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。     

分布式天基雷达动目标检测性能分析

针对多部天基雷达采用分布式工作体制检测运动目标面临的杂波抑制困难问题,分析了沿航迹基线长度、有效基线长度、地面坡度、波束指向误差、图像配准误差、通道幅度和相位误差对杂波抑制和动目标检测性能的影响。仿真实验结果为以动目标检测为目的的卫星编队构形和雷达参数选择提供了一定依据。     

基于DEM和GMTI的收发同置分布式InSAR编队构型设计

针对多星收发同置分布式干涉合成孔径雷达(InSAR),建立了基线的空间几何模型,基于高程测量(DEM)和动目标检测(GMTI)任务设计卫星编队构型。给出了多星收发同置分布式InSAR的基线参数与构型参数的转换关系,在任务对基线的约束下,以小于某指标的测高和测速误差的轨道运行时间为优化目标,设计构型参数并仿真分析,获得了三种不同编队构型的基线稳定性和测量误差。     

一种利用沿航迹干涉合成孔径雷达复图像域数据的双边滤波算法

沿航迹干涉合成孔径雷达能够提供成像物体的雷达后向散射信息与运动信息,被应用于海面洋流流速测量与地海运动目标识别。在实际雷达系统中,由于系统误差、噪声以及回波信号的去相关导致干涉信息测量精度下降。针对上述问题,从信号处理角度提出一种利用沿航迹干涉合成孔径雷达复图像域数据的双边滤波处理算法。该方法利用像素点的干涉幅度、干涉相位以及空间物理分布信息的相似程度自适应地调整滤波器权系数,以平滑复图像域噪声和缓解传统多视滤波处理算法对图像分辨率的损失问题,从而提升干涉信息测量精度。根据沿航迹干涉合成孔径雷达海面舰船目标实测数据实验结果可得:相比于现有典型的滤波方法,所提算法能够提升干涉测量的精度,进而提升舰船目标与海杂波背景的干涉信息分布差异,为后续运动舰船目标的检测提供准确的干涉域特征。     

基于ATI技术和象素匹配的星载SAR/GMTI实现方法

与机载合成孔径雷达相比,星载合成孔径雷达由于其复杂的空间几何关系、地球自转及地球曲率等因素的影响,使得星载SAR／GMTI的实现更为复杂。提出了当不满足相位偏置中心天线(DPCA)中脉冲重复频率和天线水平基线间的严格约束条件时,通过象素匹配法和星载SAR沿航迹向干涉(ATI)技术实现星载合成孔径雷达(SAR)动目标检测、测速及定位的一种方法。该方法采用沿航迹向线性排列的双孔径天线星载SAR结构,首先建立了星载SAR双孔径天线空间几何模型并详细分析了星载SAR双孔径天线机理及信号特性,然后利用常规方法成像的双天线SAR图像,分析并推导了基于ATI技术和象素匹配实现对地面背景杂波淹没的运动目标检测、径向速度分量估计以及目标定位的方法。最后,通过计算机仿真验证了其有效性。     

基于星历和回波的分布式卫星SAR系统沿航迹基线计算方法

针对分布式卫星SAR系统中混合基线和雷达斜视导致沿航迹基线难以精确计算的问题,提出了一种基于星历和回波数据的沿航迹基线计算方法。在将分布式卫星航迹补偿为平行航迹的基础上,建立了存在混合基线及雷达斜视条件下的观测几何模型,推导了沿航迹基线的计算公式。根据雷达回波数据估计多普勒中心频率,并由此得到计算沿航迹基线所需的斜视角。在空间基线较长、斜视角较大条件下,该方法相比近似计算方式而言,能获得高精度的沿航迹基线估计。仿真结果表明,用该方法计算得到的沿航迹基线长度作为测速定位的基线参数,可以获得高精度的动目标测速定位结果。
     

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。     

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。     

基于双通道距离频率干涉相位解运动目标径向速度模糊方法

针对合成孔径雷达/地面动目标检测系统中动目标径向速度估计存在模糊的问题,提出一种基于双通道距离频率干涉相位解模糊的方法。该方法通过构造干涉相位与距离频率的关系,利用干涉相位随距离频率变化的斜率关系实现径向速度无模糊估计。该斜率与相位缠绕无关,所以所提方法具有不受相位缠绕影响的优点。为了减小噪声对径向速度估计的影响,利用最小二乘线性拟合方法估计该斜率。此方法能实现杂波背景和多目标情况下的应用。通过仿真和实测数据处理验证了所提方法的有效性。     

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.     

