分布式SAR衛(wèi)星姿態(tài)和相對軌道確定及相關(guān)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(biāo)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(diǎn)。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(shù)研究”的863課題。 為保證分布式SAR衛(wèi)星的成像質(zhì)量，系統(tǒng)對單星姿態(tài)和編隊(duì)相對運(yùn)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(shí)時性要求較高。本文圍繞如何提高測

2、量精度和實(shí)時性展開了研究。GPS載波相位技術(shù)高動態(tài)應(yīng)用的難點(diǎn)主要在整周模糊度和周跳的快速解算，這是影響實(shí)時性的主要因素。為了提高測量精度，在CDMA體制的導(dǎo)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(shí)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(duì)相對運(yùn)動的主要因素。本文主要研究如何利用GPS技術(shù)精密確定單星姿態(tài)和利用類GPS技術(shù)精密確定編隊(duì)相對運(yùn)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(guān)鍵技術(shù)問題。在前期研究的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步探討了主要攝動因素對衛(wèi)星運(yùn)動的影響，使研究更具實(shí)際應(yīng)用價值。 本文首先簡要回顧了近年來GPS和類GPS測量技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展。接著全面介紹了表達(dá)衛(wèi)星姿態(tài)的幾種方式和GPS載波相位技術(shù)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(diǎn)，主要內(nèi)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(gòu)建了較準(zhǔn)確的衛(wèi)星受攝姿態(tài)動力

4、學(xué)模型。然后采用極大似然估計(jì)卡爾曼濾波算法解算衛(wèi)星姿態(tài)，最后進(jìn)行了仿真，驗(yàn)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(xiàng)對衛(wèi)星編隊(duì)的影響，總結(jié)出了J2項(xiàng)對編隊(duì)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(yīng)用而言，必須進(jìn)行控制，使編隊(duì)穩(wěn)定地保持在要求的精度范圍內(nèi)。在類GPS技術(shù)確定衛(wèi)星相對運(yùn)動的研究中，采用了改進(jìn)的采樣卡爾曼(UKF)算法并結(jié)合平方根濾波解算其相對運(yùn)動。最后進(jìn)行了計(jì)算

5、機(jī)仿真，與標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展卡爾曼(EKF)算法和基本UKF進(jìn)行了比較，結(jié)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(guān)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(diǎn)解的解算，并提高了浮點(diǎn)解的精度，同時提出了全新的降維去相關(guān)算法，克服了整數(shù)高斯變換中可能的去相關(guān)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(jié)果表明該算法具有更高的可靠性和實(shí)時性。

6、 4．周跳的快速檢測與修復(fù)是高動態(tài)下GPS測量的又一關(guān)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(fù)周跳的算法。理論分析和仿真結(jié)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(fù)，則必須重新捕獲信號進(jìn)行新的觀測。隨著CDMA體制導(dǎo)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(shí)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(guān)新算法。該算法從偽隨機(jī)編碼理論出發(fā)，提出了復(fù)合碼的子碼同步移相算法，從而解決了復(fù)合碼無法直接利用快速Walsh變換提高相關(guān)運(yùn)算速度的難題。性能分析表明，該算法能顯著縮短相關(guān)運(yùn)算時間。本章還提出了改進(jìn)自動控制多級門限的新算法。理論分析和仿真結(jié)果表明，該算法在判決捕獲時，虛警概