(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011022775.0
(22)申请日 2020.09.25
(71)申请人 北京空间飞行器总体设计部
地址 100094 北京市海淀区友谊路104号
(72)发明人 张庆君 舒卫平 王振兴 赵秉吉
张和芬 唐治华 郑世贵 刘立平
(74)专利代理机构 北京理工大学专利中心
11120
代理人 高会允
(51)Int.Cl.
G01S 19/45(2010.01)
(54)发明名称
一种高轨SAR卫星精密定轨系统
(57)摘要
本发明公开了一种高轨SAR卫星精密定轨系
息完成星地联合精密定轨任务。包括高轨GNSS导
航子系统、地基测距子系统以及静电悬浮加速度
计子系统。高轨GNSS导航子系统包括互为冷备份
的2台导航接收机、互为热备份的2副导航接收天
线、2台前置放大器、功分器以及射频电缆；静电
以及激光测距模块。Ka波段扩频测距模块包括非
相干扩频体制的2台Ka波段扩频测距应答机、2副
Ka波段对地天线、测控波导组件；2副Ka波段对地
天线分别通过测控波导组件对应连接2台Ka波段
扩频测距应答机。权利要求书2页 说明书9页 附图3页CN 112305575 A 2021.02.02
C N 112305575
A
1.一种高轨SAR卫星精密定轨系统，其特征在于，包括高轨GNSS导航子系统、地基测距子系统以及静电悬浮加速度计子系统；
所述高轨GNSS导航子系统包括互为冷备份的2台导航接收机、互为热备份的2副导航接收天线、2台前置放大器、功分器以及射频电缆；2副导航接收天线分别对应连接2台前置放大器；每个前置放大器将对应导航接收天线捕获的信号进行信号放大后通过功分器及射频电缆分别送入2台导航接收机；所述功分器内部有两路完全独立的射频信号处理通道； 所述静电悬浮加速度计子系统用于测量航天器受到的加速度；
所述地基测距子系统包括Ka波段扩频测距模块以及激光测距模块；
所述Ka波段扩频测距模块包括非相干扩频体制的2台Ka波段扩频测距应答机、2副Ka波段对地天线、测控波导组件；2副Ka波段对地天线分别通过测控波导组件对应连接2台Ka波段扩频测距应答机；其中2台Ka波段扩频测距应答机为同频冷备份关系；所述Ka波段对地天线采用收、发共用方式，左旋圆极化接收以及右旋圆极化发射；
所述激光测距模块包括激光反射器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导航接收机包括电源板、2个导航信息处理板、射频板以
及电源板；
所述电源板包括主电源模块、备份电源模块、DC－DC变换模块、电压遥测模块、开关指令处理电路模块；所述DC－DC变换模块用于完成一次电源母线保护，一次电源到二次电源变换；所述电压遥测模块用于电压遥测；所述主电源模块和所述备份电源模块互为热备份；
射频板包括射频模块与时频模块，射频模块对导航接收天线输入的信号进行分路，然后将分路后的信号送给导航信息处理板；时频模块完成导航信息处理板参考时钟的生成；
导航信息处理板对输入其中的信号采用GPS、GLONASS、BD测量定位方式，实现GPS、GLONASS、BD导航信号捕获跟踪和策略，获得观测量数据发送至定轨接口板；
定轨接口板作为整机对外接口单元，对内接收2个导航信息处理板的观测量数据进行定轨解算，对外完成导航接收机所有用户要求的协议输出；同时，定轨接口板将从导航星座解算的时间转换为硬件秒脉冲形式，供SAR载荷以及静电悬浮加速度计使用。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述Ka波段扩频测距应答机包括电源处理模块、射频通道和数字基带模块；
所述电源处理模块用于将一次电源转换为二次电源，供所述射频通道和所述数字基带模块使用；
