CN110488292A - 一种基于卫星编队的遥感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于卫星编队的遥感系统，包括以成像传感装置、同步装置为有效载荷的主星、第一辅星和第二辅星，所述第一辅星和第二辅星围绕所述主星飞行且所述主星位于所述第一辅星和第二辅星的运动轨迹的长轴上以形成具有相同切航迹基线分量的第一空间基线和第二空间基线，所述成像传感装置根据所述同步装置基于时间、频率以及空间同步以形成时间序列的第一空间基线和第二空间基线从而获取地面区域变化的时空特征。本发明能够在基于卫星编队提供高精细、宽幅、三维成像的情况下，通过时间、频率以及空间同步来获取地面区域变化的时空特征。

Description

一种基于卫星编队的遥感系统
技术领域
本发明涉及遥感技术领域，尤其涉及一种基于卫星编队的遥感系统。
背景技术
卫星遥感系统是指卫星平台搭载传感器对地进行主/被动的成像观测，以数字图像的方式获取地球多方面特征信息。搭载合成孔径雷达的卫星采用微波有源探测的方式，通过距离向的脉冲压缩和方位向的合成孔径技术，可穿透云、雨、雾、沙尘暴等，具备全天候、全天时的工作能力，能实现对地高分辨宽幅成像，是常年多云雨地区最有效的数据获取方式。
区别于光学遥感，合成孔径雷达卫星可获取观测区域的复影像，即同时包含强度信息和相位信息。通过合成孔径干涉测量技术，可提取雷达复影像数据的相位信息反演地形和地表微小变化信息。这些信息使得合成孔径雷达卫星在国土资源、地震、地质、防灾减灾、农业、林业、水文、测绘与军事等领域有独特的应用价值。
例如，公开号为CN108120981A的中国专利文献公开了一种浅海水深雷达遥感探测方法，该方法包括：获取待探测区域的多景SAR遥感图像，其中，多景SAR遥感图像包括q个单景SAR遥感图像，每个单景SAR遥感图像均包含待探测区域内海浪由深水海区传至浅水海区的图像特征，对每个单景SAR遥感图像进行计算，分别得到浅水海区的浅海水深探测结果；对通过各个单景SAR遥感图像得到的浅海水深探测结果分别进行潮汐校正；对校正后的浅海水深探测结果逐元素根据预定的规则组成包含q个元素的一维浅海水深数组，通过卡尔曼滤波器算法对每组浅海水深数组进行滤波滤波后的每组浅海水深数组中最后一个元素数值作为浅水海区的深度。该专利利用单颗载有雷达的卫星进行合成孔径雷达成像，利用多个单景SAR遥感图像实现大面积、近实时浅海水下地形探测，尤其在水色级次较高，多云多雨以及船只无法进入的浅海区域。
例如，公开号为CN108053416A的中国专利文献公开了一种基于单幅卫星图像的最大储油量提取系统，包括卫星遥感图像浏览模块、图像子区域分割模块、边界点自动捕捉模块、油罐阴影测高模块和储油量计算模块；其中，卫星遥感图像浏览模块用于获取卫星遥感图像操作时的人机交互信息；图像子区域分割模块用于提取油罐目标的轮廓边缘，方便关键点选取；边界点自动捕捉模块弧边上的关键点的辅助选取；油罐阴影测高模块用于基于油罐阴影信息计算油罐的高度。该专利基于单幅的卫星图像进行油罐高度的精确提取，有效避免了人工方式确定同名弧点带来的计算误差，大幅提高了油罐高度的提取速度。
但是，以上专利采用单颗SAR卫星遥感成像，其获得的地形特征有限、分辨率有限、测绘宽度有限。例如，单幅卫星图像中地面的高度信息不足，提取得到的油罐高度不够精确。而且图像分辨率有限，得到的轮廓、阴影等信息也不够精确，采用不够精确的图像信息，即使避免了人工方式确定同名弧点带来的计算误差，也无法得到精确的高度信息。而采用多个单景SAR遥感图像来实现浅海水下地形探测，无法避免多个单景SAR遥感图像的时间同步问题，即在单颗卫星下得到的多个单景SAR遥感图像是时间不连续、方位向不连续的，其包含的水深信息是不同时刻下的信息，无法保证浅海水下地形探测的实时性。另外，对于单颗合成孔径雷达卫星而言，图像的分辨率和测绘宽度是矛盾的，无法在宽幅成像的同时保持高分辨率，因此在大面积浅海水成像的情况下，只能保持较低的分辨率成像，不利于浅海水的地下探测。基于卫星编队或星座的分布式合成孔径雷达系统，在不同的卫星上设置接收天线，其收发平台分置，因此不仅具有较长的星间空间基线，还可以通过将多个低分辨率宽幅的合成孔径雷达图像结合以提高空间分辨率来获取高精细度、宽幅的图像。分布式合成孔径雷达卫星系统至少能够生成两幅复影像，并且由于星间空间基线的存在，在两幅复影像干涉处理时能够提供更多的地形相位信息，为高精细度、宽幅、三维场景的遥感成像的实现提供条件。
