CN110058204A - 一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法 - Google Patents

一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110058204A
CN110058204A CN201910341064.0A CN201910341064A CN110058204A CN 110058204 A CN110058204 A CN 110058204A CN 201910341064 A CN201910341064 A CN 201910341064A CN 110058204 A CN110058204 A CN 110058204A
Authority
CN
China
Prior art keywords
satellite
calibration device
pulse
ground calibration
ground
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910341064.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110058204B (zh
Inventor
解虎
李诗润
谭小敏
党红杏
张选民
高飞
闫伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Institute of Space Radio Technology
Original Assignee
Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Institute of Space Radio Technology filed Critical Xian Institute of Space Radio Technology
Priority to CN201910341064.0A priority Critical patent/CN110058204B/zh
Publication of CN110058204A publication Critical patent/CN110058204A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110058204B publication Critical patent/CN110058204B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/40—Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/4004—Means for monitoring or calibrating of parts of a radar system
    • G01S7/4026—Antenna boresight
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
    • H04B7/18519—Operations control, administration or maintenance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/40—Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/4004—Means for monitoring or calibrating of parts of a radar system
    • G01S7/4026—Antenna boresight
    • G01S7/403—Antenna boresight in azimuth, i.e. in the horizontal plane
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/40—Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/4004—Means for monitoring or calibrating of parts of a radar system
    • G01S7/4026—Antenna boresight
    • G01S7/4034—Antenna boresight in elevation, i.e. in the vertical plane

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，该方法包括如下步骤：(1)对N个地面定标器布阵；(2)得到N个地面定标器的接收功率；(3)通过星地几何判断，此时主瓣是否覆盖该区域；(4)将N个地面定标器的接收功率进行对齐，形成对某一特定脉冲的功率的空间采样，同时对不同定标站距离不同引入的空间衰减进行补偿(5)判断N个地面定标器波束指向是否一致(6)估计波束指向，同时得到代价函数，根据代价函数判断匹配结果是否正确，若正确则输出代价值，否则进入步骤(1)。本发明解决新体制环扫雷达对波束中心定标的高精度要求，在没有可参考方法的背景下，创新性的提出一种基于方向图最优匹配的波束中心估计方法。

