CN101692128A - 基于地球静止轨道和同步轨道卫星的合成孔径成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用地球静止轨道卫星和同步轨道卫星形成的双站合成孔径雷达的成像探测方法，包括一颗载有向地面发射微波信号发射机的地球静止轨道卫星、一颗载有接收地面对静止轨道卫星所发射信号的散射信号接收机的同步轨道卫星、以及一个地面接收站。静止轨道卫星是中国发射的北斗系统中或是用于通信、音频及视频广播的静止轨道卫星；同步轨道卫星是北斗系统中或是中国发射的任一颗同步轨道卫星；地面接收站是能够接收静止及同步轨道卫星发射的信号，并具备合成孔径成像信号处理能力的地面接收站。本发明能够每天获得不少于两幅观测地面的图像，在土壤湿度研究、地震预报、火山活动监测、大气特性研究、洪水监测等方面具有重要的应用前景。

Description

基于地球静止轨道和同步轨道卫星的合成孔径成像方法

【技术领域】

本发明是一种双站合成孔径微波成像方法，它主要利用中国发射的地球静止轨道卫星、地球同步轨道卫星以及中国建造的卫星地面接收站，在实现原有的导航、定位、授时、通信、广播等设计功能的同时，在基本上不增加成本的情况下，利用现有的运营系统，增加合成孔径成像功能，是对原有系统功能的进一步开发，在土壤湿度研究、地震预报、火山活动监测、大气特性研究、洪水监测等遥感领域具有重要的应用价值。

【背景技术】

目前中国正在建设的北斗卫星系统由4颗静止轨道卫星和若干颗倾斜地球同步卫星构成，提供定位、测速和授时服务，其中工作的地球静止轨道卫星分别位于东经80°、110°和140°的对地静止轨道上，建成后的北斗卫星系统具备定位、授时、报文和GPS广域差分功能，在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。中国正在使用的通信卫星定点于东经98°，工作于C波段，目前，中国正在发展的新一代地球静止轨道通信卫星。北斗卫星工作在L波段和S波段，通信卫星工作在S和C等波段。正是基于中国北斗卫星与通信卫星分布的现状，并结合合成孔径雷达成像原理，本专利提出利用北斗或通信卫星中的地球静止轨道卫星和地球同步轨道卫星以及相应的地面接收站，以形成双站合成孔径雷达系统，实现双站合成孔径对地观测方法，这样可以在在很少增加原有系统成本的情况下，在实现原有系统的定位、授时、报文、GPS广域差分和通信等功能的基础上再增加对地成像观测功能。本专利所提方法的基本思想是用定位在地球同步轨道上卫星作为接收机，接收由地球静止轨道卫星辐射到地面上的后向散射电磁波，应用正侧视数量级的等效辐射功率就可能产生以陆地尺度的有用图像，对于发展具有中国自主知识产权的、集导航、定位、授时、通信以及合成孔径成像雷达与一体的卫星系统，具有极为重要的意义，在土壤湿度研究、地震预报、火山活动监测、大气特性研究、洪水监测等遥感领域具有重要的应用价值。

【发明内容】

本发明是一种新型合成孔径成像方法。该方法巧妙地利用中国的在轨运行的北斗卫星或通信卫星与卫星地面接收站，组成双站合成孔径对地成像观测系统。本发明提出的方法可以在几乎不增加原有系统运营成本的情况下，在完成原有全部运营功能的同时，增加合成孔径对地成像观测功能，应用正侧视数量级的等效辐射功率就可能产生以陆地尺度的有用图像。

本发明提供的一种双站合成孔径对地成像观测方法采用以下技术方案：

该双站合成孔径对地成像观测方法，包括由中国发射的在轨运行的一颗地球静止轨道卫星、一颗在轨运行的地球同步轨道卫星和一个能够同时接收所述的地球静止轨道卫星和地球同步轨道卫星发来的微波信号地面接收站。

