CN109164448A - 一种主辅星分布式sar侦测一体化成像卫星系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统。使用本发明能够实现高分辨率SAR成像、高精度干涉SAR测高和三维层析SAR成像。本发明利用一发多收或多发多收工作体制，同时提供1+N个观测数据，加强数据的相关性，成像数据获取更加快捷有效；同时，采用主星位于中心、辅星按Carwheel车轮轨迹的构型共轨道面飞行，能够在整个轨道周期内任意时刻均存在由主辅星之间形成的满足最优垂直有效基线要求的短基线，以及由辅辅星之间形成的可指导短基线进行相关干涉处理的长基线，提高系统效率和干涉测高精度；通过变轨技术使得辅星车轮轨迹在轨变化，使得本发明构型更为紧凑，形成空间虚拟大孔径，有利于利用稀疏孔径的算法进行更高分辨率的成像。

Description

一种主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统

技术领域

本发明涉及分布式编队卫星技术领域，具体涉及一种主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统。

背景技术

分布式SAR系统是将SAR的收、发天线分置在不同卫星上，各卫星按一定的构形编队飞行并协同工作的多天线雷达体制，不仅具有单站星载SAR的全天时-全天候对地观测、对某些地物具有穿透能力等特点，而且能够通过多基线、多视角等提供的互补信息，完成宽测绘带高分辨成像、高程反演、三维立体成像等多种任务。这一概念自提出以来，美国、德国、法国、意大利、加拿大等国分别制定了各自的分布式SAR系统发展计划。

先后计划过的分布式SAR系统，包括采用密集编队分布的小卫星系统同时发射接收信号，由于系统规模太大、成本昂贵等原因最终搁浅；以及利用已有的SAR卫星发射信号，在其周围补发一组小卫星只接收信号，由于系统间的配合同步等问题也未实施；德国的TerraSAR-X/TanDEM-X两颗卫星以编队方式一前一后同步飞行，通过反复扫描整个地球表面获得地球表面的高度信息，但是由于两颗卫星形成的干涉基线无法时刻提供用于高精度地形测绘的基线，因此系统效率很低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统，能够实现高分辨率SAR成像(分辨率达0.5m)、高精度干涉SAR测高(相对测高精度达到0.5m)、三维层析SAR成像三种功能。

本发明的主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统，包括1颗主星和N颗辅星，N≥3，其中，主星发射信号，主、辅星同步接收同一地区的回波信号；主、辅星位于同一个轨道面上，辅星均匀分布在以主星为中心的Cartwheel椭圆轨迹上，并围绕主星沿所述Cartwheel椭圆轨迹飞行。且任意时刻，主星都可以与其中一颗辅星之间形成最优垂直有效基线，满足最优基线取值范围；任意时刻都存在两颗辅星之间形成的有效长基线，从而在整个轨道周期内，任意时刻总是存在一组稳定的有效长基线和短基线。

进一步的，主星采用多发多收相控阵体制收发信号。

进一步的，辅星采用反射面体制接收信号或多发多收相控阵体制接收/发射信号；辅星采用多发多收相控阵体制时，辅星与主星分时发射信号，主、辅星同步接收同一地区的回波信号。

进一步的，采用滑动聚束、Mosaic或扫描模式实现SAR成像。

进一步的，采用如下方法进行SAR干涉测高：

步骤1，采用主星发射、主辅星同步接收同一区域回波，按照条带模式，主辅星同时进行常规的观测成像，获得单视复图像；

步骤2，利用主辅星、辅辅星形成的有效长、短基线，对主辅星获得的多幅单视复图像进行干涉信号处理，利用长基线和短基线的相互配合实现SAR干涉测高。

进一步的，采用如下方法进行三维层析SAR成像：

步骤1，采用主星发射、主辅星同步接收同一区域回波，每颗卫星分别对接收到的信号进行常规的方位向和距离向成像；

步骤2，采用稀疏层析SAR算法和MUSIC算法对各卫星的方位向和距离向成像进行处理，实现三维层析SAR成像。

有益效果：

(1)本发明卫星系统利用一发多收或多发多收工作体制，能够同时提供1+N个观测数据，数据的相关性大大提高，与现有多次重复轨道飞行获取数据的方式相比，成像数据获取更加快捷有效，提高了系统的应用效能，扩展了系统应用领域；本发明采用主星位于中心、辅星按Carwheel车轮轨迹的构型共轨道面一起飞行，该构型能够在整个轨道周期内任意时刻均形成一组干涉信号处理所需要的稳定的有效的长、短基线，提高系统效率，与现有德国Tandem-X相比，效率提高了三倍，且干涉测高精度提高，尤其是地形复杂区域的测绘精度。同时，本发明可通过变轨技术使得辅星车轮轨迹在轨变化，从而使本发明构型更为紧凑，形成空间虚拟大孔径，有利于利用稀疏孔径的算法进行更高分辨率的成像。

(2)主星采用多发多收相控阵体制，可以提高天线的发射功率积，从而提高系统效率，降低重量、体积、功耗等，并且在SAR成像工作模式时，能够提供高分辨率窄测绘带和低分辨率宽测绘带两种工作形式，满足不同成像要求。

(3)辅星可采用两种形式，一种是采用反射面被动接收体制，只接收主星的回波信号，质量较轻，可靠性好，成本低。另一种，辅星也是采用多发多收的相控阵体制，主辅星同时具有发射信号和接收信号的能力，工作形式灵活。

(4)本发明能够同时具有三维立体侦察和测绘功能，满足侦测一体化应用需求，且具备全天时、全天候、高效率、全球陆地的高精度成像/测绘能力，可应用于地形测绘、军事侦察、预警监视、国土资源等领域，为我国相关行业遥感定量化应用水平的提升提供重要保障，并且，本发明卫星系统将促进我国卫星遥感产业的发展，是我国现有光学测绘系统的有力补充。

附图说明

图1为本发明卫星系统构成示意图(N＝3)。

图2为一个轨道周期内编队中各卫星两两之间的有效基线长度(N＝3)。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统，如图1所示，包括一颗主星和N颗辅星(N≥3)，其中，主星发射信号，主、辅星同时接收同一地区的回波信号，利用一发(主星发送信号)多收(主星、N辅星同步接收信号)工作模式可以在一个时刻获得多个接收通道的观测量，从而组成空间观测矩阵，实现高分辨率SAR的快速成像。

其中，主星采用多发多收相控阵体制可以提高天线的发射功率口径积，从而提高系统效率，降低重量、体积、功耗等。辅星可以只用于接收，为单通道接收，采用反射面体制，质量较轻，可靠性好，复杂度低，成本低；或者辅星也可以采用多发多收相控阵体制，此时辅星的收发信号功能与主星功能相同，有助于灵活设计系统实现多种成像功能，此时，可采用多发多收工作模式，多颗卫星分时发送信号，所有卫星同时接收同一地区的回波信号。

主星系统包括有效载荷分系统、结构分系统、电源分系统、数管分系统、测控分系统、热控分系统、控制分系统、推进分系统、总体电路分系统、同步系统；辅星由有效载荷和平台两大部分组成，有效载荷包括合成孔径雷达接收分系统、数据传输分系统和星间同步和测量分系统，平台部分包括结构与机构分系统、热控分系统、姿轨控分系统、星务分系统、测控分系统、电源分系统、总体电路分系统和天线分系统。

同时，设计主辅星编队构型，使得主辅星在一个轨道周期内的任意时刻均存在稳定的垂直有效基线，用于干涉测高，获取地球表面高度信息，从而实现高精度的地面高程测量及高精度三维层析成像。

具体构型设计如下：主辅星位于同一个轨道面，即主辅星共轨道面编队飞行；并且，辅星均匀分布在主星为中心的Cartwheel椭圆轨迹上，辅星在与主星一同共轨道面飞行的同时，围绕主星沿所述Cartwheel椭圆轨迹飞行，在轨道面内形成Cartwheel椭圆轨迹。任意时刻，主星都可以与其中一颗辅星之间形成满足最优基线取值范围的最优垂直有效基线；任意时刻，都存在两颗辅星之间形成的有效长基线，从而在整个轨道周期内，任意时刻总是存在一组稳定的有效长基线和短基线。

由于主辅星运行在同一轨道平面上，主辅星的轨道具有相同的半长轴和偏心率，主、辅星之间不存在水平方向上的位置偏移，因此主辅星构型稳定。

辅星绕主星均匀分布，由于各卫星轨道具有不同的近地点角，因此能够引入不同位置相位。如图1所示。一个由三颗辅星构成的Cartwheel星体间的位置相位差为120°。根据Hill方程，椭圆轨道的离心率为0.5，即半长轴a＝2b＝2A。两颗辅星相对主星的位置的变化轨迹之间的距离代表着这两颗辅星之间的垂直航向基线。基线变化情况如图2所示，选定两颗辅星，则其有效基线在一个轨道周期内变化明显，不能形成期望的稳定最优基线。然而，如果轮换选择两颗辅星作为干涉卫星对，则可以得到在整个轨道周期内较为稳定的有效干涉基线，其变化区间在之间，变化量占基线总长度的±7％左右。

同时，主星和辅星之间也形成了较为稳定的有效干涉基线，轮换选择辅星与主星作为干涉卫星对，可以得到在整个轨道周期内较为稳定的有效干涉基线，并且主星与辅星之间的有效干涉基线和辅星与辅星之间的有效干涉基线的基线范围不一样，使得本发明构型在整个轨道周期内形成了稳定的有效干涉长基线(辅星与辅星之间的有效干涉基线)以及稳定的有效干涉短基线(主星与辅星之间的有效干涉基线)，根据干涉信号处理的特点，长基线可以指导短基线进行相位展开的干涉处理，短基线可以保证系统测量精度最高，从而利用长、短基线组合能够高效高质的获得测绘区域的高精度DEM，相对测高精度达到0.5m，满足1:5000比例尺的测绘制图需求。

本发明的主星位于中心、辅星围绕主星cartwheel编队飞行的共轨道面的构型设计，使得主辅星形成多组稳定均匀的基线，且同时存在的长短基线组合，为高精度地形测绘提供了基本的条件。

其中，可以根据任务需求(轨道类型、轨道高度、基线取值范围、下视角等)采用Hill方程组获得主星、辅星的轨道参数。

具体工作过程：

SAR成像模式：采用滑动聚束、Mosaic、扫描模式实现高分辨率宽测绘带成像，采用方位向多发多收方式实现。具体的，主星相控阵雷达天线沿方位向包含若干子孔径，每个子孔径方位向和距离向尺寸均相同，波束宽度也相同，照射和接收来自同一地面区域的回波信号。工作时各个发射机同时发射编码信号，经目标反射后，各个接收机接收目标回波信号，同时编队辅星也同步接收同一回波信号。主星利用MIMO-SAR成像技术实现高分辨率宽覆盖能力；

具体的，分布式单发多收的高分辨率宽覆盖成像模式，主星采用滑动聚束模式，主星4发4收，N颗辅星利用单通道接收，在方位向形成N+4个相位中心，经过合理的工作指标设计，实现高分辨率成像；

主星采用Mosaic模式，距离向两次拼接，主星4发4收，N颗辅星利用单通道接收，在方位向形成N+4个相位中心，经过合理的工作指标设计，实现次高分辨率成像；

主星采用扫描模式，距离向4次扫描，主星4发4收，N颗辅星利用单通道接收，在方位向形成N+4个相位中心，经过合理的工作指标设计，实现低分辨率成像。

干涉测高模式：利用辅星之间的垂直长基线以及主辅星之间的最优垂直短基线，采用干涉反演的方法获得高度信息。

具体的：采用主星发射、主辅星接收同一区域回波，按照条带模式，主辅星同时进行常规的观测成像，获得单视复图像；然后，利用主辅星、辅辅星形成的多种基线组合，对主辅星获得的多幅单视复图像进行长短基线的干涉信号处理，获得高精度地形图。

三维层析成像模式：采用一发(主星)N+1收(主星+N辅星)，进行多航过积累进行三维立体成像，在相同分辨率条件下，所需重复轨道飞行次数减少，观测数据的相关性提高，成像精度更高。

具体的，采用主星发射、辅星接收同一区域回波，每颗卫星接收到的信号进行常规的方位向和距离向成像；然后针对分布式三维SAR卫星高度向的基线分布稀疏的特点，采用稀疏层析SAR算法和MUSIC算法进行处理，解决高度向图像旁瓣较高、分辨率降低的问题。

本发明利用主辅星编队飞行的方式，通过主星发射信号，主辅星同时接收信号，形成空间观测阵，可实现对目标场景的三维立体成像观测。多颗卫星形成的稳定空间基线可保证InSAR多基线实现地面高程的高精度测量，增加卫星数量还可实现场景目标的高精度三维层析成像。这种集成像侦察、应急测绘、立体成像于一体的分布式SAR卫星系统，平时可积累大量SAR图像及地面DEM数据库，战时可同时实现测高测速功能，时效性强，具有多功能、生存力和抗干扰能力强、周期短、成本低等优点，具有广阔的应用前景。

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 (6)

1.一种主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统，其特征在于，包括1颗主星和N颗辅星，N≥3，其中，主星发射信号，主、辅星同步接收同一地区的回波信号；主、辅星位于同一个轨道面上，辅星均匀分布在以主星为中心的Cartwheel椭圆轨迹上，并围绕主星沿所述Cartwheel椭圆轨迹飞行；且任意时刻，主星与其中一颗辅星之间形成满足最优基线取值范围的垂直有效基线，两颗辅星之间形成有效长基线。

2.如权利要求1所述的主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统，其特征在于，主星采用多发多收相控阵体制收发信号。

3.如权利要求1所述的主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统，其特征在于，辅星采用反射面体制接收信号或多发多收相控阵体制接收/发射信号；辅星采用多发多收相控阵体制时，辅星与主星分时发射信号，主、辅星同步接收同一地区的回波信号。

4.如权利要求1～3任意一项所述的主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统，其特征在于，采用滑动聚束、Mosaic或扫描模式实现SAR成像。

5.如权利要求1～3任意一项所述的主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统，其特征在于，采用如下方法进行SAR干涉测高：

步骤1，采用主星发射、主辅星同步接收同一区域回波，按照条带模式，主辅星同时进行常规的观测成像，获得单视复图像；

步骤2，利用主辅星、辅辅星形成的有效长、短基线，对主辅星获得的多幅单视复图像进行干涉信号处理，利用长基线和短基线的相互配合实现SAR干涉测高。

6.如权利要求1～3任意一项所述的主辅星分布式SAR侦测一体化成像卫星系统，其特征在于，采用如下方法进行三维层析SAR成像：

步骤1，采用主星发射、主辅星同步接收同一区域回波，每颗卫星分别对接收到的信号进行常规的方位向和距离向成像；

步骤2，采用稀疏层析SAR算法和MUSIC算法对各卫星的方位向和距离向成像进行处理，实现三维层析SAR成像。