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SAR卫星GPS轨道和姿态测量技术研究

张贵明

  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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