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分布式InSAR卫星系统空间状态的测量与估计

作　者: 谷德峰
导　师: 易东云
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 系统分析与集成
关键词: 分布式InSAR卫星系统空间状态基线确定轨道动力学双频GPS 星间无线电
分类号: P228.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

分布式InSAR卫星系统在近距离编队飞行的小卫星上装载SAR天线,通过小卫星和SAR天线的协同工作,完成干涉SAR任务,是一种具有巨大潜力的新概念新体制雷达系统,其实现在基础理论和技术层面上面临许多挑战。编队空间状态的高精度确定是实现小卫星分布式雷达任务的关键技术之一,是小卫星分布式雷达功能实现的前提和重要保证,也是卫星编队飞行需要解决的共性问题。本文以分布式InSAR卫星系统为背景,阐述了系统与空间状态测量之间的关系,重点针对双频GPS和星间无线电两种不同的测量手段,开展了编队卫星空间状态高精度确定方法的研究。主要工作包括五部分:第一,对分布式InSAR目标三维定位的空间几何关系进行了分析,阐述了系统参数与空间状态测量之间的关系,明确了空间状态测量在分布式InSAR任务中的意义和要求。给出了目标三维定位的闭合形式解及灵敏度分析,给出了目标三维定位精度指标与系统参数精度指标之间关系的解析表达式。给出了干涉基线的定义,将干涉基线分解为空间域干涉基线和时间域干涉基线,其中时间域干涉基线可通过主星的绝对轨道测量获得,空间域干涉基线则通过高精度星间基线测量获得。由测量基线到空间域干涉基线的转换需要进行部位修正和时间对齐,给出了部位修正的精度分析。第二,研究了星载双频GPS观测数据预处理方法,给出了完整的数据预处理方案与流程。研究了一种新的抗差Vondrak滤波方法,在原始信号拟合函数形式未知且被粗差污染的情况下,有效的抑制粗差对信号拟合的影响,对观测数据进行合理的平滑。研究了星载双频GPS观测数据质量评估方法,完善了已有的评估方法。并采用CHAMP卫星在轨数据进行了预处理与质量评估,验证了算法的正确性与可靠性。第三,研究了星载双频GPS原始观测数据降采样处理方法,分析了多项式平滑伪距和载波相位平滑伪距方法的优缺点。研究了星载双频GPS非差运动学定轨方法,结合GPS观测数据质量分析结果,给出了一种合理的伪码和相位观测数据加权策略。研究并实现了星载双频GPS非差动力学定轨方法,将CHAMP卫星定轨结果与GFZ科学轨道进行比对,二者在轨道位置R、T、N分量上差值的均方根为4.8cm,8.2cm,7.5cm,三维误差的均方根为12.2cm,表明本文的非差动力学定轨精度已与GFZ科学轨道相当。研究了SLR检核精密定轨精度方法,提出了一种利用SLR数据校准GPS精密定轨系统误差的新方法,在卫星一次过境的短弧段内,用二阶多项式来参数化表示GPS定轨慢变系统误差,进而利用不同地面激光测站的分时观测数据,估计GPS定轨系统误差。第四,研究了基于双频GPS的高精度星间相对定位技术。建立了星载GPS电离层延迟的单层投影模型,利用单层投影模型仿真分析了差分电离层延迟对分布式SAR编队卫星CDGPS相对定位结果的影响。研究了基于轨道动力学模型的分布式SAR卫星编队CDGPS相对定位方法,在CDGPS技术的基础上,引入轨道动力学模型提供的先验约束信息,对长弧段的观测数据进行解算,有效的抑制测量中的随机误差,提高相对定位精度,并克服运动学逐点解算方法在观测几何较差或观测数据不足情况下无法应用的缺点。分析了星间测距信息对CDGPS相对定位精度的贡献。第五,研究了基于无线电测量的高精度星间相对状态确定方法。介绍星间无线电测量原理,比较分析了几种传统的相对状态估计方法的优缺点。研究了一种基于样条模型的星间相对定位与定姿的新方法。该方法将传统的直接估计状态参数转化为估计样条参数,减少了待估参数的个数,提高了距离变化对姿态参数的敏感性,估计精度更高,估计结构更加稳定。讨论了无线电测量用于分布式SAR星间基线确定存在的问题,包括星间无线电测量信号的覆盖与遮挡和编队构形设计对无线电测量几何的影响。

