CN106842157B - 一种sar卫星模拟在轨载荷数据获取系统及获取方法 - Google Patents

Abstract

一种SAR卫星模拟在轨载荷数据获取系统及获取方法，根据SAR卫星成像参数，制作SAR回波数据，并存储在任务规划计算机中；导航信号模拟器与姿轨控地面设备同步输出在轨模拟飞行相关激励给SAR卫星，执行模拟在轨飞行；向SAR卫星发送成像规划指令，传递成像模式、雷达工作参数信息、成像时刻、成像时长、成像过程姿态信息与下传载荷数据时刻。到达预定SAR卫星成像时刻时，向SAR卫星发送回波信号；SAR卫星打包形成载荷数据；到达预定SAR卫星下传载荷数据时刻时，载荷数据接收设备接收SAR卫星发出的载荷数据信号，进行接收解调与复原，完成载荷数据接收。

Description

一种SAR卫星模拟在轨载荷数据获取系统及获取方法

技术领域

本发明涉及一种SAR卫星模拟在轨载荷数据获取系统及获取方法，属于航天器综合测试技术领域。

背景技术

SAR载荷数据是指SAR卫星成像过程中，对应每个有效PRI，形成的帧数据的总和。这些数据包括SAR信号数据与辅助数据。根据需要，SAR载荷数据可能在下传前经压缩等格式化处理。根据不同的成像模式，其数据的分割方法、数据率、数据格式均会有所差异，但遵循设计准则。辅助数据是随SAR信号数据同时下传的辅助SAR成像的重要数据，主要包括SAR载荷自身的参数如成像模式字与载荷系统状态等，同时也包括SAR卫星的其它重要数据如定位定轨数据，姿态数据等。以上辅助数据均为时变数据，带有时间戳，表征其在特定时刻的状态。

当前地面站成像系统在目标航天器没有发射前，往往难以找到有效的数据源对其正确性进行验证。需要通过卫星发射后在轨载荷数据进行验证，不利于卫星发射后在轨初期成像工作的开展。因为地面站成像系统需要SAR载荷数据具有成像数据与辅助数据同步的特点，而辅助数据的仿真工作复杂度高，相关条件多，难以与成像数据割裂开单独模拟制作。经过本专利所述方法生成的载荷数据早于卫星发射，对地面站成像系统进行应用前调试验证具有极大价值。

SAR卫星在轨模拟飞行简称模飞，是通过对SAR卫星进行一系列激励，包括模拟其在轨飞行的导航卫星信号环境、姿轨控激励信号、回波信号，建立SAR卫星在轨工作的仿真模拟环境。经过本专利所述方法在SAR卫星模拟飞行期间进行载荷成像，能够获得用于验证地面站成像系统的，与成像数据关联的辅助数据的SAR载荷数据。

专利《航天光学遥感相机模拟在轨飞行专用测试设备》(CN201110409041)中，提到一种用于光学遥感相机的模拟在轨飞行专用测试设备，该装置可模拟实时卫星姿态及轨道数据，但该装置不涉及SAR载荷，不涉及SAR回波模拟器的设计，没有任务规划计算机相关功能解决回波信号的计算存储与各子装置同步问题。论文《一种干涉SAR复图像数据的快速仿真方法》是基于软件仿真方法推导SAR数据的方法，其结果准确性受软件模型制约，不真实，无法用于验证地面站成像系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有方法手段的不足，提供了一种SAR卫星模拟在轨载荷数据获取系统及获取方法，通过本方法生成的载荷数据具有图像数据与辅助数据相关，与SAR卫星实际在轨载荷数据格式相同的特点。

本发明的技术方案是：一种SAR卫星模拟在轨载荷数据获取系统，包括SAR卫星、任务规划计算机、导航信号模拟器、姿轨控地面设备、测控地面设备、SAR回波模拟器和载荷数据接收设备；任务规划计算机根据成像规划计算并存储回波数据，调度各测试设备与模拟器协同工作；导航信号模拟器向SAR卫星输出导航卫星信号，模拟SAR卫星在轨实际预期接收到的导航卫星信号，传递SAR卫星运行轨道，辅助SAR卫星定位定轨；姿轨控地面设备输出一系列姿态敏感器激励信号辅助SAR卫星确定自身姿态，同时姿态敏感器激励信号还受来自SAR卫星的姿态执行机构反馈信号控制，形成闭环；测控地面设备用于向SAR卫星发送遥控指令并接收遥测参数；SAR回波模拟器按预定成像计划接收雷达信号与SAR卫星同步工作，并向SAR卫星发送回波信号；载荷数据接收设备接收SAR卫星发出的载荷数据信号，并进行接收解调与复原。

