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基于合成孔径雷达的卫星自主定轨技术研究

作　者: 李晓磊
导　师: 张迎春
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 卫星自主定轨合成孔径雷达地面标识点蒙特卡罗法
分类号: V448.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 55次
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内容摘要

卫星自主定轨是指卫星在不依赖地面站的情况下,仅运用星载观测设备进行轨道确定,其能够提高卫星运行的自主性和安全性,同时能够有效降低航天任务成本。合成孔径雷达(SAR)是一种微波遥感雷达,除了具有常规雷达的测速、测距功能外,还可以全天时、全天候的对地进行高分辨率成像。基于SAR的卫星自主定轨方法只是在SAR正常应用的基础上增加了地面标识点的识别,且观测量精度高又为标量,所以非常适于进行卫星的自主定轨。基于合成孔径雷达的卫星自主定轨作为一个新的研究方向,具有广阔的实际应用前景,本文主要在以下几方面开展工作:首先,通过分析基于合成孔径雷达的卫星自主定轨原理,建立自主定轨数学模型,分析该自主定轨技术所适用的卫星轨道类型以及设计的关键技术。通过在地面安置好地面标识点,并将其位置信息存储在星载计算机上,用SAR对地成像并识别地面标识点,然后根据SAR测得的地面标识点的距离和多普勒频率实现卫星自主定轨。其次,对合成孔径雷达系统参数和地面标识点参数进行设计。其中,合成孔径雷达系统参数包括观测模式、性能参数和天线参数,地面标识点参数包括材质、几何形状和排布方式。基于任务要求,确定SAR系统参数设计流程,给出SAR系统参数设计实例,为后续定轨精度分析奠定基础。基于SAR的成像特点,完成地面标识点的参数设计,运用Satellite Tool Kit(STK)软件进行了仿真,仿真结果表明设计结果能满足自主定轨的观测要求。最后,对基于合成孔径雷达的卫星自主定轨精度进行分析。考虑的误差源包括SAR的测量误差、地面标识点位置误差以及地面标识点回波不同步等,并将它们引起的定轨误差进行合成。基于蒙特卡罗法对定轨误差进行仿真分析,分析各误差源对定轨误差的影响,得到定轨误差的数值解,仿真结果表明该自主定轨技术是可行的、有效的。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-15
  1.3 本文的主要研究内容  15-16
第2章基于合成孔径雷达的卫星自主定轨建模与分析  16-26
  2.1 引言  16
  2.2 基于合成孔径雷达的卫星自主定轨原理分析  16-19
    2.2.1 合成孔径雷达工作原理  16-18
    2.2.2 自主定轨原理  18-19
  2.3 基于合成孔径雷达的卫星自主定轨建模  19-24
    2.3.1 参考坐标系  19-21
    2.3.2 目标距离方程  21-22
    2.3.3 多普勒频率方程  22-24
  2.4 基于合成孔径雷达的卫星自主定轨方案分析  24-25
    2.4.1 卫星轨道类型适用性分析  24
    2.4.2 关键设计分析  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章合成孔径雷达系统参数设计  26-42
  3.1 引言  26
  3.2 合成孔径雷达的观测模式设计  26-29
    3.2.1 合成孔径雷达的工作模式  26-27
    3.2.2 观测模式设计  27-29
  3.3 合成孔径雷达的性能参数设计  29-31
    3.3.1 入射角设计  29-30
    3.3.2 最大作用距离设计  30-31
  3.4 合成孔径雷达的天线参数设计  31-36
    3.4.1 脉冲重复频率设计  31-34
    3.4.2 工作频率设计  34
    3.4.3 发射信号的频宽设计  34-35
    3.4.4 天线尺寸设计  35-36
  3.5 合成孔径雷达系统参数综合设计  36-41
    3.5.1 设计流程  36-37
    3.5.2 设计实例  37-41
  3.6 本章小结  41-42
第4章地面标识点参数设计  42-53
  4.1 引言  42
  4.2 地面标识点的材质选取  42-43
    4.2.1 合成孔径雷达的电磁散射特性  42
    4.2.2 材质选取  42-43
  4.3 地面标识点的几何形状设计  43-46
    4.3.1 合成孔径雷达的目标几何特征  43
    4.3.2 几何形状分析  43-44
    4.3.3 几何形状设计  44-46
  4.4 地面标识点的排布方式设计  46-52
    4.4.1 排布方式分析与要求  46-47
    4.4.2 排布方式设计  47-49
    4.4.3 仿真分析  49-52
  4.5 本章小结  52-53
第5章基于合成孔径雷达的卫星自主定轨精度分析  53-68
  5.1 引言  53
  5.2 误差源分析  53-56
    5.2.1 合成孔径雷达测量误差分析  53-54
    5.2.2 地面标识点位置误差分析  54-55
    5.2.3 地面标识点回波接收不同步分析  55-56
  5.3 基于蒙特卡罗法的定轨精度分析  56-61
    5.3.1 蒙特卡罗法基本原理  57
    5.3.2 观测值的构造方法  57-59
    5.3.3 误差合成方法  59-60
    5.3.4 定轨精度分析  60-61
  5.4 仿真分析  61-67
  5.5 本章小结  67-68
结论  68-70
参考文献  70-74
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  74-76
致谢  76

基于合成孔径雷达的卫星自主定轨技术研究

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