例如，公开号为CN108557114A的中国专利文献公开了一种分布式遥感卫星，包括一颗服务星和六颗遥感单元星，且所述服务星和遥感单元星可采用分布式编队模式或合成孔径组合模式。该专利通过分布式卫星技术，实现模块化卫星快速设计、研制和在轨应用，利用低成本卫星系统实现高性能对地遥感系统，在轨自主拼接构成合成孔径成像来提高空间分辨率，最大化利用空间资源。
例如，公开号为CN104297751B的中国专利文献公开了一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图形融合方法，其具体步骤为：多普勒谱包络校正；雷达几何法图像配准；地形相位反演；SAR图像最大对比度法估计配准误差及残留相位偏差；主辅SAR图像精配准及相位偏差校正；多普勒谱拼接。该专利在长沿航迹基线分布式卫星SAR系统的多普勒谱重叠度近似为零的情况下，能够对主辅SAR图像进行有效的图像融合以提高方位向分辨率，满足高质量干涉合成孔径雷达处理的性能要求。
但是，以上专利提供的分布式遥感卫星没有考虑到编队卫星之间的时间同步问题，无法保证两颗卫星同时覆盖地面的同一区域，导致两幅复影像干涉性能下降，甚至无法形成干涉。同时，时间不同步也导致遥感卫星无法基于时间信息得到地面区域变化的时空特征。而且，分布式合成孔径雷达系统在对两幅复影像干涉处理时，得到的相位差是[-π，π]之间的未知整数周期缠绕后的相位主值，需要对相位进行展开，而两颗卫星之间的时间不同步会导致相位展开有误差，而相位信息包含地形的高度信息，从而使得遥感系统无法得到精确的三维场景图像。
此外，现有技术中，如公开号为CN107395309的中国专利文献公开了一种基于星间链路的高精度相对测距与时间同步方法，该方法包括：分别以两颗卫星A、B各自的星载频标为基准建立星间链路，将测速信息和始终误差纳入动态误差模型；A、B两颗卫星在接收时隙内，分别对接收到的对方信号进行捕获、跟踪、解调，恢复出信息帧，联合对方测量时隙发送历元时计算出本地伪距；最后，A星和B星分别将修正之后的伪距嵌入到本地基带数据中发送给对方，两星各自独立的利用本地测得的修正伪聚合接收信息帧中解调出来的对方修正伪距，通过计算得到星间相对距离值和时差，并对两星进行时钟调整，修正卫星星历与时钟参数。但是，该专利只考虑到时间同步，而没有考虑到卫星平台上接收装置的频率漂移导致的干涉相位误差问题，也没有考虑到天线角度不一致，导致波束没有覆盖到同一地区的问题。
综上，有必要对现有的技术进行改进，在卫星编队合成孔径雷达系统提供高精细、宽幅、三维成像的情况下，通过时间、频率以及空间同步来补偿相位展开误差以提高地形测高的精度，并且基于时间、频率以及空间同步来获取地面区域变化的时空特征。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于卫星编队的遥感系统，采用主星位于第一辅星和第二辅星运动轨迹的长轴且第三辅星与主星前后分飞行的编队构型形成具有相同长度且相位反向的切航迹基线分量的第一空间基线A和第二空间基线B，能够免第一空间基线A和第二空间基线B由于沿航迹基线和切航迹基线耦合导致得到的地面高度信息相位混杂有径向速度信息，从而能够提高地形测量高度的精度。而且，本发明通过同步装置基于时间、频率和空间同步获得具有时间序列的沿航迹基线和切航迹基线得到时间、频率等同步信息从而对接收的信号进行校正，并利用长、短切航迹基线进行相位展开，提高相位展开精度以进一步提高地形高度测量的精度，从而能够获得地面区域内高程以及速度随时间的微小变化。
根据一个优选实施方式，一种基于卫星编队的遥感系统包括以成像传感装置、同步装置为有效载荷的主星、第一辅星和第二辅星。所述第一辅星和第二辅星围绕所述主星飞行且所述主星位于所述第一辅星和第二辅星的运动轨迹的长轴上以形成具有相同切航迹基线分量的第一空间基线A和第二空间基线B。所述成像传感装置根据所述同步装置基于时间、频率以及空间同步以形成时间序列的第一空间基线A和第二空间基线B从而获取地面区域变化的时空特征。
根据一个优选实施方式，在所述第一辅星和第二辅星的运动轨迹外设置有与所述主星前后编队飞行的以成像传感装置、同步装置为有效载荷的第三辅星。所述第三辅星位于所述主星相邻的轨道上，从而所述第三辅星相对所述主星形成长沿航迹基线C以及短切航迹基线D。所述成像传感装置基于所述第一空间基线A和第二空间基线B，并结合所述短切航迹基线D和长沿航迹基线C进行最优干涉基线处理以在高精细宽幅成像的同时获得地形高程信息和动目标速度信息。
