CN109188384B - 空间目标回波动态观测的电磁仿真方法 - Google Patents

空间目标回波动态观测的电磁仿真方法 Download PDF

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Abstract

一种空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其步骤为：建立空间目标观测坐标系；获得空间目标与观测站之间的相关位置信息；计算动态观测视角；获得最佳观测时间；用大面元物理光学法计算空间目标电磁散射，获得回波矩阵；获得仿真卫星的二维图像。本发明利用空间目标与地面观测站位置计算出空间目标动态观测视角及最佳观测时间，在最佳观测时间的动态观测视角处，用大面元物理光学法计算空间目标的电磁散射，得到空间目标的回波并成像，克服了现有技术仅能在固定观测视角处进行电磁仿真和成像，计算量过大的不足，实现了空间目标不同动态观测视角下的有效电磁仿真和成像，减小了时间成本。

Description

空间目标回波动态观测的电磁仿真方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及雷达信号处理技术领域中的一种空间目标回波动态观测的电磁仿真方法。本发明可以有效对雷达的空间目标回波进行动态电磁仿真，用于空间目标的二维ISAR成像。
背景技术
由于受到数据来源与军事应用背景的限制，目前较难获得大量公开的空间目标实测ISAR数据。通常，基于固定散射点的观测模型仅适用于小转角条件，而空间目标观测视角范围较大，各向异性明显。因此，为了对空间目标特性分析、高分辨成像、分类识别等方法进行有效的测试与验证，迫切需要研究有效的空间目标回波动态电磁仿真方法。
河南大学在其申请的专利文献“一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法”(申请号201710157003.X申请公布号107015224A)中公开了一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法。该方法成像步骤如下：(1)根据物理光学方法建立计算SAR回波的模型。(2)根据SAR的物理光学回波建立等效电流模型，推导出PO积分。(3)建立SAR仿真成像模型。该方法实现了对三维目标的成像仿真。但是，该方法仍然存在的不足之处是：待测目标为空间目标时，仅能对固定观测视角进行电磁仿真，而对动态变化的视角无法有效仿真成像。
王晓峰在其发表的论文“RCS computation and analysis of target usingFEKO”(Antennas and Propagation.IEEE，上海，2014)中提出一种基于FEKO软件的目标RCS计算及数据分析的方法。该方法步骤如下：(1)对目标进行CAD建模并采用多层快速多极子(Multilevel Fast Multipole Method，MLFMM)计算目标电磁散射。(2)选择任意角度用LU分解快速计算出目标的散射场。(3)采用FEKO的脚本语言实现ISAR成像。该方法实现了空间目标的二维成像。但是，该方法仍然存在的不足之处是：对于体积较大的空间目标，用MLFMM方法计算量过大，增加时间成本。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种空间目标回波动态观测的电磁仿真方法。本发明可以对观测视角范围较大的大体积空间目标快速生成有效动态回波，减小了时间成本，提高了仿真效率。
本发明实现上述目的的思路是：对于观测视角范围较大的空间目标，以卫星为例，建立仿真模型，利用空间目标与地面观测站位置计算出空间目标动态观测视角及最佳观测时间，在最佳观测时间的动态观测视角处，根据雷达参数，用大面元物理光学法计算空间目标的电磁散射，得到空间目标的二维回波矩阵并用距离-多普勒算法成像。由于空间目标体积较大，采用传统物理光学法将导致网格剖分尺寸过小，计算量过大，增加时间成本，因此选择剖分尺寸较大的大面元物理光学法，从而降低了计算时间成本，提高了空间目标的动态电磁仿真效率。
本发明的具体步骤如下：
(1)建立空间目标观测坐标系：
(1a)建立卫星本体坐标系Ob-XbYbZb，其原点为卫星质心，Xb轴垂直于YbObZb平面，Yb轴平行于卫星帆板，Zb轴平行于卫星中心承力筒；
(1b)建立卫星轨道坐标系Oo-XoYoZo，其原点为卫星质心，Xo轴在轨道平面上与Zo轴垂直，其正向指向卫星运动方向，Yo轴垂直于XoOoZo平面，Zo轴正向由卫星质心指向地心；
(1c)建立地心惯性坐标系Oe-XeYeZe，其原点为地心，Xe轴在地球赤道平面内并指向春分点，Ye轴垂直于XeOeZe平面，Ze轴沿地球自转轴指向北极；
(1d)建立地理坐标系Og-XgYgZg，其原点为地面观测站，Xg轴与经线相切，向北为正向，Yg轴与纬线相切，向东为正向，Zg轴由地面观测站指向地心；
(2)获得空间目标与观测站之间的相关信息：
(2a)将地面观测站的经纬度、地面观测站的海拔高度、卫星轨道及卫星的运动姿态输入到卫星运动模拟软件中，得到仿真地面观测站与仿真卫星轨道；