Description

一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法
技术领域
本发明属于星载固面天线技术领域，尤其涉及一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法。
背景技术
以某演示验证星为背景，开展固面反射面天线波束中心在轨定标。目前现有的星载天线定标主要以方向图测量为主，对天线波束指向的定标精度一般较低，且卫星指向会随旋转角发射变化，现有方法难以满足卫星指向定标的需求。此外，卫星不仅对指向定标精度要求极高，且要求单脉冲即可实现对波束中心的估计。现有的技术都达不到上述要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，解决新体制环扫雷达对波束中心定标的高精度要求，在没有可参考方法的背景下，创新性的提出一种基于方向图最优匹配的波束中心估计方法，并对定标链路的中的各种误差及偏差进行仔细分析，通过全链路仿真的方法对所提方法进行验证，并通过地面等效试验验证了方法的有效性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，所述方法包括如下步骤：(1)根据保证波束中心俯仰和方位同时估计的原则对N个地面定标器布阵；(2)首先N个地面定标器接收卫星发射的信号，卫星发射信号波形参数已知，通过匹配滤波方法对接收功率进行估计，得到N个地面定标器的接收功率；其中，第i个地面定标器的功率为pi,k，同时根据地面定标器GPS信息，记录信号到达时间为ti,k，其中，下标k表示接收到的脉冲编号，地面定标器在地心坐标系下的位置gi＝[xi,yi,zi]，地面定标器在地心坐标系下的波束指向[ex,i,ey,i,ez,i]；(3)获取卫星第j个脉冲发射信息tsat,j，卫星轨道位置参数信息sj＝[xsat,j,ysat,j,zsat,j]，卫星波束指向信息[esx,j,esy,j,esz,j]，通过星地几何判断，此时主瓣是否覆盖该区域，若判断结果为真，是则进行步骤(4)，否则进入步骤(1)；(4)将N个地面定标器的接收功率进行对齐，形成对某一特定脉冲的功率的空间采样，同时对不同定标站因距离不同引入的空间衰减进行补偿得到补偿后的测量功率值(5)通过卫星位置定标位置[xi,yi,zi]和定标器波束指向[ex,i,ey,i,ez,i]判断N个地面定标器波束指向是否一致,若一致则进行步骤(6)，否则进入步骤(1)；(6)根据星地几何，将固面反射面天线方向图与各地面定标器的脉冲功率测量数据进行匹配，估计波束指向，同时得到代价函数，根据代价函数值判断匹配结果是否位于预设的合理区间内，若代价函数值满足要求，则输出代价值，否则进入步骤(1)；其中，该区间主要由定标器数目N和定标器功率测量精度确定Δp(dBm)，一般代价函数值应小于3*N*Δp。
上述基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法中，在步骤(1)中，保证波束中心俯仰和方位同时估计的原则为：地面定标器的数目不少于4个；采用十字型布阵方法，使得地面定标器具有两维分布；地面定标器在两维的分布均匀，且在任意一维的最大距离小于波束主瓣在地面投影距离的一半。
上述基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法中，在步骤(3)中，星地几何判断的准则为：若通过卫星位置、定标器位置计算所得的矢量与卫星姿控所提供的天线指向矢量夹角αsat2sca小于设定值，则判定为主瓣覆盖；其中，
夹角计算如下：
其中[·]T表示转置，|·|表示向量的模，cos-1(·)表示反余弦函数，xsat,j为卫星发射第j个脉冲时在地心坐标系(ECF)下的x轴坐标，ysat,j为对应的y轴坐标，zsat,j为对应的z轴坐标，xi为第i个地面定标器在ECF的x轴坐标，yi为对应的y轴坐标，zi为对应的z轴坐标，esx,j为卫星发射第j个脉冲时在地心坐标系(ECF)下的波束指向x轴分量，esy,j为对应的y轴分量，esz,j为对应的z轴分量。
上述基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法中，步骤(4)包括如下步骤：
(41)根据地面定标器在地心坐标系下的位置[xi,yi,zi]，计算N个地面定标器之间的最大距离dmax；
(42)首先对接收脉冲序列时间进行对齐，确保将N个地面定标器接收的脉冲信号为同一脉冲；
将对齐后的某一脉冲的N个测量功率计为一次测量，即Pk＝[p1,k p2,k … pN,k]T，并记录其对应接收时间的最小时间为对应的接收站序号为其中，Pk为第k个脉冲功率测量向量，p1,k为第1个地面定标器测得第k个脉冲的功率，p2,k为第2个地面定标器测得第k个脉冲的功率，pN,k为第N个地面定标器测得第k个脉冲的功率，t1,k为第k个脉冲到达第1个地面定标器的时刻，t2,k为第k个脉冲到达第2个地面定标器的时刻，tN,k为第k个脉冲到达第N个地面定标器的时刻。
(43)根据脉冲接收时间第个地面定标器位置从卫星发射脉冲中查找该脉冲被卫星发射的时刻及卫星位置信息；
首先计算步骤(2)输出的所有脉冲到达第定标器的时间
