（控制科学与工程专业论文）编队卫星的星间基线确定方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 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( s a r ) 实现地面高程测 量及地面运动目标指示( g m t i ) 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s a r 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( g p s ) 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g p s 相对定位的样条模型，并针对传 统随机模型与实际g p s 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g p s 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g p s 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g p s 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( u k f ) 相对定位方法以及基于高精度动力学模型的自适应切陋 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g p s 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u k f 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 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t s a t e l l i t ef 0 彻a ：c i o nn y i i l gi sa l r r e n t i yo n eo ft 1 1 ef o c u s e sb e i n gs t u d i e di i l 也e d o m a i l lo fd o m e s t i ca n do v e r s e 嬲s p a c e n i 曲t s 砷e 1 1 i t ef o m l a t i o nn y i i l gu s e sa l ll ( i n d s o f 岫o r sl o a d e do nt h es a t e l l i t et 0 陀a l i z em m l yl l i 曲一p r e c i s i o nm e 笛u r e m e n tm i s s i o 衄 w i l i c hc 锄o tb ea c l l i e v e db yas m g l el a r g es a t e l l i t eb yt h ec o o p e r a t i o no fi i l t e r - s a t e l l i t e a n di 1 1 t e r - s e r l s o r ，s 0i tw i l lg r e a t l yi m p r o 、，et h eg e n e r a lp e - o 咖a n c e 锄de x p a n dt h e a p p l i c a ：t i o nj f i e l d s0 f 也ec u s ：t o ms a 沧l l i t es y 呶髓o n eo f 吐圮k e y 白e c h n o l o 百e s0 f s a t e l l i t ef o r m a t i o nn y m gw 1 1 i c hn e e dt 0b er e s o l v e di st h ed e t e 肋m a t i o no fh i 曲- 眦i s i o ni n t e r s a t e l l i t eb a s e l i l l e 。