分布式SAR衛(wèi)星姿態(tài)和相對軌道確定及相關問題研究.pdf

1、分布式SAR衛(wèi)星是近年才發(fā)展起來的。與單基SAR相比，它有許多明顯的優(yōu)勢：如生存能力大大提高，基線組合和工作模式靈活多樣，對目標的分類和識別有顯著改善等等。因此分布式SAR衛(wèi)星已成為目前研究的熱點。我們教研室也適時開展了“分布式衛(wèi)星SAR系統(tǒng)總體技術研究”的863課題。 為保證分布式SAR衛(wèi)星的成像質量，系統(tǒng)對單星姿態(tài)和編隊相對運動的測量提出了更高要求。SAR衛(wèi)星處于高動態(tài)環(huán)境中，對測量的精度和實時性要求較高。本文圍繞如何提高測

2、量精度和實時性展開了研究。GPS載波相位技術高動態(tài)應用的難點主要在整周模糊度和周跳的快速解算，這是影響實時性的主要因素。為了提高測量精度，在CDMA體制的導航系統(tǒng)中采用超長碼已成為趨勢，故偽碼的快速捕獲也成為影響實時性的重要因素。就SAR衛(wèi)星本身而言，空間攝動是影響姿態(tài)和編隊相對運動的主要因素。本文主要研究如何利用GPS技術精密確定單星姿態(tài)和利用類GPS技術精密確定編隊相對運動，以及整周模糊度和周跳的快速解算，GPS(類GPS)信號的快

3、速捕獲等關鍵技術問題。在前期研究的基礎上，本文進一步探討了主要攝動因素對衛(wèi)星運動的影響，使研究更具實際應用價值。 本文首先簡要回顧了近年來GPS和類GPS測量技術的現(xiàn)狀及發(fā)展。接著全面介紹了表達衛(wèi)星姿態(tài)的幾種方式和GPS載波相位技術測量衛(wèi)星姿態(tài)的基本原理。然后介紹了GPS觀測量及誤差源。第三至七章是本文的重點，主要內容如下： 1．第三章在考慮SAR衛(wèi)星典型姿態(tài)控制方式和重力梯度力矩的影響下，構建了較準確的衛(wèi)星受攝姿態(tài)動力

4、學模型。然后采用極大似然估計卡爾曼濾波算法解算衛(wèi)星姿態(tài)，最后進行了仿真，驗證了算法的正確性。 2．第四章深入分析了地球扁率J2攝動項對衛(wèi)星編隊的影響，總結出了J2項對編隊衛(wèi)星相對距離的影響規(guī)律。并指出，對于分布式SAR衛(wèi)星這樣對相對定位精度要求很高的應用而言，必須進行控制，使編隊穩(wěn)定地保持在要求的精度范圍內。在類GPS技術確定衛(wèi)星相對運動的研究中，采用了改進的采樣卡爾曼(UKF)算法并結合平方根濾波解算其相對運動。最后進行了計算

5、機仿真，與標準擴展卡爾曼(EKF)算法和基本UKF進行了比較，結果證明了該算法的優(yōu)越性。 3．快速解算整周模糊度是高動態(tài)下GPS測量的關鍵，第五章提出了三差法輔助快速求解整周模糊度的新算法。該算法利用三差輔助加快模糊度浮點解的解算，并提高了浮點解的精度，同時提出了全新的降維去相關算法，克服了整數高斯變換中可能的去相關失敗，最后采用了高效的模糊度搜索策略。與著名的LAMBDA算法相比，結果表明該算法具有更高的可靠性和實時性。

6、 4．周跳的快速檢測與修復是高動態(tài)下GPS測量的又一關鍵問題，到目前為止并沒有一個普遍適合的算法。第六章提出了利用三差觀測量和基線長度約束快速檢測修復周跳的算法。理論分析和仿真結果表明，該算法能適用于高動態(tài)環(huán)境，可檢測到1～2周的小周跳。 5．GPS信號(或類GPS信號)的捕獲是一切基于GPS(或類GPS)測量的前提。在測量中出現(xiàn)周跳又沒有及時修復，則必須重新捕獲信號進行新的觀測。隨著CDMA體制導航系統(tǒng)的發(fā)展，為提高精度而使

7、用超長碼成為一個趨勢。在SAR衛(wèi)星處于高動態(tài)環(huán)境下，因而偽碼的快捕也成為影響實時性的重要因素。第七章主要研究了如何快速捕獲偽碼。本章提出了基于快速Walsh變換的相關新算法。該算法從偽隨機編碼理論出發(fā)，提出了復合碼的子碼同步移相算法，從而解決了復合碼無法直接利用快速Walsh變換提高相關運算速度的難題。性能分析表明，該算法能顯著縮短相關運算時間。本章還提出了改進自動控制多級門限的新算法。理論分析和仿真結果表明，該算法在判決捕獲時，虛警概