CN108051808A - 高轨sar连续凝视工作体制系统设计方法 - Google Patents

高轨sar连续凝视工作体制系统设计方法 Download PDF

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陈国忠
徐增
刘艳阳
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Abstract

本发明提供了一种高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法，其包括以下步骤：步骤一，根据感兴趣的区域范围，设计卫星轨道的高度、倾角和偏心率；步骤二：结合工程实际和系统要求；步骤三：根据卫星波束运动速度，设计高轨SAR卫星滑窗成像工作模式，进行滑窗大小设计和滑窗速度设计；步骤四：最后根据卫星能源限制，进行卫星组网颗数选择和组网方式设计，从而实现对感兴趣区域的二十四小时连续可视和成像观测。本发明通过优化轨道设计、双星协同等方法，缩小合成孔径时间，弥补卫星供电能力和成像视角受限的不足，实现对感兴趣重点区域的二十四小时连续凝视成像观测。

Description

高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法
技术领域
本发明涉及一种设计方法，具体地，涉及一种高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法。
背景技术
目前SAR卫星主要部署于低轨道(1000km)以下，由于低轨道卫星运行速度快，过顶时间短，因此无法实现对感兴趣区域的二十四小时连续凝视成像和准实时图像获取能力。
高轨合成孔径雷达(SAR)卫星，通过将卫星部署于地球同步轨道，采用SAR实现对地成像观测。相比于低轨SAR卫星，高轨SAR卫星可以充分利用地球同步轨道轨道高度高、和地球自转准同步的特点，具备了对指定重点地区凝视成像和即时观测的潜力。
为了实现卫星和地球的相对运动，以实现合成孔径工作方式，目前高轨SAR卫星系统设计中普遍采用大倾角、0偏心率的地球同步轨道设计。然而，受星载SAR成像工作原理和星载电源技术与能力限制，如果按照传统的星载SAR工作体制，无法满足高轨SAR系统长时间工作、连续和凝视的成像能源。针对上述高轨SAR卫星成像工作的技术瓶颈，提出了一种新的高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法。本发明系统解决了高轨SAR连续、凝视工作的问题，还解决了由于卫星运动轨迹复杂而带来的无法成像的难题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法，其通过优化轨道设计、双星协同等方法，缩小合成孔径时间，弥补卫星供电能力和成像视角受限的不足，实现对感兴趣重点区域的二十四小时连续凝视成像观测。
根据本发明的一个方面，提供一种高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法，其特征在于，所述高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法包括以下步骤：
步骤一，根据感兴趣的区域范围，设计卫星轨道的高度、倾角和偏心率；
步骤二：结合工程实际和系统要求，选择合适的电波束扫描角度，包括距离向扫描角度和方位向扫描角度分析设计，进而结合SAR系统工作入射角范围，分析二十四小时的可视区域和合成孔径时间；
步骤三：根据卫星波束运动速度，设计高轨SAR卫星滑窗成像工作模式，进行滑窗大小设计和滑窗速度设计；
步骤四：最后根据卫星能源限制，进行卫星组网颗数选择和组网方式设计，从而实现对感兴趣区域的二十四小时连续可视和成像观测。
优选地，所述高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法包括轨道设计、电波束扫描角度分析设计、滑窗成像工作模式设计和卫星组网设计，其中：
轨道设计实现高轨SAR卫星在轨所运行的轨道，用于实现卫星与地球的相对运动，形成合成孔径成像，并保证具备对感兴趣区域的连续可视；它包括轨道倾角分析设计、轨道偏心率分析设计和轨道高度分析设计；
电波束扫描角度分析设计结合工程实际和系统要求，选择合适的电波束扫描角度，实现高轨SAR卫星在感兴趣区域范围内对任意目标的快速成像观测能力；它包括距离向扫描角度分析设计和方位向扫描角度分析设计；
滑窗成像工作模式设计克服合成孔径时间长的限制，实现准实时的图像获取；它包括滑窗大小选择设计和滑窗速度选择设计；
卫星组网设计以最小的卫星规模代价，实现在卫星能源限制条件下系统连续不间断工作的能力；它包括合成孔径时间分析、卫星供电能力分析选择、卫星组网设计和卫星协同配合工作时序设计。
优选地，所述轨道设计必须与地球具有相对的速度，满足星载SAR成像原理的需求；同时在SAR系统工作的角度范围内，具备对指定区域的连续可视。
优选地，所述电波束扫描角度分析设计必须具备快速的切换能力，扫描范围覆盖所感兴趣的区域，且在SAR所能成像的角度范围之内。
优选地，所述滑窗成像工作模式设计克服系统合成孔径时间限制，满足图像数据的准实时更新。
优选地，所述卫星组网设计必须在系统能源限制的前提下，首先满足系统的能量平衡；然后，在满足系统能量平衡和轨道限制条件下，实现系统二十四小时连续工作能力。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明突破了传统高轨SAR卫星系统设计中的限制，包括轨道的限制、视角的限制和能源的限制等，系统解决了高轨SAR卫星对感兴趣区域二十四小时连续观测并准实时获取图像的难题，从而提升了高轨SAR卫星在天基遥感系统中的地位，扩大了高轨SAR卫星的应用效益。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法包括以下步骤：
步骤一，根据感兴趣的区域范围，设计卫星轨道的高度、倾角和偏心率；
步骤二：结合工程实际和系统要求，选择合适的电波束扫描角度，包括距离向扫描角度和方位向扫描角度分析设计，进而结合SAR系统工作入射角范围，分析二十四小时的可视区域和合成孔径时间；
步骤三：根据卫星波束运动速度，设计高轨SAR卫星滑窗成像工作模式，进行滑窗大小设计和滑窗速度设计；
步骤四：最后根据卫星能源限制，进行卫星组网颗数选择和组网方式设计，从而实现对感兴趣区域的二十四小时连续可视和成像观测。
本发明高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法包括轨道设计、电波束扫描角度分析设计、滑窗成像工作模式设计和卫星组网设计，其中：
轨道设计实现高轨SAR卫星在轨所运行的轨道，用于实现卫星与地球的相对运动，形成合成孔径成像，并保证具备对感兴趣区域的连续可视；它包括轨道倾角分析设计、轨道偏心率分析设计和轨道高度分析设计；轨道设计重点包括轨道高度、轨道倾角和轨道偏心率。一般选用地球同步轨道，即轨道高度约36000km且运行周期与地球自转周期相同的卫星轨道。根据SAR成像原理可知，卫星与目标需具有相对速度才可实现对目标成像，因此，高轨SAR卫星的轨道不能选择地球同步静止轨道。通过更改卫星轨道参数，可实现卫星相对于目标运动，从而满足SAR卫星成像条件。一般通过调整影响卫星轨道形状和轨道相对目标角度的卫星轨道参数，如卫星偏心率和轨道倾角，获得不同轨道运动规律。高轨SAR卫星需选择合适的轨道倾角和偏心率，以满足高轨SAR卫星覆盖与重访周期的综合需求，在此基础上，合理应用卫星工作模式可进一步提高覆盖能力。轨道倾角影响高轨SAR星下点轨迹在南北方向的运动范围。随倾角增加，合成孔径时间减少，但24小时南北可视覆盖范围也随之减少；偏心率影响高轨SAR星下点轨迹在东西方向的运动范围。随偏心率增加，合成孔径时间减少，但24小时东西可视覆盖范围也随之减少；综合考虑覆盖和合成孔径时间，选择0°倾角，一定偏心率的地球同步轨道，可最大范围满足对我国及周边区域的24小时可视。
电波束扫描角度分析设计结合工程实际和系统要求，选择合适的电波束扫描角度，实现高轨SAR卫星在感兴趣区域范围内对任意目标的快速成像观测能力；它包括距离向扫描角度分析设计和方位向扫描角度分析设计；
滑窗成像工作模式设计克服合成孔径时间长的限制，实现准实时的图像获取；它包括滑窗大小选择设计和滑窗速度选择设计；
卫星组网设计以最小的卫星规模代价，实现在卫星能源限制条件下系统连续不间断工作的能力；它包括合成孔径时间分析、卫星供电能力分析选择、卫星组网设计和卫星协同配合工作时序设计。
本发明的轨道设计、电波束扫描角度分析设计、滑窗成像工作模式设计和卫星组网设计等四个方面需综合优化考虑，既实现对感兴趣区域二十四小时可视，又满足SAR成像对运动速度、视角和合成孔径时间的要求。
为了实现大范围的准实时观测能力，需采用二维电扫描能力。电波束扫描角度分析设计包括距离向扫描角度分析设计和方位向扫描角度分析设计,需综合考虑SAR成像入射角限制和天线实现的工程可行性。
相比于低轨SAR卫星，由于高轨SAR卫星轨道高，运动速度慢，其合成孔径时间将超过分钟量级。为了避免在如此长合成孔径时间的图像获取间隔，提出了滑窗成像工作模式。通过选择合适的滑窗大小和滑窗速度，滑窗成像工作时，充分利用历史积累数据，实现最小一个脉冲重复频率间隔的图像获取间隔，从而保证准实时的图像获取能力；
单星工作时，在星下点东西两端由于合成孔径时间和卫星能源限制，存在较长时间间隔不能工作。为降低合成孔径时间，并实现连续24小时工作，可采用两颗高轨SAR卫星，协同交替工作进行连续监视。通过双星系统配合工作设计，解决轨道两端长时间不能成像问题，降低系统合成孔径时间，提高系统效能。
本发明采用“一”字形地球同步轨道设计，即满足合成孔径工作原理需要，又可减小斜视角，实现对感兴趣区域的二十四小时可视。利用二维电扫描，实现SAR成像波束的快速切换，实现对感兴趣目标区域的即时观测。采用双星组网配合，避免卫星能源和合成孔径时间限制，实现二十四小时连续成像。最后，利用滑窗成像工作模式，实现图像准实时更新。本发明，克服了高轨SAR卫星工作机理、能源等的限制，实现了实现对感兴趣区域二十四小时连续成像和准实时图像更新。相比于低轨SAR卫星，高轨SAR卫星可以充分利用地球同步轨道轨道高度高、和地球自转准同步的特点，具备了对指定重点地区凝视成像和即时观测的能力。然而，受星载SAR成像工作原理和星载电源技术与能力限制，如果按照传统的低轨星载SAR工作模式，无法满足高轨SAR系统长时间工作、连续和凝视的成像需求。针对上述高轨SAR卫星成像工作的技术瓶颈，提出了一种新的高轨SAR凝视成像工作体制。本发明系统解决了高轨SAR连续、凝视工作的问题，还解决了由于卫星运动轨迹复杂而带来的无法成像的难题。本发明的应用提升了高轨SAR卫星的应用效能，扩展了高轨SAR卫星的应用前景。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法，其特征在于，所述高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法包括以下步骤：
步骤一，根据感兴趣的区域范围，设计卫星轨道的高度、倾角和偏心率；
步骤二：结合工程实际和系统要求，选择合适的电波束扫描角度，包括距离向扫描角度和方位向扫描角度分析设计，进而结合SAR系统工作入射角范围，分析二十四小时的可视区域和合成孔径时间；
步骤三：根据卫星波束运动速度，设计高轨SAR卫星滑窗成像工作模式，进行滑窗大小设计和滑窗速度设计；
步骤四：最后根据卫星能源限制，进行卫星组网颗数选择和组网方式设计，从而实现对感兴趣区域的二十四小时连续可视和成像观测。
2.根据权利要求1所述的高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法，其特征在于，所述高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法包括轨道设计、电波束扫描角度分析设计、滑窗成像工作模式设计和卫星组网设计，其中：
轨道设计实现高轨SAR卫星在轨所运行的轨道，用于实现卫星与地球的相对运动，形成合成孔径成像，并保证具备对感兴趣区域的连续可视；它包括轨道倾角分析设计、轨道偏心率分析设计和轨道高度分析设计；
电波束扫描角度分析设计结合工程实际和系统要求，选择合适的电波束扫描角度，实现高轨SAR卫星在感兴趣区域范围内对任意目标的快速成像观测能力；它包括距离向扫描角度分析设计和方位向扫描角度分析设计；
滑窗成像工作模式设计克服合成孔径时间长的限制，实现准实时的图像获取；它包括滑窗大小选择设计和滑窗速度选择设计；
卫星组网设计以最小的卫星规模代价，实现在卫星能源限制条件下系统连续不间断工作的能力；它包括合成孔径时间分析、卫星供电能力分析选择、卫星组网设计和卫星协同配合工作时序设计。
3.根据权利要求2所述的高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法，其特征在于，所述轨道设计必须与地球具有相对的速度，满足星载SAR成像原理的需求；同时在SAR系统工作的角度范围内，具备对指定区域的连续可视。
4.根据权利要求2所述的高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法，其特征在于，所述电波束扫描角度分析设计必须具备快速的切换能力，扫描范围覆盖所感兴趣的区域，且在SAR所能成像的角度范围之内。
5.根据权利要求2所述的高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法，其特征在于，所述滑窗成像工作模式设计克服系统合成孔径时间限制，满足图像数据的准实时更新。
6.根据权利要求2所述的高轨SAR连续凝视工作体制系统设计方法，其特征在于，所述卫星组网设计必须在系统能源限制的前提下，首先满足系统的能量平衡；然后，在满足系统能量平衡和轨道限制条件下，实现系统二十四小时连续工作能力。
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