CN107132537B - 一种基于机电联合扫描的sar卫星在轨性能提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法，包括：将成像场景中心位置回波多普勒频率为零时刻设置为成像中心时刻；设计方位向不同时刻的地面瞄准点；根据卫星到场景的斜距范围，计算瞬时回波时间范围；选择合适的脉冲重复频率；根据卫星天线电扫描能力，确定天线扫描范围；根据电扫描范围和波束扫描步进值，计算驻留脉冲数；按匀速扫描的规律，计算全部时间点天线电扫描角；根据瞬时星历数据、地面瞄准点和瞬时时刻天线电扫描角，利用矢量法计算瞬时成像所需姿态角；判断卫星控制系统是否能实现上述姿态需求；完成参数设计。可见，本发明采用机电联合扫描的方式，实现了在轨相控阵体制SAR卫星图像性能的全面提升。

Description

一种基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法

技术领域

本发明属于卫星在轨性能提升技术领域，尤其涉及一种基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法。

背景技术

现有在轨SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)卫星多数采用相控阵体制，具有正侧视、小扫描范围的特点，比如TerraSAR-X卫星的滑动聚束模式方位向扫描范围在±0.75°范围内。SAR卫星的这一特点限制其性能的进一步提升，制约了在轨SAR卫星应用范围的进一步扩展。因此需要研究如何充分发挥在轨相控阵体制SAR卫星能力，提升卫星系统性能，获得质量更高的星载SAR图像。

2007年德国发射的TerraSAR-X卫星在寿命末期进行了性能扩展试验，利用凝视聚束模式实现了方位向分辨率提升，达到了0.2m。德宇航Josef Mittermayer等在《IEEETRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING》杂志上发表了《The TerraSAR-XStaring Spotlight Mode Concept》一文，介绍了TerraSAR-X卫星性能扩展方法，该卫星通过增加相控阵天线电扫描范围，并采用凝视聚束方式实现方位向分辨率提升。但电扫描范围增加导致天线方向图质量下降，栅瓣增加，最终导致图像模糊性能和信噪比下降。同时采用凝视聚束导致方位向成像范围降低。因此需要找到一种不导致方向图畸变，不会引起图像辐射质量下降的性能提升方法。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法，充分利用SAR卫星的姿态机动能力，采用机电联合扫描的方式，实现了在轨相控阵体制SAR卫星图像性能的全面提升。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法，包括：

确定期望目标方位分辨率ρ_a和期望成像场景长度W_a，以及卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e和波束扫描步进值d_θ；

根据卫星轨道参数，结合卫星仿真工具包STK，确定所有成像时刻的卫星参数；其中，所述卫星参数包括：卫星位置、卫星速度和卫星加速度；

根据所述所有成像时刻的卫星参数，确定成像中心时刻；

计算成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}、成像中心时刻多普勒调频率f_a、方位向合成孔径时间T_s、波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all；

根据计算得到的波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all，以及成像场景中心，按等波束地面足印移动速度规律，确定方位向所有成像时刻地面瞄准点；

根据所述所有成像时刻的卫星参数，结合已知的雷达天线波束宽度，选择满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*；

根据计算得到的方位向总成像时间T_all、选择的满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*、以及确定的卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e和波束扫描步进值d_θ，计算得到驻留脉冲数N_p；

根据确定的波束扫描步进值d_θ和计算得到的驻留脉冲数N_p，按匀速扫描规律，计算得到所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}；

根据所述所有成像时刻的卫星参数、确定的方位向所有成像时刻地面瞄准点和计算得到的所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}，利用矢量法计算得到所有成像时刻成像所需姿态角；

根据计算得到所有成像时刻成像所需姿态角，结合卫星姿态机动能力，判断卫星控制系统能否实现成像所需的姿态机动，得到判断结果；

根据所述判断结果，修正所述期望目标方位分辨率和期望成像场景长度；或，根据所述判断结果，生成指令包。

在上述基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法中，所述根据所述所有成像时刻的卫星参数，确定成像中心时刻，包括：

根据所述所有成像时刻的卫星参数，采用如下公式(1)，依次计算得到各个成像时刻各自对应的成像场景中心目标回波多普勒频率：

其中，f_dc表示任一成像时刻的成像场景中心目标回波多普勒频率； 和R_st分别表示在所述任一成像时刻、地心惯性坐标系下的卫星位置矢量、瞄准点的位置矢量、卫星速度矢量、瞄准点的速度矢量和卫星与瞄准点之间的距离；λ表示载波波长；