根据一个优选实施方式，在所述第三辅星通过所述同步装置同步的情况下，所述第一空间基线A、第二空间基线B、短切航迹基线D和长沿航迹基线C形成时间序列的沿航迹基线和切航迹基线。所述成像传感装置基于时间序列的沿航迹切线获取动目标的速度随时间的变化信息。所述成像传感装置基于时间序列的切航迹基线获取地面高程随时间的变化信息。
根据一个优选实施方式，在所述主星的轨道参数确定的情况下，所述第一辅星和所述第二辅星的轨道参数基于第一空间基线A和第二空间基线B的切航迹有效基线的长度与切航迹有效基线的极限长度进行比较以调整所述第一辅星和所述第二辅星的飞行轨迹的短半轴的方式获得。所述第三辅星的轨道参数基于方位多普勒解模糊所需要的空间采样的要求以及多普勒解模糊精度的要求获得。
根据一个优选实施方式，所述同步装置至少包括时间同步模块、频率同步模块以及空间同步模块。所述时间同步模块被配置为：基于开机同时触发产生各星载有的定时脉冲信号并通过星间频率同步脉冲以获得星间的频率差值来实现时间同步。
根据一个优选实施方式，所述频率同步模块被配置为：采用线性调频信号作为同步脉冲以周期性的方式交换所述主星与所述第一辅星或第二辅星或第三辅星上的同步脉冲信号处理以获得星上频率源引起的相位差异，从而进行相位补偿以实现频率同步。
根据一个优选实施方式，所述空间同步模块被配置为：基于所述主星上的成像传感装置对地面目标区域的指向以及所述第一辅星或第二辅星或第三辅星的卫星姿态以使得所述第一辅星或第二辅星或第三辅星上的成像传感装置指向同一地面目标区域从而完成空间同步。
根据一个优选实施方式，所述成像传感装置还设置有能够实时测量所述主星、第一辅星、第二辅星以及第三辅星的卫星姿态参数并能够实现精密定轨来获取高精度的所述第一空间基线A、第二空间基线B、长沿航迹基线C以及短切航迹基线D的测量装置。
根据一个优选实施方式，所述成像传感装置还能够通过所述测量装置获得地面目标区域的先验信息。所述成像传感装置基于地面目标区域的纬度信息而调整所述主星、第三辅星、第一辅星和第二辅星上的成像传感装置的天线角度以保持相同的模糊高程，从而提高不同纬度地区的地面高程测量精度的一致性。
根据一个优选实施方式，当基于先验信息获得的地面目标区域的地形高度变化幅度较大时，调整所述主星、第三辅星、第一辅星和第二辅星上的成像传感装置的天线角度以保持相同的且区别于第一模糊高程的第二模糊高程，使得所述SAR系统以至少两次不同的模糊高程成像。
本发明的有益技术效果包括以下一下或多项：
1、能避免第一空间基线A和第二空间基线B由于沿航迹基线和切航迹基线耦合导致得到的地面高度信息相位混杂有径向速度信息，从而能够提高地形测量高度的精度；
2、时间和空间同步能够保证两颗卫星的主波束在同时覆盖地面同一区域，并且能够保证两星接收回波信号的时间窗口同步；频率同步能够减少两星各自频率漂移导致的干涉相位误差；
3、长沿航迹基线C、第一空间基线A以及第二空间基线B包含径向速度信息，能够为动目标检测提供条件，并且长沿航迹基线C和短沿航迹基线还能够提供方位向多普勒解模糊提供所需要的空间采样，进而弥补低方位重频造成的时间采样的不足，从而为方位向解多普勒模糊提供条件以实现高精细、宽幅成像；
4、由于短切航迹基线D的测高精度不高，基于第一空间基线A以及第二空间基线B中的长切航迹基线分量进行相位展开时可能会错误解缠，而采用本发明后，利用时间序列的沿航迹基线和切航迹基线得到时间、频率等同步信息从而对接收的信号进行校正，并利用长、短切航迹基线进行相位展开，提高相位展开精度以进一步提高地形高度测量的精度，从而能够获得地面区域内高程、速度随时间的微小变化。
附图说明
图1是本发明的一个优选成像传感装置和同步装置的模块示意图；和
图2是本发明的一个优选卫星编队的几何示意图。
附图标记列表
100：主星 101：第三辅星
200：第一辅星 201：第二辅星
300：成像传感装置 400：同步装置
310：测量装置 410：时间同步模块
420：频率同步模块 430：空间同步模块
A：第一空间基线 B：第二空间基线
C：长沿航迹基线 D：短切航迹基线
具体实施方式
下面结合附图1和附图2进行详细说明。
实施例1