(2b)根据仿真卫星与仿真地面观测站的相对位置，获得卫星轨道坐标系中仿真地面观测站的球面坐标；
(2c)根据仿真卫星的运动姿态，获得卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的欧拉角；
(3)计算动态观测视角：
(3a)利用坐标转换公式，将卫星轨道坐标系中仿真地面观测站的球面坐标转化为直角坐标；
(3b)利用坐标旋转公式和卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的欧拉角，将仿真地面观测站在卫星轨道坐标系中的直角坐标转换为卫星本体坐标系中的直角坐标；
(3c)利用坐标转换公式，将卫星本体坐标系中仿真地面观测站的直角坐标转化为球面坐标；
(4)获得最佳观测时间：
将仿真地面观测站与仿真卫星间距离最近时的仿真地面观测站在卫星本地坐标系中的方位角与时间呈线性变化的时间段，作为最佳观测时间；
(5)设置相关参数：
(5a)将空间目标CAD模型导入电磁仿真软件FEKO中，该模型在电磁仿真软件FEKO中的位置与空间目标在卫星本体坐标系中的位置一致；
(5b)将仿真卫星的最佳观测时间与动态观测视角，输入电磁仿真软件FEKO中；
(5c)在电磁仿真软件FEKO中设置雷达的工作频率范围；
(5d)读取电磁仿真软件FEKO中的电磁仿真参数文件，用仿真卫星的最佳观测时间段的动态方位角与俯仰角替换电磁仿真参数文件中对应的角度参数；
(5e)在Matlab软件中读取仿真卫星的动态观测视角处对应的电磁仿真参数文件；
(6)用大面元物理光学法计算空间目标的电磁散射：
(6a)用9λ/5的三角形面元，将仿真卫星表面进行网格剖分，其中，λ为电磁波波长；
(6b)依据仿真卫星的入射波方向，将仿真卫星网格剖分后的表面划分为照亮区和阴影区；
(6c)用下述的远场近似和切平面近似简化斯特拉顿-朱兰成散射场积分方程，计算仿真卫星的散射场电场强度：
Figure BDA0001784122280000041
其中，Es表示仿真卫星的散射电场强度，j表示虚数单位符号，k表示玻尔兹曼常数，Z0表示仿真卫星的阻抗，H0表示磁场沿单位矢量方向的极化磁场强度，e表示自然常数为底的指数操作，π表示圆周率，R表示仿真卫星到仿真地面观测站之间的距离，∫表示积分操作，S0表示仿真卫星表面照亮区，
Figure BDA0001784122280000042
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的散射方向单位矢量，×表示叉乘操作，
Figure BDA0001784122280000043
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的法线单位矢量，
Figure BDA0001784122280000044
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波磁场强度，rp表示从局部源到仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的位置矢量，·表示点乘操作，
Figure BDA0001784122280000045
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波方向的单位矢量，dSp表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元单元；
(6f)按照下式，计算仿真卫星的雷达散射截面积：
Figure BDA0001784122280000046
其中，σ表示仿真卫星的雷达散射截面积，
Figure BDA0001784122280000047
表示开平方操作，
Figure BDA0001784122280000048
表示接收机接收的散射波的极化方向，hp表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波的极化方向；
(6g)按照下式，计算仿真卫星的散射电场强度：
Figure BDA0001784122280000049
其中，Ei表示仿真卫星的入射电场强度；
(6h)将所有三角形面元的散射场相干叠加，得到仿真卫星的散射回波；
(7)获得仿真卫星的二维图像：
用距离-多普勒算法，处理仿真卫星的散射回波，得到仿真卫星的二维图像。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明利用空间目标与地面观测站位置计算出空间目标动态观测视角及最佳观测时间，克服了现有技术中待测目标为空间目标时，仅能对固定观测视角进行电磁仿真，而对动态变化的视角无法有效仿真成像的问题，使得本发明具有能有效对空间目标进行动态成像的优点。
第二，本发明在最佳观测时间的动态观测视角处，根据雷达参数，用大面元物理光学法计算空间目标的电磁散射，得到空间目标的二维回波矩阵并用距离-多普勒算法成像，克服了现有技术中对于体积较大的空间目标，用MLFMM方法计算量过大，增加时间成本的问题，使得本发明具有能对体积较大的空间目标快速成像的优点。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步的详细描述。