h i g l l - p r e c i s i o ni n t e r - s a t e l l i t eb a s e l i n ei s1 1 0 to i d y 也e k e yo f 恤m g i t a le l e v a t i o nm c 嬲e m e n t 觚dg r o u n dm o v 吨t a r g e ti i l d i c a t i o n ( g m t i ) o ft h ed i 蛐m ) u t e ds y n t h c t i ca p e r t l l 代m 岫s a r ) ，b u ta l s 0v e 巧i m p o r t a n tt on l ec o m r o l o ff o a n a 圭i0 _ ns a e e u i t e 加m i n ga t 山l a l - s a t e l l i t ef o m 塌，t i o n ，t h j st l l e s i ss n l d i e st 1 1 em e t t l o d so fi i l t e r - s a t e l l 沁 b a s e l i i l ed e t e 加血唿t i o n ，觚d “sm a i l la c l l i e v e m 锄t s 、析ui i l c l u d em r e ep a r t sm o s t l y ： h i 酉1 - p r e c i s i o n b a s e l i r 地 d e t e 加1 i i l a l i o nm e m o d sb 嬲e do n 删l t o n o m o u s m e 雏i u - e m e n tm e m 塔a r es t u d i e d b ya i l a l y z i i 玛t h ec 1 1 a r a c t e d s t i co ft l l ec o m m o ns t a 钯 m e 雒u r e m e t h o d sc on l _ b i n e dw i _ n lm ef o r m a t i o nr e q 血m e n t ，血i sm e s i sp u _ t sf 0 “ ，a r da c o m b 碱m e a s l l r e m e n tm e m o d ，w 蚯c hc a nn o to i d yi m p r 刚陀也e 戬l t m o m y0 f f 0 肌a t i o n ，b m2 l l s or e a l i z e 廿l el l i g l l - p r e c i s i o no f l ed e t e m i i l a t i o no fi n _ t e 卜s a t e l l i 钯 b 嬲e l i n e b e c a u o ft l l ed i 行e r e n c eb e t v v 俄：nt ：h cd i r e c t l ym e 嬲u r c db a s e l i r 圮觚d 帆 a 曲m 儿yu s e d 咖b y 血ef o m a t i o n ，t 描n g 也ed i s 劬u t eh l s a rf o re x 锄p l e ，t h i s p a p l e r 百v e s l e 仃a i l s f 0 衄n o wb e t 、e e nt 1 1 锄觚dc o n 鼬m c t sn l ec o r r e 跚n d i n g 锕0 r p r o p a g a t i m o d e l ，觚da n a l y s e sa l ls o r t so ff 缸t o r si l l f l u e n c i n gn l ca l t i m e t e rb 鹊e l i n e d e t e 珊血a t i o np r e c i s i o nb ys i m u l a t i o n t h ep o s t - f a c t 0缸e r - s a t e l l 沁 r e l a t i v e p o s i t i o i l h l g m e m o db a s e d0 n 烈o b a l p o s i t i o 血玛s y s t e m ( g p s ) m e a s u r e m e mi ss t u d i e d b a s e d 圮c o n t i m l i t ) ，o fr e l a t i v e p o s i t i o na n d 廿把m e o r yo ff i l l l c t i o na p p r o x i m a t i o n ， s p l i r 地m o d e lo fg p sr e l a t i v e p o s i t i o 疵呜i sc o n s t r i l c t c d b e c a u s et l l e 饥挝i t i o n a l 脚咀o mm o d e l i sn o ti d e n t i c a l 诵t l l 蛳o fr c a lg p sd o u b l e - d i 仃e r c n c em e 硒u r 锄e n t s ， 锄i t e 瑚【t i v er a n d o mm o d e l i l l g m e t h ( db 鹤e do ns p l i l l ef h c t i o nm o d e li sp u t 姗a r d ，强dt h ec o n c r e t ea 1 9 0 r i t l l mn o w a n di t si i l l p l e m e n t a t i o ns t i 。