所述的SAR回波模拟器包括雷达信号接收单元和回波数据播放单元；雷达信号接收单元接收SAR卫星雷达信号并将其转换为同步信号，用于确定回波信号的发送时机；回波数据播放单元根据任务规划计算机存储的回波数据与雷达信号接收单元提供的发送时机，将回波数据调制为回波信号并周期性发送给SAR卫星。

一种SAR卫星模拟在轨载荷数据的获取方法，包括下列步骤：

1)根据SAR卫星成像参数，制作SAR回波数据，并存储在任务规划计算机中；

2)导航信号模拟器与姿轨控地面设备同步输出在轨模拟飞行相关激励给SAR卫星，执行模拟在轨飞行；

3)向SAR卫星发送成像规划指令，传递成像模式、雷达工作参数信息、成像时刻、成像时长、成像过程姿态信息与下传载荷数据时刻。

4)到达预定SAR卫星成像时刻时，向SAR卫星发送回波信号；SAR卫星连同成像模式信息、雷达工作参数信息、成像时刻、成像时长信息、成像过程定位定轨信息、姿态信息共同打包形成载荷数据；

5)到达预定SAR卫星下传载荷数据时刻时，载荷数据接收设备接收SAR卫星发出的载荷数据信号，进行接收解调与复原，完成载荷数据接收。

所述的SAR卫星成像参数包括成像模式、SAR卫星运行轨道、SAR卫星成像时刻与时长、SAR卫星成像过程姿态信息与所需模拟的图像内容。

所述步骤2)中执行模拟在轨飞行的具体过程为：

21)对导航信号模拟器、姿轨控地面设备与SAR卫星统一时钟；

22)将初始轨道信息通过测控地面设备发送给SAR卫星；

23)将初始轨道信息发送给导航信号模拟器；将初始轨道信息、初始姿态信息发送给姿轨控地面设备；

24)发布开始模拟在轨飞行的时刻，导航信号模拟器、姿轨控地面设备与SAR卫星同时在开始模拟在轨飞行。

所述步骤4)中形成载荷数据的具体过程为：

41)到达预定SAR卫星成像时刻时，SAR卫星开始按照规划的雷达工作参数信息向SAR回波模拟器发送雷达信号，并接收回波信号；

42)SAR回波模拟器中的雷达信号接收单元接收到雷达信号，转换为同步信号传递给回波数据播放单元；回波数据播放单元根据任务规划计算机提供的雷达工作参数信息，同步地向SAR卫星发送回波信号；

43)SAR卫星综合回波信号、成像模式信息、雷达工作参数信息、成像时刻、成像时长信息、成像过程定位定轨信息、姿态信息，按照一个雷达脉冲重复周期一帧的速率，形成载荷数据，并将其存储起来。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)提出了通过任务规划计算机分派调度管理信息的SAR卫星模拟在轨飞行系统架构。将任务规划计算机、SAR回波模拟器与其它传统地面设备进行融合，成为一套有效运行的系统用于支持模拟在轨载荷数据获取；

(2)利用对相关设备统一时钟，并通过时间调配任务的方法，实现对SAR卫星进行同步的导航卫星信号、姿轨敏感器激励信号、回波信号激励，建立SAR卫星在轨工作的仿真模拟环境，获得成像数据与辅助数据相关的SAR载荷数据；

(3)本发明涉及的回波模拟器成本低，易实现。现有回波模拟器均需要通过接收雷达信号与自身数据进行实时计算生成回波信号，所需软硬件规模大，占用计算资源多；本发明涉及的回波模拟器通过与任务规划计算机进行巧妙地配合，无需实时演算回波信号，对硬件要求低，节省了计算资源。

