卫星星座与编队飞行问题综述

卫星应用的日益发展需要由多颗卫星组成的卫星系统(形成各种类型的星座)来替代单颗卫星，这就给卫星轨道力学的应用增加了一些新内容。重点阐述了卫星星座整体结构的演化、卫星星座编队飞行中的星-星相对几何构形及其保持问题，以及星座卫星定轨所涉及的测控方式和天地基网联合定轨问题。这些内容都是卫星星座轨道力学中的重要组成部分。     

新一代探测地球重力场的卫星编队

探讨4类卫星编队构形(串联编队、钟摆编队、车轮编队、串联-钟摆编队)测定全球重力场的特点和能力。基于C-W(Clohessy-Wiltshire)方程分析各类编队卫星的相对运动状态,通过仿真试验,探讨各种卫星编队探测重力场的精度和分辨率。结果表明,与GRACE-type编队相比,包含多方向重力信号观测量的卫星编队能够为重力场解算提供更好的条件,对重力场解算精度提高可达9%~65%;径向观测量是重力场反演中的主要信息来源,其中南北径向的车轮编队最适合于高阶重力场的解算;另外,编队卫星间的沿轨方向观测量对扇谐系数反演能力最差,法向观测量对低次项系数的反演不敏感,径向和多方向观测量联合反演能得到接近各向同性的重力场系数。这可为新一代重力卫星任务的设计提供参考依据。     

卫星编队InSAR系统分辨率设计

依据脉冲信号压缩技术,从SAR成像理论出发,在介绍了SAR分辨率定义的基础上,分析了影响基于卫星编队InSAR系统分辨率的原因是存在距离向和方位向基线。在成像处理时,为了确保干涉相位精度,需进行去相关预滤波处理,由此引起系统成像带宽变窄,分辨率下降。依据影响分辨率的原因,提出了基于卫星编队InSAR系统分辨率设计思想,并根据该思想对分辨率的影响情况进行了分析。     

基于增强型GPS的自适应UKF实时星间相对定位方法

高精度的星间实时相对定位是卫星编队飞行的一项关键技术。本文以双星编队为例,提出一种基于GPS双频P码、双频载波相位以及星间距离观测信息的自适应UKF、实时相对定位方法。仿真结果表明:相比传统的EKF方法,该算法能有效地提高滤波稳定性及相对定位精度,而且,星间测距信息的引入能大大减少整周模糊度判定所需的历元数。     

星载GPS低轨卫星定轨理论及方法研究

论文研究了星载GPS低轨卫星定轨技术的基本理论和方法,研制了星载GPS低轨卫星约化动力法定轨软件,针对约化动力法和推广卡尔曼滤波存在的问题,开展了星载GPS低轨卫星自适应事后和实时定轨研究,论文最后对星载GPS编队卫星相对定位技术进行了研究。主要工作及创新点概括如下：     

星载InSAR系统构型简介

本文简要描述InSAR的基本原理，介绍重复轨道、单平台双天线及基于编队卫星的星载InSAR系统构型。在分析三种构型的基础上，指出今后发展趋势。     

基于引力位系数相对权重的卫星重力场测量分析

卫星重力场测量已成为最有效的全球重力场测量手段.本文结合典型的重力卫星和重力卫星研究计划,分析了卫星重力测量的三种原理,并基于各阶位系数的相对权重讨论了各种原理的应用优势.分析可知,卫星受摄轨道适用于恢复长波重力场,低轨星间距离变化率适用于恢复中长波重力场,重力梯度适用于恢复中短波重力场.针对中长波高精度重力场测量的需要,设计了综合获取低轨星间距离变化率与受摄轨道的重力卫星方案,该方案由两组内编队组成星星跟踪复合编队,轨道高度为250km,星间距离为50～100km.     

内编队重力场测量系统轨道参数与载荷指标设计方法

内编队系统通过构造内卫星纯引力轨道完成高精度重力场测量,实现了不依赖于加速度计的重力卫星实施新途径.针对内编队系统轨道参数和载荷指标设计任务,从定性的角度分析了轨道高度、轨道倾角、偏心率等轨道参数的选择原则,以及外卫星定轨精度、内外卫星相对状态测量精度、内卫星非引力干扰抑制精度、系统采样率等载荷指标对内编队重力场测量性能的影响,并建立了这些参数之间的匹配关系.为获取内编队系统轨道参数和载荷指标的定量设计结果,给出了内编队重力场测量数据模拟和反演计算方法.结合轨道参数和载荷指标对重力场测量性能的影响及其匹配关系,提出了由解析推导和数值计算相结合的方法,获取重力场最高反演阶数、大地水准面精度、重力异常精度等重力场测量性能与轨道参数、载荷指标之间的解析关系,并给出了该解析关系的具体数学形式.与解析法、半解析法相比,该公式由解析推导和大量数值计算得到,因而考虑的影响因素更加全面,计算结果更加合理,可用于快速准确设计内编队系统轨道参数和载荷指标.     

天绘二号卫星工程设计与实现

天绘二号卫星系统是我国首个基于干涉合成孔径雷达技术的微波测绘卫星系统,也是我国第1个近距离编队卫星系统,是国际上继德国TanDEM-X系统后的第2个微波干涉测绘卫星系统,并在国际上首次提出了通过设计双频成像解决干涉相位绝对模糊问题的方法,彻底摆脱了对地面控制数据的依赖。该系统工作于X频段,设计分辨率为3 m,处于500 km的太阳同步轨道,由两颗对等的卫星组成,采用异轨道面卫星编队、一发双收雷达收发模式的技术体制,可以快速测制全球数字表面模型和雷达正射影像。本文通过对干涉基线体制、卫星编队构型及雷达收发模式的选择,提出了天绘二号卫星技术体制;并从系统任务、主要性能及组成3个方面进行了工程设计;从总体论证、关键技术攻关及验证、型号研制3个阶段阐述了工程实现情况;最后介绍了卫星系统在轨测试验证情况。测试结果表明,所有指标达到了工程设计要求,产品精度与TanDEM-X系统相当,满足1：5万比例尺测图精度要求,从而验证了天绘二号卫星工程设计思路正确,工程实现的方法合理可行。