p so fs i l l g l e f k q u e n c ya n dd l l a l - 丘_ e q u e n c yg p sa r e 西v e n i i l a d d i t i o n ，i no r d e rt 0i i i l l ) r o v em ep r e c i s i o no fr e l a t i v ep o s i t i o m n g 锄dt oi i l c r e 硒em e r o b 咖l e s so fs y s t e m ，锄r e l a t i v ep o s i t i o i l i 】n gm e t l l o db 嬲e do na u g m e n t e dg p si s p r o p o s e d ，a n di t sc o r r e s p o n d i n gs p l i n e 6 m c t i o nm o d e li sc o n s n l i c t e d ，a i l d 廿l e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 c o n c r e t ea l g o r i t l l mo fs t a t ee s t i m a t i o ni sg i v e n t h er e a l t 沛en e r s a t e l l i t er e l a t i v ep o s i t i o m n gb 硒e do na u 舯e n t e dg p si s s t u d i e d b 硒e do nw i ma i 】l d “t 1 1 0 u t l ed 脚i cm o d e lo ff o n n a t i o ns a t e l l i t e s ，t h r e e m e t h o d sa r ep r o p o s e d ，m m i i l gd y n a i t i i cs e q u e n t i a lp o h l te s t i m a t i o nm e t h o d ， a d a p t i v e u n s c e n t e dk a l m a n 丘l t e d n g ( u k f ) r e i a t i v e p o s i t i o n i n g m e t h o db a s e do n 仃i p i e d i f f e r e n c e dm e a 吼u e m e n tt i m ep r o p a g a t i o na i l da d a p t i v eu k fr e l a t i v e p o s i t i o m n g m e t h o db 硒e do n 1 1 i g l l - p r e c i s i o nd y n 锄i c m o d e lo fs a t e l l i t e s b e c a u s et l l e m e a s u r e m e n t so fc e n te p o c ha r eo i l l yu _ s e d 蛐n gt i l ep a r a m e t e re s t i m a t i o no ft h e f i r s tm e m o d ，m el e v e lo fd e c i m e t e ro fr e l a t i v e p o s i t i o m n gp r e c i s i o n c a nb e 甜a i l l e d n es e c o n dm e 也o du s e st i l ei e a s ts q 眦m e t h o dt oa c k e v ct h et i m e p r o p a g a t i o nr e l a t i o l l s l l i pb 嬲e do ng p st r i p e d i 舒e r e n c e dm e a s u r e m e n ：t s ， 锄du s e s a d a p t i v eu k f t oe s t i m a t e 出e 幻t e r - 鼹l e l l i t er e l a t i v ep o s i t i 砌n g s i m u l a t i o l l ss h o wn l a t