CN110221296B - 基于模拟转发模式的高-低轨sar卫星联合观测系统 - Google Patents

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Abstract

基于模拟转发模式的高‑低轨SAR卫星联合观测系统，属于遥感技术领域。本发明利用地球静止轨道卫星照射观测区域、低轨卫星接收地物回波并转发至高轨卫星上，实现快速多普勒积累。低轨卫星仅实现模拟转发能力，不具有高功率发射机、大尺寸太阳能帆板和高速AD采样/存储设备，能够大幅降低制造成本，便于实现多星组网接收。通过组建静止轨道发射‑低轨组网转发‑静止轨道卫星接收系统，实现了低成本、高时效性微波成像观测，大幅扩展SAR在遥感科学中的应用能力。

Description

基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统
技术领域
本发明涉及基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，属于遥感技术领域。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是天基遥感的重要组成部分，它主动发射微波信号并接收地面目标的散射回波，通过成像处理得到地面高分辨率图像。依赖于微波的主动穿透特性，其可穿透云雨的遮挡、无视阳光照射条件，全天时、全天候对地观测。近年来，随着科技发展与社会进步，天基雷达系统已广泛应用于军事和民用的各个方面，在海洋监测、防灾减灾、植被普查、科学考古、地理测绘等方面都发挥了重要作用。
现有SAR卫星均飞行在近圆、近地轨道上(Low Earth Orbit，LEO)，受限于观测幅宽和轨道周期的物理限制，SAR卫星数据的时效性较差。采用多星、多轨道系统，能够缩短重访周期。但这种性能的提升伴随着制造、发射成本的线性增加，受制于能效比，现有的多星系统仅开展了4星左右的星座规划。约半日的重访周期依然无法满足突发灾害和应急观测需求。由于雷达卫星需要具备高功率发射机、大尺寸天线和太阳能帆板、高速AD采样和数传等能力，其小型化、廉价化发展速度相比于光学遥感卫星依然较慢(2018年发射的NovaSAR被誉为最廉价的SAR卫星，其制造成本也超过了3000万英镑)，多星组网潜力不大。
针对以上问题，有文献提出将SAR卫星放置在地球同步轨道(GeosynchronousOrbit，GEO)上运行，其轨道运动周期与地球自转周期相近，可以在某一固定区域上空飞行，达到每天约2个小时左右的持续观测能力。然而，GEO-SAR星地相对运动较慢，其多普勒积累时间极长，导致轻微运动目标会出现强烈散焦，无法获取清晰的图像；另外，二维空时变特性也给高效成像处理带来了极大困难。因此，GEO-SAR虽然提高了重访和凝视能力，但并没有实质性地提高SAR图像的应用效能。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，利用地球静止轨道卫星照射观测区域、低轨卫星接收地物回波并转发至高轨卫星上，实现快速多普勒积累。低轨卫星仅实现模拟转发能力，不具有高功率发射机、大尺寸太阳能帆板和高速AD采样/存储设备，能够大幅降低制造成本，便于实现多星组网接收。通过组建静止轨道发射-低轨组网转发-静止轨道卫星接收系统，实现了低成本、高时效性微波成像观测，大幅扩展SAR在遥感科学中的应用能力。
本发明的技术解决方案是：基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，包括高轨道卫星和低轨道卫星；
所述高轨道卫星包括信号发生器、第一波段发射机、第一波段相控阵天线、第二波段接收天线、第二波段混频器、第一波段接收机、AD采样与存储器；
所述低轨道卫星包括第一波段接收天线、第二波段模拟混频器、低功率第二波段发射机、第二波段发射天线；
信号发生器生成第一波段发射信号，传递至第一波段发射机提高信号功率后，由第一波段相控阵天线发射至遥感区域；经遥感区域地物散射后，第一波段回波信号由所述第一波段接收天线接收，然后经过第二波段模拟混频器将第一波段回波信号调频至第二波段回波信号；第二波段发射机将第二波段回波信号提高功率后，由第二波段发射天线发射给高轨道卫星；第二波段接收天线接收第二波段回波信号后，由第二波段混频器调频至第一波段待接收信号，第一波段接收机接收第一波段待接收信号，最终由AD采样与存储器将第一波段待接收信号采样为数字信号并存储为回波数据；高轨道卫星将回波数据实时发送给地面接收站进行遥感区域成像处理。
所述信号发生器为宽带线性调频信号发生器。
第一波段的频率低于第二波段的频率。
所述第二波段混频器为上混频器，所述第二波段模拟混频器为下混频器。
第一波段为X波段，第二波段为Ka波段。
所述高轨道卫星为地球同步轨道卫星。
所述高轨道卫星为地球静止轨道卫星。
所述低轨道卫星有24个，均布置在轨道高度为400km的圆形轨道上，每个低轨道卫星的轨道面倾角为47°，升交点赤经间隔14°。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测方法，该方法具有短时成像特点。低轨卫星接收回波，能够快速积累多普勒带宽，实现短时成像；
(2)本发明提出的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测方法，该方法具有低成本组网特点。低轨卫星采用模拟转发模式，无需大功率发射机、大尺寸太阳能帆板和高速AD采样系统，大幅降低制造成本(有期望将单星成本降低至100万美元)，便于实现大规模组网，与少量高轨卫星搭配易于实现高频率重访能力；
(3)本发明提出的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测方法，该方法具有时间、频率同步特点。线性调频信号的产生、回波采样均在高轨卫星上进行，避免了双站SAR常见的时间、频率不同步问题。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统星座构成示意图；