从计算得到的各个成像时刻各自对应的成像场景中心目标回波多普勒频率中，查找得到成像场景中心目标回波多普勒频率为零的成像时刻；

将查找到的成像场景中心目标回波多普勒频率为零的成像时刻确定为所述成像中心时刻。

在上述基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法中，通过如下步骤计算得到成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}：

根据成像中心时刻卫星的位置坐标和成像场景中心的位置坐标，采用距离计算公式，计算得到成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}。

在上述基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法中，通过如下步骤计算得到成像中心时刻多普勒调频率f_a和方位向合成孔径时间T_s：

根据所述所有成像时刻的卫星参数和成像场景中心，采用如下公式(2)计算得到成像中心时刻的多普勒调频率f_a：

其中，和分别表示在所述成像中心时刻、地心惯性坐标系下的卫星速度矢量、瞄准点的速度矢量、卫星加速度矢量、瞄准点的加速度矢量、卫星位置矢量、瞄准点的位置矢量和卫星与瞄准点之间的距离；

根据计算得到的成像中心时刻的多普勒调频率f_a和确定的期望目标方位分辨率ρ_a，采用如下公式(3)，计算得到方位向合成孔径时间T_s：

其中，V_g表示零多普勒线扫过地面的速度，k_wa表示多普勒信号处理加权扩展因子。

在上述基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法中，通过如下步骤计算得到波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all：

根据计算得到的方位向合成孔径时间T_s和成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}，采用如下公式(4)，计算得到波束足印地面滑动速度

其中，θ_a表示天线方位向波束宽度，表示成像中心时刻零多普勒线扫过地面的速度矢量；

根据计算得到的波束足印地面滑动速度和确定的期望成像场景长度W_a，采用如下公式(5)，计算得到方位向总成像时间T_all：

其中，V_f表示的模。

在上述基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法中，所述根据计算得到的波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all，以及成像场景中心，按等波束地面足印移动速度规律，确定方位向所有成像时刻地面瞄准点，包括：

根据计算得到的波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all，以及成像场景中心，采用如下公式(6)，计算得到方位向所有成像时刻地面瞄准点：

其中，(x_t,y_t,z_t)_{_n}表示成像时刻T_{_n}地面瞄准点的坐标，T_{_c}表示成像中心时刻，(x_c,y_c,z_c)表示成像场景中心的位置坐标。

在上述基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法中，所述根据所述所有成像时刻的卫星参数，结合已知的雷达天线波束宽度，选择满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*，包括：

根据已知的雷达天线波束宽度，设置虚拟传感器天线参数；

将所述所有成像时刻的卫星参数作为卫星仿真工具包STK的输入值，基于设置的虚拟传感器天线参数，得到所述卫星仿真工具包STK的输出值；其中，所述输出值包括：虚拟传感器天线波束地面覆盖范围和波束地面覆盖范围内目标点到卫星的斜距范围；

根据所述所有成像时刻的卫星参数，确定瞬时时刻的卫星位置、卫星速度和卫星加速度；

根据确定的瞬时时刻的卫星位置、卫星速度和卫星加速度，以及所述虚拟传感器天线波束地面覆盖范围的成像点坐标，确定瞬时回波多普勒带宽B_as；

根据计算得到的瞬时回波多普勒带宽B_as，结合给定的需求方位向过采样率K_a，根据如下公式(7)，确定脉冲重复频率的选择下限PRF_min：

PRF_min＝K_aB_as···公式(7)

根据系统能力，确定脉冲重复频率的选择上限PRF_max；

在脉冲重复频率的选择下限PRF_min和选择上限PRF_max变化范围内，根据给定的脉冲宽度T_p和保护时间宽度T_rp，采用如下公式(8)，逐点计算得到发射脉冲干扰时间T_inter：

N*PRI-T_rp≤T_inter≤N*PRI+T_p+T_rp···公式(8)

其中，N表示发射接收脉冲延迟数，PRI表示脉冲重复周期；

在脉冲重复频率的选择下限PRF_min和选择上限PRF_max变化范围内，根据给定的脉冲宽度T_p、保护时间宽度T_rp和瞬时星下点高度H_s，采用如下公式(9)，逐点计算得到星下点回波干扰时间T_nadir：

其中，c表示光速；

根据波束地面覆盖范围内目标点到卫星的斜距范围，确定瞬时回波时间范围；

根据所述瞬时回波时间范围、T_inter和T_nadir，确定避开发射脉冲干扰和星下点回波干扰的设定时间范围；其中，所述设定时间范围包括：所述瞬时回波时间范围内除所述T_inter和T_nadir之外的时间；