本实施例还公开了一种遥感成像方法，也可以是一种基于卫星的遥感成像方法，也可以是一种基于分布式合成孔径雷达遥感成像方法，也可以是一种基于卫星编队的遥感成像方法，该方法可以由本发明的系统和/或其他可替代的零部件实现。比如，通过使用本发明的系统中的各个零部件实现本方法的系统。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。
根据一个优选实施方式，本成像方法包括以成像传感装置300、同步装置400为有效载荷的主星100、第一辅星200和第二辅星201。第一辅星200和第二辅星201围绕主星100飞行且主星100位于第一辅星200和第二辅星201的运动轨迹的长轴上以形成具有相同切航迹基线分量的第一空间基线A和第二空间基线B。成像传感装置300根据同步装置400基于时间、频率以及空间同步以形成时间序列的第一空间基线A和第二空间基线B从而获取地面区域变化的时空特征。优选地，成像传感装置300至少包括能够主动或被动获取地面信息的成像传感器。成像传感器可以是雷达、激光等能够成像的。成像传感器可以是能够以合成孔径的方式成像的传感器，例如，合成孔径雷达、合成孔径激光雷达等。优选地，第一辅星200和第二辅星201以主星100为轨道运行中心，并利用Hill方程将它们设计为不需要消耗燃料的被动稳定的构型。如图2所示，第一辅星200和第二辅星201的运动轨迹在Hill方程的描述下为椭圆形的轨迹。由于主星100、第一辅星200和第二辅星201运行在同一轨道平面内，第一辅星200和第二辅星201具有相同的轨道周期，相同的半长轴和偏心率，各卫星星体之间不存在水平方向上的位置偏移，使得第一辅星200和第二辅星201在空间形成椭圆形的空间构型。通过该方式，本发明可以使得第一辅星200和第二辅星201和主星100能够保持相对的空间位置，从而能够得到稳定的第一空间基线A和第二空间基线B。而且，第一空间基线A和第二空间基线B是随着椭圆构型的旋转周期而呈周期性变化，从而第一空间基线A和第二空间基线B是包含有速度信息和地形高度信息的混合基线。
优选地，主星100、第一辅星200和第二辅星201上的成像装置300接收主星100发送至地面目标返回的回波信号。成像装置300内的合成孔径雷达成像传感器采用低方位重复采样的方式获得地面目标的多幅合成孔径雷达图像，通过拼接多幅合成孔径雷达图像以形成高精细、宽幅的合成孔径雷达图像。第一空间基线A和第二空间基线B包含有速度信息和地形高度信息的相位，为高精细、宽幅、三维成像提供条件。
优选地，第一空间基线A和第二空间基线B由于主星100位于长轴上，从而具有长度相同，相位反向的切航迹基线分量，因此可以采用例如差分处理的方式得到只包含地形高度信息的切航迹基线和只包含速度信息的沿航迹基线。本发明采用此方式至少能够实现的有益技术效果是：能避免第一空间基线A和第二空间基线B由于沿航迹基线和切航迹基线耦合导致得到的地面高度信息相位混杂有径向速度信息，从而能够提高地形测量高度的精度。
优选地，第一空间基线A和第二空间基线B基于同步装置400可以在时间、频率以及空间上同步得到时间序列的第一空间基线A和第二空间基线B，从而得到时间序列的沿航迹基线和切航迹基线。优选地，时空特征指的是时间序列的切航迹基线包含地面高程随时间变化的信息，时间序列的沿航迹基包含目标的速度随是时间变化的信息。例如，通过本发明可以得到农作物、森林等高度随时间的微小变化。同时，也可以得到平原、山体等高度随时间的微小变化。例如，通过以上信息可以提前获取农作物的生长发育状况及其变化态势，能够与去年、多年平均以及指定某一年的同期数据进行对比，可以实时地获得农作物生长差异，即空间分布、高度分布的变化状态，从而能够分区域统计水田、旱地、耕地和主要作物中不同长势等级所占比重。例如，通过平原、山体的高精度的高度数据与过去不同时期对比，获取其微小的变化趋势，能够监测山体滑坡、垮塌等灾害。本发明通过此方式还可以利用时间序列的沿航迹基线的径向速度实现目标的提取与速度估计。例如，可以在海水里利用海水与海冰的回波信号的相干系数的差异实现海冰与海水的分离，并通过时间序列的沿航迹基线获取海冰和海水的径向速度信息，从而获得相应的速度估计。
根据一个优选实施方式，同步装置400至少包括时间同步模块410、频率同步模块420以及空间同步模块430。时间同步模块410被配置为：基于开机同时触发产生各星载有的定时脉冲信号并通过星间频率同步脉冲以获得星间的频率差值来实现时间同步。优选地，可以通过GPS秒脉冲来实现开机触发定时脉冲信号。优选地，如图1所示，主星100发射的信号经过地面反射后形成回波信号。回波信号在经过同步装置400后通过成像传感装置300进行处理。
