分布式SAR超分辨成像的卫星编队构形优化设计方法

编队构形设计是分布式卫星系统总体设计的关键问题,提出了一种编队构形优化设计方法。针对主星带辅星群体制分布式合成孔径雷达(SAR)超分辨率任务,从优化系统效能的角度出发,将满足超分辨性能的时间比率和分辨率改善因子作为编队构形优化设计的目标函数,以基线矢量为中间变量,建立了目标函数与编队卫星轨道根数的关系,并采用遗传算法求解。对不同卫星数目的编队系统进行了优化设计仿真,并与干涉车轮和钟摆编队构形方案进行了分析比较,数值结果验证了该优化设计方法的有效性和正确性。该设计方法还可改变优化目标函数,以适应用户的任务要求。     

基于InSAR任务性能要求的编队轨道构型设计

为使卫星在飞过特定经纬度地面上空时对应特定的空间基线形式,系统的其他参数常受制于诸多限制,只有编队构型可以进行更为自由的设计。以双星编队为例,研究了基于轨道摄动理论的编队飞行模型;分析了编队飞行InSAR卫星的轨道设计约束条件与设计目标;提出了四种轨道构型方案并对其测高性能进行比较;并分析了地球扁率摄动因素对编队构型及InSAR测高性能的影响。     

星载InSAR辅星编队优化设计与分析

以“主星—辅星编队”InSAR系统干涉测高为应用背景,研究辅星编队的优化设计问题。首先,定义优化指标———“有效观测时间比”来描述全轨道周期观测性能,以共绕飞轨道、相位均匀分布的卫星编队(构形类似于CartWheel)作为研究的重点。选取描述编队卫星相对运动的振幅比和相位差作为寻优变量,通过仿真实例用搜索法得出了寻优变量与优化指标的三维关系图,并给出了优化构形的参数区域,得到了最优的编队卫星轨道根数。进一步研究了在主要摄动因素影响下卫星编队构形保持与轨道保持的燃料预算方法,并计算了上述优化构形一年的燃料预算。最后得出有益的结论,为全InSAR系统优化设计提供依据。     

编队星座相对位置精确测定与自主定轨方法

针对编队飞行星座,提出了一种全自主的高精度定轨与相对位置精确测定方法,对其主要关键技术之一的空间绝对定向的基本方案及其可行性和指标进行了研究,并进行了仿真验证.结果表明,通过编队星座星间高精度的距离测量和绝对定向观测,可以实现无需地面测控站和卫星导航系统支持下的编队星座全自主导航方案;在一定测距和测向误差条件下,绝对定轨精度可以优于20m,相对位置确定精度可优于10cm.相对误差与采样间隔有较明显关系,未来可考虑采样间隔控制在10s以内即可;绝对位置误差大小与采样间隔无明显关系,其中的主要误差是星座的整体平移误差.仿真结果验证了所提方案的正确性.      

一种基于时间-矢量模型的InSAR测高分析方法

针对编队飞行InSAR卫星系统状态参数所具有的"时变性"、"立体性"特征,提出了一种基于时间—矢量分析的InSAR测高模型,开发了计算仿真程序。对单个飞行周期内地面目标的绝对高程精度与系统状态参数之间的关系进行了详细分析。由于地面绝对高程信息重建基于矢量分析,提出了使用矩阵表示系统状态参数误差传播系数的分析方法,分析揭示出随着编队飞行卫星轨道构形的不断变化所导致的绝对高程精度的变化规律。分析结果为系统关键技术分解提供了理论依据。     

基于蝙蝠飞行的仿生智能卫星编队管理策略

摘要： 卫星编队构型的保持对编队任务实施至关重要，针对高精度卫星编队控制策略复杂不易于实现的问题，提出了一种基于蝙蝠飞行的仿生智能编队管理策略.首先分析了编队动力学和图论理论，总结自然界中蝙蝠群体的行为规律，给出了蝙蝠飞行数学模型，以此设计了编队虚拟中心用于衡量卫星编队整体效益和局部效益，进而给出了仿生编队管理策略，算法清晰实用.最后，应用卫星编队算法对对卫星编队构型进行控制仿真验证，实现了高精度、低能耗的稳定控制.     

