摄影测量卫星绕飞编队设计及其三维定位研究

在现代卫星摄影测量中,由多颗小卫星组成的卫星编队具有比单颗卫星更优越的性能,能提供更高的空间分辨率和时间分辨率.通过对绕飞编队特性的研究,提出了一种适于摄影测量的卫星绕飞编队构形.该卫星编队具有空间构形不变、覆盖范围大,图像比例尺一致等优点.对地三维定位仿真的实验结果表明基于卫星编.队拍摄的具有航向和旁向充分重叠的区域网图像,在摄像机光心坐标精确确定的条件下,利用光束法区域网平差就可以确定地面目标点坐标,即用空中控制完全代替地面控制是可行的.     

同时地形高程测量和地面运动目标检测的分布式InSAR最优编队构形

分布式小卫星干涉SAR为了同时获得时间基线(用于地面运动目标检测)和空间基线(用于地形高程测量),采取空间立体编队构形(即非沿航向直线编队),然而这种混合基线的情况会导致地面运动目标与地形杂波存在相位耦合,而且只靠信号处理方法很难分离,这对于检测地面运动目标极为不利。提出几种最优编队构形,在保证获得两种干涉基线的同时,通过对消两对干涉SAR图像来抑制掉固定杂波,从而可以检测地面运动目标,这种方法具有处理简单和性能较好等优点。最后给出了仿真结果。     

空间目标多星多角度实时近距离三维详查研究

针对现有观测卫星近距离观测研究较少关注详查等任务特性的现状,设计分析了可实时、全覆盖、近距离观测空间目标的卫星编队构型。综合考虑绕飞相对轨道运动、传感器视场参数、旋转目标坐标转换等因素,简化了空间目标模型,将其表面进行网格离散。分析了各网格被单颗观测卫星观测的情况,统计详查覆盖率、详查最短时间,分析不同绕飞距离对任务特性的影响;设计卫星观测光轴转动策略和多星编队协同观测策略,通过数值算例分析不同策略对卫星近距离观测任务的影响。结果表明:所设计的绕飞编队观测构型可满足实时、全覆盖观测空间目标的要求,可应用于绕飞监测、协同操作等近距离空间在轨操作任务。     

快速绕飞卫星空间圆编队设计方法

连续小推力条件下,针对圆参考轨道卫星,推导了满足快速绕飞条件的空间圆编队动力学模型。分析了一个绕飞周期内的燃耗情况。在绕飞周期确定的条件下,给出了最小燃耗的计算方法,并利用数值方法验证了所推导公式的正确性。计算结果表明,在高度为500km的圆轨参考道卫星实现周期为10分钟、半径100m的空间圆绕飞,一个绕飞周期所需最小速度增量约为4.77m/s。文章提出的基本设计原理并不局限于空间圆编队,也可用于其它快速绕飞编队的设计工作。
     

InSAR卫星编队构形多约束优化设计方法研究

基于e/i矢量表示的编队卫星相对运动学方程,根据合成孔径雷达干涉(InSAR)卫星成像过程中测量基线长度、安全防撞等约束,给出了可实现全球测量的高、低纬度编队构形优化设计方法。仿真结果与理论分析相符。该编队构形方法充分考虑了InSAR卫星的成像特性及编队卫星的构形长期安全性约束,可减少编队卫星构形保持次数,为InSAR卫星编队飞行控制和工程实践提供依据。     

共面快速受控绕飞轨迹设计与控制

绕飞运动在航天器在轨服务与在轨支援、辅助航天员舱外活动、航天器编队飞行、空间交会对接等空间活动中具有重要应用。分析了快速受控绕飞的可行性和主要过程，建立了适用于目标航天器运行在圆轨道上的共面快速绕飞和进入绕飞与退出绕飞的轨迹设计模型，采用多速度脉冲控制方法和等角度，等时间控制方式对绕飞轨迹进行控制。仿真计算结果表明所提出的快速受控绕飞轨迹设计模型和控制方法可以实现对圆轨道目标航天器的共面快速受控绕飞。     

分布式卫星群构形初始化控制策略

构形初始化是分布式卫星控制的重要内容。在绕飞构形归一化描述的基础上，提出了两次脉冲速度增量实现绕飞的两种方案。在一种分层控制结构下，通过两种初始化方案的合理组合，可保证卫星群整体的初始化可在一个轨道周期内完成，从而降低了初始化误差。在对导航和误差特性进行分析后，通过数值仿真，证明了所提方法的可行性。     

