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第一篇 分布式雷达探测器1

第1章 双基合成孔径雷达1

1.1 绪论1

1.2 双基SAR几何构型4

1.3 系统性能8

1.3.1 几何分辨力9

1.3.2 辐射度分辨力和信噪比19

1.3.3 定时、定点和同步21

1.4 从猜想到概念验证23

1.4.1 双基雷达24

1.4.2 双基SAR25

1.4.3 已提出的星载任务29

1.5 双基SAR技术及应用30

1.5.1 来自单一接收平台的图像30

1.5.2 来自两个平台的图像33

参考文献41

第2章 多基雷达系统48

2.1 绪论48

2.1.1 历史展望49

2.1.2 定义和基本原则49

2.2 应用实例51

2.2.1 垂迹干涉测量在地形测绘中的应用51

2.2.2 多基线垂迹干涉57

2.2.3 偏振SAR干涉测量57

2.2.4 SAR层析成像58

2.2.5 稀疏层析成像60

2.2.6 沿迹干涉测量和动目标指示61

2.2.7 几何分辨力和辐射分辨力增强61

2.2.8 非模糊宽测绘带成像64

2.3 任务设计65

2.3.1 编队选择65

2.3.2 操作模式72

2.3.3 雷达同步74

2.3.4 基线测量和校准80

2.4 研究例子81

2.4.1 TanDEM-L81

2.4.2 SIGNAL85

2.4.3 PICOSAR87

2.5 结论91

参考文献92

第二篇 相对动力学和GNC100

第3章 相对轨道设计100

3.1 绪论100

3.2 相对轨迹建模：小偏心率轨道103

3.2.1 近距离编队103

3.2.2 大编队110

3.3 相对轨迹建模：任意偏心率的椭圆轨道111

3.4 相对轨迹设计113

3.4.1 SAR干涉测量法113

3.4.2 SAR成像119

3.4.3 大基线SAR123

3.5 结论127

参考文献128

第4章 编队构型建立、保持与控制131

4.1 绪论131

4.2 圆轨道编队几何构型131

4.3 基于CW方程的脉冲控制编队构型建立133

4.3.1 平面椭圆编队初始化133

4.4 基于微分轨道要素的编队描述135

4.5 考虑J2摄动影响的编队初始化136

4.6 编队构型保持的连续控制138

4.6.1 燃料最小化及平衡139

4.6.2 控制律设计140

4.7 考虑J2影响的高斯变分方程141

4.7.1 圆轨道编队构型控制的高斯方程142

4.8 Gim-Alfriend状态转换矩阵143

4.9 燃料最优控制144

4.9.1 编队构型建立和重构144

4.9.2 编队构型保持146

4.10 结论147

参考文献148

第5章 基于GPS的相对导航150

5.1 绪论150

5.2 星载GPS接收机151

5.2.1 星载GPS技术151

5.2.2 接收机154

5.3 GPS轨道确定方法156

5.3.1 观测类型与测量模型157

5.3.2 动力学模型159

5.3.3 数值积分161

5.3.4 估算162

5.4 任务结果165

5.4.1 相对运动任务165

5.4.2 精确基线确定166

5.4.3 实时导航170

5.5 结论174

参考文献175

第6章 基于无线电频率的相对导航183

6.1 前言185

6.1.1 必要性186

6.1.2 基本准则186

6.1.3 本章结构186

6.2 相对导航187

6.2.1 观测模型187

6.2.2 相对状态估计191

6.3 系统设计考虑的因素197

6.3.1 信号设计考虑因素197

6.3.2 硬件设计考虑因素202

6.4 系统范例和性能207

6.4.1 没有飞行继承性的系统207

6.4.2 具备飞行经验的系统208

6.4.3 测试和验证210

6.4.4 获得的性能211

6.5 总结和结论212

6.5.1 总结212

6.6 小结213

6.6.1 未来趋势214

参考文献214

第7章 基于视觉的相对导航217

7.1 绪论217

7.2 任务、敏感器和技术218

7.2.1 微纳卫星技术发展项目220

7.2.2 工程试验卫星221

7.2.3 轨道快车223

7.2.4 PRISMA计划226

7.3 图像处理算法和技术227

7.3.1 假设228

7.3.2 图像处理算法的通用形式229

7.3.3 二值化230

7.3.4 标记231

7.3.5 边缘检测232

7.3.6 基于模式匹配的相关性处理234

7.3.7 计算资源记录235

7.4 姿态确定技术与算法235

7.4.1 单目技术237

7.4.2 三维空间技术241

7.4.3 动力学滤波技术242

7.5 总结和未来发展趋势244

参考文献244

第三篇 技术挑战249

第8章 自主性249

8.1 绪论249

8.1.1 纳卫星250

8.1.2 自主性250

8.2 空间任务的自主性251

8.2.1 自主性概念251

8.3 任务自主规划与调度253

8.3.1 单平台253

8.3.2 多平台系统255

8.4 分布式系统技术：多智能体系统256