l i sm e m o dc a ne 丘e c t i v e l yi r l l p r 0 v en l ep r e c i s i o nw h e nt l l ei n t e r - s a t e l l i t ed i s t a n c ei s s h o n c o m p a r e dt 0m ef o m l e rt 、0m e m o d s ，t h et h i r dm e m o dn o to l l l yl i s e sa l l m e a s u i - e m e l l t sb e f o r em ec u r r e n te p o c h ，b u ta l s oi n c l u d e st l es t a t ei o 册a t i o no ft l l e s y s t e m ( 岫gs a t e l l i t eo r b i td y l l a m i cm o d e l ) d i l r i n gt h ee s t i m a t i o no fs t a t e ， s oi t s p r e c i s i o no f r e l a t i v ep o s i t i o n i n | gi s 内刊h e ri m p r 0 v e d k e yw o r d s ：f o r n l a t i o n ，b a s e i i n e ，a u t o n o m o u s ，g p s ，a u g m e n t e d ，r e a i - t i m e ，p o s t - f a c t 0 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 1t e r l d e m x 对星间基线估计精度的要求。3 表1 2 1g e r n i i l i 任务测量精度。8 表1 3 1g p s 原始观测量差分相对定位的典型方法及相对定位精度1 4 表2 1 1 各种绝对姿态测量方法的比较2 0 表2 2 1 几种相对状态测量手段的测量元素比较2 3 表2 2 2 无线电、激光、红外测量手段的比较2 6 表2 2 3 各种基线组合测量方案的基线测量模式及理论测量精度。2 8 表2 3 1 影响测高基线角度测量精度的各误差传递系数均值3 5 表3 1 1g p s 差分观测量的优缺点4 0 表3 1 2 参考卫星的轨道根数4 4 表3 2 1 不同模式下的相对定位精度比较6 2 表3 3 1 不同测量条件及不同定位方法的相对定位精度比较6 8 表4 2 1 不同卫星轨道动力学模型对应的实时星间相对定位精度8 4 表4 2 2 不同星间伪距测量精度下的整周模糊度固定历元数8 5 表4 3 1 不同星间伪距测量精度下的整周模糊度固定历元数一9 2 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 1 编队、星座等相关概念之间的关系2 图1 1 2 几种编队飞行任务的编队控制精度与星间距离关系图4 图1 2 1 不同轨道高度下国外星间相对状态测量方案设想5 图1 2 2 收发异置模式的地面高程测量示意图6 图1 2 3a f f 测量星间相对状态的原理图6 图1 2 4v i s n a v 传感器系统的相对导航原理7 图1 2 5g e m i n i 卫星系统的组成示意图8 图1 2 6 星型测距器原理框图9 图1 2 7 无线电实现高精度星间基线测量的原理图。1 0 图1 2 8 星载激光雷达系统框图1 1 图1 2 9 测量方案的原理框图。l l 图1 4 1 论文结构与各章之间的关系图。1 6 图2 2 1 基线矢量的表示方法2 2 图2 2 2 “无线电+ 激光的基线测量方案。2 7 图2 2 3 “无线电+ 红外 的基线测量方案2 8 图2 2 4 “红外+ 激光”的基线测量方案。2 8 图2 3 1 分布式s a r 干涉测高的几何原理图3 0 图2 3 2 测量基线与测高基线的几何关系( 上图左) 3 1 图2 3 3 测量基线到测高基线的转换流程( 上图右) 3 1 图2 3 4 基线长度的计算3 4 图2 3 5 相对定位和相对定姿对b 的误差传递系数。3 5 图2 3 6 各误差源对测高基线精度的误差贡献率3 7 图3 1 1 ( 讲s 相对定位的几何示意图( 上图左) 4 2 图3 1 2 视线平行原理的示意图( 上图右) 4 2 图3 1 3 视线平行假设引起的模型误差几何示意图。4 3 图3 1 4 观测模型线性化的最大误差及其最大估计误差随星间距离的变化图4 4 图3 1 5g p s 观测数据的仿真流程4 4 图3 1 6 电离层延迟误差仿真流程( 上图左) 4 6 图3 1 7 单层投影模型示意图( 上图右) 4 6 图3 2 1 相对位置估计的算法实施流程5 0 图3 2 2 星间相对位置的样条拟合残差图。