所述射频通道用于接收Ka波段对地天线捕获的Ka波段信号，并进行下变频至中频，得到中频上行信号送入数字基带模块；所述射频通道用于从数字基带模块获取中频下行信号进行变频滤波放大，最后通过Ka波段对地天线发射；
所述数字基带模块用于对所述中频上行信号AD变换后，进行解扩解调处理，恢复得到测距数据；所述数字基带模块还用于产生下行侧矩阵，经扩频调制后形成中频下行信号送入所述射频通道。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述静电悬浮加速度计子系统由加速度计组件和加速度计测量控制单元组成；所述加速度计组件用于测量航天器受到的加速度，属于差分电容式惯性加速度传感器；所述加速度计测量控制单元用于对所述加速度计组件进行伺服反馈控制和数据采集，所述加速度计测量控制单元由6路PID伺服反馈控制电路和科学
数据采集电路，其中6路PID伺服反馈控制电路为对应水平方向及竖直方向各3路。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述激光反射器是由一个以上角反射器组合而成；每个角反射器是具有三个直角面相互垂直的四面体棱镜，四面体棱镜的底面为个直角面以外的第四面，其光学特性如下：一束入射激光束从四面体棱镜的底面入射，依次经过三个直角面的反射后，从底面射出；出射光束与入射激光束平行，但方向相反；所述激光反射器安装在卫星上。
一种高轨SAR卫星精密定轨系统
技术领域
[0001]本发明涉及卫星定轨技术领域，具体涉及一种高轨SAR卫星精密定轨系统。
背景技术
[0002]常规低轨SAR卫星由于要满足成像指标对卫星精密定轨提出了需求，指标主要定义为轨道三维位置或三维速度在一定置信度下的三轴偏差；在技术实现方面，低轨卫星使用GNSS(全球导航接收机)进行精密定轨已经比较普遍。常规高轨卫星一直使用卫星应答机测距的形式进行定轨，定轨精度相对较低，可达到几百米的量级。近些年来高轨卫星也逐渐搭载了GNSS接收机(如漏GPS 接收机)进行精密定轨，可将高轨事后定轨精度从百米级提高到几十米量级；事后精密定轨需要结合轨道动力学进行事后解算，随着高轨精密定轨指标需求的不断提升，单独使用GNSS接收机提高精密定轨已经到了极限，漏GPS接收机见星数量、定轨几何强度都有待提高，特别是对于载有大口径天线等高轨卫星来说，惯量大、光压等非保守力的影响是制约定轨尤其是轨道预报精度的核心要素，且动力学的估算也越来越困难，亟需一种在轨实时测量非保守力的手段提高事后动力学估算的精度，加速度计测量正好可以满足此需求。通过GNSS 接收机测量和加速度计测量加速度(非保守力)可以提高轨道确定精度，但是高轨SAR卫星由于合成孔径时间较长，采用传统的精密定轨指标定义指标已经不能满足SAR成像的需求，需要另外建立一套指标体系来定义该指标；单一测距手段不能保证卫星测距数据的多元性和健壮性；传统高轨卫星定轨系统不能提供高轨SAR成像所需的高精度的绝对时间精度。
[0003]因此目前需要一种能够使用高轨SAR卫星精密定轨的系统。
发明内容
[0004]有鉴于此，本发明提供了一种高轨SAR卫星精密定轨系统，能够利用天基高轨GNSS 自主导航以及配合地基测距系统为事后定轨系统提供原始观测量信息完成星地联合精密定轨任务。
[0005]为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种高轨SAR卫星精密定轨系统包括高轨GNSS导航子系统、地基测距子系统以及静电悬浮加速度计子系统。
[0006]高轨GNSS导航子系统包含互为冷备份的2台导航接收机、互为热备份的2 副导航接收天线、2台前置放大器、功分器以及射频电缆；2副导航接收天线分别对应连接2台前置放大器；每个前置放大器将对应导航接收天线捕获的信号进行信号放大后通过功分器及射频电缆分别送入2台导航接收机；功分器内部有两路完全独立的射频信号处理通道。[0007]静电悬浮加速度计子系统用于测量航天器受到的加速度。