在所述设定时间范围内，从所述选择下限PRF_min和选择上限PRF_max所确定的脉冲重复频率范围内，按照设定规则，选择得到所述PRF^*。

在上述基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法中，所述根据计算得到的方位向总成像时间T_all、选择的满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*、以及确定的卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e和波束扫描步进值d_θ，计算得到驻留脉冲数N_p，包括：

根据计算得到的方位向总成像时间T_all、选择的满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*、确定的卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e和波束扫描步进值d_θ，采用如下公式(10)，计算得到驻留脉冲数N_p：

在上述基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法中，所述根据确定的波束扫描步进值d_θ和计算得到的驻留脉冲数N_p，按匀速扫描规律，计算得到所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}，包括：

根据确定的波束扫描步进值d_θ和计算得到的驻留脉冲数N_p，采用如下公式(11)，计算得到所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}：

在上述基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法中，所述根据所述判断结果，修正所述期望目标方位分辨率和期望成像场景长度；或，根据所述判断结果，生成指令包，包括：

若所述判断结果为卫星控制系统不能实现成像所需的姿态机动，则对所述期望目标方位分辨率和期望成像场景长度进行修正；

若所述判断结果为卫星控制系统能实现成像所需的姿态机动，则根据计算得到的PRF^*、N_p、θ_{e_n}和所有成像时刻成像所需姿态角生成指令包。

本发明具有以下优点：

本发明所述的基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法，将成像场景中心位置回波多普勒频率为零时刻设置为成像中心时刻，保证成像过程中回波多普勒中心频率绝对值最小；根据匀波束足印地面滑动速度的准则，设计方位向不同时刻的地面瞄准点；根据卫星到场景的斜距范围，计算瞬时回波时间范围,回避发射脉冲干扰和星下点干扰，选择合适的脉冲重复频率，根据卫星天线电扫描能力，确定天线扫描范围；根据电扫描范围和波束扫描步进值，计算驻留脉冲数；按匀速扫描的规律，计算全部时间点天线电扫描角；根据瞬时星历数据、地面瞄准点和瞬时时刻天线电扫描角，利用矢量法计算瞬时成像所需姿态角；判断卫星控制系统是否能实现上述姿态需求；完成控制和SAR载荷参数设计，开机成像，实现性能提升。可见，本发明充分利用SAR卫星的姿态机动能力，采用机电联合扫描的方式，实现了在轨相控阵体制SAR卫星图像性能的全面提升。其次，本发明采用姿态机动补充电扫描能力的不足，在波束扫描过程中，不会引入天线方向图进一步恶化，避免了成像能力提升导致辐射性能指标下降的问题。再次，本发明在计算姿态需求前，先根据方位向匀速电扫描的策略，得到了不同时间点对应的电扫描角，并以该角度为输入，计算得到需求姿态角，结果充分考虑了与电扫描的配合，满足机电扫描同步需求。最后，本发明在得到需求姿态角后，对卫星控制系统是否能实现此姿态机动进行了评估，有效保证了方案的可实现性和整星的安全。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中一种以卫星轨道系为参考系123转序下的需求欧拉角的示意图；

图3是本发明实施例中一种卫星方位向电扫描角的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，示出了本发明实施例中一种基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法的步骤流程图。在本实施例中，所述基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法，包括：

步骤101，确定期望目标方位分辨率ρ_a和期望成像场景长度W_a，以及卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e和波束扫描步进值d_θ。

在本实施例中，可以根据应用需求和卫星能力，结合实际情况给定期望目标方位分辨率ρ_a和期望成像场景长度W_a的值，也即，初步确定性能提升后的目标方位分辨率和成像场景长度。

此外，还可以根据卫星天线电扫描能力，在不造成方向图畸变的情况下，确定卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e；以及，根据系统能力选择波束扫描步进值d_θ。

步骤102，根据卫星轨道参数，结合卫星仿真工具包STK，确定所有成像时刻的卫星参数。

在本实施例中，卫星参数包括但不仅限于：卫星位置、卫星速度和卫星加速度。优选的，可以根据成像任务需求和SAR卫星的卫星轨道参数，在卫星仿真工具包(SatelliteTool Kit:STK)软件中，确定所有成像时刻的卫星参数。此外，还可以根据成像任务需求，确定成像场景中心的位置(坐标)。