根据一个优选实施方式，频率同步模块420被配置为：采用线性调频信号作为同步脉冲以周期性的方式交换主星100与第一辅星200或第二辅星201或第三辅星101上的同步脉冲信号处理以获得星上频率源引起的相位差异，从而进行相位补偿以实现频率同步。优选地，频率线性时变信号为啁啾信号。优选地，主星100、第三辅星101、第一辅星200以及第二辅星201都安装6个同步喇叭天线以提供准全向波束覆盖，保证近实时全方位的频率同步脉冲接收。优选地，主星100分别向第三辅星101、第一辅星200以及第二辅星201发送同步脉冲。由于啁啾信号其频率随时间线性变化的特性会导致主星100的合成孔径雷达数据获取将会被周期性地中断。在一个周期内，同步脉冲将从主星100的成像传感装置300的主天线上发射至第三辅星101和/或第一辅星200和/或第二辅星201上专用于同步的喇叭天线，第三辅星101和/或第一辅星200和/或第二辅星201记录该脉冲后再回传一短同步脉冲给主星100，通过对交换的同步脉冲信号处理获得主星100相对其他辅星上频率源引起的相位差异，在各星上的成像传感装置300成像时再进行相应的相位补偿，从而完成频率同步。优选地，采用频率线性时变信号作为脉冲信号后，也可以认为卫星上频率源的频率为常数，可以从同步信号相位差的线性部分提取出频率差，进而完成时间同步。
根据一个优选实施方式，空间同步模块430被配置为：基于主星100上的成像传感装置300对地面目标区域的指向以及第一辅星200或第二辅星201或第三辅星101的卫星姿态以使得第一辅星200或第二辅星201或第三辅星101上的成像传感装置300指向同一地面目标区域从而完成空间同步。通过此方式，主星100上的成像传感装置300的天线采用正侧视的方式指向成像区域，第一辅星200、第二辅星201以及第三辅星101能够采用小角度斜视指向成像区域的方式观测地面目标成像。本发明采用以上方式至少能够实现以下有益技术效果：第一，时间和空间同步能够保证两颗卫星的主波束在同时覆盖地面同一区域，并且能够保证两星接收回波信号的时间窗口同步；第二，频率同步能够减少两星各自频率漂移导致的干涉相位误差。
实施例2
本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。
根据一个优选实施方式，在第一辅星200和第二辅星201的运动轨迹外设置有与主星100前后编队飞行的以成像传感装置300、同步装置400为有效载荷的第三辅星101。第三辅星101位于主星100相邻的轨道上，从而第三辅星101相对主星100形成长沿航迹基线C以及短切航迹基线D。成像传感装置300基于第一空间基线A和第二空间基线B，并结合短切航迹基线D和长沿航迹基线C进行最优干涉基线处理以在高精细宽幅成像的同时获得地形高程信息和动目标速度信息。优选地，成像传感装置300基于第一空间基线A和第二空间基线B生成长度大于短切航迹基线D的长切航迹基线和长度小于长沿航迹基线C的短沿航迹基线，并结合短切航迹基线D和长沿航迹基线C进行最优干涉信号处理以在高分辨宽测绘带成像的同时提高地形高度测量的精度和量程。优选地，第三辅星101的轨道与主星100的轨道相距至少为120m，避免并且第三辅星101的轨道与主星100的轨道的距离是保持固定的，如图2所示。基于确定的轨道距离可以将第三辅星101相对主星100形成的空间基线分解得到短切航迹基线D和长沿航迹基线C。通过该方式，本发明的短切航迹基线D在第三辅星101以及主星100在轨运行的阶段内是始终确定且保持不变的，能够为第三辅星101和主星100的精确定轨和基线测量提供先验条件和误差分析。
