一种高轨SAR卫星精密定轨系统

摘要

本发明公开了一种高轨SAR卫星精密定轨系统，能够利用天基高轨GNSS自主导航以及配合地基测距系统为事后定轨系统提供原始观测量信息完成星地联合精密定轨任务。包括高轨GNSS导航子系统、地基测距子系统以及静电悬浮加速度计子系统。高轨GNSS导航子系统包括互为冷备份的2台导航接收机、互为热备份的2副导航接收天线、2台前置放大器、功分器以及射频电缆；静电悬浮加速度计子系统用于测量航天器受到的加速度。地基测距子系统包括Ka波段扩频测距模块以及激光测距模块。Ka波段扩频测距模块包括非相干扩频体制的2台Ka波段扩频测距应答机、2副Ka波段对地天线、测控波导组件；2副Ka波段对地天线分别通过测控波导组件对应连接2台Ka波段扩频测距应答机。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星定轨技术领域，具体涉及一种高轨SAR卫星精密定轨系统。

背景技术

常规低轨SAR卫星由于要满足成像指标对卫星精密定轨提出了需求，指标主要定义为轨道三维位置或三维速度在一定置信度下的三轴偏差；在技术实现方面，低轨卫星使用GNSS(全球导航接收机)进行精密定轨已经比较普遍。常规高轨卫星一直使用卫星应答机测距的形式进行定轨，定轨精度相对较低，可达到几百米的量级。近些年来高轨卫星也逐渐搭载了GNSS接收机(如漏GPS 接收机)进行精密定轨，可将高轨事后定轨精度从百米级提高到几十米量级；事后精密定轨需要结合轨道动力学进行事后解算，随着高轨精密定轨指标需求的不断提升，单独使用GNSS接收机提高精密定轨已经到了极限，漏GPS接收机见星数量、定轨几何强度都有待提高，特别是对于载有大口径天线等高轨卫星来说，惯量大、光压等非保守力的影响是制约定轨尤其是轨道预报精度的核心要素，且动力学的估算也越来越困难，亟需一种在轨实时测量非保守力的手段提高事后动力学估算的精度，加速度计测量正好可以满足此需求。通过GNSS 接收机测量和加速度计测量加速度(非保守力)可以提高轨道确定精度，但是高轨SAR卫星由于合成孔径时间较长，采用传统的精密定轨指标定义指标已经不能满足SAR成像的需求，需要另外建立一套指标体系来定义该指标；单一测距手段不能保证卫星测距数据的多元性和健壮性；传统高轨卫星定轨系统不能提供高轨SAR成像所需的高精度的绝对时间精度。

因此目前需要一种能够使用高轨SAR卫星精密定轨的系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高轨SAR卫星精密定轨系统，能够利用天基高轨GNSS自主导航以及配合地基测距系统为事后定轨系统提供原始观测量信息完成星地联合精密定轨任务。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种高轨SAR卫星精密定轨系统包括高轨GNSS导航子系统、地基测距子系统以及静电悬浮加速度计子系统。

高轨GNSS导航子系统包含互为冷备份的2台导航接收机、互为热备份的2 副导航接收天线、2台前置放大器、功分器以及射频电缆；2副导航接收天线分别对应连接2台前置放大器；每个前置放大器将对应导航接收天线捕获的信号进行信号放大后通过功分器及射频电缆分别送入2台导航接收机；功分器内部有两路完全独立的射频信号处理通道。

静电悬浮加速度计子系统用于测量航天器受到的加速度。

地基测距子系统包括Ka波段扩频测距模块以及激光测距模块。

Ka波段扩频测距模块包括非相干扩频体制的2台Ka波段扩频测距应答机、 2副Ka波段对地天线、测控波导组件；2副Ka波段对地天线分别通过测控波导组件对应连接2台Ka波段扩频测距应答机；其中2台Ka波段扩频测距应答机为同频冷备份关系；Ka波段对地天线采用收、发共用方式，左旋圆极化接收以及右旋圆极化发射。