附图说明

图1是本发明系统组成示意图。

图2是本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明一种SAR卫星模拟在轨载荷数据的获取方法，搭建SAR卫星模拟在轨载荷数据获取系统。该系统由SAR卫星、任务规划计算机、导航信号模拟器、姿轨控地面设备、测控地面设备、SAR回波模拟器与载荷数据接收设备组成。如图1所示。

SAR卫星为一颗以SAR为载荷的实际遥感卫星产品，具有发送遥测参数，接收遥控指令功能；能够接收导航卫星信号进行定位定轨；具有在轨姿态轨道控制功能；可进行SAR成像，并综合回波信号、成像模式信息、雷达工作参数信息、成像时刻时长信息、成像过程定位定轨信息、姿态信息，按照一个雷达脉冲重复周期一帧的速率，打包形成载荷数据并进行存储；能够将存储的载荷数据通过射频通道发射下传。

任务规划计算机根据成像规划计算并存储回波数据，调度各测试设备与模拟器协同工作。任务规划计算机提供人机界面录入成像规划，包括选择成像模式、SAR卫星运行轨道、成像时刻与时长、成像过程姿态信息与所需模拟的图像内容。任务规划计算机将这些信息作为调度各设备协同工作的共用参数进行使用；任务规划计算机使用任务成像规划的信息计算并存储回波数据，回波模拟算法使用传统的一维频域法；任务规划计算机对外接口包括向测控地面设备发送成像规划指令、初始轨道指令与模飞开始指令，向导航信号模拟器发送初始轨道信息与模飞开始指令，向姿轨控地面设备发送初始轨道信息、初始姿态信息与模飞开始指令，向回波模拟器发送成像规划指令与回波数据，向载荷数据接收设备发送接收数据信号指令。

导航信号模拟器向SAR卫星输出导航卫星信号，模拟SAR卫星在轨实际预期接收到的导航卫星信号，传递SAR卫星运行轨道，辅助SAR卫星定位定轨。对外接口包括与SAR卫星的发送导航卫星信号接口，与任务规划计算机的接收初始轨道信息、模飞开始指令信息。

姿轨控地面设备输出一系列姿态敏感器激励信号辅助SAR卫星确定自身姿态，姿态敏感器激励信号还受来自SAR卫星的姿态执行机构反馈信号控制，形成闭环。与SAR卫星的接口包括发送姿态敏感器激励信号、接收姿态执行机构反馈信号，与任务规划计算机的接收初始轨道信息、初始姿态信息、模飞开始指令信息。

测控地面设备用于向SAR卫星发送遥控指令并接收遥测参数，其发送的遥控指令包括通过与任务规划计算机接口送来的成像规划指令、初始轨道指令和模飞开始指令。

SAR回波模拟器按预定成像计划接收雷达信号与SAR卫星同步工作，并向SAR卫星发送回波信号。SAR回波模拟器由两个模块组成，分别为雷达信号接收单元与回波数据播放单元。SAR回波模拟器外部接口包括接收SAR卫星雷达信号，向SAR卫星发送回波信号，接收任务规划计算机送来的回波数据与成像规划指令。内部接口包括雷达信号接收单元向回波数据播放单元发送同步信号。雷达信号接收单元的主要功能是接收SAR卫星雷达信号并将其转换为同步信号用于确定回波信号的发送时机；回波数据播放单元的主要功能是根据任务规划计算机存储的回波数据与雷达信号接收单元提供的发送时机，将回波数据调制为回波信号并周期性发送给SAR卫星。

载荷数据接收设备根据任务规划计算机发出的指令接收SAR卫星发出的载荷数据信号，并进行接收解调与复原，获得载荷数据。

该系统中，SAR卫星、导航信号模拟器、姿轨控地面设备与SAR回波模拟器通过NTP校时协议保持统一时钟。从而确保任务规划计算机向SAR卫星、导航信号模拟器、姿轨控地面设备与SAR回波模拟器下达带时间标记工作任务时可以同时同步执行。