其特征在于，所述的由中国发射的在轨运行的一颗地球静止轨道卫星按照常规的导航、定位、授时、通信和广播等服务功能向地面发射微波信号，其中所述的发射微波信号功率的等效辐射功率的数量级足以保证所述的同步轨道卫星接收机能够接收地面对此信号的散射信号；所述的地球同步轨道卫星按照除了按照常规的导航、定位、授时、通信和广播等服务功能向地面发射微波信号外，还安装有能够接收来自地面对所述的地球静止轨道卫星发射信号的散射信号的接收机，同时还具备立即再将所接收的信号发向地面接收站的能力，除这些功能外，所述的同步轨道卫星还可以通过调节其轨道的离心率和轨道平面的倾角，使得这颗可以在空中形成的圆或椭圆等形式航迹；所述的微波信号地面接收站既可以同时接收来自所述的地球静止轨道卫星和同步轨道卫星的微波信号，也能够按照合成孔径成像算法进行数据处理以至产生地球同步轨道卫星所观测地球表面的图像，因此，在卫星上不需要大量的计算。

本发明的有益效果：(1)可以在保持原设计的北斗系统或通信、广播卫星运行功能不变的情况下，对于地球同步轨道卫星(即观测卫星)上直径为6米的接收天线，就能够以每天不低于2幅图像的成像能力、以低于100平方米成像空间分辨率对1500平方公里的成像带进行成像观测；(2)也可以根据对地成像观测的具体需求，通过调节所述地球同步卫星轨道的离心率和轨道平面的倾角来提高成像速度和成像空间分辨率，在土壤湿度研究、地震预报、火山活动监测、大气特性研究、洪水监测等遥感领域具有重要的应用价值。

【说明书附图】

图1是北斗或通信卫星的被动双站合成孔径雷达示意图；

图2是本发明所述的双站合成孔径成像的几何关系图。

【具体实施方式】

如图1所示，中国发射的处于地球静止轨道的一颗卫星101作为合成孔径雷达的发射机向地面宽范围面积105和卫星地面接收站103发射用于导航定位或广播通信的微波信号，中国发射的处于地球同步轨道的一颗卫星102作为合成孔径雷达中的接收机(观测卫星)接收来自105面积中的散射信号，并将所接收的信号通过下行链路104发射至地面接收站103，地面接收站103接收由101和102发来的信号，并将所接收的信号按照合成孔径雷达成像方法进行处理以形成102所观测面积的合成孔径雷达图像。

地球同步轨道卫星102与静止轨道卫星101和地面站103形成合成孔径成像的原理可用图2来说明。在图2中，位于赤道平面上的地球静止轨道上的卫星201发射微波波束照射地面204和地面站203，偏离赤道平面的、位于地球同步轨道上的卫星202形成被动合成孔径雷达卫星，它接收地球表面204对201所发射信号的散射信号，并再将所接收的散射信号发射到地面接收站203，地面接收站203则将所接收的信号按照合成孔径雷达成像方法进行处理以形成202所观测面积的合成孔径雷达图像。

将202放在地球同步轨道的主要原因是使被观测目标与接收天线之间有相对运动以便形成合成孔径；此外，为了使202避免直接接收太强的201信号，202与201不再同一经度上，因此201在经度上偏离201一定的角度θ，所以202相对于地球是一个北-南方向的简谐运动，实际上在空中形成一个“8”字航迹。由卫星轨道动力学理论可以得到同步卫星202的速度矢量为：

${\stackrel{\→}{v}}_{s_R}={\mathrm{\ω}}_{e}a\left[\begin{array}{c}2(\cos i_0-1)\sin {\mathrm{\ω}}_{e}t\·\cos {\mathrm{\ω}}_{e}t\\ (\cos i_0-1)\cos 2{\mathrm{\ω}}_{e}t\\ \sin i_0\cos {\mathrm{\ω}}_{e}t\end{array}\right]---\left(1\right)$

式(1)中

公里，是地球同步轨道半径，且μ＝398600.44公里³/秒²，是地心引力常数，ω_e＝7.2921×10^-5弧度/秒，是地球自转的角速度，i₀是同步轨道平面与赤道平面之间的倾角。由(1)式可知，卫星的速度主要是取决于南-北徘徊速度分量，平均速度约2米/秒正弦规律内变化，这说明可以将卫星202看着是在地面36000km高度上南-北飞行的、以“驻留和行走”方式(驻留的持续时间随卫星202到赤道平面的距离的增加而增加)工作的双站合成孔径雷达接收器，它接收已知的随机序列啁啾信号(驻留时间长度ΔT可以是几秒或更长)。