查找中与相差最小的时刻时刻对应的卫星位置为
(44)然后对步骤(42)获得的Pk＝[p1,k p2,k … pN,k]T按照卫星与定标器的距离进行距离衰减补偿，得到补偿后的测量功率值其中，
其中，pi,k为第i个地面定标器测得第k个脉冲的功率，为卫星发射第个脉冲时在地心坐标系(ECF)下的x轴坐标，为卫星发射第个脉冲时在地心坐标系(ECF)下的y轴坐标，为卫星发射第个脉冲时在地心坐标系(ECF)下的z轴坐标。
上述基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法中，在步骤(42)中，对齐规则为：选择地面定标器1时间为参考，选择地面定标器2-N的脉冲时间与地面定标器1的脉冲时间的差值小于Δt＝dmax/c作为N个地面定标器接收的脉冲信号为同一脉冲的标准,其中c为光速。
上述基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法中，在步骤(5)中，判断N个地面定标器波束指向是否一致包括：
若各个地面定标器夹角的方差小于设定值，则一致；其中，
第i个定标器的夹角计算公式如下：
上述基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法中，在步骤(6)中，估计波束指向包括如下步骤：
(61)将天线测试坐标系下的天线方向图转化为球坐标系下的天线方向图，根据波束中心指向为(0,0)时得到球坐标系下的天线方向图
(62)根据卫星波束指向矢量[esx,j,esy,j,esz,j]得到该矢量在球坐标系下的俯仰角θsat和方位角
(63)根据步骤(62)中的俯仰角θsat和方位角得到波束中心指向为时的天线方向图其中，Δψ为波束中心估计精度，q为俯仰搜索序号，m为方位搜索序号，θ为俯仰角，为方位角；
(64)计算N个地面定标器在卫星本体坐标系下的方位角和俯仰角；
(65)根据代价函数对波束中心估计。
上述基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法中，在步骤(64)中，第i个地面定标器在卫星本体坐标系下的方位角θi为：其中，gi为第i个地面定标器在ECF坐标系下的位置向量，sSa为卫星在ECF坐标系下的位置向量；第i个地面定标器在卫星本体坐标系下的俯仰角为：其中，gi为第i个地面定标器在ECF坐标系下的位置向量，sSa为卫星在ECF坐标系下的位置向量，eY为卫星平台Y轴指向在地心坐标系下的方向矢量，eX为卫星平台X轴指向在地心坐标系下的方向矢量。
上述基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法中，在步骤(65)中，代价函数为其中，α0为固定偏差的log值，表示当天线波束指向为时，天线在处的增益；当代价函数中的最小的值和值最小时，波束中心为此时代价函数的值为代价值。
上述基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法中，在步骤(63)中，Δψ为期望的波束中心估计精度，一般取0.01°；q,m的取值保证波束指向偏离卫星波束指向的值小于波束天线波束宽度θsat,3dB和即θsat-θsat,3dB≤θsat+qΔψ≤θsat+θsat,3dB，
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明针对基于天线旋转的全新体制微波遥感载荷，目前国内外尚没有相似载荷，因此其相应的定标手段缺乏，所提方法针对其特殊工作体制展开，国内外尚没有相对应方法。此外所提方法不仅适用于该演示验证星，也适合其他SAR系统的天线波束指向高精度估计，具有较强的普适性。通过采用多个定标器联合定标、天线方向图匹配优化的方法，该方法具有以下优点：波束中心估计精度高，可实现单脉冲波束中心估计；参数估计精度高，对定标器的定标误差稳健性好；具有波束中心两维定标能力；实用性强，可用于其他载荷的对地天线方向图高精度定标。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的定标器布阵图；
图3是本发明实施例提供的天线测试坐标系与球坐标关系的示意图；
图4是本发明实施例提供的不同指向下的天线方向图；
图5是本发明实施例提供的地心固定坐标系的示意图；
图6是本发明实施例提供的星地几何关系示意图；
图7是本发明实施例提供的代价函数随p,m变化图；
图8是本发明实施例提供的定标器位置模板的示意图；
图9是本发明实施例提供的所提供的天线方向图；
图10是本发明实施例提供的所采用的天线方向图；
图11是本发明实施例提供的波束中心估计精度随功率估计精度变化曲线的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例提出一种基于方向图匹配的波束中心估计方法，将地面离散采样的功率点去匹配天线方向图，通过构建合理的匹配函数，确定波束指向。
此外，该演示验证星属于全新体制的微波遥感载荷，目前国内外尚没有相似载荷，因此其相应的定标手段缺乏，所提方法针对环扫雷达特殊工作体制展开，因此国外也没有相对应方法。所提方法不仅适用于该演示验证星，也适合其他SAR系统的天线波束指向高精度估计，具有较强的普适性。
图1是本发明实施例提供的基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：