步骤103，根据所述所有成像时刻的卫星参数，确定成像中心时刻。

在本实施例中，成像中心时刻的确定步骤流程可以如下：

首先，针对所有成像时刻，可以根据各个成像时刻各自对应的卫星参数，利用如下公式(1)，分别计算得到各个成像时刻各自对应的成像场景中心目标回波多普勒频率：

其中，f_dc表示任一成像时刻的成像场景中心目标回波多普勒频率； 和R_st分别表示在所述任一成像时刻、地心惯性坐标系下的卫星位置矢量、瞄准点的位置矢量、卫星速度矢量、瞄准点的速度矢量和卫星与瞄准点之间的距离；λ表示载波波长。

然后，从计算得到的各个成像时刻各自对应的成像场景中心目标回波多普勒频率中，查找得到成像场景中心目标回波多普勒频率为零的成像时刻；将查找到的成像场景中心目标回波多普勒频率为零的成像时刻确定为所述成像中心时刻。

在本实施例中，将成像场景中心目标回波多普勒频率为零的成像时刻确定为所述成像中心时刻，保证了成像过程中回波多普勒中心频率绝对值最小。

步骤104，计算成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}、成像中心时刻多普勒调频率f_a、方位向合成孔径时间T_s、波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all。

在本实施例中，成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}、成像中心时刻多普勒调频率f_a、方位向合成孔径时间T_s、波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all的具有计算流程可以如下：

一、成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}

在本实施例中，在成像中心时刻确定之后，可以从步骤102所确定的所有成像时刻的卫星参数中查找到成像中心时刻卫星的位置，进而据成像中心时刻卫星的位置坐标和成像场景中心的位置坐标，采用两点之间的距离计算公式，计算得到成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}。

二、成像中心时刻的多普勒调频率f_a

在本实施例中，可以从步骤102所确定的所有成像时刻的卫星参数中查找到成像中心时刻的卫星参数，进而基于如下公式(2)计算得到成像中心时刻的多普勒调频率f_a：

其中，和分别表示在所述成像中心时刻、地心惯性坐标系下的卫星速度矢量、瞄准点的速度矢量、卫星加速度矢量、瞄准点的加速度矢量、卫星位置矢量、瞄准点的位置矢量和卫星与瞄准点之间的距离。

三、方位向合成孔径时间T_s

在本实施例中，可以根据计算得到的成像中心时刻的多普勒调频率f_a和确定的期望目标方位分辨率ρ_a，采用如下公式(3)，计算得到方位向合成孔径时间T_s：

其中，V_g表示零多普勒线扫过地面的速度，k_wa表示多普勒信号处理加权扩展因子。

四、波束足印地面滑动速度

在本实施例中，可以根据计算得到的方位向合成孔径时间T_s和成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}，采用如下公式(4)，计算得到波束足印地面滑动速度

其中，θ_a表示天线方位向波束宽度，表示成像中心时刻零多普勒线扫过地面的速度矢量。

五、方位向总成像时间T_all

在本实施例中，可以根据计算得到的波束足印地面滑动速度和确定的期望成像场景长度W_a，采用如下公式(5)，计算得到方位向总成像时间T_all：

其中，V_f表示的模。

步骤105，根据计算得到的波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all，以及成像场景中心，按等波束地面足印移动速度规律，确定方位向所有成像时刻地面瞄准点。

在本实施例中，可以根据计算得到的波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all，以及成像场景中心，采用如下公式(6)，计算得到方位向所有成像时刻地面瞄准点：

其中，(x_t,y_t,z_t)_{_n}表示成像时刻T_{_n}地面瞄准点的坐标，T_{_c}表示成像中心时刻，(x_c,y_c,z_c)表示成像场景中心的位置坐标。

步骤106，根据所述所有成像时刻的卫星参数，结合已知的雷达天线波束宽度，选择满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*。

在本实施例中，满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*的确定流程可以如下：

A、可以在卫星仿真工具包STK中输入所述步骤102所确定的所有成像时刻的卫星参数，同时，根据已知的雷达天线波束宽度设置虚拟传感器天线参数；基于设置的虚拟传感器天线参数和输入的所有成像时刻的卫星参数，卫星仿真工具包STK可以输出虚拟传感器天线波束地面覆盖范围和波束地面覆盖范围内目标点到卫星的斜距范围。进一步的，从所述述步骤102所确定的所有成像时刻的卫星参数中筛选得到瞬时时刻的卫星位置、卫星速度和卫星加速度。

B、根据确定的瞬时时刻的卫星位置、卫星速度和卫星加速度，以及所述虚拟传感器天线波束地面覆盖范围的成像点坐标，确定瞬时回波多普勒带宽B_as。其中，需要说明的是，瞬时回波多普勒带宽B_as的计算方式可以参照上述(1)。

