[发明专利]基于合成孔径雷达的卫星自主定轨方法

权利要求书

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″T³

T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。