优选地，主星100、第三辅星101、第一辅星200和第二辅星201上的成像传感装置300接收主星100发送至地面目标返回的回波信号。成像传感装置300采用低方位重复采样的方式获得地面目标的多幅合成孔径雷达图像。由于成像传感装置300采用低方位重复采样的方式获取图像，会导致方位向多普勒模糊。优选地，方位多普勒频率与方位瞬时斜视角的正弦成正比且一一对应的关系。当方位重复率较低小于多普勒带宽时，方位多普勒谱出现混叠而存在模糊，并且其方位多普勒频率不再与方位瞬时斜视角的正弦成正比，而是由多个指向方位瞬时斜视角的能量混合而成。方位向多普勒解模糊的过程是针对每一个多普勒频率，在多个指向方位瞬时斜视角的能量混叠的情况下，逐个提取特定指向方位瞬时斜视角的能量，最后通过拼接重建不模糊的多普勒谱。本发明采用此方式至少能够实现的至少以下有益技术效果：第一，长沿航迹基线C和短沿航迹基线包含径向速度信息，能够为动目标检测提供条件；第二，长沿航迹基线C和短沿航迹基线还能够提供方位向多普勒解模糊提供所需要的空间采样，进而弥补低方位重频造成的时间采样的不足，从而为方位向解多普勒模糊提供条件。
优选地，第一空间基线A、第二空间基线B以及第三辅星101相对主星100形成的物理基线的存在会引入空变矢量。将第一空间基线A、第二空间基线B以及第三辅星101相对主星100形成的空间基线分解得到长切航迹基线和短切航迹基线D，长切航迹基线和短切航迹基线D的多基线干涉处理能够得到每个多普勒频率中的切航迹基线引入的相位信息。本发明采用此方式至少能够实现的至少以下有益技术效果：第一，基于得到的相位信息在解多普勒模糊前进行相位补偿以在满足多普勒解模糊精度的情况下提高地形测量高度的量程；第二，长切航迹基线和短切航迹基线D的多基线干涉处理还能够提高地形高度测量的精度。
根据一个优选实施方式，在主星100的轨道参数确定的情况下，第一辅星20和第二辅星201的轨道参数基于第一空间基线A和第二空间基线B的切航迹有效基线的长度与切航迹有效基线的极限长度进行比较以调整第一辅星20和第二辅星201的飞行轨迹的短半轴的方式获得。第三辅星101的轨道参数基于方位多普勒解模糊所需要的空间采样的要求以及多普勒解模糊精度的要求获得。优选地，第三辅星101的轨道参数采用以下步骤获得：根据任务需求，获得主星100的轨道参数，其中，主星轨道的偏心率为0；第一辅星200和第二辅星201的长半轴、轨道倾角和升交点赤经均与主星100相同，并且第一辅星200和第二辅星201飞行轨迹的短半轴、半长轴由Hill方程计算获得，其中，第一辅星200和第二辅星201的飞行轨迹的短半轴的设计初值为任务的基线要求；根据第一辅星200和第二辅星201的飞行轨迹的相位差，确定近地点幅角和平近点角；根据当前计算得到的所有卫星的轨道参数，计算一个轨道周期内的第一空间基线A和第二空间基线B有效切航迹基线长度，判断其是否小于切航迹有效基线的极限基线长度；若不小于切航迹有效基线的极限基线长度，则对第一辅星200和第二辅星201的飞行轨迹的短半轴进行调整，直至第一空间基线A和第二空间基线B的有效切航迹基线长度满足要求；根据以上步骤得到的主星100、第一辅星200和第二辅星201的轨道参数来计算在长沿航迹基线C满足方位多普勒解模糊所需要的空间采样的要求以及短切航迹基线D满足多普勒解模糊精度的要求的情况下第三辅星101的轨道参数。优选地，假设主星100的轨道为圆形，即偏心率为0，根据轨道类型、轨道高度等参数结合Hill方程组获得主星轨道的6根数，即轨道半长轴、轨道偏心率、轨道离心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角以及指定历元的平近点角。优选地，描述辅星运动的Hill方程为：
其中，式中坐标系原点定义为主星100，主星沿绕地球轨道卫星，x轴指向参考卫星的飞行方向，y轴垂直于主星100的轨道平面，z轴背向地心指向主星100。ψk标识第k个辅星在椭圆轨道构型中的初始位置，T表示轨道周期。优选地，主星100为第一辅星200和第二辅星201的中心，因此B为0。优选地，第一辅星200和第二辅星201相对运动在XZ平面为椭圆轨迹，并且沿速度方向X方向的长半轴是垂直于速度方向Z方向短半轴的2倍。优选地，第一辅星200和第二辅星201相对运动在y轴做独立的正弦运动。第一辅星200和第二辅星201以主星100为中心的椭圆构型缓慢转动。在第一辅星200、第二辅星201和主星100均在同一轨道平面内，因此三者的轨道倾角和升交点赤经均相同。优选地，以基线为编队飞行形成的椭圆轨迹的短半轴设计初值。由于编队飞行相对运动的椭圆轨迹的短半轴仅与卫星的半长轴和偏心率有关，在半长轴已经确定的情况下，通过短半轴确定第一辅星200和第二辅星201的偏心率。优选地，由于主星100位于，第一辅星200和第二辅星201运动轨迹的长轴上，因此可以确定第一辅星200和第二辅星201的近地点幅角和平近点角。优选地，根据以上获得的主星100、第一辅星200和第二辅星201的轨道参数，可以计算一个轨道周期内的第一辅星200和第二辅星201分别相对主星100的第一空间基线A、第二空间基线B的长度。基于得到的第一空间基线A、第二空间基线B对地球表面进行投影得到有效基线，并使得切航迹有效基线的长度满足多普勒解模糊精度要求，沿航迹有效基线的长度满足方位多普勒解模糊所需要的空间采样的要求，从而切航迹有效基线的长度以及沿航迹有效基线的长度均应小于相应的极限基线长度。切航迹有效基线的极限基线长度：
