CN110221297B - 一种基于模拟转发模式的高-低轨sar星座布置方法 - Google Patents

一种基于模拟转发模式的高-低轨sar星座布置方法 Download PDF

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Abstract

一种基于模拟转发模式的高‑低轨SAR星座布置方法，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，大幅降低制造成本，便于实现多星组网接收，大幅扩展SAR在遥感科学中的应用能力。通过本发明内容可以根据特定观测需求，设计高‑低轨SAR卫星星座构成，满足转发式双站SAR卫星观测成像的几何需求。

Description

一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座布置方法
技术领域
本发明涉及一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座布置方法，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，单颗LEO-SAR卫星仅能对特定地区提供约每1～2天1次的观测，完全重轨观测需要近1个月的时间；另外，由于多数SAR卫星都飞行在极地轨道上，其仅能提供每天特定两个时间段的观测信息。以上两个特点，大大制约了SAR卫星数据的时效性。采用多星、多轨道系统，能够缩短重访周期。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，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，提供了一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座布置方法，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，大幅降低制造成本，便于实现多星组网接收，大幅扩展SAR在遥感科学中的应用能力。通过本发明内容可以根据特定观测需求，设计高-低轨SAR卫星星座构成，满足转发式双站SAR卫星观测成像的几何需求。
本发明的技术解决方案是：一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座布置方法，包括如下步骤：
根据遥感区域计算高轨道卫星的经度位置，使高轨道卫星的波束能够覆盖整个遥感区域；然后根据计算结果布置高轨道卫星；
根据遥感需求和低轨道转发卫星星群的轨道倾角和卫星高度计算低轨道转发卫星星群的卫星数量，使得在一个重复观测周期内，低轨道转发卫星星群的波束能够覆盖整个遥感区域；然后根据计算结果布置低轨道转发卫星星群；
根据高轨道卫星和低轨道转发卫星星群的联合观测，计算联合观测的有效范围；所述高轨道卫星和低轨道转发卫星星群的联合观测为高轨道卫星发射遥感信号至地面，低轨道转发卫星星群接收经地面散射后的回波信号，将回波信号进行处理后转发至高轨道卫星；
取所述有效范围和遥感区域的交集，对于遥感区域中交集以外的区域，进行补盲设计，完成高-低轨SAR星座的布置。
所述高轨道卫星的经度位置满足
Figure BDA0002097628680000031
其中，地球半径为E、静止轨道半径为Rhigh，(Ilon,Ilat)为遥感区域经纬度，Plon为高轨道卫星的经度。
所述低轨道转发卫星星群的卫星数量Nlow满足
Figure BDA0002097628680000032
其中，E为地球半径，ilow为低轨道卫星轨道倾角，Slow为低轨道卫星有效覆盖幅宽，Tlow为低轨道卫星轨道周期，To为重复观测周期。
所述计算联合观测的有效范围的方法为：在满足精度要求的前提下，遍历遥感区域内所有点，若满足有效范围经纬度要求，则该点为有效范围内的点。
所述有效范围的经纬度(Olon,Olat)满足
Figure BDA0002097628680000033
和
Figure BDA0002097628680000034
其中，(Slon,Slat)为高轨道卫星和低轨道转发卫星星群的联合观测等效点的经度和纬度，RS为等效轨道半径，E为地球半径，(vx,vy,vz)为低轨道卫星飞行速度矢量，(lx,ly,lz)为低轨道卫星飞行位移矢量。
所述(Slon,Slat)为
Figure BDA0002097628680000035
其中，Rhigh为高轨道卫星轨道半径，Rlow为低轨道卫星轨道半径，Llon为低轨道卫星所处位置的经度，Llat为低轨道卫星所处位置的纬度。
所述等效轨道半径为
Figure BDA0002097628680000041
其中，Rhigh为高轨道卫星轨道半径，Rlow为低轨道卫星轨道半径，Llon为低轨道卫星所处位置的经度，Llat为低轨道卫星所处位置的纬度，Plon为高轨道卫星的经度。
低轨道卫星飞行位移矢量(lx,ly,lz)为
Figure BDA0002097628680000042
精度要求为0.1°。
所述补盲设计具体为：布置新的能够覆盖遥感区域中交集以外的区域的低轨道卫星。
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星座构成设计方法，该方法具有实时照射、数据下传的特点。静止轨道卫星停留在特定经度的赤道上空，能够快速响应观测需求；地球静止轨道卫星能够实时下传接收到的回波数据，提高了数据传输时效性；
(2)本发明提出的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座构成方法，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；
(3)本发明提出的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座构成方法，该方法具有低成本实现高重访频率的特点。由于采用了模拟转发式卫星，使得制造成本大幅下降，具备大量布设转发卫星的潜力，有效提高特定区域的重访频率。
(4)本发明提出的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座构成方法，该方法具有无需考虑回避星下点回波和发射脉冲遮挡的优点。由于静止轨道卫星发射、接收信号采用了不同频段，因此无需考虑由发射信号带来的星下点回波、发射脉冲遮挡等问题，简化了SAR卫星系统波位设计。
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：其中，1.为地球静止轨道发射卫星；2.为高轨道卫星发射信号；3.为观测区域；4.为地物回波；5.为低轨道模拟转发式卫星星群；6.为模拟转发回波。