合成孔径雷达成像方式主要是斜距向聚焦和方位向聚焦。斜距聚焦是通过将后向散射信号与发射信号互相关而得到，互相关窗口时间长度就是“驻留时间”长度ΔT，窗口的持续时间ΔT应该比等价的斜距刈幅的持续时间τ_r长许多：

$\▿T>>{\mathrm{\τ}}_r---\left(2\right)$

另一方面，ΔT的上限取决于所成像面积方位向的刈幅宽度。图2中，x是沿着航迹的地面散射体的坐标，R₂是斜距，设某一时刻一个稳定的点散射体的反射率为r(x)，并且接收卫星202在持续时间ΔT内并不移动，则所发射的信号u(t)和所接收的信号s(y，t)之间存在下列关系：

$s(y,t)\≈r\left(x\right)\·u(t+\frac{x^2-\mathrm{xy}+y^2}{R\·c})\exp \left(\frac{j2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λR}}(x^2-\mathrm{xy}+y^2)\right)---\left(3\right)$

式(3)中R＝R₁≈R₂，c为光速，λ为静止轨道卫星201发射的微波中心波长，j为单位虚数。对于通常的条带成像的合成孔径雷达而言，要考虑“距离移动”(延迟)和“多普勒历史”(相位)项，如果将接收信号s(y，t)与发射信号u(t)进行互相关，就可以得到一个在滞后时间τ＝(x²-xy+y²)/Rc处显示一个峰的距离压缩信号z(y，τ)，且z(y，τ)的振幅与反射率|r(x)|成正比，其相位为

对于L波段、S波段和C波段微波而言，在天线从距离36000公里高度照射到地面的照射宽度(波束脚印)为1500公里的情况，窗口的持续时间ΔT中的相移小于π，所以总体上，“驻留和行走”的方式是总是成立的，所以，只要在ΔT期间相加后的天线脚印F_p比合成天线孔径n_s大，方位向分辨率ρ_a就保持不变(除了边缘效应)，则互相关窗口ΔT的上限是：

$F_p=\frac{\mathrm{\&lambda;R}}{v_s\mathrm{\&Delta;T}}>>{\stackrel{\&OverBar;}{n}}_s=\frac{\mathrm{\&lambda;R}}{{\mathrm{\&rho;}}_a}\&RightArrow;\mathrm{\&Delta;T}=\frac{\mathrm{\&lambda;R}}{v_s{F}_p}<\frac{\mathrm{\&lambda;R}}{v_s{\stackrel{\&OverBar;}{n}}_s}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_a}{v_s}---\left(4\right)$

若F_p＝180km，我们得到ΔT＝8秒。由于接收卫星运动的限制(n_s＝60km)，一个刈幅宽度只有F_p-n_s＝120km被以标称方位分辨率ρ_a＝72m成像，成像的刈幅是南北向斜视。维持F_p＝180km是为了避免在方位向聚焦时处理太大的距离移动项。

对于方位向聚焦，设y是卫星202的方位位置，卫星202实际上是以距离间隔v_sΔT＝16米的“驻留和行走”方式；τ是与成像刈幅中散射体的距离位置相联系的相关的时间延迟，对于以恒定斜距R沿着航迹的散射体，则距离压缩信号z(y，τ)有下述表达式：

$z(y,\mathrm{\&tau;})=\underset{-F_p/2}{\overset{F_p/2}{\&Integral;}}r\left(x\right)\&CenterDot;h(\mathrm{\&tau;}-\frac{x^2-\mathrm{xy}+y^2}{R\&CenterDot;c})\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;R}}(x^2-\mathrm{xy}+y^2)\right)\mathrm{dx}---\left(5\right)$

式(5)中的h(τ)是系统的斜距脉冲响应，即具有一定带宽和ΔT秒时间长度的两个同步随机序列相关的期望值。应当注意的是：由于方位限制在±F_p/2，距离的移动是小的，且驻留在近似的一个或两个斜距分辨率像素内，这样可以认为距离移动项是一个可忽略的常数；最后，由于h(τ)的非完全脉冲特征所引起的斜线效应，移去滞后因子有：

$z_1\left(y\right)=\underset{-F_p/2}{\overset{F_p/2}{\&Integral;}}{r}_1\left(x\right)\exp (-\frac{j2\mathrm{\&pi;xy}}{\mathrm{\&lambda;R}})\mathrm{dx}---\left(6\right)$