C、根据计算得到的瞬时回波多普勒带宽B_as，结合给定的需求方位向过采样率K_a，根据如下公式(7)，确定脉冲重复频率的选择下限PRF_min：

PRF_min＝K_aB_as···公式(7)

D、根据系统能力，确定脉冲重复频率的选择上限PRF_max。

E、在脉冲重复频率的选择下限PRF_min和选择上限PRF_max变化范围内，根据给定的脉冲宽度T_p和保护时间宽度T_rp，采用如下公式(8)，逐点计算得到发射脉冲干扰时间T_inter：

N*PRI-T_rp≤T_inter≤N*PRI+T_p+T_rp···公式(8)

其中，N表示发射接收脉冲延迟数，PRI表示脉冲重复周期。

F、在脉冲重复频率的选择下限PRF_min和选择上限PRF_max变化范围内，根据给定的脉冲宽度T_p、保护时间宽度T_rp和瞬时星下点高度H_s，采用如下公式(9)，逐点计算得到星下点回波干扰时间T_nadir：

其中，c表示光速；

G、根据波束地面覆盖范围内目标点到卫星的斜距范围，确定瞬时回波时间范围。

H、根据所述瞬时回波时间范围、T_inter和T_nadir，确定避开发射脉冲干扰和星下点回波干扰的设定时间范围。

在本实施例中，所述设定时间范围包括：所述瞬时回波时间范围内除所述T_inter和T_nadir之外的时间。

I、在所述设定时间范围内，从所述选择下限PRF_min和选择上限PRF_max所确定的脉冲重复频率范围内，按照设定规则，选择得到所述PRF^*。

在本实施例中，可以在所述设定时间范围内(避开T_inter和T_nadir，也即，避开发射脉冲干扰和星下点回波干扰)，从所述选择下限PRF_min和选择上限PRF_max所确定的脉冲重复频率范围内，按照设定规则(如取大、取小或取中间规则)，选择得到所述PRF^*。需要注意，相邻时间内脉冲重复频率(Pulse Recurrence Frequency，PRF)的值变化尽可能小。

步骤107，根据计算得到的方位向总成像时间T_all、选择的满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*、以及确定的卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e和波束扫描步进值d_θ，计算得到驻留脉冲数N_p。

在本实施例中，可以根据计算得到的方位向总成像时间T_all、选择的满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*、确定的卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e和波束扫描步进值d_θ，采用如下公式(10)，计算得到驻留脉冲数N_p：

步骤108，根据确定的波束扫描步进值d_θ和计算得到的驻留脉冲数N_p，按匀速扫描规律，计算得到所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}。

在本实施例中，可以根据确定的波束扫描步进值d_θ和计算得到的驻留脉冲数N_p，采用如下公式(11)，计算得到所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}：

步骤109，根据所述所有成像时刻的卫星参数、确定的方位向所有成像时刻地面瞄准点和计算得到的所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}，利用矢量法计算得到所有成像时刻成像所需姿态角。

在本实施例中，可以根据所述所有成像时刻的卫星参数、确定的方位向所有成像时刻地面瞄准点和计算得到的所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}，利用矢量法计算得到所有成像时刻成像所需姿态角。具体的，

首先，可以计算期望指向向量

其中，表示期望的波束中心指向向量：根据天线相位中心O_P和地面瞄准点T在轨道系下的坐标，可以得到期望的波束中心指向向量表示卫星质心到相位中心的向量：根据卫星位置确定卫星质心O_S，根据卫星质心O_S和天线相位中心O_P在轨道系下的坐标，可以得到卫星质心到相位中心的向量

其次，计算波束起始指向向量计算星本体坐标系Z轴指向向量，随后根据星本体坐标系Z轴指向向量和离轴角，通过旋转变换得到波束起始指向向量；根据卫星质心O_S和地心O_E在轨道系下的坐标，得到起始Z轴指向向量由于雷达波束可能存在离轴角，根据旋转变换关系，可得到如下波束起始指向向量：其中，C(θ)表示由波束离轴角决定的旋转转换矩阵；θ表示离轴角，是天线雷达波束中心偏离卫星本体坐标系Z轴的角度，包含天线安装时的斜装角和天线电扫描角θ_{e_n}等。