本发明方法步骤如下：

1)根据成像模式、SAR卫星运行轨道、SAR卫星成像时刻与时长、SAR卫星成像过程姿态信息与所需模拟的图像内容，使用一维频域法，制作SAR回波数据，并存储在任务规划计算机中。需要进一步说明的有：成像模式包括聚束、条带与扫描三类。卫星运行轨道由轨道六根数表达。SAR卫星成像过程的姿态确定了SAR卫星雷达天线的指向，是SAR回波模拟的重要参数。所需模拟的图像内容是一张位图格式的灰度图片。

2)任务规划计算机驱动导航信号模拟器与姿轨控地面设备按照任务规划，输出激励给SAR卫星，执行模拟在轨飞行；具体步骤细分为以下4个步骤：

21)为确保导航信号模拟器、姿轨控地面设备同步对SAR卫星进行激励，事先利用NTP协议对导航信号模拟器、姿轨控地面设备与SAR卫星进行校时统一时钟。

22)任务规划计算机将模拟在轨飞行的初始轨道信息通过测控地面设备发送给SAR卫星；初始轨道信息为包含轨道六根数信息遥控指令，SAR卫星在开始模拟在轨飞行后，将依据该信息开展工作。

23)任务规划计算机将模拟在轨飞行的初始轨道信息发送给导航信号模拟器与姿轨控地面设备，将初始姿态信息发送给姿轨控地面设备；初始轨道信息为轨道六根数形式的信息，初始姿态信息以卫星的俯仰角度、滚动角度与偏航角度表示。

24)由任务规划计算机发布开始模拟在轨飞行的时刻给导航信号模拟器、姿轨控地面设备与SAR卫星，由于导航信号模拟器、姿轨控地面设备与SAR卫星已经统一时钟，所以可以保证它们在同一时刻在开始模拟在轨飞行；模拟飞行开始后，导航信号模拟器通过初始轨道信息生成、发送导航卫星信号；姿轨控地面设备通过初始轨道信息与初始姿态信息生成、发送姿态敏感器激励信号。SAR卫星锁定导航卫星信号，完成定位定轨，并且确定自身姿态，从而建立起SAR卫星正常在轨飞行工作状态；

3)任务规划计算机同时向SAR回波模拟器、载荷数据接收设备与SAR卫星发送成像规划指令，传递成像模式、雷达工作参数信息、成像时刻、时长、成像过程姿态信息与下传载荷数据时刻。向SAR卫星发送成像规划指令需通过测控地面设备的遥控指令通道。

4)到达预定SAR卫星成像时刻，任务规划计算机驱动SAR回波模拟器同步播放回波信号；SAR卫星接收回波信号，连同成像模式信息、雷达工作参数信息、成像时刻时长信息、成像过程定位定轨信息、姿态信息共同打包形成载荷数据；具体步骤细分为以下3个步骤：

41)到达预定SAR卫星成像时刻，SAR卫星开始按照步骤3)任务规划计算机发送的成像规划指令所描述的雷达工作参数信息向SAR回波模拟器发送雷达信号，并接收回波信号；持续时间由成像时长确定，成像时长也在成像规划指令中描述。

42)SAR回波模拟器中的雷达信号接收单元接收到雷达信号，将其转换为同步信号传递给回波数据播放单元；回波数据播放单元根据步骤3)任务规划计算机提供的雷达工作参数信息，同步地接收任务规划计算机送来的回波数据，将回波数据调制成回波信号后，发送至SAR卫星；

43)SAR卫星综合接收的回波信号、成像模式信息、雷达工作参数信息、成像时刻时长信息、成像过程定位定轨信息、姿态信息，按照一个雷达脉冲重复周期一帧的速率，形成载荷数据，并将其存储起来。

5)到达预定SAR卫星下传载荷数据时刻，SAR卫星将步骤43)存储的载荷数据通过无线射频信号形式下传，载荷数据接收设备根据任务规划计算机在步骤3)中发送的成像规划指令中的下传载荷数据时刻信息，接收SAR卫星发出的载荷数据信号，进行接收解调与复原，完成载荷数据接收。

Claims (6)

