CN103809178B - 一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法，首先根据待观测区域的经纬度，并结合轨道根数，判断卫星满足观测应用需求的轨道段，在选定的轨道段中，计算卫星到目标区域的距离；则天线波束中心指向目标区域时，目标在天线坐标系下的坐标为坐标A，目标在地心固定坐标系下的坐标为坐标B；然后将坐标A与坐标B转换到同一坐标系下，则坐标A与坐标B的表达式中含有实现波束指向的控制变量；接下来利用坐标A与坐标B在同一坐标系下相等解得所需的控制量。本发明选用的卫星俯仰与横滚相结合的实现方式具有不受限于天线扫描能力且姿态控制角小的特点，可以实现地球同步轨道合成孔径雷达卫星对地面固定目标区域的连续观测。

Description

一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达领域，涉及一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法。

背景技术

现有的SAR卫星，轨道通常在500km～800km，由于轨道高度的限制，可覆盖区域小、测绘带窄、重复观测周期长，在很大程度上限制了其应用。例如，目前国际上已有的最宽测绘带宽星载合成孔径雷达Radarsat-II，在100米分辨率条件下，其测绘带宽度为500km，典型的重复观测周期约为2天左右，对于瞬息万变的战场和突如其来的灾害来说，这样的观测能力难以满足需求。

为了克服这些弱点，人们提出了一些解决方案，目前最常见的一种设计思路是利用多颗轨道相近的卫星组网，即所谓的“星座”观测。例如，用于地中海地区环境监测的COSMO小卫星星座，是由4颗x波段小型SAR卫星分布在同一轨道内，成90°间隔，其最大重复观测周期为13小时，离实时观测的要求仍然相差很远。由于它仍然是基于低轨卫星，因此这种改进无法从根本上克服上面提到的那些缺陷。

以汶川地震后各卫星的响应时间为例：汶川大地震发生后1小时内，国家减灾委办公室就紧急启动了国内外卫星数据获取与共享机制。30小时后收到第一景由日本航天局提供的ALOSSAR图像，48小时后收到第二景意大利Cosmo-Skymed雷达图像，52小时后获得我国SAR卫星的观测图像，响应时间远远不能满足灾害应急的需求。表1是这三颗卫星/星座的重访周期和获取SAR图像时间对比。

表1SAR卫星重访能力与汶川地震响应时间对比

借鉴光学观测卫星的发展历程，产生了另外一种设计思路，将合成孔径雷达卫星的轨道升高，这样对于同样的波束偏转角，其可覆盖区域会大幅度增加。高轨道SAR中最具有代表性的是地球同步轨道SAR，其轨道高度为35786km左右，重访周期为一天。卫星公转周期等于地球自转周期，可以对一定经纬度范围内的区域实现周期为1天的连续观测。GEOSAR的瞬时覆盖能力和热点地区的连续监测能力非常卓越，为地质研究、地震预测和灾害响应等重要遥感应用提供了可行性方案。但到目前为止，国内外对GEOSAR的研究多集中在系统性能分析、成像处理等方面，对GEOSAR大覆盖、长时间连续观测方面的研究成果较少，而对固定区域实现连续观测的能力及连续观测实现方式的研究更少，未检索到相关文献。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法，解决了GEOSAR对目标区域进行连续观测时的波束控制问题。

本发明的技术方案是：一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法，步骤如下：

1）根据轨道根数、目标区域经纬度、合成孔径雷达参数以及观测任务所需入射角，获取卫星观测轨道段；

2）根据目标区域经纬度，获取目标在地固坐标系下的坐标，记为坐标A；根据坐标A获得卫星至目标区域的距离；根据卫星至目标区域的距离获得目标在天线坐标系下坐标，记为坐标B；

3）根据轨道根数与合成孔径雷达参数，将坐标A与坐标B变换至同一坐标系下；定义坐标A在新坐标系下表示为A’，坐标B在新坐标系下表示为B’；

4）根据波束指向的改变方式，求解方程A’=B’，得到观测任务所需控制变量。

步骤4）中当波束指向的改变通过天线扫描实现时，令卫星姿态角为0，求解方程A’=B’获得所需的控制变量，即天线指向角；当波束指向的改变通过卫星姿态调整实现时，令天线指向角为0，求解方程A’=B’获得所需的控制变量，即卫星姿态角；当需要天线扫描与卫星姿态调整相结合时，根据天线与卫星的实际机动能力，令天线与卫星无机动能力对应方向变量为0，求解方程即可得所需的控制变量；所述的天线扫描包括机械扫描与电扫描。