(1)N个定标器布阵，为保证波束中心俯仰和方位同时估计，N个定标器布阵原则。
(11)定标器数目不少于4个
(12)采用十字型布阵方法，确保定标器具有两维分布。
(13)定标器在两维的分布尽量均匀，且在任意一维的最大距离小于波束主瓣在地面投影距离的一半。如图2所示。
(2).首先N个地面定标器接收卫星发射的信号，卫星发射波形参数已知，通过匹配滤波方法对接收功率进行估计，提高功率估计精度，得到N个地面接收机的接收功率，计第i个定标器的功率为pi,k，同时根据定标器GPS信息，记录信号到达时间为ti,k，其中下表k表示接收到的脉冲编号，定标器在地心坐标系下的位置[xi,yi,zi]，定标器在地心坐标系下的波束指向[ex,i,ey,i,ez,i]。
(3).获取卫星第j个脉冲发射信息tsat,j，卫星轨道参数信息[xsat,j,ysat,j,zsat,j]，卫星波束指向信息[esx,j,esy,j,esz,j]。通过星地几何判断，此时主瓣是否覆盖该区域，若判断结果为真，是则进行下一步，否则重复(1)。判断准则，若通过卫星位置、定标器位置计算所得的矢量与卫星姿控提供的天线指向矢量夹角αsat2sca小于设定值，例如天线波束3dB波束宽度，则判定为主瓣覆盖。
卫星-定标器连线矢量与卫星波束指向的夹角计算如下：
其中[·]T表示转置，|·|表示向量的模，cos-1(·)表示反余弦函数。若判断为主瓣覆盖，则记录所有满足卫星主瓣照射的卫星参数信息，包括脉冲发射时间tsat,j，卫星位置信息[xsat,j,ysat,j,zsat,j]，卫星波束指向信息[esx,j,esy,j,esz,j]。
(4).将所记录的若干个定标器接收到的脉冲序列功率进行对齐，形成对某一特定脉冲的功率的空间采样，同时对不同定标站距离不同引入的空间衰减进行补偿。
(41)根据多个定标器的位置参数[xi,yi,zi]，计算N个定标器之间的最大距离dmax。
(42)首先对接收脉冲序列时间进行对齐，确保将N个定标站接收的脉冲信号为同一脉冲。对齐规则：选择定标器1时间为参考，选择定标器2-N的脉冲时间与定标器1的差别小于Δt＝dmax/c作为各定标器接收的为同一脉冲的标准,其中c为光速。
将对齐后的某一脉冲的N个测量功率计为一次测量，即Pk＝[p1,k p2,k … pN,k]T，并记录其对应接收时间的最小时间为对应的接收站序号为
(43)根据脉冲接收时间第个定标器位置从卫星发射脉冲中查找该脉冲被卫星发射的时刻及卫星位置信息。
首先计算步骤(2)输出的所有脉冲到达第定标器的时间
查找中与相差最小的时刻其中对应的卫星位置为
(44)距离补偿
然后对步骤(42)获得的Pk＝[p1,k p2,k … pN,k]T按照卫星与定标器的距离进行距离衰减补偿。得到其中
(45)将补偿后的测量功率值转化为dBm。
(5).判断定标器指向是否一致。通过卫星位置定标位置[xi,yi,zi]、定标器波束指向[ex,i,ey,i,ez,i]判断定标器波束指向是否一致,若一致则进行下一步，否则重新开始步骤(1)。判断准则：若各个定标器夹角的方差小于某个设定值，且其最大夹角小于预设值(一般设置为0.1度)则认为其一致。定标器指向与卫星定标器连线矢量的夹角计算公式如下：
若βi,i＝1,…N中最大值大于0.1度，则重复步骤1.，计算下一个脉冲是否满足。若最大值小于0.1度，则进行下一步。
(6)根据星地几何，将固面反射面天线方向图(归一化天线方向图，单位为dB.)与各定标站数据进行匹配，估计波束指向，同时输出匹配代价数，根据输出的代价值判断匹配结果是否正确，若正确则输出，否则重新开始第一步。波束中心估计流程如下。
(61)所提供的天线方向图采用的是(俯仰角),(方位角)坐标系的下方向图。首先需要将所提供的天线方向图转化为球坐标系如图3所示。
两者之间的坐标的转化关系为。
通过上式将所提供的天线方向图转化为球坐标系，得到波束中心指向为分别为(0,0)时，球坐标系下的天线方向图为后续表示方便，可表示为
(62)根据卫星波束指向矢量[esx,j,esy,j,esz,j]，计算该矢量在球坐标系下的θsat(俯仰角),(方位角)。
(63)计算波束指向为θsat+qΔψ,时的天线方向图，其中Δψ为期望的波束中心估计精度，一般取0.01°，q,m的取值保证波束指向偏离卫星波束指向的值小于波束天线波束宽度θsat,3dB和即θsat-θsat,3dB≤θsat+qΔψ≤θsat+θsat,3dB，得到多个不同指向的天线方向图图4所示为多个不同指向下的天线方向图示意图。
(64)计算N个定标器在卫星本体坐标系下的方位和俯仰角。
假设卫星某一时刻在地心直角坐标系下的坐标为sSa＝[xSa,ySa,zSa]T，图5所示为地心固定坐标系与卫星本体坐标定义。
图6为卫星局部坐标系，卫星局部坐标系定义：Z轴由地心指向卫星，X轴与Y轴垂直于Z0X平面，并满足右手(RH)坐标系准则。
由图6可知，Z轴的方向矢量为eZ＝[cos(αSa)·cos(βSa)cos(αSa)·sin(βSa)sin(αSa)]T。同理，假设平台Y轴指向在地心坐标系下的方向矢量为eY＝[eY,x eY,y eY,z]T,那么X轴的方向矢量eX为
由图6可以看出卫星坐标系下的俯仰角度和地面定标器坐标向量[xi,yi,zi]T(地心坐标系)下之间存在一一对应的关系，这种对应关系如下：