1.一种SAR卫星模拟在轨载荷数据获取系统，其特征在于：包括SAR卫星、任务规划计算机、导航信号模拟器、姿轨控地面设备、测控地面设备、SAR回波模拟器和载荷数据接收设备；任务规划计算机根据成像规划计算并存储回波数据，调度各测试设备与模拟器协同工作；导航信号模拟器向SAR卫星输出导航卫星信号，模拟SAR卫星在轨实际预期接收到的导航卫星信号，传递SAR卫星运行轨道，辅助SAR卫星定位定轨；姿轨控地面设备输出一系列姿态敏感器激励信号辅助SAR卫星确定自身姿态，同时姿态敏感器激励信号还受来自SAR卫星的姿态执行机构反馈信号控制，形成闭环；测控地面设备用于向SAR卫星发送遥控指令并接收遥测参数；SAR回波模拟器按预定成像计划接收雷达信号与SAR卫星同步工作，并向SAR卫星发送回波信号；载荷数据接收设备接收SAR卫星发出的载荷数据信号，并进行接收解调与复原。

2.根据权利要求1所述的一种SAR卫星模拟在轨载荷数据获取系统，其特征在于：所述的SAR回波模拟器包括雷达信号接收单元和回波数据播放单元；雷达信号接收单元接收SAR卫星雷达信号并将其转换为同步信号，用于确定回波信号的发送时机；回波数据播放单元根据任务规划计算机存储的回波数据与雷达信号接收单元提供的发送时机，将回波数据调制为回波信号并周期性发送给SAR卫星。

3.一种利用权利要求1所述系统进行SAR卫星模拟在轨载荷数据获取的方法，其特征在于包括下列步骤：

1)根据SAR卫星成像参数，制作SAR回波数据，并存储在任务规划计算机中；

2)导航信号模拟器与姿轨控地面设备同步输出在轨模拟飞行相关激励给SAR卫星，执行模拟在轨飞行；

3)向SAR卫星发送成像规划指令，传递成像模式、雷达工作参数信息、成像时刻、成像时长、成像过程姿态信息与下传载荷数据时刻；

4)到达预定SAR卫星成像时刻时，向SAR卫星发送回波信号；SAR卫星连同成像模式信息、雷达工作参数信息、成像时刻、成像时长信息、成像过程定位定轨信息、姿态信息共同打包形成载荷数据；

5)到达预定SAR卫星下传载荷数据时刻时，载荷数据接收设备接收SAR卫星发出的载荷数据信号，进行接收解调与复原，完成载荷数据接收。

4.根据权利要求3所述的一种SAR卫星模拟在轨载荷数据的获取方法，其特征在于：所述的SAR卫星成像参数包括成像模式、SAR卫星运行轨道、SAR卫星成像时刻与时长、SAR卫星成像过程姿态信息与所需模拟的图像内容。

5.根据权利要求3所述的一种SAR卫星模拟在轨载荷数据的获取方法，其特征在于：所述步骤2)中执行模拟在轨飞行的具体过程为：

21)对导航信号模拟器、姿轨控地面设备与SAR卫星统一时钟；

22)将初始轨道信息通过测控地面设备发送给SAR卫星；

23)将初始轨道信息发送给导航信号模拟器；将初始轨道信息、初始姿态信息发送给姿轨控地面设备；

24)发布开始模拟在轨飞行的时刻，导航信号模拟器、姿轨控地面设备与SAR卫星同时开始模拟在轨飞行。

6.根据权利要求3或4或5所述的一种SAR卫星模拟在轨载荷数据的获取方法，其特征在于：所述步骤4)中形成载荷数据的具体过程为：

41)到达预定SAR卫星成像时刻时，SAR卫星开始按照规划的雷达工作参数信息向SAR回波模拟器发送雷达信号，并接收回波信号；

42)SAR回波模拟器中的雷达信号接收单元接收到雷达信号，转换为同步信号传递给回波数据播放单元；回波数据播放单元根据任务规划计算机提供的雷达工作参数信息，同步地向SAR卫星发送回波信号；

43)SAR卫星综合回波信号、成像模式信息、雷达工作参数信息、成像时刻、成像时长信息、成像过程定位定轨信息、姿态信息，按照一个雷达脉冲重复周期一帧的速率，形成载荷数据，并将其存储起来。