5 l 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 2 3 相对位置x 分量的拟合标准差及b i c ( m ) 随内节点数的变化示意图6 2 图3 2 4 基于单频g p s 的相对定位精度( 上图左) 6 2 图3 2 5 基于双频g p s 的相对定位精度( 上图右) 6 2 图3 3 1 基于增强型g p s 的星间相对定位示意图6 4 图3 3 2 相对位置的估计算法流程6 6 图3 3 3 星间相对测距精度与相对定位精度的关系7 0 图3 3 4 星间测距对相对定位的精度贡献百分比7 0 图4 2 1 基于自适应i j l 口的实时星间相对定位的算法流程图7 5 图4 2 2 基于切汀的实时卫星绝对状态估计算法流程图7 8 图4 2 3 星间相对状态的传播示意图。7 9 图4 2 4 基于自适应u k f 的实时星间相对定位算法流程8 0 图4 2 5 场景一的e k f 和u k f 相对定位残差示意图8 3 图4 2 6 两种方法的相对定位残差比较示意图8 4 图4 3 1 动态序贯点估计方法的算法流程8 6 图4 3 2 基于动态序贯点估计方法的星间相对定位结果残差示意图8 8 图4 3 3 基于三差相对位置时间传播的e l 口实时相对定位算法流程8 9 图4 3 4 实时相对定位残差示意图9 3 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 主或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 辛作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 皇生盗 日期： 2 6 q 年，护月舌日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：2 弦7 年，p 月歹日 镰j 莎7 每坩7 甚 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 卫星编队飞行的概念与特点 1 1 1 1 卫星编队飞行的目的1 1 1 。1 2 l 卫星编队是航天界受地面计算机网络技术发展的启发而提出的新概念。它是 指用分布式概念来实现通信、侦察和导航等任务的卫星群，即由若干颗卫星组成 一定形状，每颗卫星一方面要保持编队形状，同时还绕地球运转，轨道周期都是 相同的。编队中的每颗卫星相互协同工作( 单颗星所发挥的作用是有限的) 、相 互联系，共同承担信号处理、通信和有效载荷任务等。任务功能是由整个编队飞 行的星群来完成的，整个星群构成一个大的( 或超大) 的“虚拟卫星”或卫星网 络系统。 目前，卫星编队飞行正处在探索发展阶段，其目的基本可归结为：1 ) 希望 通过充分利用微电子、微机械等技术来降低卫星的成本，从而促进航天事业的推 广与应用；2 ) 通过功能分布，绕开研制高性能卫星时可能遇到的技术难关。 1 1 1 2 卫星编队概念的产生嗍 卫星编队飞行概念产生的原因很多，但主要原因是技术的推动和军事需求的 牵引。2 0 世纪8 0 年代以来，微电子、微机械技术突飞猛进，以计算机为代表的 信息产业首先享受到了这种新技术带来的好处，计算机越来越小，质量越来越 轻，而功能却越来越强。随着这些技术的成熟及在卫星上的普遍应用，卫星也出 现了小型化、低成本的趋向，微小卫星成为卫星发展中的热点，并逐渐走向成 熟。在此基础上，纳米技术的开发也取得了重大突破，能够部分进入应用领域， 这就促使卫星能够做得更小、更便宜。这些卫星通过网络连接后，就能完成特定 的任务，从而为降低航天系统成本开辟了一条新途径。 除了技术推动外，来自军事方面的需求是更为直接的刺激。2 0 世纪9 0 年代 以来，美国进行了多次局部战争，军事卫星虽在其中发挥了重要作用，但也暴露 出不少问题，如捕获移动目标问题、识别伪装问题等。而解决这些问题最直接有 效的方法就是提供更多的大型光学成像或雷达成像卫星等。由于受技术等各种因 素限制，目前无论是光学镜头还是雷达天线口径都是很有限的。于是，有些专家 提出：不必进行直接的物理拼装，而是将各单元按一定的电波特性联接起来，进 行无线拼装，就可以形成一个大的等效口径。采用这种措施，能够大大突破口径 的限制，这就如同地面无线网络大大扩展了通信覆盖区域一样，具备强大的应用 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 潜力。这样便产生了卫星编队的概念。 1 1 1 3 “编队一与。星座一之间的区别1 4 l 早期的编队卫星与星座没有多大区别。