沿航迹有效基线的极限基线长度：
其中，λ为成像传感装置300的工作波长，θ为视角，为斜视角，α为各卫星质心的连线与水平面的夹角，即基线倾角，β为地形坡度，R表示形成基线的两个卫星距离地面目标的平均斜距。pr和pa分别表示距离向和方位向分辨率。R可以根据式4得到，其中α主星100的轨道半长轴，Re为地球半径：
pr和pa可以根据式5得到，其中，c为光速，Bw表示信号带宽，D表示方位向天线尺寸：
优选地，基于以上条件完成主星100、第一辅星200和第二辅星201的轨道设计参数来计算第三辅星101的轨道参数。第三辅星101的轨道与主星100的轨道保持固定的距离。优选地，第三辅星101与主星100按照前后编队飞行方式设置。优选地，第三辅星101与主星100的前后距离满足沿航迹有效基线的极限基线长度。
本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：第一，第一辅星200、第二辅星201以及主星100是共轨道面飞行，椭圆形的空间构型被动稳定，动力系统仅在轨道修正或任务切换时开启，节省能源；第二，第三辅星101的轨道与主星100的轨道相近且采用前后编队飞行的方式，能够保证编队卫星在任何时刻都能够得到满足方位多普勒解模糊所需要的空间采样的要求的沿航迹基线，提高系统成像效率；第三，第三辅星101、第一辅星200、第二辅星201以及主星100所形成的空间构型为共轨道面构型，该构型容易维持，燃料消耗较低；第四，本发明的编队构型能够形成稳定的基线和基线倾角，适用于干涉合成孔径雷达成像；第五，本发明的编队构型能够任意时刻形成多条有效切航迹基线和多条有效沿航迹基线，并且多条有效切航迹基线和多条有效沿航迹基线均满足多基线干涉处理的要求；第六，本发明的编队构型任意时间形成的有效切航迹基线满足多普勒解模糊精度要求，有效沿航迹基线满足方位多普勒解模糊所需要的空间采样的要求，从而满足合成孔径雷达系统能够任意时间高精细、宽幅成像的同时提高地面高度测量的精度和量程。
根据一个优选实施方式，在第三辅星101通过同步装置400同步的情况下，第一空间基线A、第二空间基线B、短切航迹基线D和长沿航迹基线C形成时间序列的沿航迹基线和切航迹基线。成像传感装置300基于时间序列的沿航迹切线获取动目标的速度随时间的变化信息。成像传感装置300基于时间序列的切航迹基线获取地面高程随时间的变化信息。
优选地，在利用长切航迹基线和短切航迹基线D进行合成孔径雷达干涉成像时，从干涉图中得到的相位差是[-π，π]之间的未知整数周期缠绕后的相位主值，需要将缠绕的相位恢复成真实相位差，即相位展开。优选地，成像传感装置300基于时间序列的沿航迹基线和切航迹基线得到时间、频率等同步信息从而对接收的信号进行校正。成像传感装置300基于校正的信息进行相位补偿，并利用短切航迹基线对长切航迹基线进行相位展开，从而进一步提高地形高度测量的精度。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：由于短切航迹基线D的测高精度不高，对长切航迹基线进行相位展开时可能会错误解缠，而采用本发明后，利用时间序列的沿航迹基线和切航迹基线得到时间、频率等同步信息从而对接收的信号进行校正，并利用长、短切航迹基线进行相位展开，提高相位展开精度以进一步提高地形高度测量的精度，从而能够获得地面区域内高程以及速度的微小变化。
实施例3
本实施例可以是对实施例1和实施例2的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。
