星载干涉合成孔径雷达高度计波束指向优化设计新方法

基于干涉合成孔径雷达(InSAR)体制的星载高度计能实现高分辨率、宽幅、高精度海面高程测量。传统合成孔径雷达(SAR)系统波束指向设计方法以SAR图像近远端噪声等效后向散射系数差异最小化为优化目标,星载InSAR高度计对海入射角小,如采用传统波束指向设计方法将面临系统近端测高性能优于远端等问题。为使远端测高性能满足应用精度指标要求,系统需提高雷达发射功率或增大雷达天线尺寸,这对卫星系统提出了较高的要求。提出了面向测高应用的星载InSAR高度计波束中心指向设计新方法。该方法通过调整雷达波束中心指向实现全场景测高性能最优化,可有效降低传统设计方法中SAR载荷对发射功率等卫星指标的要求,对未来我国发展InSAR体制海面高度计系统设计具有重要的指导意义。仿真分析结果验证了新方法相对于传统设计方法的优越性。     

分布式SAR时间同步误差的影响分析与试验验证

时间同步是空间同步和相位同步的工作前提,是实现星载分布式SAR干涉测量的核心问题.基于多项式时间同步误差模型,给出了含时间同步误差的数字回波信号仿真模型.采用理论分析与全数字仿真试验相结合的方式分析了时间同步误差对于涉测绘带损失、双站SAR成像以及干涉测高精度的影响.基于包含SAR载荷和时间同步样机等实物在内的半实物仿真系统,提出了采用不同设备连接方案的误差隔离和溯源试验评估方法,通过试验结果对比分析得到时间同步误差对干涉测高的准确影响结果.最后综合得到对时间同步分系统的输入输出指标要求.本文工作对时间同步的工程实现提供有力支撑.     

分布式SAR相位同步误差的影响分析与试验验证

相位同步是分布式SAR系统必须考虑的突出问题之一。建立了双向脉冲交换相位同步全数字仿真模型,仿真得到相位同步误差信号。基于全数字仿真系统分析了不同类型相位同步误差对InSAR测高性能的影响。最后利用地面半实物仿真试验得到实际分布式SAR系统相位同步误差及其对InSAR测高的影响,实测相位同步误差标准差为2.6度,引起的InSAR相对测高精度损失在厘米量级;并且半实物试验结果与全数字试验结果一致,表明了相位同步方案及其影响分析的正确性。本文工作对分布式SAR相位同步分系统的设计与实现具有重要指导意义。     

星载线阵CCD相机与激光测高仪无控定位精度对比分析

光学立体测绘卫星测高精度受姿态确定能力的限制,难以实现1∶10 000及以上大比例尺无控立体测绘。激光测高卫星的高程精度高,考虑结合2种遥感手段,提升测绘卫星的无控定位精度。为比较高分辨率立体测图卫星与激光测高卫星的无控定位精度,介绍了星载线阵CCD立体相机及激光测高仪的几何定位原理,构建了相应的几何定位模型,推导了各自的误差传播方程。参照目前平台及载荷的技术水平,分析了卫星参数及各项测量指标,通过仿真估算了两者在同卫星平台上的无控定位精度,并进行定量对比分析。结果表明:同平台下星载线阵CCD相机平面定位精度优于星载激光测高仪,而后者的测高精度明显高于前者。     

天基干涉合成孔径雷达技术发展与展望

天基干涉合成孔径雷达(InSAR)技术发源自合成孔径雷达(SAR)技术,突破性地实现了平面向立体维度的拓展,并在此基础上衍生了差分干涉(D-InSAR)等一系列技术研究方向。经过近30年的技术积累和工程实践,InSAR技术已从理论走向工程实践,填补了天基高效测绘手段的空白,产生了极大的应用效益,其中,德国TerraSAR-X/TanDEM-X系统、我国天绘-2卫星系统均为典型代表。同时,基于InSAR技术体制以及在轨数据的积累和研究,不断衍生新的技术方向、新的应用前景,该技术领域仍具有极大的发展潜力和广泛的应用前景。本文从InSAR技术原理出发,介绍了天基InSAR卫星的发展现状及典型应用。通过天绘-2卫星系统真实在轨数据的分析与解读,阐述了我国在该领域的工程与技术基础。通过分析天基InSAR主要应用方向的观测需求,给出了未来该领域的发展方向。     