式(6)中：

$\left\{\begin{array}{c}{z}_1\left(y\right)=z(y,\mathrm{\&tau;})\exp (-\frac{j2\mathrm{\&pi;}{y}^2}{\mathrm{\&lambda;R}})\\ r_1\left(x\right)=r\left(x\right)\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;}{x}^2}{\mathrm{\&lambda;R}}\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

式(7)是Fourier变换结构形式，如果在其两边乘以波束操控因子exp(j2πy/λR)并从-n_s/2到n_s/2对y进行积分(合理的采样间隔是ΔT/v_s)就可以得到所聚焦的图像I(ξ)：

$I\left(\mathrm{\&xi;}\right)=\underset{-{\stackrel{\&OverBar;}{n}}_s/2}{\overset{{\stackrel{\&OverBar;}{n}}_s/2}{\&Integral;}}{z}_1\left(y\right)\exp \left(\frac{j2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;R}}\mathrm{\&xi;y}\right)\mathrm{dy}\&cong;\underset{\mathrm{\&xi;}-\mathrm{\&lambda;R}/2{\stackrel{\&OverBar;}{n}}_s}{\overset{\mathrm{\&xi;}+\mathrm{\&lambda;R}/2{\stackrel{\&OverBar;}{n}}_s}{\&Integral;}}{r}_1\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(8\right)$

式(8)是本发明成像方法的基本方程。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见的想到一些雷同、替代的方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于地球静止轨道卫星和地球同步轨道卫星以及地面接收站形成的双站合成孔径成像探测方法，包括由中国发射的北斗卫星系统中或者是用于音频和视频广播的置于地球静止轨道上的一颗卫星、一颗地球同步轨道卫星和一个卫星地面接收站；其特征在于，所述的中国发射的北斗卫星系统中或者是用于音频和视频广播的置于地球静止轨道上的一颗卫星，在工作时向特定地面发射L波段(1.0～2.0GHz)、S波段(2.0～4.0GHz)、或者C波段(4.0～8.0GHz)的任一波段的微波波束信号；所述的一颗地球同步轨道卫星是中国发射的地球同步轨道卫星，且在地理经度上与其组成双站合成孔径成像探测系统的那颗地球静止轨道卫星偏离一定的角度，并具备能够收集从所述的地球静止轨道卫星覆盖的范围内所反射的信号以及立即再将这些信号发向地面接收站的能力；所述的地面接收站不仅能够接收所述的同步轨道卫星发来的信号，也能够直接接收所述的地球静止轨道卫星发来的信号，并具备能够按照双站合成孔径成像算法对所接受的信号进行处理以形成图像的能力。

上面所述的双站合成孔径成像方法的工作流程是：地球静止轨道卫星按照正常的工作情况向地面发射微波信号，组成双站合成孔径雷达的地球同步轨道卫星收集从静止卫星覆盖的范围内所反射的信号并立即再将这些信号发向地面接收站，地面接收站同时接收静止轨道卫星和同步轨道卫星发来的信号，并按照双站合成孔径成像算法进行处理便可形成同步卫星所观测地球表面的图像。

2.按照权利要求1所述的一颗地球静止轨道卫星，其特征在于这颗卫星是由中国发射的位于地球静止轨道上的北斗系统中的卫星、或者是用于音频、视频广播的卫星，并且这颗卫星能够向地面发射L波段、S波段或者C波段的微波信号。

3.按照权利要求1所述的一颗地球同步轨道卫星，其特征在于这颗卫星是由中国发射的、其地理经度上与所述的静止轨道卫星偏离一定的角度的位于地球同步轨道上的任一颗卫星，这颗卫星不仅在而且具备能够接收地面对所述的地球静止轨道卫星的微波散射信号，而且同时还具备立即再将这些信号发向地面接收站的能力，此外，还具有通过调节这颗同步卫星轨道的离心率和轨道平面的倾角，使得这颗可以在空中形成的圆或椭圆等形式航迹。

4.按照权利要求1所述的卫星信号地面接收站，其特征在于这个地面站是由中国建造的，并且这个地面站不仅能够接收所述的同步轨道卫星发来的微波信号，也能够直接接收所述的地球静止轨道卫星发来的微波信号，并且具备合成孔径成像算法对所接受的信号进行处理以形成图像的能力。

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