[0008]地基测距子系统包括Ka波段扩频测距模块以及激光测距模块。
[0009]Ka波段扩频测距模块包括非相干扩频体制的2台Ka波段扩频测距应答机、 2副Ka 波段对地天线、测控波导组件；2副Ka波段对地天线分别通过测控波导组件对应连接2台Ka 波段扩频测距应答机；其中2
台Ka波段扩频测距应答机为同频冷备份关系；Ka波段对地天线
采用收、发共用方式，左旋圆极化接收以及右旋圆极化发射。
[0010]激光测距模块包括激光反射器。
[0011]进一步地，导航接收机包括电源板、2个导航信息处理板、射频板以及电源板。[0012]电源板包括主电源模块、备份电源模块、DC－DC变换模块、电压遥测模块、开关指令处理电路模块；DC－DC变换模块用于完成一次电源母线保护，一次电源到二次电源变换；电压遥测模块用于电压遥测；主电源模块和备份电源模块互为热备份。
[0013]射频板包括射频模块与时频模块，射频模块对导航接收天线输入的信号进行分路，然后将分路后的信号送给导航信息处理板；时频模块完成导航信息处理板参考时钟的生成。
[0014]导航信息处理板对输入其中的信号采用GPS、GLONASS、BD测量定位方式，实现GPS、GLONASS、BD导航信号捕获跟踪和策略，获得观测量数据发送至定轨接口板。
[0015]定轨接口板作为整机对外接口单元，对内接收2个导航信息处理板的观测量数据进行定轨解算，对外完成导航接收机所有用户要求的协议输出；同时，定轨接口板将从导航星座解算的时间转换为硬件秒脉冲形式，供SAR载荷以及静电悬浮加速度计使用。[0016]进一步地，Ka波段扩频测距应答机包括电源
处理模块、射频通道和数字基带模块。[0017]电源处理模块用于将一次电源转换为二次电源，供射频通道和数字基带模块使用。
[0018]射频通道用于接收Ka波段对地天线捕获的Ka波段信号，并进行下变频至中频，得到中频上行信号送入数字基带模块；射频通道用于从数字基带模块获取中频下行信号进行变频滤波放大，最后通过Ka波段对地天线发射；
[0019]数字基带模块用于对中频上行信号AD变换后，进行解扩解调处理，恢复得到测距数据；数字基带模块还用于产生下行侧矩阵，经扩频调制后形成中频下行信号送入射频通道。
[0020]进一步地，静电悬浮加速度计子系统由加速度计组件和加速度计测量控制单元组成；加速度计组件用于测量航天器受到的加速度，属于差分电容式惯性加速度传感器；加速度计测量控制单元用于对加速度计组件进行伺服反馈控制和数据采集，加速度计测量控制单元由6路PID伺服反馈控制电路和科学数据采集电路，其中6路PID伺服反馈控制电路为对应水平方向及竖直方向各3路。
[0021]进一步地，激光反射器是由一个以上角反射器组合而成；每个角反射器是具有三个直角面相互垂直的四面体棱镜，四面体棱镜的底面为个直角面以外的第四面，其光学特性如下：一束入射激光束从四面体棱镜的底面入射，依次经过三个直角面的反射后，从底面射出；出射光束与入射激光束平行，但方向相反；激光反射器安装在卫星上。
[0022]有益效果：
[0023]本发明采用“高轨GNSS接收机+Ka精密测距应答机+激光反射器+加速度计”精密定轨系统的组成。主要由高轨GNSS导航子系统、地基测距子系统、静电悬浮加速度计子系统等组成。主要功能是为载荷提供实时的定位与测速信息，为整星提供精确的时间信息和授时，并利用天基高轨GNSS自主导航以及配合地基测距系统为事后定轨系统提供原始观测量信息完成星地联合精密定轨任务。
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