超精密微牛级微波离子推进技术及其在卫星超精度控制中的应用研究

空间技术的快速发展使得利用空间卫星的编队飞行构建大型空间星座成为可能，在引力波探测、射电望远镜编队、星座组网等任务方面具有重要作用。超精度控制是实现卫星高精度编队飞行的关键技术。推进系统是实现卫星编队长期高度稳定飞行的保证，从而实现内部科学装置的正确运行。不同于常规的推进系统，卫星精密编队超精度控制对推进系统的推力可调范围、分辨率、响应时间、推力的一致性等有着极高的要求。根据卫星精密编队任务需求，对微牛级推进系统的功能及技术要求进行了分析，提出了基于M2微波离子推力器的卫星超精度控制推进系统。阐述了M2超精密微牛级推进系统的关键技术和研究进展，为后续M2推力器在无拖曳控制方面的应用奠定了基础。     

一种分布式小卫星SAR单视复图像信号仿真方法

总结了分布式小卫星合成孔径雷达(DSS-SAR,Distributed Small Satellite Synthetic Aperture Radar)回波信号仿真所需具备的基本功能.给出了DSS-SAR的空间几何模型和信号模型.空间几何模型由描述小卫星编队构形的Hill方程给出,信号模型由单视复图像信号模型、信号相关性模型和干涉相位的统计特性共同描述.结合空间几何模型和单视复图像信号模型,提出了一种简洁的DSS-SAR单视复图像信号的仿真方法.该仿真方法中,小卫星的空间位置是根据虚拟中心空间位置和小卫星的编队构形计算得到,因此仿真时能够任意设置小卫星群的编队构形.通过对圆锥三维地形和平地两种地面场景的进行回波信号仿真,结果表明该仿真方法不但能够实现DSS-SAR信号仿真必须具备的功能,而且还具有实现简洁、误差加入方便等优点.      

Walker星座摄动分析与保持控制策略

针对运行在中高轨道上的全球Walker星座的构形长期保持控制问题,通过分析星座卫星的轨道摄动及构形相对漂移,研究了星座构形长期保持的控制方法及控制策略.对于星座构形的保持,研究了星座构形摄动补偿法,提出了星座构形数值微分修正法.最后给出了全球星座构形长期保持控制策略并进行了仿真验证,仿真分析表明,星座构形数值微分修正法比构形摄动补偿法具有更高的控制计算精度.     

主星带辅星群干涉SAR编队设计的约束条件

针对主星带辅星群干涉SAR的星载双站、斜视、空间基线等特点,从系统工作过程和测高性能分析角度出发,分别对主星带辅星编队干涉SAR编队设计的几个变量(主星与辅星群的距离、基线的长度和指向角)提出设计约束条件。对辅星回波时序、信噪比进行分析,得到主、辅星间距离设计的约束条件;对干涉测高精度进行分析,重点考虑空间基线去相关对干涉相位误差进而对测高精度的影响,给出基线长度和指向角与干涉测高精度的关系,得到基线长度和指向角设计的约束条件。仿真分析表明,由于干涉车轮和干涉钟摆编队是基于正侧视干涉几何提出的,它们的测高性能不是最优的。     

A novel system parameters design and performance analysis method for Distributed Satellite-borne SAR system