8.4.1 自组织和涌现257

8.4.2 协同机制258

8.4.3 技术挑战260

8.5 结论261

参考文献262

第9章 相对导航267

9.1 绪论267

9.2 相对导航传感器268

9.2.1 GNSS技术269

9.2.2 射频技术269

9.2.3 光学导航传感器269

9.3 相对导航精度要求269

9.3.1 高精度相对定位任务270

9.3.2 中等位置精度任务270

9.4 相对姿态控制要求270

9.4.1 多卫星相对姿态控制271

9.4.2 在轨监视相对姿态控制271

9.4.3 姿态控制对相对轨道确定的影响271

9.5 软件挑战272

9.5.1 基于光学成像的相对姿态估计272

9.5.2 基于GPS或者RF传感器的相对轨道确定算法272

9.5.3 自主相对导航273

9.6 硬件限制274

9.6.1 GPS接收机选择274

9.6.2 处理能力选择274

9.6.3 新型的推进技术275

9.6.4 纳卫星局限性275

9.7 结论275

参考文献275

第10章 分布式卫星通信系统278

10.1 绪论278

10.2 典型场景要求278

10.3 分布式系统通信概念279

10.3.1 集中/分散网络结构279

10.3.2 互联网协议（IP）280

10.3.3 移动ad-hoc网络（MANet）281

10.3.4 可延迟网络283

10.3.5 基于网络的分布式卫星控制283

10.4 结论和未来趋势284

参考文献284

第11章 分布式卫星地面站网络系统286

11.1 绪论286

11.1.1 传统地面站287

11.1.2 低成本接收站288

11.1.3 技术挑战290

11.2 地面站网络292

11.2.1 基础设施292

11.2.2 高度分布式地面站网络293

11.2.3 规划与调度295

11.2.4 地面站网络的协调和管理296

11.3 未来发展297

参考文献298

第四篇 科研与任务300

第12章 分布式任务综述300

12.1 绪论300

12.2 TOPSAT301

12.3 Techsat-21302

12.4 A-Train和Morning星座302

12.5 F6305

12.6 分布式光学载荷306

12.7 技术展示任务307

参考文献308

第13章 TanDEM-X311

13.1 绪论311

13.2 任务概念313

13.2.1 螺旋卫星编队313

13.2.2 干涉测量模式314

13.2.3 禁区314

13.2.4 雷达同步315

13.2.5 干涉测量性能和数据采集规划316

13.3 空间段317

13.4 地面段结构319

13.5 全球DEM采集计划321

13.5.1 DEM采集计划简介321

13.5.2 关键规划参数——模糊高度322

13.5.3 采集规划323

13.6 编队控制325

13.6.1 轨道控制概念325

13.6.2 编队控制性能327

13.7 精确基线估计327

13.7.1 精确相对3D导航的DGPS方法327

13.7.2 基线组合327

13.8 数据处理329

13.8.1 处理过程面临的问题330

13.8.2 DEM生成准则331

13.8.3 SAR图像配准331

13.8.4 双基SAR处理331

13.8.5 相位解缠332

13.8.6 绝对相位偏移的确定333

13.8.7 质量控制333

13.8.8 多基线相位解缠334

13.9 干涉测量和DEM性能监视335

13.10 双基和干涉测量系统校准338

13.10.1 期望高度误差338

13.10.2 基线校准339

13.10.3 设备校准以及外部迟滞339

13.10.4 运行期间的DEM稳定性340

13.11 DEM校准和图像镶嵌341

13.11.1 DEM校准方法341

13.11.2 图像镶嵌—DEM加权组合343

13.12 科学利用和试验结果344

13.12.1 空间对地速度测量344

13.12.2 大基线垂迹干涉测量346

13.12.3 偏振SAR干涉测量347

13.13 结论348

参考文献349

第14章 干涉“车轮”计划354

14.1 基本原理354

14.2 轨道构型355

14.3 特殊性处理357

14.4 产品358

14.5 先进应用360

参考文献361

第15章 SABRINA任务363

15.1 绪论363

15.2 大基线双基应用和技术364

15.2.1 基于LBB雷达信号的雷达测量365

15.2.2 基于多普勒分析的速度测量366

15.2.3 海波谱的高分辨测量367

15.2.4 LBB雷达信号的RCS研究367

15.2.5 基于LBB SAR原始数据的姿态确定368

15.2.6 分类和模式识别过程改进368

15.3 干涉测量与偏振测量的应用368

15.3.1 沿迹双基测量369

15.3.2 垂迹双基SAR测量370

15.4 任务分析371

15.4.1 小基线阶段371

15.4.2 大基线阶段374

15.5 相对距离与安全性379

15.6 结论381