激光测距模块包括激光反射器。

进一步地，导航接收机包括电源板、2个导航信息处理板、射频板以及电源板。

电源板包括主电源模块、备份电源模块、DC－DC变换模块、电压遥测模块、开关指令处理电路模块；DC－DC变换模块用于完成一次电源母线保护，一次电源到二次电源变换；电压遥测模块用于电压遥测；主电源模块和备份电源模块互为热备份。

射频板包括射频模块与时频模块，射频模块对导航接收天线输入的信号进行分路，然后将分路后的信号送给导航信息处理板；时频模块完成导航信息处理板参考时钟的生成。

导航信息处理板对输入其中的信号采用GPS、GLONASS、BD测量定位方式，实现GPS、GLONASS、BD导航信号捕获跟踪和策略，获得观测量数据发送至定轨接口板。

定轨接口板作为整机对外接口单元，对内接收2个导航信息处理板的观测量数据进行定轨解算，对外完成导航接收机所有用户要求的协议输出；同时，定轨接口板将从导航星座解算的时间转换为硬件秒脉冲形式，供SAR载荷以及静电悬浮加速度计使用。

进一步地，Ka波段扩频测距应答机包括电源处理模块、射频通道和数字基带模块。

电源处理模块用于将一次电源转换为二次电源，供射频通道和数字基带模块使用。

射频通道用于接收Ka波段对地天线捕获的Ka波段信号，并进行下变频至中频，得到中频上行信号送入数字基带模块；射频通道用于从数字基带模块获取中频下行信号进行变频滤波放大，最后通过Ka波段对地天线发射；

数字基带模块用于对中频上行信号AD变换后，进行解扩解调处理，恢复得到测距数据；数字基带模块还用于产生下行侧矩阵，经扩频调制后形成中频下行信号送入射频通道。

进一步地，静电悬浮加速度计子系统由加速度计组件和加速度计测量控制单元组成；加速度计组件用于测量航天器受到的加速度，属于差分电容式惯性加速度传感器；加速度计测量控制单元用于对加速度计组件进行伺服反馈控制和数据采集，加速度计测量控制单元由6路PID伺服反馈控制电路和科学数据采集电路，其中6路PID伺服反馈控制电路为对应水平方向及竖直方向各3路。

进一步地，激光反射器是由一个以上角反射器组合而成；每个角反射器是具有三个直角面相互垂直的四面体棱镜，四面体棱镜的底面为个直角面以外的第四面，其光学特性如下：一束入射激光束从四面体棱镜的底面入射，依次经过三个直角面的反射后，从底面射出；出射光束与入射激光束平行，但方向相反；激光反射器安装在卫星上。

有益效果：

本发明采用“高轨GNSS接收机+Ka精密测距应答机+激光反射器+加速度计”精密定轨系统的组成。主要由高轨GNSS导航子系统、地基测距子系统、静电悬浮加速度计子系统等组成。主要功能是为载荷提供实时的定位与测速信息，为整星提供精确的时间信息和授时，并利用天基高轨GNSS自主导航以及配合地基测距系统为事后定轨系统提供原始观测量信息完成星地联合精密定轨任务。

附图说明

图1为高轨SAR精密定轨设计和实现流程框图；

图2为高轨SAR精密定轨系统组成图；

图3为脉冲压缩的过程图；

图4为高精度测距应答机信息流程图；

图5为加速度计组件组成框图；

图6为GNSS导航接收机组成图；

图7为隔振与锁紧装置产品组成图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的技术方案是：本发明的技术方案是：(1)采用合成孔径时间内位置二阶以上波动量作为精密定轨的指标；(2)设计一种高轨GNSS接收机测距和授时+Ka频段宽波束转发精密测距+激光测距+加速度计非保守力测量完成精密定轨的系统；(3)采用振动隔离的方法提升加速度计的测量精度；。