(65)波束中心估计，利用步骤(45)获得的定标器功率步骤(63)获得的多个不同波束指向的天线方向图通过求解如下代价函数对波束中心进行估计。
其中α0为固定偏差的log值，表示当天线波束指向为时，天线在处的增益。通过计算获得使上式最小的值，则波束中心为此时(4)式的值为代价值。图7所示为不同q,m时式(4)的取值分布，可见该代价函数对波束中心变化较为敏感，具备较高的波束中心估计精度。
仿真实验
定标器位置模板，如图8所示。
主要仿真参数如下表所示
仿真实验所采用天线方向图如图9和图10所示。
由于实际中接收信号功率计算受到多中因素的影响，会产生一定的测量误差，图11所示为所提波束中心估计精度随功率估计变化曲线。
可以看出对于曼哈顿距离方法，采用4个定标器，可以实现方位和俯仰的有效估计，当功率估计起伏小于0.6dB时，测量精度小于0.03°。
对波束中心估计精度进行仿真，仿真中均采用标准差进行分析，可以看出，波束指向估计满足0.03°的波束估计精度。通过上述实验可以看出，基于曼哈顿距离的估计方法随着定标器在主瓣内位置的变化性能变化较小。此外基于曼哈顿距离方法的估计方法可对系统的绝对功率定标进行估计。
本实施例针对基于天线旋转的全新体制微波遥感载荷，目前国内外尚没有相似载荷，因此其相应的定标手段缺乏，所提方法针对其特殊工作体制展开，国内外尚没有相对应方法。此外所提方法不仅适用于该演示验证星，也适合其他SAR系统的天线波束指向高精度估计，具有较强的普适性。通过采用多个定标器联合定标、天线方向图匹配优化的方法，该方法具有以下优点：波束中心估计精度高，可实现单脉冲波束中心估计；参数估计精度高，对定标器的定标误差稳健性好；具有波束中心两维定标能力；实用性强，可用于其他载荷的对地天线方向图高精度定标。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)根据保证波束中心俯仰和方位同时估计的原则对N个地面定标器布阵；
(2)首先N个地面定标器接收卫星发射的信号，卫星发射信号波形参数已知，通过匹配滤波方法对接收功率进行估计，得到N个地面定标器的接收功率；其中，第i个地面定标器的功率为pi,k，同时根据地面定标器GPS信息，记录信号到达时间为ti,k，其中，下标k表示接收到的脉冲编号，地面定标器在地心坐标系下的位置gi＝[xi,yi,zi]，地面定标器在地心坐标系下的波束指向[ex,i,ey,i,ez,i]；
(3)获取卫星第j个脉冲发射信息tsat,j，卫星轨道位置参数信息sj＝[xsat,j,ysat,j,zsat,j]，卫星波束指向信息[esx,j,esy,j,esz,j]，通过星地几何判断，此时主瓣是否覆盖该区域，若判断结果为真，是则进行步骤(4)，否则进入步骤(1)；
(4)将N个地面定标器的接收功率进行对齐，形成对某一特定脉冲的功率的空间采样，同时对不同地面定标器因距离不同引入的空间衰减进行补偿得到补偿后的测量功率值
(5)通过卫星位置定标位置[xi,yi,zi]和定标器波束指向[ex,i,ey,i,ez,i]判断N个地面定标器波束指向是否一致,若一致则进行步骤(6)，否则进入步骤(1)；
(6)根据星地几何，将固面反射面天线方向图与各地面定标器的脉冲功率测量数据进行匹配，估计波束指向，同时得到代价函数值，根据代价函数值判断匹配结果是否位于预设的合理区间内，若代价函数值满足要求，则输出代价函数值，否则进入步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，其特征在于：在步骤(1)中，保证波束中心俯仰和方位同时估计的原则为：地面定标器的数目不少于4个；采用十字型布阵方法，使得地面定标器具有两维分布；地面定标器在两维的分布均匀，且在任意一维的最大距离小于波束主瓣在地面投影距离的一半。
3.根据权利要求1所述的基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，其特征在于：在步骤(3)中，星地几何判断的准则为：若通过卫星位置、定标器位置计算所得的矢量与卫星姿控所提供的天线指向矢量夹角αsat2sca小于设定值，则判定为主瓣覆盖；其中，
夹角计算如下：
其中[·]T表示转置，|·|表示向量的模，cos-1(·)表示反余弦函数，xsat,j为卫星发射第j个脉冲时在地心坐标系(ECF)下的x轴坐标，ysat,j为对应的y轴坐标，zsat,j为对应的z轴坐标，xi为第i个地面定标器在ECF的x轴坐标，yi为对应的y轴坐标，zi为对应的z轴坐标，esx,j为卫星发射第j个脉冲时在地心坐标系(ECF)下的波束指向x轴分量，esy,j为对应的y轴分量，esz,j为对应的z轴分量。
4.根据权利要求1所述的基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，其特征在于：步骤(4)包括如下步骤：
(41)根据地面定标器在地心坐标系下的位置[xi,yi,zi]，计算N个地面定标器之间的最大距离dmax；
(42)首先对接收脉冲序列时间进行对齐，确保将N个地面定标器接收的脉冲信号为同一脉冲；
将对齐后的某一脉冲的N个测量功率计为一次测量，即Pk＝[p1,k p2,k … pN,k]T，并记录其对应接收时间的最小时间为对应的接收站序号为其中，Pk为第k个脉冲功率测量向量，p1,k为第1个地面定标器测得第k个脉冲的功率，p2,k为第2个地面定标器测得第k个脉冲的功率，pN,k为第N个地面定标器测得第k个脉冲的功率，t1,k为第k个脉冲到达第1个地面定标器的时刻，t2,k为第k个脉冲到达第2个地面定标器的时刻，tN,k为第k个脉冲到达第N个地面定标器的时刻。