一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

为了建立高精度相对定位编队卫星的星间链路,提出了一种基于GPS的绕飞编队卫星星间链路系统设计方法。针对我国首次以InSAR为背景的任务,以某绕飞编队星座星间链路系统总体方案为例,利用STK/MATLAB分析软件,对天线覆盖区与组阵进行了仿真分析,并根据分析结果做了系统优化,包括星间轨道构型、天线设计组阵图、天线安装位置、链路预算、星间通信措施设计分析以及电磁兼容性分析等。结果表明:基于GPS的编队卫星能够从系统角度优化设计建立星间链路,从而完成编队跟飞、绕飞期间的星间通信与测量任务,为卫星建立星座构型、相对定位测量提供了可靠、稳定的传输通道。该设计方法可为同类卫星或其他类型卫星星间链路系统设计提供参考。     

小推力下卫星编队的非自然构型设计与控制

使用小推力控制可以得到许多独特的非自然卫星编队构型,主从星相对位置不变和从星圆形匀速绕飞构型是两类最典型的构型,建立了这两类编队构型的编队参数(主从星距离、空间方位和绕飞速度)与一天内燃料消耗的关系。进一步考虑存在初始误差时控制律的设计,指出PD控制律能够维持小初始误差编队构型,改进的PD控制律能够维持中等初始误差编队构型,而PD控制律和直接法相结合的混合控制律能够维持大初始误差编队构型,仿真结果验证了所设计控制律的有效性。     

小卫星编队绕飞构型运动学设计与分析研究

基于运动学的相对运动数学模型,利用物理意义更明确的绕飞方程进行了小卫星绕飞轨道的设计.根据绕飞轨道方程,重点分析了4类常用的绕飞编队构型:同绕飞轨道编队、同面同绕飞中心编队、异面同绕飞中心编队和多绕飞中心编队,总结分析了各种编队轨道设计的约束条件,获得了一般规律性结论.最后通过仿真验证了所提出的绕飞编队轨道设计方法和结论的正确性.     

An attitude control approach for compensation of satellite drift in elliptic synchronous orbits

This paper explores the possibility of developing a new attitude control method for satellites in elliptic, 24-hour orbits, in order to compensate for the effect of longitudinal periodic drift relative to the ground station. A simple solar attitude control technique has been proposed for achieving the fixed apparent satellite orientation with respect to the ground segment of the space mission. The proposed control approach appears to be quite attractive for various satellite applications as it can substantially overcome the problems created by the continual periodic angular drift as well as undesirable pitching excitation in the elliptic orbits. Generalizing the analytically developed open-loop control policy results in a significant improvement of the controller performance.     

中国无地面控制点摄影测量卫星追述（一）——返回式摄影测量卫星

以无地面控制点条件下的摄影测量为背景,回顾了中国第一代、第二代返回式摄影测量卫星的研制历程,给出了相机的主要技术参数,介绍了研制的技术难点。从地形图制作精度的角度评价了中国第一代、第二代返回式摄影测量卫星的技术水平,给出了制作的立体影像图和等高线图。最后,与美国、俄罗斯（前苏联）、欧空局同类型的返回式卫星进行了比较。     

太阳、地球、卫星相关模拟墓准源

本文主要讨论用于自旋静止气象卫星大回路成像试验的太阳、地球、卫星相关模拟基准源。本基准源是用于测量自旋静止气象卫星星上同步控制系统的性能，检查云图传输系统的同步控制精度，并作为地面测试卫星云图传输性能的基准设备。本文论述了其基本原量，介绍了用数字信号处理器（ＤＳＰ）集成电路ＴＭＳ３２０Ｃ２５实现的方法，并分析了成像精度。     

基于移动式网络的LEO卫星星座通信网络研究

为飞机等交通工具内的用户提供基于卫星的不间断IP连接，并在卫星星座网络内实现IP路由选择功能，是未来LEO卫星星座通信网络需要解决的关键问题。提出了基于移动式网络技术的LEO卫星星座通信网络体系结构，实现了卫星星座通信网络中的IP路由选择功能，并降低了对地面网路的依赖，实现了对用户段网络随时随地的连接支持。在对卫星星座通信网络中的星地切换模式进行分析的基础上，提出了一种基于虚拟移动路由器的快速星地切换和认证方法。通过NS2仿真试验，给出了新型LEO卫星星座通信网络的传输延迟特性以及快速切换方法的仿真试验结果。仿真试验表明，提出的网络结构是满足未来卫星星座发展需求的，星地间的切换是低时延的。     