参照附图1，本发明具体实施步骤作进一步的详细描述。
步骤1，建立空间目标观测坐标系。
建立卫星本体坐标系Ob-XbYbZb，其原点为卫星质心，Xb轴垂直于YbObZb平面，Yb轴平行于卫星帆板，Zb轴平行于卫星中心承力筒。
建立卫星轨道坐标系Oo-XoYoZo，其原点为卫星质心，Xo轴在轨道平面上与Zo轴垂直，其正向指向卫星运动方向，Yo轴垂直于XoOoZo平面，Zo轴正向由卫星质心指向地心。
建立地心惯性坐标系Oe-XeYeZe，其原点为地心，Xe轴在地球赤道平面内并指向春分点，Ye轴垂直于XeOeZe平面，Ze轴沿地球自转轴指向北极。
建立地理坐标系Og-XgYgZg，其原点为地面观测站，Xg轴与经线相切，向北为正向，Yg轴与纬线相切，向东为正向，Zg轴由地面观测站指向地心。
步骤2，获得空间目标与观测站之间的相关信息。
将地面观测站的经纬度、地面观测站的海拔高度、卫星轨道及卫星的运动姿态输入到卫星运动模拟软件中，得到仿真地面观测站与仿真卫星轨道。其中，本发明选择的卫星运动模拟软件为Satellite Tool Kit。
根据仿真卫星与仿真地面观测站的相对位置，获得卫星轨道坐标系中仿真地面观测站的球面坐标。
根据仿真卫星的运动姿态，获得卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的欧拉角。
步骤3，计算动态观测视角。
利用坐标转换公式，将卫星轨道坐标系中仿真地面观测站的球面坐标转化为直角坐标。
所述的坐标转换公式如下：
Figure BDA0001784122280000061
Figure BDA0001784122280000062
Figure BDA0001784122280000063
其中，xo(t)表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站的横坐标值，Ro(t)表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站到卫星质心的距离，
Figure BDA0001784122280000064
表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站的俯仰角，cos表示余弦操作，θo(t)表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站的方位角，yo(t)表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站的纵坐标值，zo(t)表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站的高度。
利用坐标旋转公式和卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的欧拉角，将仿真地面观测站在卫星轨道坐标系中的直角坐标转换为卫星本体坐标系中的直角坐标。
所述的坐标旋转公式如下：
Figure BDA0001784122280000071
其中，[]表示矩阵符号，xb(t)表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的横坐标值，yb(t)表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的纵坐标值，RY(θ)表示卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系关于Y轴旋转θ角度的旋转矩阵，RX(φ)表示卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系关于X轴旋转φ角度的旋转矩阵，RZ(ψ)表示卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系关于Z轴旋转ψ角度的旋转矩阵，zb(t)表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的高度。
利用坐标转换公式，将卫星本体坐标系中仿真地面观测站的直角坐标转化为球面坐标。
所述的坐标转换公式如下：
Figure BDA0001784122280000072
Figure BDA0001784122280000073
Figure BDA0001784122280000074
其中，Rb(t)表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的距离，
Figure BDA0001784122280000075
表示开平方操作，θb(t)表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的方位角，arctan表示反正切操作，
Figure BDA0001784122280000076
表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的俯仰角，arccos表示反余弦操作。