(43)根据脉冲接收时间第个地面定标器位置从卫星发射脉冲中查找该脉冲被卫星发射的时刻及卫星位置信息；
首先计算步骤(2)输出的所有脉冲到达第定标器的时间
查找中与相差最小的时刻时刻对应的卫星位置为
(44)然后对步骤(42)获得的Pk＝[p1,k p2,k … pN,k]T按照卫星与定标器的距离进行距离衰减补偿，得到补偿后的测量功率值其中，
其中，pi,k为第i个地面定标器测得第k个脉冲的功率，为卫星发射第个脉冲时在地心坐标系下的x轴坐标，为卫星发射第个脉冲时在地心坐标系下的y轴坐标，为卫星发射第个脉冲时在地心坐标系下的z轴坐标。
5.根据权利要求4所述的基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，其特征在于：在步骤(42)中，对齐规则为：选择地面定标器1时间为参考，选择地面定标器2-N的脉冲时间与地面定标器1的脉冲时间的差值小于Δt＝dmax/c作为N个地面定标器接收的脉冲信号为同一脉冲的标准,其中c为光速。
6.根据权利要求1所述的基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，其特征在于：在步骤(5)中，判断N个地面定标器波束指向是否一致包括：
若各个地面定标器夹角的方差小于设定值，则一致；其中，
第i个定标器的夹角计算公式如下：
7.根据权利要求1所述的基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，其特征在于：在步骤(6)中，估计波束指向包括如下步骤：
(61)将天线测试坐标系下的天线方向图转化为球坐标系下的天线方向图，根据波束中心指向为(0,0)时得到球坐标系下的天线方向图
(62)根据卫星波束指向矢量[esx,j,esy,j,esz,j]得到该矢量在球坐标系下的俯仰角θsat和方位角
(63)根据步骤(62)中的俯仰角θsat和方位角得到波束中心指向为时的天线方向图其中，Δψ为波束中心估计精度，q为俯仰搜索序号，m为方位搜索序号，θ为俯仰角，为方位角；
(64)计算N个地面定标器在卫星本体坐标系下的方位角和俯仰角；
(65)根据代价函数对波束中心估计。
8.根据权利要求7所述的基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，其特征在于：在步骤(64)中，第i个地面定标器在卫星本体坐标系下的方位角θi为：其中，gi为第i个地面定标器在ECF坐标系下的位置向量，sSa为卫星在ECF坐标系下的位置向量；
第i个地面定标器在卫星本体坐标系下的俯仰角为：其中，gi为第i个地面定标器在ECF坐标系下的位置向量，sSa为卫星在ECF坐标系下的位置向量，eY为卫星平台Y轴指向在地心坐标系下的方向矢量，eX为卫星平台X轴指向在地心坐标系下的方向矢量。
9.根据权利要求8所述的基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，其特征在于：在步骤(65)中，代价函数为
其中，α0为固定偏差的log值，表示当天线波束指向为时，天线在处的增益；
当代价函数中的最小的值和值最小时，波束中心为此时代价函数的值为代价值。
10.根据权利要求7所述的基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法，其特征在于：在步骤(63)中，Δψ为期望的波束中心估计精度，一般取0.01°；q,m的取值保证波束指向偏离卫星波束指向的值小于波束天线波束宽度θsat,3dB和即
CN201910341064.0A 2019-04-25 2019-04-25 一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法 Active CN110058204B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910341064.0A CN110058204B (zh) 2019-04-25 2019-04-25 一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910341064.0A CN110058204B (zh) 2019-04-25 2019-04-25 一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110058204A true CN110058204A (zh) 2019-07-26
CN110058204B CN110058204B (zh) 2021-03-26

Family

ID=67320858

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910341064.0A Active CN110058204B (zh) 2019-04-25 2019-04-25 一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110058204B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110907904A (zh) * 2019-11-14 2020-03-24 成都信息工程大学 一种太阳法方位波束宽度修正方法
