快响SAR卫星零多普勒波束中心姿态机动策略研究

传统偏航牵引方法采用惯性系下卫星轨道6要素推导得出姿态机动参数,在此方法中仅控制卫星主轴方向多普勒频率为0Hz,无法补偿SAR天线安装偏差和波束在天线内的方位距离向离轴角引起的斜距偏差和多普勒频率偏移,不能满足SAR系统时序设计需求和快响SAR卫星在轨实时处理器性能要求。因此,提出了地心固定坐标系中SAR天线波束指向零多普勒面内目标方向的姿态机动策略,使快响SAR卫星在轨实际波束中心多普勒频率为0Hz。该策略首先计算了基于场景目标的SAR总体设计的精确时序参数和观测参数,然后在地心固定坐标系中建立了波束中心多普勒频率为0Hz的SAR天线波束三轴指向模型,推导得出卫星三轴指向和姿态机动参数,并通过Matlab对该策略进行了仿真验证。结果表明,该策略可将多普勒频率由地球自转引起的29kHz、天线与卫星安装偏差引起的360Hz和波束方位向离轴角引起的3950Hz补偿至0Hz,同时将由天线与卫星安装偏差和波束距离向离轴角综合引起的波束中心偏离目标的斜距偏差6.28km补偿至米的量级。     

星载SAR图像方位角计算及其对风速反演影响评估

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是海洋常规观测的重要技术手段,然而在其数据处理和关键物理参数反演中,SAR图像方位角SAR海面风速的反演精度。对此,根据SAR图像方位角的定义,结合空间卫星坐标系转换关系推导了?_IMG,并进一步提出了基于SAR图像地面控制点的?_IMG计算方法。通过对比分析2016年全球近70万景哨兵一号卫星波模式SAR图像,量化了?_IMG与?_SAT的系统偏差,发现该偏差与雷达入射角和轨道方向紧密相关。选用五次多项式拟合该偏差随纬度的变化规律,同时发现将卫星飞行方向角近似等于SAR图像方位角会引起海面风场反演误差,该误差空间分布不均,且升轨降轨有所差异,风速误差最大可达±0.5 m·s^–1。研究结果表明,?_IMG的正确计算和使用对于SAR地球科学研究具有重要意义,本文提出的?_IMG计算方法对其他SAR卫星系列也具有实际参考价值。     

基于帧频的星载SAR系统视频成像能力分析

视频合成孔径雷达(video synthetic aperture radar, ViSAR)作为一种微波遥感体制能以摄像式模式对重点区域的时敏目标展开持续性的动态监视，已经受到越来越广泛的关注，但针对视频SAR系统的视频成像能力的分析还不够深入。首先建立了视频SAR回波信号模型，并结合给定的星载SAR系统参数，提出了一种基于帧频的适合分析星载SAR系统视频成像能力的模型，并基于X波段和Ka波段雷达参数对系统进行了仿真分析。研究表明，在形成相同帧率的SAR视频时，SAR系统频率越高，越容易形成独立帧率的SAR视频；在形成相同方位分辨率帧图像的SAR视频时，中心斜视角越大，所需的孔径交叠率越大。研究成果可为星载SAR系统设计提供理论分析支撑。     

地标自主导航的高精度地标库建立方法

利用地标信息的卫星自主导航方法是通过星载光学摄像机实时拍摄地标景象来计算卫星的位置、速度等参数,具有完全自主的特点,并且适用范围广泛,可用于能够周期性获得地面图像的航天器,但受到地标选取方法以及地标库建立策略的制约,影响到导航精度,阻碍了推广使用。针对上述问题,提出了建立全局及高性能的地标库,即采用全球地标控制点选取的原则选取性能优良的全球地标样本,并自动生成全局地标库。通过计算机仿真验证了该方法的有效性,结果表明,使用全球地标控制点选取地标样本,并自动生成全局地标库,可以快速而准确地为航天器进行高精度的自主导航,导航位置误差约为99 m,速度误差约为0.08 m/s。      