在本步骤中，需要计算以欧拉轴/角参数式表示的需求姿态信息，根据欧拉定理，卫星绕质心的姿态机动可以由绕通过质心的某一固定轴转动一定角度得到。该转轴方向矢量用表示，转动角度用Φ表示，这即是欧拉轴/角参数式。根据最短路径旋转准则，和Φ可由和通过下两式计算得到和其中，×表示向量积，| |表示向量长度。

根据欧拉四元数式与欧拉轴/角参数式的转换关系可以计算得到以欧拉四元数表示的需求姿态信息。根据欧拉角式与欧拉四元数式的转换关系可以计算得到以欧拉角表示的成像所需姿态角。

步骤110，根据计算得到所有成像时刻成像所需姿态角，结合卫星姿态机动能力，判断卫星控制系统能否实现成像所需的姿态机动，得到判断结果。

步骤111，根据所述判断结果，修正所述期望目标方位分辨率和期望成像场景长度；或，根据所述判断结果，生成指令包。

在本实施例中，若所述判断结果为卫星控制系统不能实现成像所需的姿态机动，则可以返回步骤101，对所述期望目标方位分辨率和期望成像场景长度进行修正(如，适当降低期望目标方位分辨率和期望成像场景长度)后，重新执行上述各步骤。

若所述判断结果为卫星控制系统能实现成像所需的姿态机动，则可以根据上述各步骤中计算得到的参数(如，PRF*、N_p、θ_e__n和所有成像时刻成像所需姿态角等参数)生成指令包，上注完成卫星参数设置，待成像时间到来，卫星开机成像，实现性能提升后的目标分辨率和成像范围。

基于上述实施例，下面结合一个具体实例对本发明所述的基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法进行简单说明。根据给定的输入系统需求参数，按本发明提出的方法提升某相控阵体制卫星的系统性能参数，通过分析得到的系统性能，验证本发明方法的有效性。

首先，根据表1提供的输入参数表，按本发明提出的方法，计算得到性能提升所需的系统参数(见表2)：

参数	数值
		轨道长半轴(km)	7123.0
轨道偏心率	0.002
		轨道倾角(°)	98.0
近地点幅角(°)	115.0
		升交点赤经(°)	316.0
平近点角(°)	188.0
		历元时刻	07Nov 2016 00:00:00.000
卫星天线电扫描范围(°)	±1.9
		卫星原始分辨率(m)	1.0
成像场景长度(km)	10.0
		期望成像场景中心纬度(°)	25.0
期望成像场景中心经度(°)	55.0
		目标分辨率(m)	0.5
目标成像场景长度(km)	10.0

表1

参数	数值
		成像起始星历时刻	10Nov 2016 02:14:29.960
成像结束星历时刻	10Nov 2016 02:14:50.920
		电扫描角速度(°/s)	0.1813
需求横滚角(°)	-34.5917～-34.6647
		需求俯仰角(°)	-1.8046～1.9347
方位向分辨率(m)	0.5
		距离向分辨率(m)	10.2

表2

本次仿真试验设计了一组提升某相控阵体制SAR卫星的系统性能参数的所需的系统参数，该卫星满足系统性能的天线电扫描范围为±1.9°，原始分辨率为1.0m，原始成像场景长度10km，性能提升的目标分辨率为0.5m，目标成像场景长度仍为10km，具体需求指标见表1。根据本发明提出的方法，得到实现成像所需的姿态角，图2是以轨道系为参考系，123转序下的需求欧拉角。实现上述系统俯仰机动范围为-1.8046°～1.9347°，达到3.7393°；横滚机动仅机动0.073°，偏航方向不动。图3给出了成像过程中需要的电扫描角，图中可见扫描范围在±1.9°范围内，不会引起天线方向图恶化。在STK软件中测量成像场景长度为10.2km，得到的成像分辨率为0.5m，满足设计要求，在成像范围不变的情况下，将该卫星的分辨率提升了一倍，试验结果证明了本发明提出方法的有效性。

