[发明专利]基于合成孔径雷达的卫星自主定轨方法

摘要

基于合成孔径雷达的卫星自主定轨方法，属于卫星的自主定轨技术领域，本发明的目的是实现低轨卫星的高精度实时自主定轨且不需要地面测控站支持。本方法的具体过程为：设计人工地面标识点的形状、材质；设计地面标识点的排布方式，安置地面标识点，并测量其在地固坐标系中的位置；将地面标识点的信息存储在星载计算机中；当星载合成孔径雷达遥感地面并识别了地面标识后，从星上的地面标识库中导出地面标识点信息，并运用定轨方程得到卫星的位置和速度，完成卫星的实时自主定轨；该卫星自主定轨技术提供了一种新的卫星自主定轨方法，能够实现低轨卫星的高精度实时自主定轨。本发明方法适应近地卫星的实时自主定轨。

主权项

1.一种基于合成孔径雷达的卫星自主定轨方法，其特征在于：所述方法的具体过程为：步骤A、设计人工地面标识点，以确定人工地面标识点的材质及其几何形状；步骤B、将人工地面标识点分散安置在合适的地面位置上，并确保合成孔径雷达一次能够看到由一个定位标识点(1)和两个辅助标识点(2)组成的三个人工地面标识；并测量这些人工地面标识点在地固坐标系中的位置；步骤C、对已经获取到的人工地面标识点的位置信息进行建库，并存储在星载计算机上；步骤D、利用合成孔径雷达进行卫星自主定轨，其具体过程为：步骤D1、当星载合成孔径雷达遥感地面并识别了人工地面标识点后，从星载计算机上的地面标识点库中导出一个定位标识点(1)和两个辅助标识点(2)的信息；步骤D2、建立卫星到地面标识点的距离方程：卫星到地面标识点的距离方程推导过程如下：由SAR卫星与人工地面标识点的空间位置关系可以得到：Ri=(xS-xiT)2+(yS-yiT)2+(zS-ziT)2---(1)]]>其中，(x_S，y_S，z_S)表示卫星在惯性坐标系下的位置，(x_iT，y_iT，z_iT)表示第i个地面标识点在惯性坐标系下的位置，R_i表示第i个地面标识点到卫星的距离；人工地面标识点在地固坐标系中的位置信息是已知的，所以需要将其转换到惯性坐标系下，转换方程如下：xiTyiTziT=Cxiyizi---(2)]]>其中，(x_i，y_i，z_i)表示第i个地面标识点在地固坐标系下的位置；地固坐标系到惯性坐标系的转换矩阵C可以从(3)式得出：C＝C_PMC_SC_NC_Pr                (3)其中，C_Pr由岁差引起，C_N由章动引起，C_PM由极移引起，C_S为恒星时转换；ζ＝2306.2181″T+0.30188″T²+0.017998″T³其中，υ＝2004.3109″T-0.42665″T²-0.041833″T³，z＝2306.2181″T+1.09468″T²+0.018203″T³T为从J2000.0起算的儒略世纪数；CN=1-ΔΨcosϵ-ΔΨsinϵΔΨcosϵ1-ΔϵΔΨsinϵΔϵ1---(5)]]>其中，ε＝23°26′21″.448-46″.8150T-0″.00059T²+0″.001813T³，Δψ为黄经章动，Δε为交角章动；T为从J2000.0起算的儒略世纪数；CPM=10xP01-yP-xPyP1---(6)]]>其中，(x_P，y_P)为极移偏量；CS=cosθsinθ0-sinθcosθ0001---(7)]]>其中，θ为格林尼治恒星时，T为从J2000.0起算的儒略世纪数；θ=100.46061837+36000.770053608T+0.000387933T2-T338710000;]]>卫星到地面标识点的距离方程式(1)中卫星到地面标识点的距离信息R_i从合成孔径雷达的测量信息中获取，所以由已知的三个人工地面标识点在地固坐标系中的位置信息(即坐标值)通过式(1)至式(7)求出卫星在惯性坐标系下的实时位置信息(x_S，y_S，z_S)；步骤D3、建立多普勒中心频率方程，具体过程如下：当卫星在轨道上运行的时候，合成孔径雷达与人工地面标识点存在相对运动，故两者之间存在着多普勒频移；多普勒频移的表达式如下：f(t)=-2λd|RT(t)→-RS(t)→|dt---(8)]]>其中，f(t)为多普勒频移，λ为电磁波的波长，分别为人工地面标识点和卫星在惯性系下的位置向量；对于人工地面标识点，经过一个很短的时间t后，其在惯性系下的位置向量可表示为：RT(t)→≈RT(0)→+VT(0)→·t---(9)]]>同时，卫星在惯性系下的位置向量表示为：RS(t)→≈RS(0)→+VS(0)→·t+12AS(0)→·t2---(10)]]>将式(9)、(10)带入式(8)可得，f(t)≈-2λRr→·Vr→+(Vr→·Vr→-Rr·→AS→)t|Rr→|---(11)]]>其中：Rr→=RT(0)→-RS(0)→---(12)]]>Vr→=VT(0)→-VS(0)→---(13)]]>AS→=AS(0)→---(14)]]>表示卫星和人工地面标识点的相对位置向量；表示在t＝0时刻时人工地面标识点在惯性坐标系下的位置向量；表示在t＝0时刻时卫星在惯性坐标系下的位置向量；表示在惯性坐标系下卫星相对人工地面标识点的速度矢量；表示在t＝0时刻时人工地面标识点的速度矢量；表示在t＝0时刻时卫星的速度矢量；表示在t＝0时刻时卫星的运动加速度；令f(t)≈f_DC+f_DRt        (15)式中：fDC=-2Rr→·Vr→λ|Rr→|---(16)]]>fDR=-2(Vr→·Vr→-Rr→·AS→)λ|Rr→|---(17)]]>f_DC称为多普勒中心频率，f_DR称为多普勒调频斜率；利用多普勒中心频率方程f_DC进行自主定轨，多普勒中心频率f_DC从合成孔径雷达的回波中获取，所以结合卫星到地面标识点的距离方程(1)和多普勒中心频率方程(16)可求出卫星的运动速度具体过程如下：其中：Ri=|Rr→|---(18)]]>VT(0)→=ωe→×Rr→---(19)]]>表示在惯性系下地球的自转角速度矢量；表示人工地面标识点在惯性坐标系下的位置矢量；由式(16)和式(18)求出由式(19)求出求出后，根据式(13)求出星载合成孔径雷达遥感地面并识别了人工地面标识点后，从星载计算机上的地面标识点库中导出这些地面标识点的信息，运用上述定轨方程式(1)和式(8)求出卫星的位置R_i和速度实现卫星的实时自主定轨。