步骤3）中所述的同一坐标系采用星体坐标系。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1）在地球同步轨道合成孔径雷达对地观测方面，提出了利用地球同步轨道合成孔径雷达对特定区域进行长时间连续观测的实现方法，且可以根据天线扫描能力、卫星姿态机动能力选取不同的实现方式组合，即可只利用天线来实现，也可只通过卫星姿态机动实现，还可通过天线与卫星姿态相结合实现。

2）本专利提出的求解波束控制变量的方法简洁实用，易于进行多种波束控制方法的分析比较。首先将目标区域表示在不同坐标系下，然后将影响波束指向的所有变量均包含于坐标变换矩阵中，在求解方程时，令不需要的变量为0即可解得所需的控制变量。

3）利用本专利提出的方法，根据国土边境经纬度信息，可以得出地球同步轨道合成孔径雷达卫星实现国土任意一点零重访所需的天线扫描能力与卫星机动能力。

附图说明

图1为通过卫星姿态机动实现特定区域连续观测的流程图；

图2（a）为对哈尔滨观测时采用“偏航+横滚”与“俯仰+横滚”的姿态控制所需的姿态控制角示意图；

图2（b）为对成都观测时采用“偏航+横滚”与“俯仰+横滚”的姿态控制所需的姿态控制角；

图2（c）为对乌鲁木齐观测时采用“偏航+横滚”与“俯仰+横滚”的姿态控制所需的姿态控制角；

图2（d）为对莎车观测时采用“偏航+横滚”与“俯仰+横滚”的姿态控制所需的姿态控制角；

图3为某一地球同步轨道及国土目标区域示例。

具体实施方式

下面以利用卫星姿态机动实现成都区域的连续观测为例，结合附图对本发明做进一步说明。

图3中给出国土境内选择的四个城市：哈尔滨、成都、乌鲁木齐、莎车作为观测目标；具体步骤如下：

1）按照图1所示，首先进行满足观测需求的轨道段选择。以成都为例，其经纬度为(104.1°,30.7°)，设满足观测任务需求的入射角范围为15°～60°，分析得出卫星在全轨运行过程中对成都进行观测时的入射角范围为18°～54°，全轨均满足观测的要求，因此确定轨道段为全轨。

2）根据目标区域经纬度，获取目标在地固坐标系下的坐标，记为坐标A；根据坐标A获得卫星至目标区域的距离r；根据卫星至目标区域的距离获得目标在天线坐标系下坐标，记为坐标B。

3）本发明按照图1所示，将坐标A与坐标B变换至星体坐标系下。设坐标A转换后坐标为[Xa,Ya,Za]^T，坐标B转换后坐标为[Xb,Yb,Zb]^T，其中[Xa,Ya,Za]^T各变量已知，[Xb,Yb,Zb]^T中含有未知量。当波束指向的改变通过天线扫描实现时，令卫星姿态角为0，求解方程A’=B’获得所需的控制变量，即天线指向角；当波束指向的改变通过卫星姿态调整实现时，令天线指向角为0，求解方程A’=B’获得所需的控制变量，即卫星姿态角；当需要天线扫描与卫星姿态调整相结合时，根据天线与卫星的实际机动能力，令天线与卫星无机动能力对应方向变量为0，求解方程即可得所需的控制变量；所述的天线扫描包括机械扫描与电扫描；具体方法参见“魏钟铨《合成孔径雷达卫星》”。

本案例拟通过卫星姿态机动实现波束指向的控制，令天线指向角为0，未知量为卫星的姿态角参数，即横滚θ_r、俯仰θ_p、偏航θ_y。

4）令[Xa,Ya,Za]^T=[Xb,Yb,Zb]^T，得到包含卫星姿态角参数的方程为

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xa}\\ \mathrm{Ya}\\ \mathrm{Za}\end{array}\right]=r\left[\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\cos ({\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\θ}}_L)+\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin ({\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\θ}}_L)\\ \cos {\mathrm{\θ}}_p\cos ({\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\θ}}_L)\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_y\sin {\mathrm{\θ}}_p\cos ({\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\θ}}_L)+\cos {\mathrm{\θ}}_y\sin ({\mathrm{\θ}}_r+{\mathrm{\θ}}_L)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中θ_L为天线视角。