全文目录

摘要  14-16
ABSTRACT  16-18
第一章绪论  18-38
  1.1 研究背景和意义  19-20
  1.2 国内外研究现状  20-32
    1.2.1 编队卫星研究计划  20-26
    1.2.2 编队卫星空间状态测量手段  26-29
    1.2.3 编队卫星空间状态确定方法  29-32
  1.3 本文的主要工作  32-38
    1.3.1 研究内容  32-36
    1.3.2 主要创新  36-38
第二章分布式 InSAR 目标三维定位与空间状态测量关系分析  38-56
  2.1 早期 InSAR 高程测量二维模型  38-39
  2.2 分布式 InSAR 目标三维定位模型及其精度分析  39-48
    2.2.1 目标三维定位闭合形式解  40-42
    2.2.2 目标三维定位精度分析  42-47
    2.2.3 仿真验证  47-48
  2.3 分布式 InSAR 与空间状态测量关系分析  48-53
    2.3.1 干涉基线的定义  49
    2.3.2 时间域干涉基线与空间状态测量关系  49-50
    2.3.3 空间域干涉基线与空间状态测量关系  50-53
    2.3.4 姿态误差对以平台为参考的测距、测角体制的影响  53
  2.4 本章小结  53-56
第三章星载双频 GPS 观测数据预处理与质量评估  56-74
  3.1 双频 GPS 基本观测方程及其线性组合  56-58
    3.1.1 基本观测方程  56
    3.1.2 线性组合  56-58
  3.2 数据预处理方法  58-63
    3.2.1 伪码野值剔除  58-61
    3.2.2 载波相位的野值剔除和周跳探测  61-62
    3.2.3 数据预处理方案  62-63
  3.3 抗差 Vondrak 滤波器设计及其在粗差探测中的应用  63-68
    3.3.1 Vondrak 平滑滤波方法  63-65
    3.3.2 抗差 Vondrak 滤波设计  65-66
    3.3.3 仿真数据的粗差探测试验  66-67
    3.3.4 CHAMP 卫星实测数据的粗差探测试验  67-68
  3.4 观测数据质量评估  68-73
    3.4.1 观测几何分析  68-69
    3.4.2 伪码观测质量分析  69-71
    3.4.3 相位观测质量分析  71-73
  3.5 本章小结  73-74
第四章基于双频 GPS 的卫星精密绝对轨道确定  74-106
  4.1 时间和坐标系统  74-75
  4.2 原始观测数据的降采样处理  75-78
    4.2.1 多项式平滑伪距  75-76
    4.2.2 载波相位平滑伪距  76-77
    4.2.3 星载双频 GPS 模拟数据的降采样处理结果分析  77-78
  4.3 非差伪码和相位联合运动学定轨  78-88
    4.3.1 定轨原理  78-81
    4.3.2 误差分析与处理  81-84
    4.3.3 伪码和相位观测数据加权策略  84
    4.3.4 定轨结果分析与讨论  84-88
  4.4 非差动力学定轨  88-95
    4.4.1 定轨原理  88-91
    4.4.2 轨道动力学模型及参数的选取  91-92
    4.4.3 基于先验高精度动力学轨道的观测数据编辑  92-93
    4.4.4 定轨结果分析与讨论  93-95
  4.5 利用 SLR 数据检核精密定轨结果精度  95-104
    4.5.1 基本原理  95-97
    4.5.2 精密轨道检核结果  97-100
    4.5.3 利用 SLR 数据校准 GPS 精密定轨系统误差  100-104
  4.6 本章小结  104-106
第五章基于双频 GPS 的星间相对定位  106-132
  5.1 分布式 SAR 卫星编队 CDGPS 相对定位  107-117
    5.1.1 CDGPS 相对定位的基本原理  107-110
    5.1.2 双差整周模糊度固定  110-113
    5.1.3 CDGPS 相对定位精度分析  113-117
  5.2 差分电离层延迟对 CDGPS 相对定位的影响分析  117-124
    5.2.1 星载 GPS 电离层延迟模型  118-120
    5.2.2 编队卫星间差分电离层延迟仿真  120-122
    5.2.3 电离层延迟对 CDGPS 相对定位的影响分析  122-124
  5.3 基于轨道动力学模型的编队卫星 CDGPS 相对定位方法  124-129
    5.3.1 基本原理  125-126
    5.3.2 模型仿真验证  126-129
  5.4 星间测距对 CDGPS 相对定位结果精度改进的协方差分析  129-131
  5.5 本章小结  131-132
第六章基于无线电测量的星间相对状态确定  132-148
  6.1 星间无线电测量  132-134
    6.1.1 典型测量场景配置  132-134
    6.1.2 发射机与接收机之间的伪距与载波相位测量  134
  6.2 传统的星间相对状态估计方法  134-138
    6.2.1 仅使用伪距测量信息,单个观测时刻  134-136
    6.2.2 使用伪距测量和相位单差,四个观测时刻  136-138
  6.3 基于样条模型的高精度星间相对状态确定方法  138-144
    6.3.1 基本原理  139-141
    6.3.2 典型算例  141-143
    6.3.3 样条模型的合理性  143
    6.3.4 样条模型的优越性  143-144
  6.4 关于无线电测量用于分布式 SAR 星间基线确定的几点讨论  144-146
    6.4.1 星间无线电测量信号的覆盖与遮挡  144-145
    6.4.2 编队构形设计对无线电测量几何的影响  145-146
  6.5 本章小结  146-148
第七章结论与展望  148-152
  7.1 本文的工作回顾  148-150
  7.2 相关研究工作的展望  150-152
致谢  152-154
参考文献  154-162
作者在学期间取得的学术成果  162-166
附录A  166-172
附录B  172-178
附录C  178-181

分布式InSAR卫星系统空间状态的测量与估计

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