综上所述，本发明所述的基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法，将成像场景中心位置回波多普勒频率为零时刻设置为成像中心时刻，保证成像过程中回波多普勒中心频率绝对值最小；根据匀波束足印地面滑动速度的准则，设计方位向不同时刻的地面瞄准点；根据卫星到场景的斜距范围，计算瞬时回波时间范围,回避发射脉冲干扰和星下点干扰，选择合适的脉冲重复频率，根据卫星天线电扫描能力，确定天线扫描范围；根据电扫描范围和波束扫描步进值，计算驻留脉冲数；按匀速扫描的规律，计算全部时间点天线电扫描角；根据瞬时星历数据、地面瞄准点和瞬时时刻天线电扫描角，利用矢量法计算瞬时成像所需姿态角；判断卫星控制系统是否能实现上述姿态需求；完成控制和SAR载荷参数设计，开机成像，实现性能提升。可见，本发明充分利用SAR卫星的姿态机动能力，采用机电联合扫描的方式，实现了在轨相控阵体制SAR卫星图像性能的全面提升。其次，本发明采用姿态机动补充电扫描能力的不足，在波束扫描过程中，不会引入天线方向图进一步恶化，避免了成像能力提升导致辐射性能指标下降的问题。再次，本发明在计算姿态需求前，先根据方位向匀速电扫描的策略，得到了不同时间点对应的电扫描角，并以该角度为输入，计算得到需求姿态角，结果充分考虑了与电扫描的配合，满足机电扫描同步需求。最后，本发明在得到需求姿态角后，对卫星控制系统是否能实现此姿态机动进行了评估，有效保证了方案的可实现性和整星的安全。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于机电联合扫描的SAR卫星在轨性能提升方法，其特征在于，包括：

确定期望目标方位分辨率ρ_a和期望成像场景长度W_a，以及卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e和波束扫描步进值d_θ；

根据卫星轨道参数，结合卫星仿真工具包STK，确定所有成像时刻的卫星参数；其中，所述卫星参数包括：卫星位置、卫星速度和卫星加速度；

根据所述所有成像时刻的卫星参数，确定成像中心时刻；

计算成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}、成像中心时刻多普勒调频率f_a、方位向合成孔径时间T_s、波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all；

根据计算得到的波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all，以及成像场景中心，按等波束地面足印移动速度规律，确定方位向所有成像时刻地面瞄准点；

根据所述所有成像时刻的卫星参数，结合已知的雷达天线波束宽度，选择满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*；

根据计算得到的方位向总成像时间T_all、选择的满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*、以及确定的卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e和波束扫描步进值d_θ，计算得到驻留脉冲数N_p；

根据确定的波束扫描步进值d_θ和计算得到的驻留脉冲数N_p，按匀速扫描规律，计算得到所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}；

根据所述所有成像时刻的卫星参数、确定的方位向所有成像时刻地面瞄准点和计算得到的所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}，利用矢量法计算得到所有成像时刻成像所需姿态角；

根据计算得到所有成像时刻成像所需姿态角，结合卫星姿态机动能力，判断卫星控制系统能否实现成像所需的姿态机动，得到判断结果；

根据所述判断结果，修正所述期望目标方位分辨率和期望成像场景长度；或，根据所述判断结果，生成指令包。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述所有成像时刻的卫星参数，确定成像中心时刻，包括：

根据所述所有成像时刻的卫星参数，采用如下公式(1)，依次计算得到各个成像时刻各自对应的成像场景中心目标回波多普勒频率：

其中，f_dc表示任一成像时刻的成像场景中心目标回波多普勒频率； 和R_st分别表示在所述任一成像时刻、地心惯性坐标系下的卫星位置矢量、瞄准点的位置矢量、卫星速度矢量、瞄准点的速度矢量和卫星与瞄准点之间的距离；λ表示载波波长；

从计算得到的各个成像时刻各自对应的成像场景中心目标回波多普勒频率中，查找得到成像场景中心目标回波多普勒频率为零的成像时刻；

将查找到的成像场景中心目标回波多普勒频率为零的成像时刻确定为所述成像中心时刻。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下步骤计算得到成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}：

根据成像中心时刻卫星的位置坐标和成像场景中心的位置坐标，采用距离计算公式，计算得到成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下步骤计算得到成像中心时刻多普勒调频率f_a和方位向合成孔径时间T_s：

根据所述所有成像时刻的卫星参数和成像场景中心，采用如下公式(2)计算得到成像中心时刻的多普勒调频率f_a：

其中，和分别表示在所述成像中心时刻、地心惯性坐标系下的卫星速度矢量、瞄准点的速度矢量、卫星加速度矢量、瞄准点的加速度矢量、卫星位置矢量、瞄准点的位置矢量和卫星与瞄准点之间的距离；

根据计算得到的成像中心时刻的多普勒调频率f_a和确定的期望目标方位分辨率ρ_a，采用如下公式(3)，计算得到方位向合成孔径时间T_s：

其中，V_g表示零多普勒线扫过地面的速度，k_wa表示多普勒信号处理加权扩展因子。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过如下步骤计算得到波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all：