附图1是高轨SAR精密定轨系统设计和实现流程，包括下列步骤：

S1、确定高轨SAR卫星对精密定轨的指标需求

根据高轨SAR成像需求，采用合成孔径时间内位置二阶以上波动量作为精密定轨的指标，具体分析形式见第5章具体实施方式。

S2、确定精密定轨系统的总方案

多测距手段与非保守力测量方法的融合

传统的高轨卫星轨道跟踪技术通常利用一个或多个地面站测量站星之间的距离或天线角，测距精度在几米量级，测角精度小于0.01°，这种方式实施简单，成本较低，定轨精度在百米量级。在地球静止轨道的早期开发中，大多地球静止卫星属于通信和气象卫星，对轨道的关心主要来自于轨道测控、天线定向和并置卫星的防撞监视，因此，百米级轨道完全能够满足应用卫星任务对轨道的精度要求。

造成传统定轨手段轨道确定精度不高的原因主要有：①轨道跟踪观测数据精度低，尤其是角度观测数据；②跟踪几何受到地面测轨网限制；③卫星相对于地面的动力学约束信息较弱。

精密定轨是以卫星轨道动力学理论为基础，通过各种技术和手段对卫星轨迹进行跟踪观测，提供定轨所需要的几何信息，并运用合理的方法融合几何和动力学信息得到卫星的精密轨道。其基本原理就是利用：①“含有误差的观测值”和②“数学模型”来得到卫星状态及有关参数的最佳估值(包括卫星轨道量和有关物理、几何参数)，本质上是一个拟合过程。所以拟合过程要求“含有误差的观测值”需要积累到一定的有效观测数据量(一定时间段内的数据量数据获取) 后方可拟合出精度指标较高的轨道曲线。

“含有误差的观测值”可通过“高轨GNSS导航”或者改良后的“宽波束Ka 转发测距”获取。“数学模型”可通过“地面定轨系统建模估计与仿真”以及“静电悬浮加速度计在轨实测”等两种手段获取。其中“建模估计与仿真”适用于光压精度要求低或者多颗状态统一的星座卫星长期在轨统计的情况，“加速度计”适用于发射入轨后短期内达到一定光压摄动力精度要求的定轨系统。

与其他轨道类型卫星相比，高轨20米SAR卫星精密轨道确定存在较大的困难,主要表现在：(1)由于卫星轨道高约36000km，跟踪站布设范围相对较小，集中于国内，使得对卫星的观测几何结构强度相当差；(2)站星几何的变化很小，增加观测时间带来的信息量有限，使得一些系统误差如钟差及测站偏差等难以解算和分离；(3)卫星高度高，接收GNSS信号难度大；(4)由于搭载大天线并在轨实时偏航导引，使得太阳辐射压模型更加难以模制。

根据仿真，满足2米测轨精度要求的光压摄动力学模型精度要求在10％左右，而经调研国内及国际上最高精度的光压摄动模型在10％～20％之间，其中 GPS星座经过长期在轨拟合与估计修正，精度在10％左右。当采用静电悬浮加速度计直接测量卫星质心所受的非保守光压摄动力的精度要求为1×10

为综合顾及卫星观测的几何信息以及卫星运动的动力信息，在对高轨卫星高精度轨道确定时，一般采取动力学定轨方案。高轨20米SAR卫星在方案阶段开展了依托在轨验证成果的数字仿真仿真分析工作，利用在轨验证的高轨导航星座情况通过纯软件仿真生成。通过仿真可知，接收导航星数在5～21颗之间，主要集中在12～18颗，能够满足实时定位、定轨需求。

根据合成孔径雷达卫星理论轨道以及接收机相对于GPS卫星星座的几何位置，通过计算机软件编程仿真动量轮卸载后25小时的观测数据(其中假定卸载过程中推力完全准确)。

在引入加速度计(1E-8m/s

激光测距系统作为定轨校核方法

除了理论轨道以外，在轨卫星的真实轨道是未知的，但是也是希望能够精确逼近的，采用精密的激光测距系统是精确逼近实际轨道的手段之一，由于该系统受天气、光照条件的限制，不能成为精密定轨测距的主手段，仅作为精密的校核方法。