基于平均轨道要素的干涉SAR编队构形设计方法研究

提出了一种在整个轨道周期内沿轨迹向和垂直轨迹向均存在稳定基线组合的三星编队，并在考虑J2摄动基础上给出了其轨道设计方法。依据系统任务要求给出了该队形设计的约束条件，初步确定了编队的平均轨道参数。为了使得空间基线在摄动情况下保持相对稳定，对卫星平均半长轴进行了小量修正。最后在卫星工具包（STK）下进行了高精度轨道仿真验证。结果表明，该方法设计的编队初始轨道参数能使空间基线保持稳定，在一个轨道周期内，垂直轨迹方向存在两条相同的稳定基线，沿轨迹方向存在一条稳定基线和两条周期性变化基线，能够同时满足DEM和GMTI任务要求。     

高低轨双星时频差无源定位精度

高低轨卫星联合定位是提高地面辐射源无源定位精度的有效方法。从时差基线、速度差增加方面分析了高低轨双星定位精度相对同轨卫星定位精度高的原因,推导出高低轨双星时频差定位误差分布表达式,分析了高低轨联合定位适用的时频差测量方法及其测量精度。仿真分析结果表明:在低轨卫星星下点附近较大范围内,定位精度达到百米量级。验证了双星相对位置变化、时频差测量误差、高低轨卫星自身位置速度测量误差等因素对高低轨双星定位精度的影响。     

分布式小卫星雷达平台沿航向排列研究

以小卫星群作为平台的天基分布式雷达具有多种用途。沿航向直线排列是分布式小卫星群的一种特殊轨道构形。由于阵列的等锥角线和等多普勒频率线重合，给SAR成像和地面运动目标检测的信号处理带来了极大的便利。受到地球自转的影响，多颗卫星采用同一轨道飞行并不能真正实现沿航向直线分布。为了克服地球自转的影响，现提出满足Hill方程的一种基本不消耗燃料的轨道设计，使多颗卫星飞行在不同的轨道上而实现真正的沿航向直线分布。数学分析表明它可以有效消除地球自转的影响。结合SAR成像的仿真结果证明了该方法的有效性。     

编队飞行卫星群的轨道动力学特性与构形设计

编队飞行卫星群由一些相对距离近的小卫星组成,在严格的条件下,若干颗伴随卫星环绕一颗中心卫星作相对运动,相对轨道为特别性质的椭圆,本文研究了编队飞行卫星群的轨道动力学特性,提出了编队飞行的轨道构形设计的原则和方法。     

一种基于滤波响应损失的多通道合成孔径雷达地面动目标检测方法

针对在非均匀杂波背景下,杂波抑制后孤立强杂波剩余能量导致动目标检测虚警率升高的问题,提出了一种基于滤波响应损失的多通道合成孔径雷达地面动目标检测(SAR-GMTI)方法。对多通道的合成孔径雷达(SAR)图像进行维纳匹配滤波处理,在杂波抑制残差图检测的基础上,根据滤波前后信号的能量差异设计了滤波响应损失检测量,对潜在目标进行二次检测,以剔除虚警。仿真与机载实测数据表明:该方法能在非均匀杂波背景下有效改善动目标的检测性能,可应用于运动平台雷达对地监视预警。     

星载SAR的GMTI技术

根据地面动目标回波信号特性,研究了用于星载合成孔径雷达（SAR）的相位中心偏置天线（DPCA）、沿航迹干涉（ATI）、DPCA-Radon和DPCA-Frft-ATI等地面动目标检测（GMTI）算法。讨论了以实现GMTI为任务的分布SAR小卫星的构型和工作模式,分析了GMTI的最大可检测速度、最小可检测速度和盲速等系统指标,以及分布式SAR系统实现GMTI的难点。     

基于样条模型的高精度星间相对定位与定姿

针对分布式小卫星编队的星间相对定位与定姿的高精度要求，提出了基于样条模型的星间相对定位与定姿的新方法。新方法将一段连续时间内的卫星状态参数用样条参数模型表示，将直接估计状态参数转化为样条参数，减少了待估参数的个数，实现了多时刻状态联解，提高了姿态参数对距离变化的敏感性，结构更加稳定。仿真结果表明，相对定位精度由5mm提高到2mm，相对定姿精度由0．0004弧度提高到0．00003弧度，并解决了估计不稳定现象。     

基于联合定轨策略的星间相对测量自主定轨亏秩问题的改进

发展基于天基测控网的卫星测控定轨技术是克服传统地面测控方式缺陷的有效手段,而仅仅利用天基星间测量信息进行自主定轨易产生亏秩现象.为消除亏秩问题进一步提高定轨精度,本文以位置速度矢量作为轨道改进状态向量,对基于星间相对测量自主定轨亏秩问题的本质进行了再探讨,针对星间相对测量的三个应用领域中继卫星系统、编队卫星星座、双星定位系统提出了基于联合定轨策略的天地基测量信息融合的改进措施.以双星定位系统为例提出了数值融合联合定轨算法,并进行了联合定轨仿真实验.仿真计算结果表明,基于数值融合算法的联合定轨策略能够大大改善法方程系数矩阵的性态,两天观测数据下用户星定轨精度可以达到11.26米.