空间惯性定向姿态卫星数传链路设计

对于采用空间惯性定向姿态的卫星,其在数传设备工作期间不能保证固定安装在星体上的发射天线波束准确指向地面站,这给有效载荷高速数传提出更高技术要求. 研究了这类卫星在轨运行时其姿态相对地面站的变化规律,利用STK软件提供的卫星轨道仿真分析结果,寻找数传天线波束中心轴的较好指向,得到不同天线波束宽度能够实现的卫星对地数传时间. 通过研制140°波束范围内0dBi增益天线,在链路设计上保证了传输速率85Mbit·s-1时有足够的余量. 在星载设备小型化约束（质量10kg、功耗80W）条件下,采用小型化宽波束天线以及固态功放解决了空间惯性定向姿态卫星的有效载荷数据传输问题,设计方案满足相关任务要求.      

基于射频敏感器的卫星三轴姿态确定方法研究

带有大型网状展开天线的同步轨道移动通信卫星,一般通过卫星本体的姿态控制间接保障星上通信天线的指向精度,难以避免天线因自身安装、变形、挠性振动等引起的指向误差.提出直接利用射频敏感器测量的信标信号误差确定卫星三轴姿态,并计算天线保持目标指向所需三轴姿态角偏差,通过卫星姿态控制系统实时或离线姿态修正以保证天线指向精度.利用数学仿真方式验证算法正确性和有效性.     

地球静止轨道卫星扫描镜运动补偿

研究地球静止轨道卫星的扫描镜运动补偿问题,以消除卫星姿态偏差和扫描镜法线偏移引起的光轴指向偏差.给出了带有两自由度扫描镜的航天器姿态动力学方程以及光轴指向误差的描述.以欧拉角描述卫星姿态,以欧拉轴/角参数来描述扫描镜法线偏移,并推导了这2种影响因素对光轴指向的误差传递关系.针对法线偏移不易测量的特点,利用扫描镜在特定工作模式下的准确定向能力和法线偏移的长周期特性,给出了一种偏移参数的估计算法,每隔一定的时间段对法线偏移估计值进行更新.在此基础上给出了一种基于卫星姿态和法线偏移信息的运动补偿算法,对扫描镜的扫描角和步进角分别进行补偿.数值仿真结果验证了补偿算法的有效性.      

轨道姿态误差对TDI-CCD相机行周期及偏流角的影响分析

与其他文献的几何方法不同,本文从运动学角度出发,选定合适的参考系后,按照一系列不同坐标系的坐标转换,完成星下点运动速度矢量在敏感器坐标系的推导,把姿态、轨道、安装偏差作为相关参数,经过一系列坐标变换,表征在最终的偏流角公式及行转移频率动态公式中;在通常的对地稳定指向模式下,姿态参数和安装偏差很小,仅保留一阶小量.根据矢量表达,解析地给出行转移频率及偏流角与轨道、姿态的关系,从而方便分析误差的影响,并以几个典型的低轨为实例作了说明.     

海洋二号卫星微波散射计自然扩展目标在轨定标

海洋二号卫星微波散射计(HY-2 Scatterometer, HY-2 SCAT)是一种旋转扫描笔形波束散射计, 能够对同一观测面元提供4次方位角和入射角的观测组合, 并通过地球物理模型反演海面风场. 为达到设计的风场反演精度, 要求其系统定标精度达到0.5dB. 利用不同区域自然扩展目标对HY-2 SCAT进行在轨外定标, 并与OSCAT散射计在同时期内的测量结果进行了对比. 定标结果显示可以消除因散射计天线指向偏差带来的方位向测量误差. 针对HY-2 SCAT方位向测量偏差进行了误差分析, 利用仿真方法以及海洋二号卫星雷达高度计同期测量数据的反演结果进行比对, 验证了误差来源.      

