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