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。     

月地双基SAR成像的快速后向投影算法研究

为了提高对全球变化的大尺度观测能力,月基对地观测的概念应运而生。由于月基单站合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）的双程传播会造成回波信噪比衰减,为此针对月地双基SAR工作模式展开研究。考虑到月、地、星复杂的相对运动为成像带来困难,根据月、地、星的几何关系建立平面直角回波模型。同时考虑到月球和卫星运行轨迹的弯曲性,分析模型误差,推导了精确的回波二维频谱表达式。在此基础上提出了一种基于快速后向投影的SAR成像算法,补偿了方位空变的模型误差,利用频域子孔径成像和频谱融合实现成像算法的快速化。通过分析可知月地双基SAR的理论回波信噪比与地月距离的平方成反比,与月基单站SAR相比有显著提升,最后通过X波段SAR仿真数据验证了文章算法处理月地双基SAR成像问题的效性。     

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.      

基于脉冲星和紫外敏感器的自主定轨定姿授时研究

为提高深空探测器的自主导航能力, 利用脉冲星导航的脉冲到达时间和脉冲星 角位置测量值、紫外敏感器中心天体质心相对于探测器的方向矢量和距离测量 值以及紫外敏感器输出的航天器姿态角, 以探测器在惯性坐标系下的位置和速度、 探测器本体坐标系相对于惯性坐标系的姿态角、星载时钟钟差为系统状态变量, 通过联邦扩展卡尔曼滤波器估计组合导航系统的系统状态, 并利用火星环绕段 轨道数据进行仿真实验. 仿真结果表明, 该组合导航方法能够使火星轨道器 在环绕段飞行中同时进行定轨、定姿和授时, 且具有较高的导航精度和授时能力.      

地球卫星运动中坐标系附加摄动与参考系选择问题

针对地球赤道面的摆动,曾提出过两种空间地心赤道坐标系,即历元地心平赤道坐标系和混合形式的轨道坐标系.在后一种坐标系中虽然可避免计算因地球引力位变化所引起的坐标系附加摄动的麻烦,但这又带来了两种坐标系之间的不统一和转换的麻烦.针对实际现状,直接在历元地心平赤道坐标系中给出相应的坐标系附加摄动解,所有与此有关的转换问题,均可在历元地心平赤道坐标系中进行,而无需为了避免坐标系附加摄动的计算去通过轨道坐标系来实现.从而建议,不必再引进轨道坐标系,在卫星定轨和预报中,所有的转换问题均可采用同一坐标系,即历元(目前是J2000.0)地心平赤道坐标系.      

基于视惯融合的大型空间碎片质心位置辨识

大型自由翻滚碎片的质心是在轨操作基坐标系下的不动点，也是碎片连体基下动力学参数向卫星坐标系转换的基准，对其精确识别是提高碎片动力学参数辨识精度的关键。提出基于惯性单元测量数据与双目视觉定位数据融合的大型空间碎片质心位置识别方法。基于无力矩欧拉方程，获取附着到空间碎片表面的惯性单元间转换关系，利用该转换关系对惯性单元冗余测量数据优化，再优化求解惯性单元到质心点距离；利用双目视觉获取惯性单元上标记点动态坐标，再利用惯性单元到质心点距离，基于三点定位原理识别大型空间碎片的质心位置。以加入高斯白噪声的惯性单元与双目视觉测量数据进行仿真，结果表明优化解算后惯性单元实时测量数据的误差降低到1%以下，解算的质心位置三轴误差小于0.47mm；开展了地面试验，结果表明，解算的质心位置三轴误差小于0.49mm。仿真和试验证明，该方法能够为大型空间碎片的消旋、捕获任务提供准确的数据基准。     

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.     

月地转移轨道快速设计方法

月地转移轨道设计一般分为初步轨道设计和精确轨道设计.其中,初步轨道设计的准确性是确保后续精确轨道设计收敛的关键.提出了一种基于Lambert算法的月地转移轨道快速设计方法.以出月球影响球的时刻、位置和速度为中间变量,将轨道分为地心段和月心段分别进行计算.将探测器飞出月球影响球至指定再入点的地心段轨道简化为一个Lambert问题进行求解,提出了通过牛顿迭代法求解月地转移轨道Lambert问题的方法,避免了Lambert问题求解时大量的超几何函数和级数计算,提高了计算效率.在月心段轨道的快速计算中,提出了根据探测器出影响球速度矢量、月球停泊轨道倾角和近月点高度计算月心双曲线轨道根数的新方法.通过迭代计算,使得两段轨道在月球影响球处的位置和速度连续,从而获得一条完整的满足两端约束的双二体月地转移轨道.该方法计算速度快,精度相对较高.计算结果可以作为后续精确轨道设计的初值.      