采用GNSS系统作为SAR成像的授时系统

常规高轨卫星通过星地测控系统，由地面测控系统对星载数管计算机进行强制及集中校时，数管系统再通过总线广播方式对载荷授时，校时精度为≧5ms，对应相位误差为150°，不能满足SAR载荷成像(相位误差不超过45°)要求。

高轨SAR借鉴低轨遥感卫星的“导航守时+硬件秒脉冲授时”的方式，利用高轨GNSS导航子系统进行星地时间同步，当配置高轨GNSS用于授时(精度为±10μs)，此项引入相位误差可忽略不计，满足载荷系统的要求。

S3、确定精密定轨系统的组成

根据以上分析，最终确定“高轨GNSS接收机+Ka精密测距应答机+激光反射器+加速度计”精密定轨系统的组成。主要由高轨GNSS导航子系统、地基测距子系统、静电悬浮加速度计子系统等组成。主要功能是为载荷提供实时的定位与测速信息，为整星提供精确的时间信息和授时，并利用天基高轨GNSS自主导航以及配合地基测距系统为事后定轨系统提供原始观测量信息完成星地联合精密定轨任务，详见附图2。

高轨GNSS导航子系统

高轨GNSS导航子系统由互为冷备份的2台导航接收机、热备份的2幅导航接收天线、2台前置放大器将信号放大后通过功分器及射频电缆连接组成，可以完成双天线组合接收导航星座信号的功能。功分器内部有两路完全独立的射频信号处理通道，前置放大器可由与功分器相连的任意一台导航接收机进行馈电。

静电悬浮加速度计子系统

静电悬浮加速度计子系统由加速度计组件和加速度计测量控制单元组成。

加速度计组件是测量航天器受到的准稳态微小加速度的基本设备，属于差分电容式惯性加速度传感器，主要由传感器敏感结构、安装基座和前端检测电路组成。加速度计测量控制单元由水平方向及竖直方向各3路共6路PID伺服反馈控制电路和科学数据采集电路组成。另外，为适应在地面测试需要，配置真空维持与密封组件和高压悬浮电路等地面辅助设备。

Ka波段扩频精密测距

Ka波段扩频精密测距由采用非相干扩频体制的2台Ka波段扩频测距应答机、2副测控天线和测控波导组件组成，2路应答机为同频冷备份关系。Ka波段对地天线采用收、发共用方式，左旋圆极化接收、右旋圆极化发射。

激光测距

激光反射器是由若干个单个角反射器组合而成。每个角反射器是具有三个直角面相互垂直的四面体棱镜，其光学特性如下：一束激光从四面体棱镜的底面(即三个直角面以外的第四面)入射，依次经过三个直角面的反射后，从底面射出。此出射光束与入射激光束平行，但方向相反。因此，如果将激光反射器安装在卫星上，地面测距站对其发射激光，将能够接收到较强的激光回波信号，可以实现高精度激光测距和其它有关的测量。

S4、分析卫星振动对加速度计的影响

通过对星上微振动源梳理，对各类振源对加速度计的影响进行了分析：

1)数传天线组件、三浮陀螺组件虽然会引起mg量级的微振动响应，但主要集中在中高频段，低频响应较低，通过低频隔振可将加速度计的微振动响应降低至可行范围内；

2)红外地敏和太阳翼热致振动引起的振动幅值较低，低于目前在轨测量系统的分辨率，对加速度计影响较小；

3)双轴SADA在中高频段的扰动在mg量级，可通过低频隔振隔除，低频段转动平稳性的影响需进一步分析；

4)飞轮组件在共振条件下幅值超过2mg，非共振条件下低于0.54mg，后续应进一步优化隔振参数，降低共振响应。

S5、分析采取振动抑制等工程措施后整星指标提升情况

静电悬浮加速度计最大量程能达到1mg，而高轨20米SAR卫星平台存在各种振动源，包括动量轮、太阳翼驱动、天线驱动及轨道维持期间发动机工作等因素，会造成平台的振动加速度达到100mg以上，从而会造成加速度计将始终处于饱和状态而无法工作，因此对加速度计安装位置进行隔振，并采取锁紧保证发射阶段加速度计的安全。