双基高比线面阵结合立体测绘几何模型的构建

目前,中国1︰5 000大比例尺航天立体测绘及城市测绘能力存在不足,现有光学测绘卫星的性能指标和测绘体制难以满足大比例尺立体测图的需求,亟需开展甚高精度航天立体测绘新体制研究。文章提出双基高比线面阵结合测绘新体制,以解决在城市等复杂地物目标测绘中存在的遮挡、畸变和辐射差异等问题。以共线条件方程为基础,分析面阵相机和线阵相机的成像机制,给出顾及像点特性的各类系统误差模型,引入各类附加观测值,建立双基高比线面阵结合立体测绘的传感器严格几何成像模型,并基于仿真影像进行双基高比线面阵结合定位精度分析,验证了成像模型的正确性,可为实现1︰5 000比例尺甚高精度航天立体测绘提供一种新思路和解决途径。     

一种星载激光测距仪姿态的确定方法及误差分析

激光测距仪与立体测绘相机在对地目标定位方面具有较强的互补性,将两者结合可以获取较高的地面目标三维定位精度。利用激光测距仪辅助立体测绘相机实现全球大比例尺无控测图是当今测绘卫星的发展方向。激光测距仪的定位精度主要受俯仰角和侧摆角的影响,由于失重、热交变、微振动等外界环境的影响以及激光器发射激光束存在自身抖动,星载激光测距仪的激光出射方向是不断变化的。为实现高精度地面目标定位,满足大比例尺测绘需求,需要对激光出射方向进行精确测量。文章提出了一种基于足印记录相机的激光测距仪姿态确定方法,该方法采用足印记录相机、地相机图像联合处理的技术,解决了激光测距仪姿态角和激光指向高精度确定问题。通过误差分析,该方法能够满足1︰10 000比例尺定位精度的要求。     

时间同步误差对星载寄生式InSAR系统干涉相位的影响分析

时间同步是星载寄生式InSAR系统的关键问题之一。提出了一种新的时间同步误差模型，并在该模型的基础上详细分析了不同形式的时间同步误差对双站SAR成像及InSAR干涉相位的影响。建立了时间同步误差到干涉相位误差的传递模型，指出了星载寄生式InSAR系统对频率源准确度和稳定度的指标要求，仿真验证了理论分析的正确性，分析结果对星载分布式InSAR系统的设计具有重要意义。     

星载InSAR编队波束同步策略

针对星载InSAR编队波束同步要求,提出了一种考虑卫星姿态偏航导引要求的系统波束同步策略。建立并求解波束指向同步数学模型,得到基于波束指向同步的卫星姿态规划方法。进一步地,为减小由于主从星波束覆盖椭圆方位不同对干涉测高产生的影响,研究基于波束覆盖同步的卫星姿态规划方法。仿真结果表明,两种方法均可有效实现主从星波束同步,且后者效果更佳。
     

基于双向测距的伪卫星网络高精度时钟同步方法研究

针对室内高精度定位中伪卫星网络的时钟同步问题,提出利用SCPA系统双向测距技术,基于卡尔曼滤波估计算法,实现伪卫星间时钟高精度同步的方法,并仿真验证了该方法的正确性,同步精度平均可达0.003ns。     

双星InSAR时间同步误差对相位同步的影响

针对双星编队的InSAR雷达系统，提出了SAR与相位同步一体化的系统框架，在双星时间同步误差的基础上，提出了一种综合考虑时间同步误差、SAR和相位同步发射及接收链路时延的双星相位同步设计方法，给出了相位同步补偿后的辅星回波信号相位和双星干涉相位，推导了两种时变相位误差功率谱密度，经过理论分析和仿真试验证明：相位同步补偿后，时间同步误差不影响相位同步精度，只影响辅星目标位置。辅星回波固定相位误差较大，但不影响成像，双星干涉固定相位误差为千分之几度，对干涉测高精度影响可以忽略，辅星回波和双星干涉时变相位误差与主星相近。     

多重闪烁干扰下高精度卫星导航算法研究

传统卫星导航抗干扰高精度算法只适用于处理平稳的干扰信号,难以适应无序脉冲组成的多重闪烁干扰环境。本文基于干扰协方差矩阵重建思想,提出一种新的适用于多重闪烁干扰环境下的卫星导航高精度抗干扰算法并进行仿真对比分析。通过压缩感知完成单采样点干扰测向,使用干扰噪声矩阵重建理论构造协方差矩阵,使用自适应波束约束算法实现单采样点天线阵列波束赋形,最终实现在干扰方向形成固定零陷,在卫星方向形成波束指向。与传统波束约束高精度抗干扰算法相比,该算法可以实现单采样点抗干扰权值计算,适用于快时变多重闪烁干扰环境。仿真结果证明：该算法可以在有效滤除多重闪烁干扰信号的同时在卫星导航信号方向维持波束指向,保障卫星导航信号观测精度,满足高精度卫星导航需求。     