任意两个动坐标系中张量的运动描述间的关系

提出了用矢阵表示的张量对时间的相对导数的概念.研究表明,通过借助于矢阵概念,在涉及多个坐标系时,张量的相对导数得到了更加清晰和严格地描述.由此,并借助于反对称张量,给出了张量的一阶绝对导数和相对导数之间的关系式,并又进一步给出了张量的二阶绝对导数和相对导数之间的关系.结果表明,当运动需要分别在两个转动坐标系中进行描述时,由于张量的特殊性,其"速度"(广义的)合成和"加速度"(广义的)合成既类似于矢量的速度合成和加速度合成又有着本质的差别,为此还提出了关于张量的"速度"和"加速度"合成定理,特别是又进一步将它们推广到任意两个转动坐标系的情形.     

空间机动目标的跟踪和定位

轨道机动控制过程中，推力加速度的不确定性是机动目标运动的主项摄动。通过对推力加速度和机动目标运动建模，在地心惯性系建立了增广系统状态动力学模型，在地平测量坐标系建立了离散量测模型，同时讨论了机动目标增广状态非线性动力学模型的线性化问题。给出了扩展卡尔曼滤波实时估计增广状态向量的算法，仿真分析证明所述算法稳定、收敛，对机动目标具有较高的定位精度。     

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。     

基于UKF和信息融合的航天器自主导航方法

X射线脉冲星导航利用X射线辐射脉冲到达时间 (Time of Arrival, TOA)作为信息输入,星敏感器导航利用星光角距等作为信息输入,是两种不同机理的天文导航方法。提出一种将脉冲星TOA和星敏感器星光角距测量结合的信息融合天文自主导航方法,设计了一种利用激光光量子模拟脉冲星X射线辐射光子的半物理仿真系统用于算法验证,并基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter, UKF)使用真轨道参数做了仿真试验。结果表明,基于UKF的信息融合方法比基于EKF（Extended Kalman Filter）的信息融合方法性能更好,与仅使用脉冲星或星敏感器的导航方法相比,能将位置估计精度分别提高52.7%和43.6%,速度估计精度分别提高82.2%和70.5%。     

超低轨道地球卫星脉冲星/星光折射/光谱组合导航

针对超低轨道地球卫星导航自主需求,提出了一种脉冲星/星光折射/光谱测速组合天文导航方法。首先根据地球超低轨道卫星运行轨道动力学方程建立导航系统状态模型;分别根据脉冲到达时间差和星光折射角与天体光谱频率建立导航系统量测模型;使用Unscented卡尔曼滤波方法,降低随机误差对导航精度的影响,使用基于UKF的信息融合方法,有效融合了三种天文导航方法结果数据。经计算机仿真分析,该组合导航方法位置导航误差均值为85.62m,速度误差均值0.190m/s,能够满足超低轨道地球卫星在轨运行导航需求。     

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。     

基于天基雷达的空间目标轨道预测

根据天基雷达获取的空间目标位置和速度参数, 研究了计算空间目标轨道根数的方法, 以实现对空间目标的初定轨. 分析了雷达坐标系下对目标的观测误差给协议天球坐标系下的目标参数估计带来的影响. 提出了空间二体相遇问题的一种解决方案. 利用已知的空间站轨道, 仿真分析了空间目标在一周之内和空间站的相遇情况, 同时给出了目标轨道预测的误差分析.      

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.      

双臂空间机器人关节运动的一种增广鲁棒控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制情况下,漂浮基双臂空间机器人系统的控制问题.结合系统动量守恒关系进行的运动学、动力学分析表明,可以得到一组与适当选择的惯性参数呈线性函数关系的、欠驱动形式的系统动力学方程.以此为基础,并采用增广变量的思想,克服了通常情况下,空间机器人系统动力学方程关于系统惯性参数呈非线性关系的难点,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数不确定,但误差范围可确定的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人关节运动的变结构鲁棒控制方案.该控制方案的优点在于,不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度;与自适应控制方案相比,化积分运算为简单四则运算,计算量大为减少,有利于实时应用.通过对一个平面双臂空间机器人系统的数值仿真,证实了算法的有效性.