CN112213702A (zh) * 2020-09-25 2021-01-12 北京空间飞行器总体设计部 一种geo sar卫星波束指向标定方法
CN112485757A (zh) * 2020-10-26 2021-03-12 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 星载太赫兹探测仪天线电轴在轨标定方法及系统
CN114200537A (zh) * 2021-12-13 2022-03-18 北京环境特性研究所 一种卫星下视地球的探测边界确定方法
CN114390534A (zh) * 2020-10-16 2022-04-22 中国移动通信集团设计院有限公司 波束模式确定方法、装置、电子设备及存储介质
CN115421169A (zh) * 2022-08-29 2022-12-02 中国科学院国家空间科学中心 一种在轨定标gnss-r波束扫描天线中心指向的方法和装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103675789A (zh) * 2013-12-18 2014-03-26 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种定标方法
CN103675773A (zh) * 2013-11-29 2014-03-26 西安空间无线电技术研究所 一种定标器与卫星指向对准的确定方法
US20140210661A1 (en) * 2011-04-07 2014-07-31 Mrinal Singh Balaji Systems and methods for calibrating dual polarization radar systems
CN104898100A (zh) * 2015-04-30 2015-09-09 中国电子科技集团公司第三十八研究所 基于弱布设角反射器的机载sar辐射外定标处理方法
CN106291487A (zh) * 2016-08-04 2017-01-04 上海无线电设备研究所 一种基于agc电压和回波数据的雷达接收功率和rcs估计方法
CN106932762A (zh) * 2015-12-30 2017-07-07 北京空间飞行器总体设计部 合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法
CN107534877A (zh) * 2015-04-28 2018-01-02 瑞典爱立信有限公司 用于控制波束网格的设备和方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140210661A1 (en) * 2011-04-07 2014-07-31 Mrinal Singh Balaji Systems and methods for calibrating dual polarization radar systems
CN103675773A (zh) * 2013-11-29 2014-03-26 西安空间无线电技术研究所 一种定标器与卫星指向对准的确定方法
CN103675789A (zh) * 2013-12-18 2014-03-26 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种定标方法
CN107534877A (zh) * 2015-04-28 2018-01-02 瑞典爱立信有限公司 用于控制波束网格的设备和方法
CN104898100A (zh) * 2015-04-30 2015-09-09 中国电子科技集团公司第三十八研究所 基于弱布设角反射器的机载sar辐射外定标处理方法
CN106932762A (zh) * 2015-12-30 2017-07-07 北京空间飞行器总体设计部 合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法
CN106291487A (zh) * 2016-08-04 2017-01-04 上海无线电设备研究所 一种基于agc电压和回波数据的雷达接收功率和rcs估计方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴华铠等: "分布式星载SAR波束同步误差对合成双程天线方向图的影响分析 ", 《科学技术与工程》 *
王宏建等: "海洋二号微波定标辐射计天线子系统 ", 《电波科学学报》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110907904A (zh) * 2019-11-14 2020-03-24 成都信息工程大学 一种太阳法方位波束宽度修正方法
CN112213702A (zh) * 2020-09-25 2021-01-12 北京空间飞行器总体设计部 一种geo sar卫星波束指向标定方法