As a promising new technology emerged in recent years, the Distributed Satellite-borne SAR (DSS) system with Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) imaging capability has been recognized by the remote sensing community as an integrated part of the spaceborne earth observation system. However, most researches on DSS were focused on individual aspects of system design/analysis and data processing, while few studies have been dedicated to establishing a standard methodological framework for universal DSS system design. Aiming at this problem, the topics of DSS system error analysis and design method are investigated in this paper. Firstly, a rigorous error propagation model of height measurement is theoretically derived from the DSS InSAR imaging geometry, and the impact of each error sources in this model on the height measurement accuracy is analyzed individually. In particular, the baseline length and its measurement error in the InSAR imaging plane are identified as the dominant factors. Second, a new method for DSS system design is proposed based on our analyses with the error propagation model. This method consists of two important phases, namely collaboration design and monostatic design. The major objective of collaboration design is to determine the configuration and parameters for the coordination between satellites in the DSS system. Afterwards, the key parameters for single satellite and the payload are determined by the monostatic design. Thirdly, a system performance analysis method is developed to comprehensively evaluate the performance of the pre-designed DSS system. In the next section, a typical example of DSS system design is given to demonstrate the effectiveness of the proposed system design and analysis methods. The target DSS system has the same goal and hardware configuration as the TanDEM-X mission. Finally, the conclusion is drawn with our major findings are presented.     

编队卫星空间状态与星间基线的建模与分析

针对编队卫星任务中起重要作用的星间基线指标,在考虑精度需求的基础上对用于确定星间基线的空间状态量进行了选择,建立了空间状态量与星间基线的关联数学模型,提供了误差分析方法,仿真给出了一定场景设置下的精度影响因子等指标以定量刻画二者之间的误差传播关系。基线长度仅与编队卫星的相对空间状态有关,而基线姿态角还与主星的绝对姿态有关;且由卫星空间状态得到星间基线的过程中误差放大。     

编队飞行卫星群相对轨道测量研究

编队飞行卫星群自主式相对轨道测量和确定是绕飞轨道的关键技术之一,考虑了利用星敏感器和雷达以及利用GPS(Global Positioning System)信号来进行相对定轨的传统方式,提出了基于伪卫星技术的定轨方案.伪卫星技术指在卫星上安装载波发生器和接收器,利用这些装置来进行卫星间的距离测量.在这些方案中,应用了差分GPS技术,采用优化方法求解多元非线性方程.这些测量方法分别适应于不同的情况.利用相对轨道要素的概念,在前面测量结果的基础上,通过卡尔曼滤波进一步提高了定轨精度.仿真计算表明这些方案可以满足不同尺度编队构型保持要求,并给出了部分结果.     

太阳同步冻结轨道星座保持与捕获

太阳同步冻结轨道卫星在经过同一星下点时光照特性和轨道高度相同，便于载荷观测及定标.由多颗太阳同步冻结轨道卫星组成的星座，需要实现星座成员轨道倾角、轨道高度、偏心率矢量和相对轨道幅角的同时保持.提出了基于切向单脉冲的最低燃耗轨道面内保持策略，证明了该策略的稳定性和燃料最优性， 给出了太阳同步轨道地方时保持简单算法.仿真证明，基于本策略的星座成员能跟踪并捕获目标轨道.面内保持策略还可用于低轨卫星编队低燃耗控制.     

基于视线测量和轨道预报高轨非合作目标相对导航方法

对于非合作目标,由于中远距离星上相对测量手段有限,大多情况仅能获得视线角信息.仅视线测量相对导航方法在GEO轨道条件下滤波精度低、可观测性差.提出一种基于星间视线方位测量和轨道预报信息结合的非合作目标相对导航方法.建立基于星间相对运动模型的状态方程和基于星间视线测量和轨道预报信息的观测方程,分别选取了扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波两种方法,仿真分析了轨道预报信息精度和滤波方法对导航精度的影响.     

海洋监视卫星无源被动定位精度分析

分析了利用三星编队卫星对海上目标进行无源侦察、监视的原理,建立了利用时差定位法进行定位的精度模型,在此基础上推导了卫星对目标的定位精度与卫星编队构型、轨道高度、与目标的相对位置及卫星定轨精度和测量误差的关系。对模型进行了仿真计算和分析,仿真结果表明:合理增加卫星间的基线长度,保持卫星编队构型及其与目标间相对位置的均匀性可以有效提高卫星对目标的定位精度。