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作者：

陈浩

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摘要：

编队卫星星间相对状态自主高精度测量作为编队卫星自主相对导航和控制,以及编队卫星精确指向,队形保持和匹配的重要组成部分,是关系小卫星分布式雷达先进功能实现的一项关键技术.现有的基于 GPS的测量技术由于保密性而无法应用于我国的军事编队卫星,而传统的基于无线电和基于光学的测量方法都难以同时满足编队卫星之间远距离,高精度,无盲区,快速相对状态测量.因此,探讨一种适合编队卫星相对状态高精度自主测量的方法成为编队卫星应用亟待解决的课题. 课题"基于激光跟踪的编队卫星相对状态测量方法研究"的目的就是针对小卫星分布式雷达星间相对状态测量的技术指标要求,在分析激光跟踪测量基本原理和编队卫星相对运动特点的基础上,探讨一种远距离,高精度,无盲区的编队卫星星间相对状态测量方法.通过对激光跟踪测量方程进行高阶近似和去偏差补偿,以减小线性化误差,提高编队卫星相对位置测量精度;提出自适应加权矢量和的TRIAD姿态解算算法,通过提高基准矢量的测量精度来提高编队卫星的相对姿态解算精度;多面体微角锥反射器阵列光学合作目标的设计增大了激光跟踪系统的作用距离和探测角度,保证编队卫星飞行时不存在测量盲区,同时减小了合作目标的有效载荷.本课题的研究为编队卫星星间高精度相对状态测量提供了一种有效的技术途径;同时,本课题的研究在激光探测,目标跟踪和定位,飞行器相对导航,以及光学合作目标等领域也具有广泛的应用前景. 本文首先在分析激光跟踪测量基本原理和编队卫星相对运动特点的基础上,建立了编队卫星星间相对位置测量的数学模型和测量误差模型,为了提高编队卫星星间相对位置的测量精度,提出了一种基于二阶去偏差补偿的转换测量卡尔曼滤波算法,通过对转换测量方程进行高阶近似,并对转换测量误差的偏差进行去偏差补偿,以减小线性化误差,克服了传统跟踪滤波算法线性化误差大,收敛速度慢的缺点,提高了编队卫星之间相对位置的测量精度,并通过仿真实验表明:编队卫星星间相对位置测量精度可达到厘米量级. 其次,针对双星编队,由于激光跟踪测量几何结构弱,无法进行姿态确定,提出在激光跟踪测量的基础上,辅助以星敏感器进行姿态确定的测量方案,推导出了基于星敏感器的编队卫星相对姿态自主测量数学模型.针对三星编队,基于双矢量定姿原理,推导出了基于激光跟踪的编队卫星相对姿态测量模型,为编队卫星相对姿态的确定奠定了理论基础. 为了提高编队卫星之间相对姿态确定的精度,在分析观测矢量对TRIAD姿态解算精度影响的基础上,基于 TRIAD姿态解算算法和自适应加权数据融合的基本原理,提出了一种加权矢量和的TRIAD姿态解算算法,通过对星载测量设备的观测矢量进行加权求和的方式,以获取最优的观测矢量作为 TRIAD算法的基准矢量,有效利用了各个星载测量系统的测量值,提高了姿态解算的精度,并通过仿真实验表明:对于等精度的激光跟踪测量系统,采用加权矢量和的TRIAD姿态解算算法,姿态确定精度至少可以提高15%. 为了增大激光跟踪系统的作用距离和观测角度,确保编队卫星飞行过程中无测量盲区,以及减小合作目标的有效载荷,提出了一种基于膜式结构微角锥阵列反射器的多面体光学合作目标结构,并构建了表征多面体合作目标反射特性的激光雷达横截面积随光束入射角变化关系的数学模型,分析表明:多面体合作目标的激光雷达横截面积随入射方位角以π/4为周期呈微小变化,不同入射方位角情况下随入射俯仰角变化规律基本相同;在光束入射方位角为0到360o,俯仰角为-60o到90o范围内,整个合作目标的归一化激光雷达横截面积均大于0.85;随着角反射器折射率的增大,目标的激光雷达横截面积和允许的入射角也增大,当折射率为1.95时,在全视场内目标的归一化激光雷达横截面积大于0.65,可确保探测系统接收到足够强度的回波信号.这为星载光学合作目标的优化设计奠定了理论基础. 最后本文采用恩希爱的基于微棱镜结构的水晶级反射膜制作了多面体光学合作目标,并对多面体合作目标的反射特性进行了测试,实验表明:采用水晶级反射膜制作的多面体合作目标在激光束入射方位角为0到360o,俯仰角为-40o到40o范围内,其归一化激光雷达横截面积大于0.5,验证了基于微角反射器阵列结构的多面体合作目标随光束入射角变化的特性.

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关键词：

激光跟踪 编队卫星 相对状态 姿态确定 合作目标

学位级别：

博士

学位年度：

2008

DOI：

10.7666/d.D01102830