图2是本发明实施例中采用本发明提出方法得到的静止轨道卫星有效覆盖范围示意图。
图3是本发明实施例中采用本发明提出方法得到的低轨道星群有效覆盖范围示意图。
图4是本发明实施例中采用本发明提出方法得到的高-低轨联合等效观测中，有效入射角覆盖范围，示意图中仅采用一颗静止轨道卫星。
图5是本发明实施例中采用本发明提出方法得到的高-低轨联合等效观测中，有效斜视角覆盖范围，示意图中仅采用一颗静止轨道卫星，仅考虑低轨星群升轨条件下的情况。
图6是本发明实施例中采用本发明提出方法得到的高-低轨联合等效观测中，经过补盲设计后得到的最终有效覆盖范围示意图。
具体实施方式
一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座布置方法，包括以下几个步骤：
步骤一：根据观测需求布置地球同步轨道发射卫星
根据所要观测区域的具体位置，将发射卫星放置于特定经度位置的地球静止轨道上，使其波束能够照射到所关心的热点区域；同时为了避免遮挡，应将有效入射角控制在60°以内。
步骤二：计算低轨转发卫星星群有效覆盖能力
依据对地观测和重访周期要求，设计低轨卫星星群轨道参数和数量；同样考虑到避免遮挡问题，应将有效出射角控制在60°以内。
步骤三：计算等效视角并确定高-低轨联合有效观测范围
为了实现距离向有效地距分辨、空间二维分辨能力，双星联合观测等效入射角应大于20°，等效飞行方向和等效波束指向间夹角应大于45°。
步骤四：根据高-低轨星群有效覆盖特性进行补盲设计
依据前三个步骤的设计预估结果，针对无覆盖区域适当调整星群构成参数，实现全覆盖。
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卫星联合观测方法，星座构成如图1所示，具体包括以下几个步骤：
步骤一：根据观测需求布置地球同步轨道发射卫星
如图2，根据所要观测区域的具体位置，将发射卫星放置于特定经度位置的地球静止轨道上(轨道半径42164.169km，高度约35786km)，使其波束能够照射到所关心的热点区域。同时为了避免遮挡，应将有效入射角控制在60°以内。假设地球半径为E、静止轨道半径为Rhigh，若发射卫星位于经纬度为(Plon,0)，则其有效照射区域经纬度(Ilon,Ilat)应满足
Figure BDA0002097628680000061
步骤二：根据观测需求设计低轨转发卫星星群
依据对地观测和重访周期要求，设计低轨卫星星群轨道参数和数量。同样考虑到避免遮挡问题，应将有效出射角控制在60°以内，若低轨卫星轨道半径为Rlow，其有效覆盖幅宽为
Figure BDA0002097628680000062
轨道周期为
Figure BDA0002097628680000071
若满足重复观测周期为To，卫星轨道倾角为ilow，则需要低轨卫星数量为
Figure BDA0002097628680000072
均匀分布在数个轨道面上。
假设在某一时刻，某一低轨卫星飞行至经纬度为(Llon,Llat)处，其有效照射区域经纬度(Blon,Blat)应满足
Figure BDA0002097628680000073
步骤三：计算等效视角并确定高-低轨联合有效观测范围
高-低轨联合等效观测点(Slon,Slat)为
Figure BDA0002097628680000074
等效轨道半径为
Figure BDA0002097628680000075
有效照射区域、有效出射区域重叠处，为了实现距离向有效地距分辨，经纬度(Olon,Olat)需满足
Figure BDA0002097628680000076
考虑到SAR图像需要具备二维空间分辨能力，因此考虑方位向与距离地距向的夹角不应小于45°，若该时刻低轨卫星飞行矢量为(vx,vy,vz)，则经纬度(Olon,Olat)还需满足
Figure BDA0002097628680000081
其中
Figure BDA0002097628680000082
步骤四：根据高-低轨星群有效覆盖特性进行补盲设计
联立(1)(5)(8)(9)后，得到有效观测范围。依据前三个步骤的设计预估结果，针对无覆盖区域适当调整星群构成参数，实现全覆盖。
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例提供一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR卫星联合观测方法。将观测热点设置于西太平洋地区，用于监测舰船航行与灾害救援。本实施例具体包含以下步骤：
步骤一：计算地球同步轨道发射卫星有效覆盖能力；
依据(1)计算地球同步轨道卫星波束有效覆盖范围，如图3所示。双星能够实时照射南北纬50°以内的太平洋区域。
步骤二：计算低轨转发卫星星群有效覆盖能力；
依据(2)(3)(4)能够计算出，在一个轨道周期(96.55min)内，使用18颗低轨卫星能够对赤道地区进行完整覆盖。
依据(5)计算低轨卫星星群有效接收覆盖能力，如图4所示。在一个轨道飞行周期内，低轨卫星星群能能够完整覆盖南北纬50°以内的区域。
根据步骤一和步骤二能够获取星群有效照射、有效接收的共有区域。
步骤三：计算等效视角并确定高-低轨联合有效观测范围；
依据(6)(7)(8)计算高-低轨卫星联合观测时，在一个轨道周期内，满足等效入射角范围的区域。当使用单颗静止轨道卫星时，会在中间区域出现观测盲区，如图5所示。
依据(9)(10)计算高-低轨卫星联合观测时，在一个轨道周期内，满足等效斜视角范围的区域。当仅有升轨卫星接收转发时，出现扇叶状盲区，如图6所示。
步骤四：根据高-低轨星群有效覆盖特性进行补盲设计
针对等效入射角计算中出现的圆环状中空区域，采用双星互为补充，满足完整覆盖需求；针对等效斜视角计算中出现的扇叶状盲区，采用升降轨同时接收，使得扇叶状有效观测区域进行轴向180°旋转，满足完整覆盖需求。
结合步骤一、二、三、四，能够实现在一个轨道周期内，对南北纬50°区域内的太平洋地区的完整覆盖。最终设计结果，卫星轨道参数如表1所示，采用2颗静止轨道卫星，和18颗低轨道卫星进行组网，其有效观测范围如图6所示。
静止轨道卫星与地面相对静止，能够将接收到的数据实时下传给地面接收基站，与传统低轨遥感卫星需要等待过顶才能下传数据相比，系统数据传输时效性大幅提高，且具备持续高宽带传输能力。
相比于传统低轨卫星，实现相同的观测能力则需要约16颗卫星，考虑到模拟转发卫星制造成本不足传统SAR卫星的1/40，该星群的构建成本远低于低轨星群。随着时效性要求的不断提高，低轨卫星的需求数量随之提升，本发明方案的覆盖优势、成本优势将更加明显。
表1实施例参数
Figure BDA0002097628680000091
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 (6)