参考文献381

第16章 TOPOLEV和C-PARAS384

16.1 欧空局EO小型任务综述384

16.2 TOPOLEV任务386

16.2.1 介绍386

16.2.2 需求分析387

16.2.3 任务和系统分析389

16.2.4 有效载荷及其性能分析392

16.2.5 任务特征397

16.2.6 关键技术397

16.2.7 总结与开发398

16.3 C-PARAS任务400

16.3.1 介绍400

16.3.2 需求分析401

16.3.3 任务和系统分析403

16.3.4 有效载荷及其性能分析405

16.3.5 任务性能409

16.3.6 关键技术410

16.3.7 总结与应用410

16.4 鸣谢411

附录412

参考文献413

第17章 SAR列车414

17.1 绪论414

17.2 N个单基SAR组成的纵队415

17.2.1 基本优势：能量加法415

17.2.2 N元天线阵列的建模415

17.2.3 随机SAR距离与降低模糊性：SAR列车信号清洗模式416

17.2.4 卫星的精确时间空间距离（以V/PRF为模）：SAR列车天线面积稀释（AD）和品质因数倍增模式416

17.2.5 扩频波形418

17.3 对编队构型的认识及控制420

17.3.1 SAR列车轨道实施实例420

17.3.2 连续信号增加的基本条件420

17.3.3 降低模糊性的条件（标准脉冲波形）421

17.3.4 改善品质因数与天线稀释的条件（标准波形）421

17.3.5 扩频波形的运用423

17.4 可视情况下N个SAR列车423

17.4.1 SAR列车实施的实例423

17.4.2 单一传输的SAR列车：T/R对等列车424

17.4.3 可视情况下SAR列车的若干次信号发射425

17.4.4 一个特殊的实施案例：地面运动目标识别425

17.5 结论与今后研究工作425

附录 扩频SAR426

参考文献427

第18章 P波段分布式SAR428

18.1 绪论428

18.2 科学应用429

18.2.1 森林区域分类和生态估计429

18.2.2 冰层探测和地表下分析430

18.3 概念发展430

18.3.1 分布式载荷概念430

18.3.2 初步性能分析432

18.4 任务分析、航天器设计以及编队控制435

18.4.1 任务分析435

18.4.2 航天器初步设计437

18.4.3 编队控制440

18.5 展望和结论441

参考文献441

第19章 重力恢复与气候试验444

19.1 任务回顾444

19.2 科学445

19.2.1 重力地图的绘制445

19.2.2 与气候有关的科学448

19.3 任务操作450

19.3.1 飞行操作450

19.3.2 遥测451

19.3.3 遥控452

19.3.4 姿态轨道控制系统453

19.3.5 飞行动力学455

参考文献466

第20章 下一代重力卫星任务468

20.1 背景介绍468

20.2 任务目标与测量技术469

20.3 任务概要与卫星编队471

20.4 有效载荷的要求与设计概要475

20.5 卫星的初步配置478

20.6 NGGM动力学控制系统480

20.6.1 控制要求480

20.6.2 控制系统的初步设计及性能482

缩略语487

参考文献487

第21章 PRISMA任务489

21.1 绪论489

21.1.1 动机489

21.1.2 合作伙伴490

21.1.3 目标491

21.2 卫星492

21.2.1 航天器平台492

21.2.2 编队飞行与交会传感器494

21.2.3 推进系统496

21.3 GNC试验497

21.3.1 分类与GNC模式497

21.3.2 OHB-SE模式与关键算法499

21.3.3 DLR模式及其关键算法500

21.3.4 CNES模式及其关键算法500

21.3.5 地面验证层501

21.4 项目阶段501

21.4.1 总进度501

21.4.2 验证过程502

21.4.3 任务操作504

21.5 代表性飞行结果508

21.5.1 相对导航508

21.5.2 推进系统512

21.5.3 闭环轨道控制试验512

21.6 结论517

参考文献518

第22章 大气科学和技术验证编队飞行523

22.1 绪论523

22.2 任务方案524

22.2.1 阶段1：LEOP及初始调试524

22.2.2 阶段2：技术验证524

22.2.3 阶段3：科学观测524

22.3 系统设计525

22.3.1 系统结构526

22.3.2 载荷526

22.3.3 航天器528

22.3.4 地面部分531

22.4 科学应用532

22.4.1 气溶胶特性532

22.4.2 冰冻圈及沉淀532

22.5 技术挑战533

22.5.1 FAST-D系统工程学533

22.5.2 星间信息交互535

22.5.3 星上信息处理536

22.5.4 分布式信息运用536

22.6 教育机会538

22.7 结论538

参考文献539

第23章 未来趋势，前景及风险541