近年来，随着小卫星技术的发展，编 队卫星与星座的区别越来越明显，主要表现在： 卫星编队飞行时星间距离短，各星之间有密切联系，有通信和信息交 换，各星是协同工作的；而在星座中，各星之间是稀疏的，一般没有星 间信息交换； 卫星编队飞行时，各星之间有动力学联系和约束条件；而星座则以单颗 卫星轨道运行，星与星之间没有动力学联系，星座位置保持是为了保持 对地覆盖特性； 卫星编队飞行在应用上体现的是构成一个“虚拟大卫星”；而星座的作 用一般是为了增加对地覆盖范围或缩短重访周期； 卫星编队飞行中各卫星的有效载荷可以是相同的，也可以是不同的，但 要求协同工作，完成复杂任务；而星座一般是以一定数量的完全相同的 卫星平台和有效载荷组合起来的，解决空间和时间的覆盖问题，任务比 较单一； 卫星编队飞行一般要求自主、实时，多颗卫星形成闭环控制；而星座只 要求其中的各卫星的位置保持在规定精度的控制区域内，不至于相撞， 或者在某种意义上不改变对地的覆盖特性。 此外，图1 1 1 还给出了编队与其它一些类似概念( 如分布式空间系统、传 感器网) 之间的关系1 5 j 。 图1 1 1 编队、星座等相关概念之间的关系 1 1 1 4 卫星编队飞行的优点 与传统卫星相比，编队卫星具备如下四个主要优点【l l ： 低成本、高性能和较强的灵活性。在编队卫星中，由于大幅度减轻卫星 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 质量，简化单颗星的功能，从而有效地降低了卫星的制造和发射成本， 还能简化日常的操作维护工作，进而降低卫星的全寿命费用； 在卫星编队飞行过程中，通过卫星的互联，能够获得更高的性能，更好 地完成任务。以雷达成像卫星为例，通过互联可获得大尺寸的等效口 径，得到高分辨率图像； 卫星编队飞行由于采用分布式的结构，因而整个系统比单颗卫星更能容 忍单点故障。如果其中的某颗卫星出现故障，则可通过系统重构将这颗 卫星剔出系统，最大限度地消除故障影响。而且，如果有意识地改变各 卫星编队间的拓扑结构，还能够实时地改变系统的性能指标。使其获得 最适合于执行当前任务所需的能力。编队卫星可随时加入和退出，整个 系统具有很高的重构性、冗余性和鲁棒性； 编队卫星具有很高的自主性，对地面站的依赖性不大。 1 1 2 卫星编队飞行对星间基线确定的需求分析 虽然卫星编队飞行能有效克服单颗大卫星的研制周期长、成本高、孔径小、 测量精度低等缺陷，但同时也给科研人员带来了许多全新的、具有挑战性的技术 难题( 如编队卫星的轨道设计、编队卫星的自主协同控制、星间基线确定技术、 星间通讯与时间同步技术等) 。本论文将重点研究高精度的星间基线确定技术。 对于编队卫星而言，具体的需求主要可从以下两个方面进行分析： 1 1 2 1 事后星间基线确定信息的需求分析 对事后星间基线信息的需求主要是为了满足编队卫星的高精度测量指标【6 】。 咧。以t 锄d e m - x 为例，它由德国航空航天中心提出的双星紧编队计划，主要用 于地面高程测量和地面运动目标指示。当该系统用于地面高程测量时，为了实现 1 m 的相对高程测量误差，星间基线必须满足很高的要求，具体指标见表1 1 1 。 表1 1 11 锄d e m x 对星间基线估计精度的要求 所需的基线估计精度 入射角相位误差 有地面控制点 无地面控制点 1 个2 个 3 0 0 + 1 9 8 0 3 4 m m 4 5 0 1 1 7 0 2 0 m m 3 咖3 4 c m 1 1 2 2 实时星间基线确定信息的需求分析 编队卫星对实时星间基线信息的需求主要体现在以下两个方面： 1 ) 编队构型的保持和控制需要实时确定星间相对位置。一方面，编队在运 行过程中，由于受到外界各种摄动力因素的影响，造成卫星的运行轨迹偏离预定 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 的轨道，若不及时对其进行控制，可能导致编队中星与星之间距离太近而发生碰 撞；另一方面，对于某些卫星编队飞行任务而言，一定的星间基线长度是保证其 任务指标能否实现的前提条件。图1 1 2 给出了国外几种典型的紧编队( 星间距 离小于或等于1 0 公里的编队) 与宽编队( 星间距离大于1 0 公里的编队) 的相对 位置控制精度与星间距离之间的关系【9 】。从中可看出：编队卫星对相对位置的控 制精度最高达到了厘米甚至毫米量级，而相对位置的估计精度通常要比相对位置 的控制精度高一个量级，由此可见，高精度的实时相对位置信息对编队卫星的控 制至关重要。 图1 1 2 几种编队飞行任务的编队控制精度与星间距离关系图 2 ) 编队卫星在实施既定观测任务时，需要高精度的实时星间相对位置信 息。以t e c h s a t 2 1 ( t e c l u l o l o g ys a t e l l i t eo ft h e2 1 s tc e n t u q ) 为例，它是美国空军 研究实验室( a i rf o r c ei 沁s e a r c hl a b o r a t o r y ，简称a f r l ) 为验证用于卫星编队飞 行关键技术而提出的多星编队任务【l o 】。