步骤4，获得最佳观测时间。
将仿真地面观测站与仿真卫星间距离最近时的仿真地面观测站在卫星本地坐标系中的方位角与时间呈线性变化的时间段，作为最佳观测时间。其中，仿真地面观测站与仿真卫星间距离最近是指如果在卫星沿轨道运行时，有两段仿真地面观测站在卫星本地坐标系中的方位角与时间呈线性变化的时间段，则选择仿真地面观测站与仿真卫星间距离最近的时间段。
步骤5，设置相关参数。
将空间目标CAD模型导入电磁仿真软件FEKO中，该模型在电磁仿真软件FEKO中的位置与空间目标在卫星本体坐标系中的位置一致。
将仿真卫星的最佳观测时间与动态观测视角，输入电磁仿真软件FEKO中。其中，动态观测视角为最佳观测时间段的动态观测视角，观测视角为俯仰角和方位角。
在电磁仿真软件FEKO中设置雷达的工作频率范围。
读取电磁仿真软件FEKO中的电磁仿真参数文件，用仿真卫星的最佳观测时间段的动态方位角与俯仰角替换电磁仿真参数文件中对应的角度参数。其中，每个时刻，用该时刻的俯仰角与方位角替换该时刻的电磁仿真参数文件中的对应角度。
在Matlab软件中读取仿真卫星的动态观测视角处对应的电磁仿真参数文件。其中，在Matlab软件中读取每个时刻的电磁仿真参数文件，调用电磁仿真软件FEKO，在电磁仿真软件FEKO中，用下述大面元物理光学法计算空间目标的电磁散射。
步骤6，用大面元物理光学法计算空间目标的电磁散射。
用9λ/5的三角形面元，将仿真卫星表面进行网格剖分，其中，λ为电磁波波长。其中，传统物理光学法要求三角形面元的尺寸大小为λ/12～λ/6，因为空间目标体积较大，所以选择剖分尺寸较大的大面元物理光学法，其剖分尺寸为9λ/5。
依据仿真卫星的入射波方向，将仿真卫星网格剖分后的表面划分为照亮区和阴影区。其中，仿真卫星表面电磁流仅存在在于被入射波直接照明的区域，所以计算仿真卫星的电磁散射时，必须判断仿真卫星表面三角形面元的照亮情况，这里用Z-buff方法进行遮挡判断。
所述的照亮区是指，在高频条件下仿真卫星的入射波波长远小于仿真卫星的尺寸，仿真卫星网格剖分后的表面照亮区被入射波直接照射，会产生表面电流的区域。
所述的阴影区是指，在高频条件下仿真卫星的入射波波长远小于仿真卫星的尺寸，仿真卫星网格剖分后的表面阴影区未被入射波直接照射，无表面电流，对散射场的贡献严格为零的区域。
用下述的远场近似和切平面近似简化斯特拉顿-朱兰成散射场积分方程，计算仿真卫星的散射场电场强度：
Figure BDA0001784122280000091
其中，Es表示仿真卫星的散射电场强度，j表示虚数单位符号，k表示玻尔兹曼常数，Z0表示仿真卫星的阻抗，H0表示磁场沿单位矢量方向的极化磁场强度，e表示自然常数为底的指数操作，π表示圆周率，R表示仿真卫星到仿真地面观测站之间的距离，∫表示积分操作，S0表示仿真卫星表面照亮区，
Figure BDA0001784122280000092
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的散射方向单位矢量，×表示叉乘操作，
Figure BDA0001784122280000093
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的法线单位矢量，
Figure BDA0001784122280000098
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波磁场强度，rp表示从局部源到仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的位置矢量，·表示点乘操作，
Figure BDA0001784122280000094
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波方向的单位矢量，dSp表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元单元。
所述的远场近似是指，当仿真卫星到仿真地面观测站的距离远远大于仿真卫星的尺寸时，将格林函数的梯度近似为：
Figure BDA0001784122280000095
其中，
Figure BDA0001784122280000096
表示远场的格林函数的梯度，ψ表示远场的格林函数。
所述的切平面近似是指，将仿真卫星网格剖分后的三角形面元的电流值，近似为仿真卫星网格剖分后的三角形面元为理想的光滑平面时的电流值。
按照下式，计算仿真卫星的雷达散射截面积：
Figure BDA0001784122280000097
其中，σ表示仿真卫星的雷达散射截面积，
Figure BDA0001784122280000101
表示开平方操作，
Figure BDA0001784122280000102
表示接收机接收的散射波的极化方向，hp表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波的极化方向。这里表示基于物理光学法的后向散射计算。
按照下式，计算仿真卫星的散射电场强度：
Figure BDA0001784122280000103
其中，Ei表示仿真卫星的入射电场强度。
