基于合成孔径雷达的卫星自主定轨技术研究

【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。