1 1 2 】。在任务的初级阶段，t e c h s a t 2 1 主要用 于地面高程测量和地面运动目标指示，而后一测量任务的关键在于能否得到高精 度的实时星间相对位置和速度，其中对相对位置的精度要求为3 c m 【1 6 j _ 【1 7 j 。 1 2 编队卫星星间相对状态测量方法的国内外研究现状 需求分析表明：编队卫星需要高精度的星间相对状态测量信息( 主要是相对 位置) 。因此，下面首先对目前国内外卫星编队任务采用的星间状态测量手段或 方案进行分析和总结。 1 2 1 国外研究现状 国外( 尤其是美国和德国) 在卫星编队飞行方面的研究已经取得了显著的成 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 果。到目前为止，国外在航、正在研制以及未来计划研制的编队卫星任务有很 多，如美国的t e c h s a t 2 l 【1 3 】- 【17 1 、d s 3 ( d e e ps p a c e3 ) 【18 】- 【1 9 1 、s t 3 ( s p a c e t e c l l i l o l o g y ) 【2 0 】【2 l 】、o o n 【2 3 】【2 6 1 、i o n f ( i o n o s p h e r i co b s e a t i o nn a i l o s a t e l l i t e f o m l a t i o n ) 【2 7 1 、l i s a ( l a s e ri n t e r f e r o m e t e rs p a c ea m e m l a ) 【2 8 】，德国的g e m i i l i ( g p s b a s e do r b i te s t h a t i o na n dl a s e rm e 仃0 1 0 9 yf o ri n t e r s a t e l l i t en a v 追a t i o n ) 【9 】、g r a c e ( 渤v 洒r e c o v e r ya n dc l i m a t ee x p e r i r n e n t ) 【2 9 】- 【31 1 、t a n d e m x 【3 2 】等 等【3 3 卜【4 8 1 。这些编队任务在应用目的( 如地面高程测量、深空探测等) 、编队属 性( 包括卫星数目、卫星大小和星间距离等) 、轨道高度( 低轨、中轨和高轨) 等方面不尽相同，这些不同不仅将造成它们在相对状态测量精度要求上的不同， 而且，为了满足这些要求而采用的相对状态测量方法也会有所不同。图1 2 1 是 目前国外对编队卫星在不同轨道高度条件下可采用的相对导航方法构想图【4 5 】。对 于低轨和中低轨编队而言，星间相对定位主要以g p s 为主，而对于高轨编队卫星 而言，一方面可采用无线电、激光等测量手段测量星间相对状态，另外也可采用 g p s ，只是考虑到此时g p s 接收机接收到的信号经过长距离的空间传播经损耗已 变得非常弱，在应用前需对g p s 接收机在信号接收和信号处理方面作一定的改进 ( 图中e n h a i l c e dg p s 就是此意思) 。 图1 2 1 不同轨道高度下国外星间相对状态测量方案设想 下面，作者对目前国外编队卫星中已采用或拟采用的高精度相对状态测量方 法进行简单的介绍。 ( 一) t a n d e m x 任务【6 】【7 1 德国航空航天中心d l r 计划发射一颗类似于t e 仃a s 劁r - x 的卫星，与 t e 肌s 剐r - x 组成一个双星紧编队，主要用于地面数字高程的高精度测量和a t i 测速。该任务就称为t a l l d e m x 编队任务，它的生命周期至少为5 年。 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 2 2 收发异置模式的地面高程测量示意图 t 砌e m x 在用于高精度的地面高程测量时，需要系统提供高精度的星间基 线测量信息，具体指标见表1 1 1 ，从表中可看出，当没有地面控制点时，星间基 线的估计精度要求最高仅几个毫米。为了满足如此高的要求，该系统拟采用双频 g p s 来实现，基本原理是：以g p s 双频单差p 码伪距和双频载波相位观测方程 构成联合观测模型，引入高精度的卫星运动r e d u c e d 动力学模型( 1 0 0 阶地球重力 场模型) ，利用双向e k f 滤波实现高精度的星间相对位置估计，其中整周模糊度 的解算采用l a m b d a 方法。相对定位的精度可达l i m 。 ( 二) d s 3 【1 8 】。