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星载雷达高度计自主导航技术

王萍  
【摘要】:卫星自主导航是指一种不完全依赖于地面系统支持而能够自主运行的卫星导航方式。它可以提高卫星的生存能力,降低支持卫星运行的费用。目前,国外很多研究机构先后开发了多个以卫星为主要应用背景的自主导航系统方案。雷达高度计是一种主动式微波传感器,采用此敏感器,以一定方式配置可以实现卫星的自主定轨。在卫星姿态已知的条件下,根据雷达高度计的测量脉冲经海面反射之后的往返时间差,可计算出卫星相对海平面的斜距,多条(大于等于3)斜距可以确定出卫星相对于地心的矢径,从而实现卫星的自主定轨。 本文首先介绍了卫星轨道动力学方程,考虑应用背景是低轨卫星,对方程进行了简化;然后分别介绍了圆球和克莱饶椭球的两种地球模型下的海平面模型。在上述动力学方程和海平面模型基础上,分析了最小二乘直接定轨方法和卡尔曼滤波定轨方法的基本原理,并给出了数学表达式,同时还推导了加入海平面误差修正后的最小二乘自主定轨方法。仿真结果表明:在最小二乘直接定轨方法中,海平面起伏对定轨精度的影响可以通过修正测量值的方法予以抑制,采用多次修正测量值的方法能够更好的提高卫星的自主定轨精度;而卡尔曼滤波的方法虽然能够收敛,却不能有效的抑制海平面起伏对定轨精度的影响,采用最小二乘方法进行一次测高值的修正,然后再进行卡尔曼滤波,也可达到较好的定轨精度;由于克莱饶椭球模型比圆球模型精确,可以有效的消弱海平面起伏对定位精度的影响,所以无论采用最小二乘直接定轨方法还是采用卡尔曼滤波方法均可以达到较为理想的自主定轨精度。最后,本文在合理的假设条件下,着重分析且推导了由安装误差、姿态误差和测距误差造成的定轨误差数学表达式,并通过蒙特卡罗方法进行仿真试验,理论分析和仿真结果表明:安装误差、姿态误差都会很大程度的影响定轨精度,而测距误差的重点在于精确的建立测量模型。


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