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编队卫星的星间基线确定方法研究

刘洋  
【摘要】: 卫星编队飞行是目前国内外航天领域研究的热点问题之一。它利用编队卫星上装载的各种传感器,通过星间和传感器间的协同工作,可以实现单颗大卫星无法完成的多种高精度测量任务,从而使传统卫星系统的总体性能和应用领域得到了极大地拓展。卫星编队飞行需要解决的关键技术之一是星间基线的高精度确定。高精度的星间基线信息不仅是分布式合成孔径雷达(SAR)实现地面高程测量及地面运动目标指示(GMTI)的关键所在,而且对于编队卫星的控制也起着至关重要的作用。 本文以双星编队为背景,开展星间基线确定方法的研究,主要工作包括三部分: 研究基于自主式测量手段的高精度星间基线确定方法。通过对常用相对状态测量手段的特性分析并结合编队需求,提出了星间基线确定的组合测量方法。该方法不仅能提高编队的自主性,而且从理论上也能有效实现基线确定的高精度。考虑到基线测量量与编队所需基线矢量之间往往存在差异,论文以分布式SAR干涉测高为例,给出了测量基线与测高基线之间的转换关系,建立了相应的误差传播模型,并以仿真的形式分析了影响测高基线确定精度的各种因素。 研究基于全球定位系统(GPS)测量的事后星间相对定位方法。基于相对位置参数的连续特性及函数逼近理论,建立了GPS相对定位的样条模型,并针对传统随机模型与实际GPS差分观测数据统计特性不符的情况,提出了基于样条迭代随机建模的相对定位方法,且分别针对单、双频GPS给出了具体算法流程及实施步骤。另外,为进一步提高相对定位精度并增强系统的鲁棒性,论文提出了基于增强型GPS的相对定位新思路,建立了相应的样条融合观测模型,给出了具体的参数估计算法。 研究基于增强型GPS的实时星间相对定位方法。针对有、无卫星轨道动力学模型的情况,提出了动态序贯点估计方法、基于三差相对位置时间传播的自适应不敏卡尔曼滤波(UKF)相对定位方法以及基于高精度动力学模型的自适应UKF相对定位方法等三种方法,其中,第一种方法由于在参数估计的过程中只利用了当前历元的观测信息,因此相对定位精度只能达到分米级;第二种方法根据GPS三差观测方程,巧妙地利用最小二乘法得到相对位置的时间传播关系,并进而采用自适应UKF实时估计星间相对位置。实验仿真表明,当星间距离较小时,该方法能有效提高相对定位精度。与前面两种方法相比,第三种方法在对当前历元的未知参数进行估计的过程中,不仅利用了利用了当前历元以前所有的观测信息,而且还将系统的状态信息(即卫星轨道动力学模型)融入其中,因此使相对定位精度进一步得到改善。


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