中国无地面控制点摄影测量卫星追述（二）--1∶1万传输型摄影测量卫星技术思考

以1∶1万传输型摄影测量卫星工程有效载荷配置为基础,分析了传输型测绘卫星中影响定位精度的误差源,提出了激光测距数据辅助两线阵卫星影像处理的若干思路,并进行了模拟仿真试验。试验结果表明：利用激光测距数据参与两线阵影像光束法平差,能有效改善航线模型系统变形,并保持较小的上下视差,可满足卫星影像无地面控制点条件下1∶1万高精度定位要求。     

“资源三号”卫星在轨几何定标及精度评估

＂资源三号＂卫星是中国第一颗民用三线阵立体测图卫星,实现了中国民用高分辨率测绘卫星领域零的突破,对中国测绘事业的发展具有革命性意义,是中国卫星测绘发展史上一座新的里程碑。在轨几何定标是测绘卫星应用的一个重要环节,文章利用武汉大学在河南嵩山地区建设的几何定标场等基础设施实现了＂资源三号＂卫星的在轨几何定标,并对定标结果进行了试验验证。试验结果表明：基于高精度几何定标场几何定标后,＂资源三号＂卫星可以获得很好的无地面控制精度以及少量控制下的平面和高程精度,完全可以满足1︰50 000测图精度要求。     

微纳InSAR卫星总体技术研究

微纳合成孔径雷达干涉(Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR)卫星是对地定量化遥感的重要手段。开展了微纳InSAR卫星系统总体技术研究，给出了使得干涉测量覆盖范围最大的双星编队构型设计方法，建立了低燃料消耗双星轨道参数设计准则，提出高功能密度比InSAR卫星系统的设计方法，包括载荷平台一体化、卫星高集成模块化等总体设计方法，并给出了相应的设计实例。     

基于高分卫星姿态监测的姿态参数算法优化

目前航天测绘相机几何参数的在轨标定通常经由地面检校场数据处理完成。然而,由于一次摄影中难以保证获取的地面检校场影像完整,使得在轨标定周期较长,进而导致实时监测与标定非常困难。“高分十四号”卫星搭载了一种新的姿态测定系统,利用高精度的相机光轴监测实现对相机几何参数的在轨实时标定。文章在此基础上对高分卫星星地相机间夹角在轨解算方案进行了优化,并基于数值仿真和在轨实测数据进行了分析,结果显示优化算法可以进一步提高影像内定向稳定度和最终的定位精度,未来有望在高精度立体测绘应用中发挥重要作用。     

主星带辅星的分布式SAR二次干涉动目标检测方法

设计了一种以满足GMTI功能为主同时兼顾InSAR功能，由1颗主星和4颗辅星组成的双椭圆绕飞被动稳定编队构型，利用绕飞编队的对称星消除垂直轨迹基线从而获得虚拟的单纯沿航迹基线。提出了对称星二次干涉处理方法，将杂波对消与沿航迹干涉（ATU技术结合起来，在杂波对消后进行动目标检测，并指导在检测到动目标存在的区域进行二次干涉，降低了虚警率，提高了检测精度；同时利用长基线获得较小的最小可检测速度，二次干涉提供的参差基线解速度模糊提高了最大不模糊速度，从而增大了速度可检测范围。计算机仿真结果表明该方法即使在地面场景高程有较大起伏时也能有效进行动目标检测并进行精确测速和定位。     

一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

为了建立高精度相对定位编队卫星的星间链路,提出了一种基于GPS的绕飞编队卫星星间链路系统设计方法。针对我国首次以InSAR为背景的任务,以某绕飞编队星座星间链路系统总体方案为例,利用STK/MATLAB分析软件,对天线覆盖区与组阵进行了仿真分析,并根据分析结果做了系统优化,包括星间轨道构型、天线设计组阵图、天线安装位置、链路预算、星间通信措施设计分析以及电磁兼容性分析等。结果表明:基于GPS的编队卫星能够从系统角度优化设计建立星间链路,从而完成编队跟飞、绕飞期间的星间通信与测量任务,为卫星建立星座构型、相对定位测量提供了可靠、稳定的传输通道。该设计方法可为同类卫星或其他类型卫星星间链路系统设计提供参考。     

改进的绳系卫星系统距离速率控制律

为扩大绳系卫星系统(TSS)控制的稳定域,提出了一种改进距离速率控制算法。根据TSS动力学方程及构造的二阶稳定系统,给出了修正的控制模型。讨论了稳定释放角度和释放/回收速度的影响,并研究了固定绳索长度系留控制方案。算例表明该方法可显著扩大稳定域,提高释放速度。