基于轨道参数和SAR回波数据的多普勒调频率快速估计

多普勒调频率是SAR方位向压缩的关键参数之一. 调频率的失配会带来严重的方位向散焦, 从而影响成像质量. 基于减灾、防灾目的, 需要对SAR数据快速成像, 从而相应要求对多普勒调频率进行快速估计处理. 根据多普勒调频率快速估计需求, 提出了一种基于轨道参数法和Map Drift算法估计多普勒调频率的综合反演算法, 利用多普勒调频率与距离的关系, 简化整个估计流程, 从而提高估计速度. 同时给出了一种块数据筛选的方法, 用于选择综合反演法中所采用的块数据. 实验结果表明, 综合反演法能够在满足成像质量要求的基础上, 快速估计出多普勒调频率.      

星载观测平台的视线误差分析

为分析星载观测平台各项误差源对视线测量精度的影响,研究了一种基于多参量的视线测量误差建模与评价方法.不同于以往卫星、相机的空间测量方式,针对卫星、转台、相机的观测结构,构建了从惯性空间到光学传感器像平面的目标成像模型及星载观测平台视线测量模型.通过推导星载观测平台视线测量误差与观测中13项误差源的关系,提出一种基于灵敏度分析的误差评价方法,并在三个轴向上分析了各项误差源对星载观测平台视线测量精度的影响.利用蒙特卡罗仿真试验验证了理论模型的有效性.结果表明,卫星轨道误差、卫星姿态误差、载荷平台角振动误差、内外框架转动误差、像平面目标像点的位置量化误差是影响星载观测平台视线测量精度的主要因素.该方法能够科学评估各项误差源对星载观测平台视线测量精度的影响,对星载观测平台的总体设计具有重要的应用价值.      

单星导航HEO卫星初轨确定算法

HEO(Highly Elliptical Orbit)轨道卫星利用星载GPS(Global Positioning System)进行自主定轨面临的主要难题之一就是解决在单颗导航卫星条件下的初轨确定问题.从理论上分析了利用单颗导航卫星的观测量确定HEO卫星轨道初值的所需满足的条件,指出了利用F.G级数法求解初值存在的问题,提出了一种基于轨道根数约束的迭代批处理算法,该算法无需复杂的数学运算,避免了F.G级数法用短弧资料定初轨时系数矩阵秩亏的影响.仿真结果表明,当先验轨道根数误差在允许范围内取值时,在考虑轨道射入误差的情况下,初值的位置偏差在10⁴ m量级,速度偏差在10⁰ m/s量级,能够根据单颗导航卫星的短弧观测值可靠地完成轨道初值的确定.     

单星测频静态目标无源定位研究

提出了一种基于非线性最优化技术的单星测频无源定位算法,该方法利用单颗卫星单个通道在不同位置上测得的信号多普勒频率,实现对地面固定辐射源的无源定位,具有有效载荷简单、对卫星姿态无特殊要求、定位收敛快、精度较高等优点。同时,探讨了多普勒频率测量误差预处理技术,以及基于PAR模型的系统误差分离技术,通过对测量误差的分离与处理,可以大幅度提高频率测量数据的精度,从而保证后续测频定位精度。最后,通过仿真试验和工程实际,验证了单星测频定位技术的有效性和准确性。     

基于GPS对地球同步轨道自动转移飞行器进行导航的可行性分析

研究利用GPS对地球同步轨道自动转移飞行器进行导航的方法,分析了飞行器在转移过程中可用的GPS卫星数目,在地心惯性坐标系下建立了惯导误差和GPS的伪距、伪距变率模型,采用渐消因子的自适应卡尔曼滤波对飞行器进行组合导航.仿真结果表明,可用GPS卫星的数目随着飞行器高度的增高而减少,因此无法利用单一历元观测信息直接对飞行器导航.但采用多历元观测信息和动力学模型相结合的滤波方法可对飞行器进行组合导航,当飞行器初始位置偏差为1 km,初始速度偏差为1 m/s,伪距及伪距变率观测均方差分别为10 m和0.05 m/s时,地球同步轨道自动转移飞行器的最终位置偏差小于50 m,速度偏差小于0.02 m/s.      