图2是本发明提出的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统卫星有效载荷构成示意图。
具体实施方式
基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，包括以下几个内容：
内容一：地球静止轨道卫星有效载荷构成
地球静止轨道卫星有效载荷包括宽带线性调频信号发生器、高功率X波段发射机、大规模X波段相控阵天线、小型Ka波段接收天线、Ka波段下混频器、X波段接收机、高速AD采样与存储器。
内容二：低轨模拟转发卫星有效载荷构成
低轨道模拟转发式卫星有效载荷包括中尺度X波段接收天线、Ka波段模拟上混频器、低功率Ka波段发射机、小型Ka波段发射天线。由于低轨卫星采用模拟转系统作为有效载荷，取消了大规模供电设备、高功率信号发射机、高速AD采样和存储系统等，相比于传统SAR卫星，大幅降低了制造、发射成本，使得多星组网成为可能。
内容三：高-低轨卫星联合观测遥感数据生成流程
地球静止轨道卫星发射高功率X波段线性调频信号；经地物散射后，回波信号由低轨卫星接收；在低轨卫星上，经过模拟混频器将X波段回波上调频至Ka波段；低轨卫星将Ka波段回波发射给高轨卫星；高轨卫星接收Ka波段回波后，下调频至基带，最终由AD采样器采样为数字信号。
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，星座构成如图1所示，有效载荷构成如图2所示，具体包括以下几个内容：
内容一：地球静止轨道卫星有效载荷构成
地球静止轨道卫星有效载荷包括宽带线性调频信号发生器、高功率X波段发射机、大规模X波段相控阵天线、小型Ka波段接收天线、Ka波段下混频器、X波段接收机、高速AD采样与存储器。
内容二：低轨模拟转发卫星有效载荷构成
低轨道模拟转发式卫星有效载荷包括中尺度X波段接收天线、Ka波段模拟上混频器、低功率Ka波段发射机、小型Ka波段发射天线。
低轨道卫星有24个，均布置在轨道高度为400km的圆形轨道上，每个低轨道卫星的轨道面倾角为47°，升交点赤经间隔14°。
内容三：高-低轨卫星联合观测遥感数据生成流程
地球静止轨道卫星发射高功率X波段线性调频信号；经地物散射后，回波信号由低轨卫星接收；在低轨卫星上，经过模拟混频器将X波段回波上调频至Ka波段；低轨卫星将Ka波段回波发射给高轨卫星；高轨卫星接收Ka波段回波后，下调频至基带，最终由AD采样器采样为数字信号。
经由以上内容，可以实现基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测。由于低轨卫星采用模拟转发系统作为有效载荷，取消了大规模供电设备、高功率信号发射机、高速AD采样和存储系统等，相比于传统SAR卫星，大幅降低了制造、发射成本，使得多星组网成为可能。另外，线性调频信号的产生、回波去调频、采样均在高轨卫星上进行，避免了双站SAR常见的时间、频率不同步问题。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，其特征在于：包括高轨道卫星和低轨道卫星；
所述高轨道卫星包括信号发生器、第一波段发射机、第一波段相控阵天线、第二波段接收天线、第二波段混频器、第一波段接收机、AD采样与存储器；
所述低轨道卫星包括第一波段接收天线、第二波段模拟混频器、低功率第二波段发射机、第二波段发射天线；
信号发生器生成第一波段发射信号，传递至第一波段发射机提高信号功率后，由第一波段相控阵天线发射至遥感区域；经遥感区域地物散射后，第一波段回波信号由所述第一波段接收天线接收，然后经过第二波段模拟混频器将第一波段回波信号调频至第二波段回波信号；第二波段发射机将第二波段回波信号提高功率后，由第二波段发射天线发射给高轨道卫星；第二波段接收天线接收第二波段回波信号后，由第二波段混频器调频至第一波段待接收信号，第一波段接收机接收第一波段待接收信号，最终由AD采样与存储器将第一波段待接收信号采样为数字信号并存储为回波数据；高轨道卫星将回波数据实时发送给地面接收站进行遥感区域成像处理；
所述信号发生器为宽带线性调频信号发生器。
2.根据权利要求1所述的基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，其特征在于：第一波段的频率低于第二波段的频率。
3.根据权利要求2所述的基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，其特征在于：所述第二波段混频器为上混频器，所述第二波段模拟混频器为下混频器。
4.根据权利要求2所述的基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，其特征在于：第一波段为X波段，第二波段为Ka波段。
5.根据权利要求1所述的基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，其特征在于：所述高轨道卫星为地球同步轨道卫星。
6.根据权利要求5所述的基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，其特征在于：所述高轨道卫星为地球静止轨道卫星。
7.根据权利要求1所述的基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测系统，其特征在于：所述低轨道卫星有24个，均布置在轨道高度为400km的圆形轨道上，每个低轨道卫星的轨道面倾角为47°，升交点赤经间隔14°。
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