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。     

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。      

干涉SAR卫星编队波束同步方法

考虑到干涉SAR卫星编队姿态偏航导引要求,提出了两种兼顾偏航导引的编队波束同步方法。第一种方法结合星地、星间位置关系并通过坐标变换,规划了使系统满足波束同步要求的卫星姿态。考虑到该方法建模抽象、求解繁琐等不足,又提出了基于欧拉旋转的波束同步方法。数值仿真结果表明,两种方法均可有效实现系统波束同步,且后者效果更优。     

一种IGSO卫星轨道维持时的偏航角调整策略

针对倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道维持问题，提出了在轨卫星在各种不同工况及约束下的偏航角调整策略。其目的在于减小偏航角的调整范围以及缩短偏航角调整时间，减小轨道维持过程对卫星业务连续性的影响。分析了偏航角的运动规律，以及升交点赤经对偏航角的影响。在此基础上，根据轨道维持时升交点赤经的不同、太阳高度角范围、轨道控制的时间约束、交叉点位置约束等不同情况，分别给出了卫星轨道维持时偏航角的调整方法及推力器选择方案。对于交叉点位置在中国境内的卫星，可以使偏航角调整范围不超过45°。此方法可应用于在轨卫星轨道维持管理的实践中。     

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.     

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.      

等离子体鞘层效应对磁层探测电场仪设计的影响

在空间环境探测中，卫星与等离子体的相互作用会改变背景环境的粒子和电位的分布，从而影响探测器对空间电场的测量.为了给磁层卫星电场探测仪器的研制和设计提供参考，本文以中国未来的磁层电离层探测为背景，针对不同轨道高度的等离子体环境，利用SPIS（Spacecraft Plasma Interaction Software）模拟了卫星平台和探针与等离子体的相互作用，从而得到了不同环境下卫星周围等离子体鞘层的厚度，以及探针电位与电流的对应关系.模拟结果表明:由于光电子和二次电子的影响，卫星鞘层的厚度小于等离子体的德拜半径，且温度越高其偏差越大；模拟得到的探针表面电流与电位的关系表明，施加偏置电流的探针可明显提高对电流扰动的抗干扰能力.此外，估计了不同轨道高度上探针处于最佳工作点时应施加偏置电流的大小.      

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.      

法国将研制雷达卫星

法国国家空间研究中心有一项研究计划,到2000年为完善斯波特卫星而研制民用雷达卫星。这颗卫星将从1994年开始研制。该卫星性能优于其它国家的对地观测卫星,如欧空局的地球资源卫星-1、日本的地球资源卫星-1和加拿大的雷达卫星。估计法国的雷达卫星将利用斯波特卫星的平台,以降低研制费用,集中力量制造卫星上的成像雷达。卫星将由阿里安4或阿里安5火箭发射,送入高约750公里的太阳同步轨道。成像雷达将用两种扫描方式工作:一是用快速扫描方式,拍     

一种空间协同探测系统的星座设计方法

研究了由多颗合成孔径雷达卫星和一颗可见光卫星构成的空间协同探测系统的工作模式.根据太阳同步轨道和冻结轨道的特点,结合近地轨道遥感卫星的应用需求,选择了轨道半长轴、偏心率、倾角、近心点幅角.考虑到卫星偏航控制对覆盖性能的影响,在不动的地心坐标系中推导了卫星观测方向与地表交点的表达式,提出了确定系统中各颗卫星的升交点赤经和过近心点时刻的算法.给出了包含两颗合成孔径雷达卫星与一颗可见光卫星的协同探测系统的星座设计结果,并利用国际公认的卫星软件工具包Satellite ToolKit进行了验证,表明该设计方法是正确的.     

零偏模式下太阳光压对轨迹保持控制影响分析

从某颗在轨卫星地面轨迹漂移“异常”出发,分析了该现象发生的内在机理,建立了零偏模式下（卫星姿态偏航角保持为零）光压摄动力沿迹方向累积效应解析模型,并基于历史观测数据通过轨道改进估计模型参数。最后,利用该卫星2018年真实地面轨迹对新模型预报精度进行验证。结果表明,采用新模型后,卫星地面轨迹漂移预报误差得到明显改善,为该卫星轨迹保持控制策略制定提供了技术支持。     

0.1m分辨率机载SAR孔径依赖性运动补偿方法

讨论了0.1m分辨率机载合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)运动补偿方案设计中的一个新问题.超高方位分辨率意味着长合成孔径和大相干积累角,条带模式下的回波数据中可能包含不可忽略的方位角度相关的残余运动误差.分析了这种运动误差孔径依赖性对机载SAR成像质量的影响,它将造成图像的几何失真和方位散焦.提出了一种基于子孔径数据处理的补偿方法,根据雷达瞬时照射时刻与多普勒频率之间的关联性对数据进行方位向上的分段和补偿,可以直接嵌入联合一阶运动补偿和二阶运动补偿的成像处理流程中.仿真结果表明此孔径依赖性运动补偿方法进一步改善了图像的聚焦质量.     

轨道末期星载相机侧摆成像匹配分析与实验

通过分析卫星轨道末期星载TDI CCD相机成像面临的数据读出频率过大、像移失配严重等瓶颈问题, 提出了轨道末期卫星侧摆成像匹配方案. 依据轨道衰减高度, 设计侧摆成像匹配模型, 计算出轨道高度与匹配成像侧摆角度之间的变化关系, 对侧摆成像时的像移速度矢量、偏流角度、成像畸变等进行了定量的可行性分析, 并利用蒙特卡洛方法分析了满足侧摆成像的卫星姿态指向精度和稳定度. 利用基于小型三轴气浮台的小卫星姿态控制系统和TDI CCD相机成像系统进行仿真试验, 结果表明, 仿真图像的MTF函数和互相关相似性测度均在0.85以上, 侧摆成像匹配方案能较好地满足轨道末期成像需求.      

倾斜轨道小卫星太阳高度角分析与机动方案设计

针对倾斜轨道小卫星必然会面对的光学姿态敏感器受阳光干扰的问题,分析太阳高度角的变化规律,提出了计算太阳高度角的经验公式,并在此基础上提出了平台偏航姿态机动方案,可以使光学姿态敏感器规避阳光干扰,并可以简化整星热控和帆板驱动设计,提高了整星的可靠性.