将所有三角形面元的散射场相干叠加，得到仿真卫星的散射回波。其中，所有三角形面元是指仿真卫星表面照亮区的所有三角形面元。
步骤7，获得仿真卫星的二维图像。
用距离-多普勒算法，处理仿真卫星的散射回波，得到仿真卫星的二维图像。
所述的距离-多普勒算法的步骤如下：
第1步，将散射回波矩阵沿距离向做逆傅里叶变换，获得脉压后回波。
第2步，将脉压后回波进行平动补偿。
第3步，将平动补偿后的脉压后回波沿方位向做逆傅里叶变换，获得仿真卫星的二维图像。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
1.仿真条件：
本发明的仿真实验是在主频2.20GHZ的Inter(R)Xeon(R)CPU E5-2650v4、内存64GB的硬件环境和Satellite Tool Kit、FEKO 17.0、GID 7.0、MATLAB R2015a的软件环境下进行的。
2.仿真内容：
本发明的仿真实验是采用本发明的方法，对OCO-2卫星进行回波的动态电磁仿真，并用距离-多普勒算法处理所得回波进行成像，验证了本方法的有效性。
OCO-2卫星全称Orbiting Carbon Observatory-2，即“在轨碳观测台-2”，该卫星是美国国家航空航天局研制开发的低轨卫星，主要用于研究大气层中二氧化碳含量，卫星轨道参数如表1所示。
地面观测站选用西安观测站(经度：108.95，纬度：34.27，海拔：1027米)。雷达工作频率为16GHz～18GHz，中心频率17GHz，带宽2GHz，扫频点数126，距离向分辨率0.15m。
表1OCO-2卫星主要参数表
Figure BDA0001784122280000111
3.仿真结果分析：
图2(a)为本发明的卫星本体坐标系Ob-XbYbZb中地面观测站的最佳观测时间段的动态俯仰角和方位角的示意图，其中，横坐标代表最佳观测时间段，其单位为秒，纵坐标代表卫星本体坐标系Ob-XbYbZb中地面观测站的俯仰角和方位角的角度，其单位为度。图2(a)中的实线表示卫星本体坐标系Ob-XbYbZb中地面观测站的最佳观测时间段的方位角与时间呈线性变化的曲线。图2(a)中的虚线表示卫星本体坐标系Ob-XbYbZb中地面观测站的最佳观测时间段的俯仰角的变化曲线。由图2(a)可以看出卫星本体坐标系Ob-XbYbZb中地面观测站的方位角在最佳观测时间段内呈线性变化，可以有效成像。
图2(b)为本发明的仿真卫星在最佳观测时间段，当卫星本体坐标系Ob-XbYbZb中地面观测站的俯仰角φ＝48°，方位角θ＝27°时的逆合成孔径雷达成像结果图，其中，横坐标代表仿真卫星的方位向，单位为米，纵坐标代表仿真卫星的距离向，单位为米。
图2(c)为本发明的仿真卫星在最佳观测时间段，当卫星本体坐标系Ob-XbYbZb中地面观测站的俯仰角φ＝48°，方位角θ＝22°时的逆合成孔径雷达成像结果图，其中，横坐标代表仿真卫星的方位向，单位为米，纵坐标代表仿真卫星的距离向，单位为米。
图2(d)为本发明的仿真卫星在最佳观测时间段，当卫星本体坐标系Ob-XbYbZb中地面观测站的俯仰角φ＝48°，方位角θ＝17.5°时的逆合成孔径雷达成像结果图，其中，横坐标代表仿真卫星的方位向，单位为米，纵坐标代表仿真卫星的距离向，单位为米。
由图2(b)、图2(c)、图2(d)可以看出，仿真卫星在最佳观测时间段内的不同观测视角下的成像结果图，仿真卫星的帆板清晰可见，聚焦良好，反映出仿真卫星在特定观测视角下的主要形状与结构特征。
由图2(b)、图2(c)、图2(d)同时观察到，仿真卫星的散射特性在不同观测视角下差异较大，很难用传统的固定散射点模型对其进行准确建模与描述，而采用本发明的方法能够在实测数据有限的情况下，快速准确获取仿真卫星的实时动态回波数据，并可以以此得到仿真卫星的逆合成孔径雷达成像结果，证明了本发明方法的有效性。

Claims (9)

1.一种空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其特征在于，利用空间目标与地面观测站位置计算出空间目标动态观测视角及最佳观测时间，在最佳观测时间的动态观测视角处，根据雷达参数，用大面元物理光学法计算空间目标的电磁散射，得到空间目标的二维回波矩阵并用距离-多普勒算法成像；该方法的具体步骤包括如下：
(1)建立空间目标观测坐标系：
(1a)建立卫星本体坐标系Ob-XbYbZb，其原点为卫星质心，Xb轴垂直于YbObZb平面，Yb轴平行于卫星帆板，Zb轴平行于卫星中心承力筒；
(1b)建立卫星轨道坐标系Oo-XoYoZo，其原点为卫星质心，Xo轴在轨道平面上与Zo轴垂直，其正向指向卫星运动方向，Yo轴垂直于XoOoZo平面，Zo轴正向由卫星质心指向地心；
(1c)建立地心惯性坐标系Oe-XeYeZe，其原点为地心，Xe轴在地球赤道平面内并指向春分点，Ye轴垂直于XeOeZe平面，Ze轴沿地球自转轴指向北极；
(1d)建立地理坐标系Og-XgYgZg，其原点为地面观测站，Xg轴与经线相切，向北为正向，Yg轴与纬线相切，向东为正向，Zg轴由地面观测站指向地心；
(2)获得空间目标与观测站之间的相关信息：