隔振与锁紧装置的主要功能如下：

1)适应加速度计组件的安装接口；

2)具备发射阶段的锁紧与在轨的解锁功能；

3)具备承载加速度计组件的能力，为加速度计组件提供稳定的力学环境，满足发射阶段对组合体的力学性能要求；

4)具备在轨被动机械减振功能，使卫星平台在轨微振动水平满足加速度计组件的工作要求。

解锁状态下，隔振与锁紧装置和加速度计组件组合体力学特性应满足：

1)前6阶谐振频率：1.5Hz～5Hz；

2)阻尼比大于等于0.01，小于等于0.1；

确定高轨SAR卫星对精密定轨的指标需求

高轨SAR在轨常规工作模式为每次开机1800秒，因此分析每半小时内定轨误差所引入的相位误差。每1800秒内，定轨误差的形式不同，特定的定轨误差形式在不同的卫星轨道时刻所引入的相位误差亦不相同，所以就各种定轨误差形式在不同轨道时刻所引入的相位误差进行了分析。附图给出了该组定轨误差模型在高轨SAR工作过程中所引入的相位误差。

合成孔径雷达通过发射和接收线性调频信号来获得地物信息，所以线性调频信号理论是合成孔径雷达误差分析的理论基础。一维线性调频信号的表达式为

其中，幅度为a，载波为w

线性调频信号的匹配滤波的参考函数为h(t)＝s

线性调频信号的脉冲压缩的过程如图3所示，为了操作方便和快速，中间过程可以应用快速傅里叶变换(FFT)和快速傅里叶逆变换(IFFT)，脉冲压缩的结果如附图3所示，是一个sinc函数。

合成孔径雷达通过对距离向和方位向上的线性调频信号进行匹配滤波来实现脉冲压缩，以获得两维高分辨率成像。在电磁波的传播过程中，由于卫星存在偏离理想航迹的误差，导致距离向接收到的和方位向形成的线性调频信号在相位上存在一定程度的畸变。根据成对回波理论，畸变的线性调频信号经过理想的匹配滤波器产生畸变的压缩波形，影响成像质量，为了评估卫星的运动误差对成像质量的影响，有必要先分析波形畸变对线性调频信号脉冲压缩的影响。

如果按照相位误差变化的规律划分，则有确知性误差和随机性误差两种。所谓确知性是指相位误差变化规律是确知函数；而随机性误差则指相位误差变化为随机函数。在确知性相位误差中又可分周期性误差和非周期性误差两种。周期性误差随时间成周期性变化。非周期误差大致可分成一次误差(相位误差与时间成正比)、二次误差(相位误差与时间的平方成正比)和高次误差等。

通常低轨SAR情况下，二次及以上各项较小，可以忽略，泰勒级数展开法就成为分析相位误差影响的常用方法。对于高轨SAR，二次及以上的各高次项不能忽略，用泰勒级数展开就存在着严重的弊端，因为泰勒级数各项不正交，从物理概念上讲即为各项间互不独立。因此进行高轨SAR相位误差分析时，采用正交多项式，即勒让德(Legendre)多形式，即：

其中σ

经过分析，各类相位误差对脉冲压缩的影响如下表所示。

精密定轨误差是非周期类误差，根据雷达成像测量理论，当双程的斜距误差反映到雷达成像的相位差≤45°，经过误差分解，要求由定轨误差引起的相位误差≤10°。

精密定轨系统各子系统单主要机的实现方案

Ka扩频应答机

Ka波段扩频测距应答机内部主要包括三大部分：电源处理及指令接口模块、射频通道部分和数字基带部分。

电源及指令接口模块负责将一次电源转换为二次电源，供射频通道、数字基带部分使用；指令接口模块负责接收并执行各种直接和间接指令。

射频通道又包括接收通道、发射通道、自校通道和开关组件四个部分。

数字基带部分完成AD采样后和DA输出前的所有中频信号的处理。信息流程如附图4所示：

由天线接收的信号，经高精度测距应答机接收通道下变频到中频，然后经 AD变换后，由FPGA实现对上行信号的解扩解调工作。同时数字基带部分也产生下行测距帧，并经过扩频调制后，然后通过发射通道进行变频滤波放大，最后通过天线发送出去。