SAR卫星多普勒频移偏航导引补偿效果分析

SAR卫星的多普勒中心频率与卫星和地面目标点间的相对运动有关，文章基于轨道动力学理论，把中心频率分解为两个部分，分别与卫星偏航姿态角相关和无关。对卫星施加偏航导引可以补偿前者，后者则作为噪声而存在。首先导出偏航导引的解析表达式，并简化为余弦函数形式使之适合实时计算；然后定义了补偿度的概念，理论上估计了施加偏航导引的补偿效果，同时在考虑地球为椭球体以及存在J2项摄动的条件下，通过对偏航导引简化公式补偿度的数值仿真，证明了补偿效果的理论估计方法在一定条件下的有效性，重点研究了补偿度与轨道偏心率和雷达侧视角的关系；最后进一步阐明轨道根数和雷达参数对补偿效果的影响，为SAR卫星的初步设计提供了理论支持。     

弹载捷联星敏感器强光规避策略及算法

星敏感器光学系统及成像阵列易受太阳和月亮强光干扰.针对弹载捷联星敏感器提出一种规避强光的解析几何方法.通过天文公式解算出观星时刻太阳、月亮矢量,将其转换到当地地理坐标系下;将太阳、月亮方位、地心指向和星敏感器圆视场的几何分布关系划分为3种类型,并结合星敏感器遮光罩太阳月亮规避角参数,分别建立矢量公式求解星敏感器光轴的指令指向;利用STK仿真软件进行算法验证,选择任意时间段并设定星敏感器光轴指向,经本算法解算的光轴指令指向均可成功规避太阳月亮和地平.该算法可实现星敏感器光学系统的自主保护、观星窗口的选择,可以通过姿态机动实现太阳和月亮的规避和有效星光观测.     

面向综合环境监测的星载SAR技术发展

针对中国微波遥感对地观测在信息维度、反演精度、观测效率和体系架构等方面存在的问题,基于国家重点研发计划“星载新体制SAR综合环境监测技术”的研究内容与成果,探讨了面向综合环境监测的若干未来星载SAR技术发展。在超大幅宽成像方面,提出分段渐变重频时序设计方案和基于最优线性无偏估计的低过采样变重频数据处理算法,实现了跨盲区大幅宽星载SAR成像;在宽幅星载SAR高灵敏度成像方面,提出中频数字波束合成高效星上实时处理架构和加权因子快速生成算法,采用16通道机载飞行试验数据验证,图像信噪比提升约112dB;在多极化星载SAR成像方面,分别提出一种简缩极化分解算法及混合全极化方位模糊抑制方法,在P/L波段机载飞行试验中得到验证;在高精度干涉SAR技术方面,提出基于改进相位补偿方案的层析SAR处理方法,利用P波段全极化层析SAR数据验证,获得优于0.9m的森林高度反演精度;在综合环境监测星座架构设计方面,针对广域地表高程、地表形变、海浪谱能量、洋流速度和生物量应用,完成品质因数达100的高分宽幅SAR卫星方案,其观测效能和观测维度较目前在轨SAR卫星有大幅提升。     

基于GNSS测量的天宫二号质心确定

由于轨道机动燃料消耗,科学载荷加载、分离,以及伴飞小卫星在轨释放等原因引起天宫二号空间站质心(COM)发生位移,从而影响天宫二号的动力学质心定轨精度。针对这一问题,提出了基于全球导航卫星系统(GNSS)测量数据的简化动力学质心估计方法。燃料消耗是引起天宫二号质心发生位移的主要原因,质心在本体坐标系X轴方向位移最为显著。利用GNSS测量数据对天宫二号进行质心估计和精密定轨,在三轴对地稳定姿态下,本体坐标系X轴方向与轨道切向重合,定轨结果对本体坐标系X轴方向的质心位移并不敏感。但在连续偏航模式下,本体坐标系X轴在轨道法向上有较大分量,X轴方向的质心位移对基于GNSS测量计算的精密定轨结果有较大影响。定性和定量分析结果表明:偏航姿态模式下天宫二号本体坐标系X轴方向质心位移估计具有可行性。天宫二号实测数据计算结果表明:与未做质心估计的定轨结果进行对比,质心估计后表征轨道动力学建模误差的经验加速度补偿水平在轨道径向、切向和法向上分别降低62%、50%和65%;载波相位后验残差标准差降低0.04 cm;精密轨道与全球激光测距数据比较精度提高0.86 cm。所提方法可以应用于大型低轨航天器在轨质心估计。      