a.令θ_y=0，得到通过卫星俯仰向机动与横滚向机动实现时所需控制角为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_p=a\tan (\mathrm{Xa}/\mathrm{Ya})\\ {\mathrm{\θ}}_y=0\\ {\mathrm{\θ}}_r=a\sin (\mathrm{Za}/r)-{\mathrm{\θ}}_L\end{array}\right.---\left(2\right)$

b.令θ_p=0，得到通过卫星偏航机动与横滚向机动实现时所需控制角

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_p=0\\ {\mathrm{\θ}}_y=a\tan (\mathrm{Xa}/\mathrm{Za})\\ {\mathrm{\θ}}_r=a\cos (\mathrm{Ya}/r)-{\mathrm{\θ}}_L\end{array}\right.---\left(3\right)$

本发明按照图1所示步骤，在对成都区域实现连续观测时，采用“偏航+横滚”与“俯仰+横滚”的姿态控制时所需的姿态控制角如图2（b）所示；其中实线表示偏航角/俯仰角曲线，虚线表示横滚角曲线；图中可以看出采用“偏航+横滚”的姿态控制所需的偏航角范围为-18°～35°，所需横滚角范围为-1°～2.8°。

按照本发明图1所示步骤，在对哈尔滨(经纬度:126.6,45.7)、乌鲁木齐(经纬度:87.6,43.8)、莎车(经纬度:77.1,38.3)实现连续观测时，采用“偏航+横滚”与“俯仰+横滚”的姿态控制时所需的姿态控制角分别如图2（a）、图2（c）、图2（d）所示。

本发明参照图2，总结对4个目标区域（哈尔滨、成都、乌鲁木齐、莎车）实现连续观测所需姿态控制角，结果如表2所示。

表2

由于哈尔滨、乌鲁木齐、莎车位于国土东北边境与西部边境附近，可以根据表2得出采用卫星姿态机动实现国土内任意区域连续观测时所需姿态机动能力为：

采用“偏航+横滚”方式时，需要卫星偏航±50°，横滚±2.6°的机动能力。

采用“俯仰+横滚”方式时，需要卫星俯仰±5.2°，横滚±2.5°的机动能力。

在分析所需横滚向机动能力时需要注意：由于横滚角的大小与天线安装视度有关，因此横滚向机动能力只需满足总的横滚向范围即可，如横滚角范围-1.3°～3.9°时，总的角度机动范围为5.2°，只需要卫星横滚向具有±2.6°的机动能力即可。

本发明按照卫星具有俯仰±5.2°，横滚±2.5°的机动能力时，用STK仿真了此时卫星对国土的重访能力。分析发现，此时卫星对国土任意区域均可实现零重访，即卫星具有该机动能力时，地球同步轨道合成孔径雷达的波束在任意时刻可以覆盖到国土的任意区域。

以上所述采用卫星姿态机动实现特定区域的连续观测只是本发明具体实施方式的案例，并不用于限定本发明的保护范围。本发明的保护范围还包括地球同步轨道合成孔径雷达只采用天线扫描实现对特定区域连续观测的方法、采用天线扫描与卫星姿态机动的各种联合方式实现特定区域连续观测的方法。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法，其特征在于步骤如下：

1)根据轨道根数、目标区域经纬度、合成孔径雷达参数以及观测任务所需入射角，获取卫星观测轨道段；

2)根据目标区域经纬度，获取目标在地固坐标系下的坐标，记为坐标A；根据坐标A获得卫星至目标区域的距离；根据卫星至目标区域的距离获得目标在天线坐标系下坐标，记为坐标B；

3)根据轨道根数与合成孔径雷达参数，将坐标A与坐标B变换至同一坐标系下；定义坐标A在新坐标系下表示为A’，坐标B在新坐标系下表示为B’；

4)根据波束指向的改变方式，求解方程A’＝B’，得到观测任务所需控制变量，具体方法如下：当波束指向的改变通过天线扫描实现时，令卫星姿态角为0，求解方程A’＝B’获得所需的控制变量，即天线指向角；当波束指向的改变通过卫星姿态调整实现时，令天线指向角为0，求解方程A’＝B’获得所需的控制变量，即卫星姿态角；当需要天线扫描与卫星姿态调整相结合时，根据天线与卫星的实际机动能力，令天线与卫星无机动能力对应方向变量为0，求解方程即可得所需的控制变量；所述的天线扫描包括机械扫描与电扫描。

2.根据权利要求1所述的一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法，其特征在于：步骤3)中所述的同一坐标系采用星体坐标系。