基于GNSS的分布式SAR卫星系统空间状态确定方法研究

论文摘要

分布式SAR卫星系统采取小卫星编队飞行搭载SAR的方式,通过编队卫星与星载SAR协同工作,可实现传统单星SAR无法完成的多项测绘任务,是一种具有巨大潜力的新概念新体制雷达系统,其实现在基础理论和技术层面上面临许多挑战。其中首要问题之一就是确定卫星系统的空间状态。空间状态确定方法取决于状态测量方案、小型航天器设计等因素,服务于有效载荷任务、编队协同控制等方面。获取高精度卫星空间状态是分布式SAR任务成功实现的重要保障。出于合理有效利用未来空间资源的思想,本文探索性地开展了将多频率多星座GNSS观测数据用于分布式SAR卫星系统空间状态确定的研究。本文的研究工作和贡献主要体现在以下几个方面:第一,在明确分布式SAR卫星系统空间状态概念与模型的基础上,给出了精度需求分析与参数内在联系。通过需求分析说明了空间状态特别是相对位置确定在整个分布式SAR卫星系统中的重要地位,明确了空间状态与InSAR干涉基线在系统中的层次;分析空间状态自身特征以给出提高确定精度的思路,对分类中的绝对状态与相对状态之间的相互作用关系加以关联建模与误差分析,从而为分布式SAR卫星系统的顶层设计提供参考。第二,完整建立了分布式InSAR卫星系统测量基线与干涉基线的关联,实现了二者的转换与精度分析。细致分解了由测量基线获取干涉基线的全过程,将空间状态中除相对位置之外的其它参数作为影响转换流程的边界条件,明确了转换中的参数信息流程,进行了精度分析。针对非自主式测量模式,兼顾自主式测量模式,建立了从测量基线到干涉基线的空间域转换模型,对误差传播关系进行了全面系统的研究;针对测量数据采样率的不足,研究了从低数据率基线到高数据率基线的时间域转换方法,从函数逼近角度分析了基线的保精度高数据率插值方法中的逼近误差和随机误差综合影响,并考虑配准偏移量的影响,完善了由测量基线到干涉基线的转换流程。第三,建立了基于多频GNSS星间相对定位的节省参数样条表示模型,并提出了适合编队环境的多频GNSS整周模糊度解算方法。一方面,综合利用观测数据与待估参数的几何关系以及待估参数随历元连续变化的约束,基于函数逼近和节省参数建模理论,提出了基于多频GNSS的相对定位样条表示模型,展示了多频数据相对于双频数据、样条表示模型相对于传统逐点模型在改善星间相对位置解算精度方面的理论基础与仿真实例。另一方面,研究了GNSS相对定位中的模糊度解算这一关键问题,基于几何无关或相关模型、原始或组合观测值、搜索或序贯取整等不同条件所带来的性能差异,给出基于几何相关和整数降相关变换后取整的层叠式三频模糊度固定方法,具有在编队环境下单历元固定模糊度的性能和较好的抗差能力。第四,进行了基于组合GNSS的卫星空间状态确定性能评价,提出了面向分布式InSAR性能的导航卫星优选准则。定性给出了组合GNSS共用的优势;利用抗差性、载波相位整周模糊度解算成功率特别是观测几何等定量评价指标,给出了组合GNSS模式带来空间状态确定性能提高的全面仿真算例和严格理论依据。综合考虑观测数据冗余及其贡献,联合GNSS空间状态测量子系统和InSAR测高子系统,从面向高程精度重建的角度提出了新的导航卫星优选准则,在相同观测条件下可提升分布式SAR的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 编队卫星与分布式SAR 研究计划
• 1.2.2 空间状态测量方案的发展现状
• 1.2.3 GNSS 发展现状与卫星空间状态确定方法
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 主要创新
• 第二章 分布式SAR 卫星系统空间状态确定的概念与模型
• 2.1 空间状态的概念分类
• 2.2 空间状态的精度需求分析框架
• 2.2.1 卫星空间状态确定在系统中的层次
• 2.2.2 分布式InSAR 卫星系统的空间状态精度需求
• 2.2.3 基线的概念以及与空间状态的关联
• 2.3 空间状态的GNSS 观测模型
• 2.3.1 GNSS 观测模型分类
• 2.3.2 GNSS 原始观测模型
• 2.3.3 GNSS 差分观测模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 分布式InSAR 卫星系统的空间状态与干涉基线
• 3.1 从空间状态到干涉基线
• 3.2 空间状态特征分析
• 3.2.1 编队卫星的星间相对运动状态特征
• 3.2.2 星敏感器绝对定姿转换的精度分析
• 3.2.3 主星空间状态对星间相对位置确定的影响
• 3.3 测量基线与干涉基线的关联建模与精度分析
• 3.3.1 测量基线与干涉基线的转换
• 3.3.2 测量基线与干涉基线转换中的精度分析
• 3.3.3 基线转换中的仿真算例
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于多频GNSS 的星间相对定位方法
• 4.1 从双频到多频——频率拓展
• 4.2 基于多频GNSS 观测的星间相对定位样条模型
• 4.2.1 基于多频GNSS 的星间相对定位建模
• 4.2.2 编队星载多频GNSS 观测数据仿真
• 4.2.3 基于不同观测信息与模型的星间相对定位精度比较
• 4.3 基于多频GNSS 观测的整周模糊度解算
• 4.3.1 GNSS 整周模糊度解算的一般方法
• 4.3.2 多频GNSS 整周模糊度解算的改进
• 4.3.3 编队环境下的三频模糊度解算仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于组合GNSS 的空间状态确定性能
• 5.1 从单一GPS 到组合GNSS——星座拓展
• 5.2 组合GNSS 的性能评价指标
• 5.2.1 系统性能评价指标的定义
• 5.2.2 不同仿真场景下的评价指标分析
• 5.3 星间相对定位的精度衰减因子性质
• 5.3.1 低轨卫星绝对定位的导航卫星可见性与GDOP 分析
• 5.3.2 编队卫星相对定位的导航卫星共视性与RDOP 分析
• 5.4 GNSS 组合模式下的观测数据优选准则
• 5.4.1 基于数据质量的测元遴选准则
• 5.4.2 基于InSAR 测高精度的导航卫星优选准则
• 5.5 GNSS 组合定位方案与尚存的问题
• 5.5.1 GNSS 组合定位的方案
• 5.5.2 GNSS 组合定位的问题
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文的工作回顾
• 6.2 相关研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 文中坐标系约定
• 附录B 星载GNSS 观测数据误差模型
• 附录C 自主式测量的空间状态与干涉基线的关联
• 附录D 高数据率插值的第二定理及其证明
• 附录E 整数引导估计方法与整周模糊度成功率计算公式