CN112213702B (zh) * 2020-09-25 2023-07-25 北京空间飞行器总体设计部 一种geo sar卫星波束指向标定方法
CN114390534A (zh) * 2020-10-16 2022-04-22 中国移动通信集团设计院有限公司 波束模式确定方法、装置、电子设备及存储介质
CN114390534B (zh) * 2020-10-16 2024-03-12 中国移动通信集团设计院有限公司 波束模式确定方法、装置、电子设备及存储介质
CN112485757A (zh) * 2020-10-26 2021-03-12 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) 星载太赫兹探测仪天线电轴在轨标定方法及系统
CN114200537A (zh) * 2021-12-13 2022-03-18 北京环境特性研究所 一种卫星下视地球的探测边界确定方法
CN114200537B (zh) * 2021-12-13 2023-12-22 北京环境特性研究所 一种卫星下视地球的探测边界确定方法
CN115421169A (zh) * 2022-08-29 2022-12-02 中国科学院国家空间科学中心 一种在轨定标gnss-r波束扫描天线中心指向的方法和装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN110058204B (zh) 2021-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110058204A (zh) 一种基于方向图匹配的星载天线波束中心定标方法
CN107367716B (zh) 一种高精度星载sar几何定标方法
CN103746757B (zh) 一种基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法
CN104820217B (zh) 一种多法向平面的多元线阵探测成像激光雷达的检校方法
US7994964B2 (en) Method for determining the position, notably in terms of elevation, of a target flying at very low altitude
CN104316903A (zh) 一种三站时差定位性能试验评估方法
CN107632208B (zh) 一种球面近场天线测量方法及系统
CN110308746A (zh) 一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法
CN108225185A (zh) 一种车载扫描系统检校方法
RU2411538C2 (ru) Способ определения ошибки измерения скорости ла инерциальной навигационной системой и бортовой навигационный комплекс для его реализации
CN109917333A (zh) 融合aoa观测量与tdoa观测量的无源定位方法
CN111323804A (zh) 一种基于北斗系统的船舶姿态测量设备及测量方法
CN104375129B (zh) 一种分布式阵列相参合成雷达发射相参参数校准方法
RU2372627C1 (ru) Способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта в большом диапазоне изменения величин эффективных площадей рассеивания локальных центров при многочастотном импульсном зондировании
CN108663577B (zh) 一种多探头球面近场交叉极化校正方法
CN103744081A (zh) 一种机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法
CN107560618A (zh) 基于rfid的机器人室内定位方法
US11054503B2 (en) Radar target spherical projection method for maritime formation
CN103257340A (zh) 一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法
CN112098926B (zh) 一种利用无人机平台的智能测角训练样本生成方法
CN112240957B (zh) 一种卫星导航干扰测向中天线幅相特性校正方法
CN109238246A (zh) 基于全周角度约束的多站多点自适应六自由度测量方法
CN109856619B (zh) 一种雷达测向相对系统误差修正方法
CN110515066A (zh) 一种车载毫米波雷达及其目标高度测量方法
Brinegar Passive direction finding: combining amplitude and phase based methods

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant