CN102621994B - 一种地球同步轨道合成孔径雷达覆盖中国全境的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地球同步轨道合成孔径雷达GEO SAR覆盖中国全境的控制方法，属于合成孔径雷达技术领域。受限于现阶段相控阵天线的工程实现能力，GEO SAR仅能实现距离向一维相位扫描，无法覆盖中国全境。本发明要求SAR所在卫星平台具有至少±2°的俯仰机动能力，且SAR具备距离向一维相位扫描能力；在对中国境内各区域进行观测时，仅通过卫星平台俯仰角度的机动，并配合SAR距离向的相位扫描，实现对中国境内任意地点的观测，克服了一维相扫在GEO SAR对中国全境覆盖中的缺陷，且易于工程实现。

Description

一种地球同步轨道合成孔径雷达覆盖中国全境的控制方法

技术领域

本发明涉及一种地球同步轨道合成孔径雷达覆盖中国全境的控制方法，属于合成孔径雷达技术领域。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达，可搭载于飞机、卫星、飞艇等多种飞行平台上。在国土测量、农作物及植被分析、海洋及水文观测、环境及灾害监视、资源勘探、地形测绘和微变监视，以及军事侦察等领域内，SAR发挥了越来越重要的作用。

这些应用领域无一例外地对SAR的时间、空间覆盖性能提出了较高要求。比如，国土普查要求SAR的观测范围广、灾害监视要求SAR的响应时间短等。因此，SAR的覆盖特性是SAR性能指标的一个重要方面。

目前，世界各国已经成功发射的SAR卫星均处于400Km～1000Km的低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)，其覆盖面积小、重访周期长、实时性差，这些特点已经严重限制了LEO SAR的应用范围。例如，我国在汶川地震发生一天后，才获得了首张低分辨率(70m分辨率)的SAR图像，未能对救灾工作提供最及时的信息服务。

GEO SAR位于36000Km的地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)，随着轨道高度升高数十倍，其覆盖特性较LEO SAR显著增强，表现为覆盖面积大、重访时间短。

在理想情况下，GEO SAR的天线应具备距离向、方位向的二维±7.5°相位扫描能力，此时，卫星下方的全部区域都可以被覆盖，单颗GEO SAR即可覆盖中国全境，且重访时间在8-17小时。然而，根据现阶段相控阵天线的工程实现能力，方位向±7.5°相位扫描是无法实现的，仅能实现距离向一维相位扫描，此时，波束覆盖范围是垂直于卫星惯性系速度的一个条带，如图2所示。仿真表明，仅具备距离向一维相位扫描能力的GEO SAR无法覆盖中国全境，存在40％左右的盲区。一维相扫在覆盖特性上的缺陷可以通过对平台进行姿态机动来进行弥补，因此，必须提出一种在方位向相扫受限的情况下，依然能够保证GEO SAR覆盖中国全境的控制方法。

发明内容

本发明的目的是，为了克服一维相扫在GEO SAR对中国全境覆盖中的缺陷，提出一种地球同步轨道合成孔径雷达的控制方法，仅通过平台俯仰机动与波束距离向相位扫描相结合的控制方法实现对中国全境覆盖。

本发明方法是通过下述技术方案实现的。

一种地球同步轨道合成孔径雷达的控制方法，该方法包括：

合成孔径雷达SAR运行于地球同步轨道GEO上，SAR所在卫星平台具有至少±2°的俯仰机动能力，且SAR具备距离向一维相位扫描能力；

在对中国境内各区域进行观测时，仅通过卫星平台俯仰角度的调节，并配合SAR距离向的相位扫描，实现对中国境内任意地点的观测。

其中，所述卫星平台俯仰角度的调节具体为：

S01：计算在GEO的一个轨道重复周期内，SAR对待观测目标区域的可见时间；

S02：根据GEO SAR的轨道根数和目标区域的经纬度，计算在所述可见时间内的每个时间点上SAR到目标的斜距矢量，根据该斜距矢量获得SAR能够观测到目标区域时卫星平台所需机动的俯仰角以及卫星平台在当前俯仰角情况下的下视角；绘制可见时间内俯仰角随时间变化的曲线即俯仰角曲线C1和下视角随时间变化的曲线即下视角曲线C2；

S03：从步骤S02得到的下视角曲线C2中抽取满足下视角大于1.5°且小于7.5°这一条件的时间段，这些时间段就是利于对目标区域进行成像的时间段；再从俯仰角曲线C1中获取这些时间段对应的俯仰角，即为在利于对目标区域进行成像的时间段内需要俯仰机动的角度；

S04：综合考虑卫星任务、卫星平台俯仰限幅和所需观测目标区域的时间，根据步骤S03获得的结果，确定目标区域的观测时间及对应的卫星平台俯仰角和下视角；

S05：根据步骤S04确定的卫星平台俯仰角度对卫星平台进行控制，根据步骤S04确定的下视角控制SAR距离向的相位扫描角度。

有益效果：

对比已有技术，本发明方法通过平台俯仰机动，改善了仅具备一维相扫能力GEO SAR对我国的覆盖特性，实现了对中国全境的覆盖。经仿真，俯仰机动的角度不需要很大，当平台俯仰角大于±2°时，全部国土都可以被覆盖；当平台俯仰角大于±3°时，我国全部国土能够被覆盖，而且有92％国土的最大重访时间将缩短到12-20小时；可见，本发明通过小角度的机动就可以实现全境覆盖，机动角度小可以提高机动反应速度，而且可以减少机动所需的能源，易于工程实现。

附图说明

图1为GEO SAR星下点轨迹示意图。

图2为仅具备一维相扫能力且平台无机动时GEO SAR波束覆盖范围示意图；其中，a为2D示意图，b为3D示意图。

图3为仅具备一维相扫能力且平台可偏航时GEO SAR波束覆盖范围示意图；其中，a为2D示意图，b为3D示意图。

图4为仅具备一维相扫能力且平台可俯仰时GEO SAR波束覆盖范围示意图；其中，a为2D示意图，b为3D示意图。

图5为GEO SAR斜距矢量、俯仰角、下视角的定义示意图。

图6为GEO SAR与“北京”的斜距矢量所对应的俯仰角和下视角；其中，a为下视角计算结果图，b为俯仰角计算结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步的详细说明。

本实施例中，SAR所在卫星运行在小偏心率的地球同步轨道(GEO)上，其星下点轨迹位于我国中部，平均轨道参数如下：半长轴42164.2Km；轨道倾角53°；偏心率0.07；近地点俯角270°；交叉点经度105°。如图1所示。

采用本发明所述的一种地球同步轨道合成孔径雷达覆盖中国全境的控制方法完成该卫星对中国的全境覆盖。其中，波束覆盖区域的仿真、几何参数和重访时间的计算借助于STK(Satellite Tool Kit，一款由美国Analytical Graphics公司开发的宇航仿真软件)进行。

首先，进行覆盖能力的论证验证

对各种情况下，GEO SAR对我国的覆盖特性进行论证，具体步骤为：

步骤一，根据轨道根数在STK中设置GEO SAR轨道。

步骤二，设置观测区域为中国全境。

步骤三，根据SAR所在卫星平台的机动条件，设置波束覆盖范围。

步骤四，根据设定的波束覆盖范围，计算GEO SAR对我国的最大重访时间。

当GEO SAR仅具备距离向一维相位扫描能力时，在平台具备不同机动能力的情况下，波束覆盖范围、最大重访时间计算结果如下。

1、平台无机动

此时，波束覆盖范围是垂直于卫星惯性系速度的一个条带。考虑到利于成像的入射角范围是10°至60°，其对应的下视角约为1.5°至7.5°，波束覆盖范围被限定为卫星左右两个条带，分别对应着左视和右视。GEO SAR方位向波束宽度可以表示为：

${\mathrm{\θ}}_A=0.886\frac{\mathrm{\λ}}{D}$

其中，θ_A为方位向波束宽度；λ为波长；D为天线直径。

当采用L波段(0.24m波长)，24m直径圆形可展开天线时，方位向半波束宽度约为0.2538°。则，仅具备距离向一维相扫能力时，GEO SAR的波束覆盖范围就是垂直于卫星惯性系速度，方位向半波束宽度为0.2538°的左右两个条带，如图2所示。

经仿真，当GEO SAR仅具备一维相扫能力且平台无机动时，有45.7％的国土无法被覆盖。

2、平台可偏航

此时，随着平台的偏航，波束覆盖范围被展宽为垂直于卫星惯性系速度的左右两个扇形区域，分别对应着左视和右视。扇形的圆心角等于平台的偏航角，如图3所示。

当平台分别具备±30°、±45°、±60°偏航控制能力时，有14.7％、6.3％的国土无法覆盖，对可以被覆盖区域的重访时间也基本在16小时以上。如果平台能够具备±60°偏航控制能力，全部国土都可以被GEO SAR覆盖。但是±60°偏航控制会消耗较大能量，而且控制较为复杂。因此不是理想的控制方式。

3、平台可俯仰

当GEO SAR平台具备俯仰能力时，波束沿惯性速度方向的覆盖范围将被展宽，变为垂直于卫星惯性系速度V_si的一个宽条带，展宽的下视角近似等于平台俯仰角，如图4所示。

经仿真，当平台可以进行±1°的俯仰时，无法覆盖的国土面积由45.7％缩小为16.6％；当平台可以进行±2°的俯仰时，全部国土都可以被覆盖；如果平台俯仰角进一步增加到±3°，有92％国土的最大重访时间将缩短到12-20小时。可见，随着平台俯仰范围的逐渐增加，GEO SAR的覆盖特性得到逐步改善；如果需要覆盖全部国土，平台俯仰角应大于±2°。

可见，对于运行于地球同步轨道GEO上的SAR，只要SAR所在卫星平台具有至少±2°的俯仰机动能力，且SAR自身具备距离向一维相位扫描能力，不需要具备方位向相扫能力，在对中国境内各区域进行观测时，仅通过卫星平台的小角度的俯仰机动，并配合SAR距离向的相位扫描，就可实现对中国境内任意地点的观测，从而实现了仅具备一维相扫能力的GEO SAR对中国全境的覆盖。

当需要对中国境内某个地点进行观测时，具体控制过程如下：

这里，以北京地区作为目标区域为例

步骤S01，计算在地球同步轨道的一个轨道重复周期内(1天)，SAR对北京地区的可见时间，计算结果为：2:03:34-21:25:52。该可见时间可以利用STK软件进行计算，在STK中设定卫星轨道和目标位置，STK自动生成目标位置的可见时间；可见时间是指卫星在目标地平线以上的时间。

步骤S02，根据地球同步轨道的轨道根数和目标经纬度，计算在步骤S01计算的可见时间内每个时间点上SAR到目标的斜距矢量(如图5所示)，根据该斜距矢量获得SAR能够观测到目标区域时卫星平台所需机动的俯仰角以及卫星平台在当前俯仰角情况下的下视角。其中，斜距矢量是指在地固坐标系中，SAR指向目标的矢量，下视角是指斜距矢量与卫星平台本体z轴之间的夹角；卫星平台在不机动时，其z轴指向星下点。

其中，俯仰角和下视角的计算方法为：

在地固坐标系中，根据卫星轨道计算卫星位置坐标和星下点位置坐标，并将目标区域经纬度转换为地固坐标系坐标；根据这三点的坐标可以计算得到卫星斜距矢量，从而获得卫星高度和斜距长度；而后，计算目标和星下点连线在地距向、方位向的投影长度；方位向投影长度比卫星高度即为俯仰角的正切值，地距向投影长度比斜距长度即为下视角的正弦值。

