǒng)樣機(jī)的功能模塊進(jìn)行有效性和可行性的驗(yàn)證

4、。
　　在分析GPS授時(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出適用于分布式微型航天器的高精度星間定時(shí)同步方法。為改善星間定時(shí)同步精度，本文分析GPS偽距差分技術(shù)和星座幾何因子優(yōu)化方法，研究同步系統(tǒng)振蕩源頻率穩(wěn)定度對(duì)定時(shí)同步精度的影響。通過分析振蕩源的頻率誤差特性和測(cè)量方法，本文選擇溫度補(bǔ)償晶體振蕩器作為星間定時(shí)同步設(shè)備的振蕩源，并提出為振蕩源建立準(zhǔn)確的星上時(shí)鐘偏差模型的方法。在該時(shí)鐘偏差模型的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合卡爾曼濾波器對(duì)GPS定時(shí)解算數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處

5、理，仿真驗(yàn)證衛(wèi)星間鐘面差估計(jì)精度的改善情況。
　　在分析現(xiàn)有星間通信協(xié)議、星間鏈路拓?fù)浜投嘀方尤敕绞降幕A(chǔ)上，本文提出支持星間鏈路時(shí)鐘同步服務(wù)的通信協(xié)議。本文分析了CCSDS Proximity-1協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層規(guī)范，討論該協(xié)議提供的定時(shí)服務(wù)方法。通過研究主從星結(jié)構(gòu)的星間鏈路拓?fù)?，本文提出自?dòng)主星選舉方法。在多址接入的研究中，本文對(duì)IEEE802.11的MAC層協(xié)議進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析支持時(shí)限服務(wù)的點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF(Poi

6、nt Coordination Function)，并結(jié)合星間鏈路時(shí)鐘同步服務(wù)提出改善接入等待時(shí)間的方法。
　　通過比較傳統(tǒng)的雙向時(shí)間比對(duì)法和分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步法，本文提出引入概率時(shí)鐘同步思想到星間時(shí)鐘同步領(lǐng)域中，以解決缺乏GPS信號(hào)等外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的分布式微型航天器的定時(shí)同步問題。本文首先采用幾何法分析概率時(shí)鐘同步方法的內(nèi)在涵義，提出改進(jìn)的星間鏈路概率時(shí)鐘同步法。該方法以星間鏈路的上、下行信號(hào)傳輸延遲時(shí)間差為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行