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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SAR 25

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-L 81

2.4.2 SIGNAL 85

2.4.3 PICOSAR 87

2.5 结论 91

参考文献 92

第二篇 相对动力学和GNC 100

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SAR 123

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 TOPSAT 301

12.3 Techsat-21 302

12.4 A-Train和Morning星座 302

12.5 F6 305

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-X 311

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-PARAS 384

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SAR 426

参考文献 427

第18章 P波段分布式SAR 428

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