基带共享正常工作通道和自校正通道，共享了同样的ADC、DAC和全部的后端处理电路，确保了基带延迟的完全一致性，有效的测量RF通道的时延变化值。测距应答机将通道时延测量值和测距信息一起填入下行测量帧，完成校正功能。

静电悬浮加速度计组件

加速度计组件是测量航天器受到的准稳态微小加速度的基本设备，属于差分电容式惯性加速度传感器，主要由传感器敏感结构、安装基座和前端检测电路组成。加速度计测量控制单元由水平方向及竖直方向各3路共6路PID伺服反馈控制电路和科学数据采集电路组成。另外，为适应在地面测试需要，配置真空维持与密封组件和高压悬浮电路等地面辅助设备。如附图5所示。

高轨GNSS导航接收机

GNSS导航接收机由四种功能模块5块板组成，四种功能模块包括：射频、导航信息处理、电源、接口，详见附图6。

电源板主要包括DC－DC变换模块、电压遥测电路模块、开关指令处理电路模块，能够完成一次电源母线保护，一次电源到二次电源变换、电压遥测的功能。电源板上主备份电源模块互为热备份。

射频板主要包括射频模块与时频模块，射频模块对单天线输入的信号进行分路，然后将分路后的信号送给导航信息处理板；时频模块完成导航信息处理板参考时钟的生成。

导航信息处理板采用GPS、GLONASS、BD测量定位方式，实现GPS、 GLONASS、BD导航信号捕获跟踪和策略，并将原始观测量数据发送至定轨接口板。

定轨接口板作为整机对外接口单元，对内接收两个导航信息处理模块的数据进行定轨解算，对外完成GNSS导航接收机所有用户要求的协议输出。同时，定轨接口板将从导航星座解算的高精度时间转换为硬件秒脉冲形式，供SAR载荷、控制分系统以及静电悬浮加速度计使用。

分析采取振动抑制等工程措施后整星指标提升情况

本发明实施例中，该高轨SAR卫星精密定轨系统还包括一个隔振与锁紧装置系统，其组成如附图7所示，主要由热刀安装座、安装底座、加速度计安装座、压紧开关、绳索单元、热刀组件、弹簧支架、隔振弹簧、防逃帽、锁紧螺母、球形垫组成。

加速度计安装座提供和加速度计的连接接口，用于连接加速度计。

四套隔振弹簧成周向对称布置在加速度计安装座周向；隔振弹簧为高阻尼合金隔振弹簧，隔振弹簧通过弹簧支架与星本体连接；解锁后，由隔振弹簧支撑加速度计安装座和加速度计，利用隔振弹簧的减隔振作用提供在轨时对加速度计的减隔振功能。

绳索单元由上接头、下接头、绳索、锥销等组成，通过绳索单元将加速度计安装座、安装底座以及热刀安装座连接在一起，上接头插入到加速度计安装座中央，下接头插入到热刀安装座中央；绳索单元用于提供发射段增大连接刚度，承载功能。

2组压紧开关对称布置在隔振与锁紧装置两侧，压紧开关用于将安装底座和加速度计安装座压紧在一起，当压紧开关时开关处于导通状态，释放后上接头和下街头分开，开关处于断开状态，从而为判断隔振与锁紧装置是否解锁提供遥测判据。

热刀组件由2套互为备份的热刀组成，热刀组件安装在热刀安装座上，两套热刀对称分布在隔振与锁紧装置两侧，热刀加电后产生高温，烧断连接绳索，从而将上下接头连接释放，形成9mm的分离距离，使隔振弹簧回复到平衡状态，完成由锁紧状态向释放状态的转化。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。