(2a)将地面观测站的经纬度、地面观测站的海拔高度、卫星轨道及卫星的运动姿态输入到卫星运动模拟软件中，得到仿真地面观测站与仿真卫星轨道；
(2b)根据仿真卫星与仿真地面观测站的相对位置，获得卫星轨道坐标系中仿真地面观测站的球面坐标；
(2c)根据仿真卫星的运动姿态，获得卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的欧拉角；
(3)计算动态观测视角：
(3a)利用坐标转换公式，将卫星轨道坐标系中仿真地面观测站的球面坐标转化为直角坐标；
(3b)利用坐标旋转公式和卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的欧拉角，将仿真地面观测站在卫星轨道坐标系中的直角坐标转换为卫星本体坐标系中的直角坐标；
(3c)利用坐标转换公式，将卫星本体坐标系中仿真地面观测站的直角坐标转化为球面坐标；
(4)获得最佳观测时间：
将仿真地面观测站与仿真卫星间距离最近时的仿真地面观测站在卫星本地坐标系中的方位角与时间呈线性变化的时间段，作为最佳观测时间；
(5)设置相关参数：
(5a)将空间目标CAD模型导入电磁仿真软件FEKO中，该模型在电磁仿真软件FEKO中的位置与空间目标在卫星本体坐标系中的位置一致；
(5b)将仿真卫星的最佳观测时间与动态观测视角，输入电磁仿真软件FEKO中；
(5c)在电磁仿真软件FEKO中设置雷达的工作频率范围；
(5d)读取电磁仿真软件FEKO中的电磁仿真参数文件，用仿真卫星的最佳观测时间段的动态方位角与俯仰角替换电磁仿真参数文件中对应的角度参数；
(5e)在Matlab软件中读取仿真卫星的动态观测视角处对应的电磁仿真参数文件；
(6)用大面元物理光学法计算空间目标的电磁散射：
(6a)用9λ/5的三角形面元，将仿真卫星表面进行网格剖分，其中，λ为电磁波波长；
(6b)依据仿真卫星的入射波方向，将仿真卫星网格剖分后的表面划分为照亮区和阴影区；
(6c)用下述的远场近似和切平面近似简化斯特拉顿-朱兰成散射场积分方程，计算仿真卫星的散射场电场强度：
Figure FDA0003972937430000031
其中，Es表示仿真卫星的散射电场强度，j表示虚数单位符号，k表示玻尔兹曼常数，Z0表示仿真卫星的阻抗，H0表示磁场沿单位矢量方向的极化磁场强度，e表示自然常数为底的指数操作，π表示圆周率，R表示仿真卫星到仿真地面观测站之间的距离，∫表示积分操作，S0表示仿真卫星表面照亮区，
Figure FDA0003972937430000032
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的散射方向单位矢量，×表示叉乘操作，
Figure FDA0003972937430000033
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的法线单位矢量，
Figure FDA0003972937430000034
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波磁场强度，rp表示从局部源到仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的位置矢量，·表示点乘操作，
Figure FDA0003972937430000035
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波方向的单位矢量，dSp表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元单元；
(6f)按照下式，计算仿真卫星的雷达散射截面积：
Figure FDA0003972937430000036
其中，σ表示仿真卫星的雷达散射截面积，
Figure FDA0003972937430000037
表示开平方操作，
Figure FDA0003972937430000038
表示接收机接收的散射波的极化方向，
Figure FDA0003972937430000039
表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波的极化方向；
(6g)按照下式，计算仿真卫星的散射电场强度：
Figure FDA00039729374300000310
其中，Ei表示仿真卫星的入射电场强度；
(6h)将所有三角形面元的散射场相干叠加，得到仿真卫星的散射回波；
(7)获得仿真卫星的二维图像：
用距离-多普勒算法，处理仿真卫星的散射回波，得到仿真卫星的二维图像。
2.根据权利要求1所述的空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其特征在于，步骤(3a)中所述的坐标转换公式如下：
Figure FDA0003972937430000041
Figure FDA0003972937430000042
Figure FDA0003972937430000043
其中，xo(t)表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站的横坐标值，Ro(t)表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站到卫星质心的距离，