An adaptive threshold method for improving astrometry of space debris CCD images

Optical survey is a main technique for observing space debris, and precisely measuring the positions of space debris is of great importance. Due to several factors, e.g. the angle object normal to the observer, the shape as well as the attitude of the object, the variations of observed characteristics for low earth orbital space debris are distinct. When we look at optical CCD images of observed objects, the size and brightness are varying, hence it’s difficult to decide the threshold during centroid measurement and precise astrometry. Traditionally the threshold is given empirically and constantly in data reduction, and obviously it’s not suitable for data reduction of space debris. Here we offer a solution to provide the threshold. Our method assumes that the PSF (point spread function) is Gaussian and estimates the signal flux by a directly two-dimensional Gaussian fit, then a cubic spline interpolation is performed to divide each initial pixel into several sub-pixels, at last the threshold is determined by the estimation of signal flux and the sub-pixels above threshold are separated to estimate the centroid. A trail observation of the fast spinning satellite Ajisai is made and the CCD frames are obtained to test our algorithm. The calibration precision of various threshold is obtained through the comparison between the observed equatorial position and the reference one, the latter are obtained from the precise ephemeris of the satellite. The results indicate that our method reduces the total errors of measurements, it works effectively in improving the centering precision of space debris images.     

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。     

星载聚束式SAR 精确成像处理

分析了星载聚束式合成孔径雷达(SAR)的信号特性,主要研究了多普勒中心频率、多普勒带宽以及脉冲重复频率(PRF)与斜视角的关系.基于改进的Chirp Scaling算法,处理时采用了子孔径方法.通过子孔径方法,可以有效降低数据率及雷达发射峰值功率,并可解决多普勒中心频率的时变问题.此外,分析了偏航控制对于实现精确成像的必要性,给出偏航控制规律,证明偏航控制可以有效减小距离徙动量,降低成像处理难度.最后,通过计算机仿真,验证了处理方法的有效性.     

基于信息融合的深空探测器的自主导航方法

天文导航是深空探测器实现自主导航的重要手段之一 ,其基本原理是基于航天器轨道动力学方程和对天体的观测信息 ,利用卡尔曼滤波精确估计航天器的位置和速度。但由于天文导航只使用了相对于天体的角度信息 ,所以定位精度较低。为解决这一问题 ,文章提出了一种在天文观测信息的基础上 ,同时利用多普勒频移测量探测器与地面站的相对速度 ,并利用信息融合将两者有效的结合在一起的导航新方法。计算机仿真结果显示 ,该方法可以大大提高导航定位的精度     

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.      

发射系下的SINS/CNS/GNSS组合导航UKF滤波算法

弹载系统的组合导航系统模型常建立在发射惯性坐标系下，且捷联惯性/天文导航/卫星导航（SINS/CNS/GNSS）是一种目前研究较多的组合模式。该组合导航系统的状态方程具有强非线性的特点，常用的滤波方法为扩展卡尔曼滤波（EKF）。为了提高组合导航系统的精度及可靠性，对该组合导航系统的无迹卡尔曼滤波（UKF）模型进行了设计，直接将姿态、位置与速度参数作为状态的一部分，利用CNS及GNSS提供的姿态与位置构成量测方程，并详细给出了姿态样本点的生成、均值及方差的生成过程。仿真结果表明，相对于EKF算法，采用UKF算法后各导航参数的精度可提高约20%~30%，并且系统的实时性也可以得到保证。     

新一代卫星导航信号测量性能分析

导航信号的测量性能最终影响系统定位、测速、授时等服务精度, 是系统顶层设计的重要论证内容之一. 结合COMPASS系统新一代卫星导航信号体制框架设计, 分析了各种应用条件下的伪距、载波相位和多普勒测量精度, 并以典型设计参数为例进行了数值计算. 结果表明, 在接收机典型设计参数和工作条件下, 各信号分量均能够实现0.1m的伪距测量精度、0.006周的载波相位测量精度以及0.005m·s-1的多普勒测量精度. 首次给出的针对新信号体制各项测量性能的研究结果可为卫星导航系统信号体制设计、 导航接收机关键参数设计以及卫星导航系统用户测距误差预算等顶层设计提供参考.