高精度星载SAR多普勒参数估算方法

提出了一种基于空间坐标转换,利用卫星位置、速度参数精确估算星载SAR(Synthetic Aperture Radar)全观测带多普勒参数的方法.利用卫星速度、位置,通过星载SAR空间几何模型和坐标转换关系,建立SAR图像中斜距同卫星下视角之间的四次方程,解出下视角并进一步计算出该斜距处的多普勒参数值.仿真结果表明,该方法在无卫星位置、速度误差情况下估算精度达到0.02Hz(多普勒中心频率)和2×10-4Hz/s(多普勒调频率);存在卫星位置测量误差(300m)以及速度测量误差(0.3m/s)的情况下,估算精度达到0.8Hz(多普勒中心频率)和0.07Hz/s(多普勒调频率).该方法适用于单星SAR以及分布式SAR高精度多普勒参数的估算.      

掩星大气探测系统误差源分析

根据掩星大气探测反演原理,研究了影响系统产品精度的误差源,并对多普勒观测误差、天线相位中心变化误差、多路径误差、卫星质心变化误差、导航卫星钟飘、卫星姿态变化误差和精密定轨速度误差进行分析,根据工程实现可行性提出了系统误差分配建议,为掩星大气探测系统设计提供参考.      

准惯性定向探测卫星GPS接收天线安装角度研究

研究了准惯性定向探测卫星GPS接收天线的安装角度问题. 根据卫星任务需求分析其姿态需求, 再由姿态需求对GPS接收天线的安装方式进行理论分析和仿真计算, 通过GDOP值优选了安装角度方案. 仿真结果表明, GPS接收天线的轴向在本体±y轴即轨道面法向或负法向方向附近.      

星载SAR天线指向稳定度对成像质量的影响

从星载合成孔径雷达(SAR)天线指向不稳定对成像质量影响的角度研究天线指向稳定度.对均匀加权天线,详细推导了天线指向不稳定引起的成对回波的位置和幅度,分析了成对回波对点目标冲激响应的峰值旁瓣比、积分旁瓣比的影响.研究了天线指向不稳定造成的多普勒中心频率误差,根据多普勒中心频率误差与图像位置偏移的关系,给出了图像质量对天线指向稳定度的要求.最后进行了计算机仿真,验证了分析结果.     

卫星星间捷变型窄波束天线指向的误差分析

针对捷变型窄波束天线建链时间短、指向精度要求高的特点,通过建立星间天线指向误差模型,从理论上分析了卫星位置、姿态、天线安装等偏差因素对天线指向误差的影响。同时,采用STK软件对MEO卫星的天线指向误差进行仿真实验,实验结果与误差模型的理论预期一致。     

对地观测卫星固定波束数据传输天线覆盖特性研究

从卫星系统设计入手,利用J2轨道模型及星地空间几何关系研究了太阳同步、近极圆轨道、三轴稳定对地观测卫星的星地数传无线链路,得到了在地面站作用范围内均衡接收的波束分布特性。研究结果表明卫星进、出地面站的周向分布是不均匀的,沿卫星飞行方向进、出地面站概率最大,而垂直于卫星速度方向,卫星进、出地面站概率最低;并分析了波导十字缝阵组合天线的覆盖特性。     

轨道机动期间的姿态控制

论述了轨道机动期间的姿态控制的一般原则,以及对不同稳定方式的卫星姿态控制的要求,文章着重分析了三轴稳定卫星控制系统设计的关键技术问题。