通过本步骤的计算，获得可见时间内一系列的俯仰角和下视角后，可以绘制可见时间内俯仰角随时间变化的曲线即俯仰角曲线C1(如图6a)和下视角随时间变化的曲线即下视角曲线C2(如图6b)。

步骤S03，当下视角小于1.5°或大于7.5°时，不利于成像，因此本步骤从步骤S02得到的下视角曲线C2中抽取满足下视角大于1.5°、小于7.5°这一条件的时间段，这些时间段就是利于对目标区域进行成像的时间段，图6中实线线条所对应的时间段均满足这一条件。再从下视角曲线C2中获取这些时间段对应的俯仰角，即为在利于对目标区域进行成像的时间段内需要俯仰机动的角度；

通过图6可以看出，当俯仰角为0°时(即平台无机动)，如图6中A点所示，下视角为0.498°，不满足下视角的约定范围，也就是GEO SAR无法覆盖北京地区；只要平台俯仰角大于0.68°，就可以使GEO SAR以某一特定下视角覆盖到北京地区。在实际中，可以根据平台的俯仰能力，或者SAR卫星当前执行的任务，进行俯仰角度的选定。

S04：综合考虑卫星任务、卫星平台俯仰限幅和所需观测目标区域的时间，根据步骤S03获得的结果，确定目标区域的观测时间及对应的卫星平台俯仰角和下视角。

例如，根据卫星平台的俯仰限幅，设定其以1.5°俯仰机动，则根据各时刻的俯仰角，获取1.5°对应的时间，如图6中B点、C点所示，在一天之中，GEO SAR可以以1.5°的俯仰角两次覆盖北京地区，覆盖时刻分别为11:35、16:30，对应的下视角分别为2.11°、2.68°。

S05：根据步骤S04确定的卫星平台俯仰角度对卫星平台进行控制，根据步骤S04确定的下视角控制SAR距离向的相位扫描角度。从而实现了仅通过卫星平台俯仰角度的机动，并配合SAR距离向的相位扫描，实现对中国境内任意地点的观测。

本实施例的仿真结果显示，通过平台俯仰机动，可以改善仅具备一维相扫能力GEO SAR对我国的覆盖特性，实现对中国全境的覆盖。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种地球同步轨道合成孔径雷达的控制方法，其特征在于，包括：

合成孔径雷达SAR运行于地球同步轨道GEO上，SAR所在卫星平台具有至少±2°的俯仰机动能力，且SAR具备距离向一维相位扫描能力；

在对中国境内各区域进行观测时，仅通过卫星平台俯仰角度的机动，并配合SAR距离向的相位扫描，实现对中国境内任意地点的观测；

进一步的，所述通过卫星平台俯仰角度的机动，并配合SAR距离向的相位扫描，实现对中国境内任意地点的观测，具体为：

S01：计算在GEO的一个轨道重复周期内，SAR对待观测目标区域的可见时间；

S02：根据GEO SAR的轨道根数和目标区域的经纬度，计算在所述可见时间内的每个时间点上SAR到目标的斜距矢量，根据该斜距矢量获得SAR能够观测到目标区域时卫星平台所需机动的俯仰角以及卫星平台在当前俯仰角情况下的下视角；绘制可见时间内俯仰角随时间变化的曲线即俯仰角曲线C1和下视角随时间变化的曲线即下视角曲线C2；

S03：从步骤S02得到的下视角曲线C2中抽取满足下视角大于1.5°且小于7.5°这一条件的时间段，这些时间段就是利于对目标区域进行成像的时间段；再从俯仰角曲线C1中获取这些时间段对应的俯仰角，即为在利于对目标区域进行成像的时间段内需要俯仰机动的角度；

S04：综合考虑卫星任务、卫星平台俯仰限幅和所需观测目标区域的时间，根据步骤S03获得的结果，确定目标区域的观测时间及对应的卫星平台俯仰角和下视角；

S05：根据步骤S04确定的卫星平台俯仰角度对卫星平台进行控制，根据步骤S04确定的下视角控制SAR距离向的相位扫描角度。

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