基于气浮台的编队飞行地面试验建模与鲁棒控制器设计

为分析验证卫星编队飞行涉及的相对导航、制导与控制以及星间通信等问题,搭建了编队飞行的地面试验系统,采用了一块3m×4.5m的气浮平台和具有两个平动自由度和一个转动自由度的卫星仿真器分别来模拟低阻力的空间环境和编队飞行的卫星,相对导航采用了视觉相机和室内GPS两种方案,星间通信则通过蓝牙进行模拟。推导了描述仿真器间相对运动的包含参数不确定性的动力学模型,并基于此模型设计了带极点配置的鲁棒H∞控制算法,通过姿态同步和构型保持等仿真实验重点对编队飞行的相对导航、星间通信和相对状态控制进行分析验证,对实际的编队任务具有一定的参考和指导意义。     

Feasibility of using statellites in non-equatorial 24-hour circular orbits for communications

The early sixties witnessed the debate among competing candidate orbits that led to the emergence of perfect geostationary systems as virtually the sole “instruments” for satellite communication. The subsequent problem of overcrowding of geostationary ring on one hand and explosive growth in demand on communication capacity on the other led comsat experts to focus on the alternate routes through various near-earth and medium attitude satellite constellations later proposed for uninterrupted communication. However, the opportunities thrown up by quasi-stationary orbits for augmentation of the space communication capacity have gone abegging. This paper attempts to draw attention of communication satellite designers/planners to the immense potential for utilization of the non-equatorial, 24-hour circular orbits for communication. For the proposed quasi-stationary orbits, the change and/or control of the inclination of the plane is not envisaged in the launch and/or operational phase. The resulting significant payload weight advantage is associated with the problem of periodic as well as secular apparent angular satellite drift relative to the ground terminal. However, the problem may be largely overcome through controlled satellite tilting using solar radiation pressure or through the use of tethered auxiliary mass attachment. Alternatively, it may be possible to overcome the attitude control problem by the use of systems such as on-bard electronically steerable phased array antenna capable of following the line-of-sight to the co-operative ground station.     

Microscope in orbit calibration procedure for a test of the equivalence principle at 10(-15)

The scientific objectives of the MICROSCOPE space mission impose a very fine calibration of the on-board accelerometers. However the required performance cannot be achieved on ground because of the presence of high disturbing sources. On-board the CHAMP satellite, accelerometers similar in the concept to the MICROSCOPE instrument, have already flown and analysis of the provided data then allowed to characterise the vibration environment at low altitude as well as the fluctuation of the drag. The requirements of the in-orbit calibration procedure for the MICROSCOPE instrument are demonstrated by modelling the expected applied acceleration signals with the developed analytic model of the mission. The proposed approach exploits the drag-free system of the satellite and the sensitivity of the accelerometers. A specific simulator of the attitude control system of the satellite has been developed and tests of the proposed solution are performed using nominal conditions or disturbing conditions as observed during the CHAMP mission.     

卫星全景图象的数字几何校正

文中提出了一种对卫星全景图象进行整幅几何粗处理的方法。该方法基于卫片和地面上一些固有的几何关系,既考虑卫星成像的物理过程,又不单纯依赖卫星参数,而是借助于精确测定的少量地标点和几何关系模型,对参数进行最优估计,最终达到对图象的校正。经仿真表明,文中所提出的方法是完全有效的。     

Variable structure control for satellite attitude stabilization in elliptic orbits using solar radiation pressure

The paper proposes the use of solar radiation pressure for satellite attitude control in elliptic orbits based on variable structure control. The system comprises of a satellite with two-oppositely placed solar flaps. Sliding mode control and terminal sliding mode control techniques have been adopted to develop nonlinear control laws for suitably rotating the control solar flaps to neutralize the adverse effect of eccentricity normally responsible for a considerable deterioration in the attitude control performance. The detailed numerical simulation of the governing nonlinear equation of the motion including the effects of various system parameters on the controller performance, establishes the feasibility of the proposed control strategy. The proposed controller is found to be robust against parameter uncertainties and external disturbances and thereby, the control strategy presented in the paper may be applicable to future satellite missions.     

基于高轨导航接收机的自动化地面测试系统

高轨卫星导航接收机是实现高轨航天器自主定轨的核心设备。为在地面测试阶段对高轨卫星导航接收机进行充分高效的验证，亟需设计基于高轨卫星导航接收机的地面测试系统。设计了一种基于高轨卫星导航接收机的自动化地面测试系统，主要创新点如下：第一，本系统可对高轨卫星导航接收机实际在轨状态下接收到的导航星座信号进行仿真；第二，具有模拟包含北斗三号等多导航卫星星座信号的功能；第三，本系统充分考虑自动化、通用化与一体化设计。提出的基于高轨卫星导航接收机的自动化地面测试系统能够在地面测试阶段对高轨卫星导航接收机进行充分验证，并充分考虑测试实施，从自动化、通用化、一体化方面提升测试效率，减少人为操作失误导致的质量问题，解决人工判读带来的误判漏判问题。