根据计算得到的方位向合成孔径时间T_s和成像中心时刻卫星到成像场景中心的斜距R_{st_m}，采用如下公式(4)，计算得到波束足印地面滑动速度

其中，θ_a表示天线方位向波束宽度，表示成像中心时刻零多普勒线扫过地面的速度矢量；

根据计算得到的波束足印地面滑动速度和确定的期望成像场景长度W_a，采用如下公式(5)，计算得到方位向总成像时间T_all：

其中，V_f表示的模。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据计算得到的波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all，以及成像场景中心，按等波束地面足印移动速度规律，确定方位向所有成像时刻地面瞄准点，包括：

根据计算得到的波束足印地面滑动速度和方位向总成像时间T_all，以及成像场景中心，采用如下公式(6)，计算得到方位向所有成像时刻地面瞄准点：

其中，(x_t,y_t,z_t)_{_n}表示成像时刻T_{_n}地面瞄准点的坐标，T_{_c}表示成像中心时刻，(x_c,y_c,z_c)表示成像场景中心的位置坐标。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述所有成像时刻的卫星参数，结合已知的雷达天线波束宽度，选择满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*，包括：

根据已知的雷达天线波束宽度，设置虚拟传感器天线参数；

将所述所有成像时刻的卫星参数作为卫星仿真工具包STK的输入值，基于设置的虚拟传感器天线参数，得到所述卫星仿真工具包STK的输出值；其中，所述输出值包括：虚拟传感器天线波束地面覆盖范围和波束地面覆盖范围内目标点到卫星的斜距范围；

根据所述所有成像时刻的卫星参数，确定瞬时时刻的卫星位置、卫星速度和卫星加速度；

根据确定的瞬时时刻的卫星位置、卫星速度和卫星加速度，以及所述虚拟传感器天线波束地面覆盖范围的成像点坐标，确定瞬时回波多普勒带宽B_as；

根据计算得到的瞬时回波多普勒带宽B_as，结合给定的需求方位向过采样率K_a，根据如下公式(7)，确定脉冲重复频率的选择下限PRF_min：

PRF_min＝K_aB_as···公式(7)

根据系统能力，确定脉冲重复频率的选择上限PRF_max；

在脉冲重复频率的选择下限PRF_min和选择上限PRF_max变化范围内，根据给定的脉冲宽度T_p和保护时间宽度T_rp，采用如下公式(8)，逐点计算得到发射脉冲干扰时间T_inter：

N*PRI-T_rp≤T_inter≤N*PRI+T_p+T_rp···公式(8)

其中，N表示发射接收脉冲延迟数，PRI表示脉冲重复周期；

在脉冲重复频率的选择下限PRF_min和选择上限PRF_max变化范围内，根据给定的脉冲宽度T_p、保护时间宽度T_rp和瞬时星下点高度H_s，采用如下公式(9)，逐点计算得到星下点回波干扰时间T_nadir：

其中，c表示光速；

根据波束地面覆盖范围内目标点到卫星的斜距范围，确定瞬时回波时间范围；

根据所述瞬时回波时间范围、T_inter和T_nadir，确定避开发射脉冲干扰和星下点回波干扰的设定时间范围；其中，所述设定时间范围包括：所述瞬时回波时间范围内除所述T_inter和T_nadir之外的时间；

在所述设定时间范围内，从所述选择下限PRF_min和选择上限PRF_max所确定的脉冲重复频率范围内，按照设定规则，选择得到所述PRF^*。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据计算得到的方位向总成像时间T_all、选择的满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*、以及确定的卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e和波束扫描步进值d_θ，计算得到驻留脉冲数N_p，包括：

根据计算得到的方位向总成像时间T_all、选择的满足设定规则的脉冲重复频率PRF^*、确定的卫星天线所能提供的最大电扫描范围θ_e和波束扫描步进值d_θ，采用如下公式(10)，计算得到驻留脉冲数N_p：

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据确定的波束扫描步进值d_θ和计算得到的驻留脉冲数N_p，按匀速扫描规律，计算得到所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}，包括：

根据确定的波束扫描步进值d_θ和计算得到的驻留脉冲数N_p，采用如下公式(11)，计算得到所有成像时刻天线电扫描角θ_{e_n}：

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述判断结果，修正所述期望目标方位分辨率和期望成像场景长度；或，根据所述判断结果，生成指令包，包括：

若所述判断结果为卫星控制系统不能实现成像所需的姿态机动，则对所述期望目标方位分辨率和期望成像场景长度进行修正；

若所述判断结果为卫星控制系统能实现成像所需的姿态机动，则根据计算得到的PRF^*、N_p、θ_{e_n}和所有成像时刻成像所需姿态角生成指令包。