1.一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座布置方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据遥感区域计算高轨道卫星的经度位置，使高轨道卫星的波束能够覆盖整个遥感区域；然后根据计算结果布置高轨道卫星；
根据遥感需求和低轨道转发卫星星群的轨道倾角和卫星高度计算低轨道转发卫星星群的卫星数量，使得在一个重复观测周期内，低轨道转发卫星星群的波束能够覆盖整个遥感区域；然后根据计算结果布置低轨道转发卫星星群；
根据高轨道卫星和低轨道转发卫星星群的联合观测，计算联合观测的有效范围；所述高轨道卫星和低轨道转发卫星星群的联合观测为高轨道卫星发射遥感信号至地面，低轨道转发卫星星群接收经地面散射后的回波信号，将回波信号进行处理后转发至高轨道卫星；
取所述有效范围和遥感区域的交集，对于遥感区域中交集以外的区域，进行补盲设计，完成高-低轨SAR星座的布置；
所述高轨道卫星的经度位置满足
Figure FDA0003214294700000011
其中，地球半径为E、静止轨道半径为Rhigh，(Ilon,Ilat)为遥感区域经纬度，Plon为高轨道卫星的经度；
所述低轨道转发卫星星群的卫星数量Nlow满足
Figure FDA0003214294700000012
其中，E为地球半径，ilow为低轨道卫星轨道倾角，Slow为低轨道卫星有效覆盖幅宽，Tlow为低轨道卫星轨道周期，To为重复观测周期；
所述计算联合观测的有效范围的方法为：在满足精度要求的前提下，遍历遥感区域内所有点，若满足有效范围经纬度要求，则该点为有效范围内的点；
所述有效范围的经纬度(Olon,Olat)满足
Figure FDA0003214294700000021
和
Figure FDA0003214294700000022
其中，(Slon,Slat)为高轨道卫星和低轨道转发卫星星群的联合观测等效点的经度和纬度，RS为等效轨道半径，E为地球半径，(vx,vy,vz)为低轨道卫星飞行速度矢量，(lx,ly,lz)为低轨道卫星飞行位移矢量。
2.根据权利要求1所述的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座布置方法，其特征在于：所述(Slon,Slat)为
Figure FDA0003214294700000023
其中，Rhigh为高轨道卫星轨道半径，Rlow为低轨道卫星轨道半径，Llon为低轨道卫星所处位置的经度，Llat为低轨道卫星所处位置的纬度。
3.根据权利要求1所述的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座布置方法，其特征在于：所述等效轨道半径为
Figure FDA0003214294700000024
其中，Rhigh为高轨道卫星轨道半径，Rlow为低轨道卫星轨道半径，Llon为低轨道卫星所处位置的经度，Llat为低轨道卫星所处位置的纬度，Plon为高轨道卫星的经度。
4.根据权利要求1所述的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座布置方法，其特征在于：低轨道卫星飞行位移矢量(lx,ly,lz)为
Figure FDA0003214294700000031
5.根据权利要求1所述的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座布置方法，其特征在于：精度要求为0.1°。
6.根据权利要求1所述的一种基于模拟转发模式的高-低轨SAR星座布置方法，其特征在于：所述补盲设计具体为：布置新的能够覆盖遥感区域中交集以外的区域的低轨道卫星。
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