Figure FDA0003972937430000044
表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站的俯仰角，cos表示余弦操作，θo(t)表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站的方位角，yo(t)表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站的纵坐标值，zo(t)表示仿真卫星轨道坐标系中t时刻仿真地面观测站的高度。
3.根据权利要求2所述的空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其特征在于，步骤(3b)中所述的坐标旋转公式如下：
Figure FDA0003972937430000045
其中，[]表示矩阵符号，xb(t)表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的横坐标值，yb(t)表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的纵坐标值，RY(θ)表示卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系关于Y轴旋转θ角度的旋转矩阵，RX(φ)表示卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系关于X轴旋转φ角度的旋转矩阵，RZ(ψ)表示卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系关于Z轴旋转ψ角度的旋转矩阵，zb(t)表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的高度。
4.根据权利要求3所述的空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其特征在于，步骤(3c)中所述的坐标转换公式如下：
Figure FDA0003972937430000051
Figure FDA0003972937430000052
Figure FDA0003972937430000053
其中，Rb(t)表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的距离，
Figure FDA0003972937430000054
表示开平方操作，θb(t)表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的方位角，arctan表示反正切操作，
Figure FDA0003972937430000055
表示卫星本体坐标系中t时刻仿真地面观测站的俯仰角，arccos表示反余弦操作。
5.根据权利要求1所述的空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其特征在于，步骤(6b)中所述的照亮区是指，在高频条件下仿真卫星的入射波波长远小于仿真卫星的尺寸，仿真卫星网格剖分后的表面照亮区被入射波直接照射，会产生表面电流的区域。
6.根据权利要求1所述的空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其特征在于，步骤(6b)中所述的阴影区是指，在高频条件下仿真卫星的入射波波长远小于仿真卫星的尺寸，仿真卫星网格剖分后的表面阴影区未被入射波直接照射，无表面电流，对散射场的贡献严格为零的区域。
7.根据权利要求1所述的空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其特征在于，步骤(6c)中所述的远场近似是指，当仿真卫星到仿真地面观测站的距离远远大于仿真卫星的尺寸时，将格林函数的梯度近似为：
Figure FDA0003972937430000056
其中，
Figure FDA0003972937430000057
表示远场的格林函数的梯度，ψ表示远场的格林函数。
8.根据权利要求1所述的空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其特征在于，步骤(6c)中所述的切平面近似是指，将仿真卫星网格剖分后的三角形面元的电流值，近似为仿真卫星网格剖分后的三角形面元为理想的光滑平面时的电流值。
9.根据权利要求1所述的空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其特征在于，步骤(7)中所述的距离-多普勒算法的步骤如下：
第1步，将散射回波矩阵沿距离向做逆傅里叶变换，获得脉压后回波；
第2步，将脉压后回波进行平动补偿；
第3步，将平动补偿后的脉压后回波沿方位向做逆傅里叶变换，获得仿真卫星的二维图像。
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