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SAR卫星GPS轨道和姿态测量技术研究

张贵明  
【摘要】: 随着小卫星技术的不断成熟和应用,迫切要求降低卫星测控系统的成本和 复杂性,提高定轨定姿的精度,于是星载GPS技术应运而生。GPS为低轨卫星 的自主在轨测量提供了一种全新的手段。该文针对SAR卫星的GPS自主定轨 定姿技术进行了深入的探讨和研究,结果证明了星载GPS定轨定姿的可行性和 可靠性,为我国发展GPS的空间应用提供了理论基础和实践依据。 本文首先回顾了GPS的发展及应用,特别是近些年来,GPS在空间领域的 飞速发展和应用。提出了SAR卫星采用GPS进行自主轨道确定和姿态确定的 思想。详细分析了利用GPS信号进行测量的数学模型。 论文的第二部分讨论了SAR卫星采用GPS技术进行自主定轨的基本原理 和方法。针对GPS几何定轨法存在的缺陷—GPS信号中断引起定轨失败,提出 了将GPS观测模型和卫星动力学模型相结合,采用扩展Kalman滤波(EKF) 算法进行SAR卫星自主精密定轨的技术和方法。在建立了GPS观测模型,SAR 卫星动力学模型的基础之上,详细描述了扩展Kalman导航滤波算法。并对此 做了计算机仿真。仿真结果表明,该方法定轨精度较高,基本上能满足SAR卫 星平台实际应用的需要。 论文的第三部分讨论了利用GPS多天线构成的天线阵和GPS载波相位测量 技术测量SAR卫星平台姿态的基本原理,方法。首先对测量卫星平台姿态所需 要的几种坐标系及其相互之间的转换关系进行了论述。提出了卫星姿态的四元 素模型;姿态确定的精确性、解算的快速性以及可靠性是GPS姿态确定在轨实 时应用的关键问题。因此,提出了将SAR卫星姿态运动学和动力学模型与GPS 载波相位干涉技术相结合,利用EKF算法估计SAR卫星姿态的算法,并详细 推导了算法的过程。最后进行了计算机仿真,并与GPS单点姿态确定方法得到 的仿真结果进行了比较。证明了GPS载波相位测量信息与SAR卫星姿态运动 信息进行组合估计卫星姿态的的可行性及可靠性。 论文的第四部分重点讨论了GPS载波相位测量中整周模糊度的解算问题, 模糊解是GPS差分载波相位测量中的一个关键问题。只有正确地解算出了整周 模糊度,才能精确地测量星体的姿态信息。针对SAR卫星姿态求解实时性的需 要,该文提出了一种基于LAMBDA算法的高效快速的模糊求解算法。 摘要 — — 论文的第五部分则详细分析了引起SAR卫星GPS自主定轨定姿误差的误 差源,重点分析了GPS卫星空间几何分布、基线长度、多径效应对测量的影响, 并提出了相应的削弱误差的方法和措施。 论文的第六部分则探讨了星载GPS测量系统的软硬件设计并给出了在地面 的静态及低动态环境下的GPS姿态确定实验结果,为星载GPS的工程应用提 供了参考。


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