【2 2 】 d s 3 ( 又称深空任务3 ) 是美国新千年计划中的一个深空编队飞行探测任 务，由3 颗小卫星组成。它的主要目的是演示光学和红外波段空间干涉测量的几 项关键技术。在d s 3 进行干涉测量演示过程中，干涉基线长度在1 0 0 m 1 k m 之 间变化，并且由这三颗卫星构成的阵列形成一个等边三角形。整个任务的生命周 期计划为6 个月。 图1 2 3a f f 测量星间相对状态的原理图 为了顺利地完成任务，d s 3 需要不停地对整个编队的阵列结构进行管理和控 制，其中编队控制对星间相对定位和相对定姿的精度要求分别为1 c m ( 1 盯) 和 第6 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 2 9 l o 。4 r a d ( 1 盯) 。为达到上述要求，d s 3 拟采用自主式编队飞行 ( a u t o n o m o u sf o n n a t i o nf l y i n g ，简称a f f ) 传感器系统。如图1 2 3 ，a f f 传感 器利用两颗卫星上不同特征点对间的相对距离信息求解卫星的相对位置和相对姿 态，其中每颗卫星安装有1 个无线电发射机和3 个接收机。在测量过程中，每颗 卫星不仅向其它两颗卫星发射信号，而且同时还接收来自其它卫星的信号。这样 的话，若仅考虑伪距观测，每时刻共有1 8 个观测量和1 4 个待估量，因此可利用 最小二乘估计方法解算星间的相对位置和相对姿态。另外，为了提高相对状态的 估计精度，还可利用星间距离的载波相位测量。实验表明：若伪距和载波相位的 测量精度分别为1 c m ( 码率为1 0 0 m b i 怕) 和1 0 m ( 3 0 g h z 的k a 波段载波) ， 则利用四时刻的测量数据进行联合解算，相对定位和相对定姿的精度分别为毫米 量级和1 0 。5 r a d 量级。 ( 三) v i s n a v 传感器系统【3 9 】 4 2 】 v i s n a v ( v i s i o n - b 邪e dn a v i g a t i o n ) 传感器系统是美国n a s a ( n a t i o n a l a e r o n 趴l t i c s 锄ds p a c e 枷i l i s t r 撕o n ) 资助由t e x 鹤a & mu i l i v e r s 时开发研究的用 于卫星对接或卫星编队飞行的相对导航系统，它具有体积小，视场宽，不涉及图 像处理过程，电路设备较简单和测量精度高等特点。 p s d 自卫星1 图1 2 4 s n a v 传感器系统的相对导航原理 v i s n a v 传感器由光电传感器和光源两部分组成，利用一个位置敏感二极管 ( p o s i t i o ns e n s i t i v cd i o d e ，简称p s d ) 得到的电流测量数据计算包括传感器位置 和方位在内共6 个自由度的估计值。如图1 2 4 所示，目标卫星上多个光源辐射 出来的光经测量卫星的光学透镜聚焦到p s d 传感器上，再通过传感器的光电转换 产生电流，电流的大小与光源与测量卫星之间的距离和方位有关。v i s n a v 传感 器系统通过对该电流前置放大、4 通道模数转换、同步解调、失真校正和自由度 估计等步骤，在光源数不少于4 个的情况下，就可解算得到有关目标卫星6 个自 由度的估计。实验表明：当星间距离小于1 0 m 时，系统的相对定位精度为 2 m m ，相对定姿精度为o 0 1 0 。因此，该系统一般仅用于航天器的交会对接和近距 离编队卫星的相对导航。 第7 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 ( 四) g e m i n i 【9 】，【4 6 】 g e m 试任务是由德国空间操作处理中心等三家单位发起的编队飞行任务。该 编队由2 颗重约8 0 1 0 0 k g 的微卫星组成，卫星轨道离地面大约5 0 0 7 0 0 k m 。 如图1 2 5 ，每颗卫星上用于星间状态测量的有效载荷主要包括一个激光干涉计、 一个脉冲激光雷达以及一个g p s 接收机。g e m i n i 任务的主要目的是在轨演示和 验证基于激光测量和g p s 的星间跟踪技术和闭环编队控制策略的自主轨道控制技 术。 图1 2 5g e m i n i 卫星系统的组成不意图 g e m i m 的主要任务是为即将实施的编队飞行任务积累经验( 包括各种关键技 术的验证) ，因此在任务实施的过程中，会不停地改变编队阵列结构。而不同的 编队阵列结构，对于不同的系统任务来说，又有不同的控制要求。表1 2 1 给出 了此编队在不同基线长度下的相对位置控制精度指标、相对定位精度指标及拟采 用的相对定位原理。 表1 2 1g e m i n i 任务测量精度 控制精度相对定位精度指 编队构形测量原理