根据一个优选实施方式，成像传感装置300还设置有能够实时测量主星100、第一辅星200、第二辅星201以及第三辅星101的卫星姿态参数并能够实现精密定轨来获取高精度的第一空间基线A、第二空间基线B、长沿航迹基线C以及短切航迹基线D的测量装置310。优选地，测量装置310至少包括用于姿态测量的GPS接收机。GPS接收机执行以下步骤：对原始数据进行预处理，主要包括星历数据解码和数据同步；通过差分定位算法，获取成像传感装置300的天线的位置参数；利用成像传感装置300天线的位置参数获得整周模糊度的初始值，利用卡尔曼滤波和递归搜索的方法求解出整周模糊度的准确值，并利用载波相位获得精确的坐标；利用获得精确坐标值，获得星间基线向量，并通过星间基线向量求解得到成像传感装置300天线的姿态参数。
优选地，GPS接收机为高精度双频GPS接收机。优选地，高精度双频GPS接收机内集成GPS掩星接收机。优选地，GPS接收机将接受到的原始数据预处理后，进行单点定位坐标解算，然后通过码双差定位解算移动坐标站坐标，获取成像传感装置300天线的粗略位置坐标。优选地，GPS接收机为获取精确的成像传感装置300天线位置坐标，需要采用波长为厘米级，测距误差为毫米级的载波相位方法来测距。由于载波信号是一种周期性的正弦信号，因此当被测距离大于波长时会出现整周模糊度。优选地，GPS接收机基于粗略位置坐标获得整周模糊度的初始值，利用卡尔曼滤波和递归搜索的方法求解出整周模糊度的准确值。
优选地，在主星100获得成像传感装置300天线的姿态参数后，GPS接收机基于主星100、第三辅星101、第一辅星200和第二辅星201的轨道参数并与GPS星座相连接，至少获取日月摄动、太阳光压摄动以及大气阻力摄动的先验信息建立卫星编队的轨道扰动模型以消除摄动对基线测量的影响；GPS接收机基于成像传感装置300的天线的姿态参数以及编队的轨道扰动模型得到的定轨结果以差分载波相位测量法获得第一空间基线A、第二空间基线B长沿航迹基线C以及短切航迹基线D。
优选地，地球非球形摄动、太阳光压摄动以及大气阻力摄动等对卫星的影响不可忽略，可以作为模型噪声结合先验信息进行估计。优选地，轨道扰动模型为地球非球形摄动、太阳光压摄动以及大气阻力摄动带来的对卫星运动影响的加速度的线性累加。优选地，差分载波相位测量法为将两星的路径延迟和算法引起的定轨误差进行差分以消除两星的大部分公共误差分量，将两星定轨结果差分即得到相应的基线矢量。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：GPS接收机能够消除两星大部分共有的定轨误差，再通过算法优化和建立轨道扰动模型进行相应的补偿，能够精确的测量星间基线和卫星的姿态参数。
根据一个优选实施方式，成像传感装置300还能够通过测量装置310获得地面目标区域的先验信息。成像传感装置300基于地面目标区域的纬度信息而调整主星100、第三辅星101、第一辅星200和第二辅星201上的成像传感装置300的天线角度以保持相同的模糊高程，从而提高不同纬度地区的地面高程测量精度的一致性。优选地，模糊高程反应了干涉相位的变化对高程变化的敏感程度。当切航迹基线较长时，模糊高程较小，干涉相位对于高程变化的敏感程度越强。当切航迹基线过短时，干涉相位对于高程变化不敏感，减小了地形高度测量的精度。优选地，模糊高程与方位瞬时斜视角的正弦成正比，并且由于地球自转的原因，导致空间基线投影到地面得到的有效基线在不同的纬度其长度不同，通过调整成像传感装置300的天线角度能够调整模糊高程。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：主星100能够根据GPS星座的先验信息获取地面观测区域的纬度信息而调整天线角度以保持相同的模糊高程，从而提高不同纬度地区的高程测量精度的一致性。
根据一个优选实施方式，当基于先验信息获得的地面目标区域的地形高度变化幅度较大时，调整主星100、第三辅星101、第一辅星200和第二辅星201上的成像传感装置300的天线角度以保持相同的且区别于第一模糊高程的第二模糊高程，使得SAR系统以至少两次不同的模糊高程成像。优选地，在主星100、第三辅星101、第一辅星200和第二辅星201上成像传感装置300的天线角度保持相同的第一模糊高程成像后，当基于先验信息获得的地面观测区域的地形高度变化幅度较大时，调整主星100、第三辅星101、第一辅星200和第二辅星201上成像传感装置300的天线角度以保持相同的且区别于第一模糊高程的第二模糊高程，使得成像传感装置300系以至少两次不同的模糊高程成像。优选地，当成像区域的地形起伏较大时，会造成相位主值不连续从而导致相位展开误差偏大。优选地，成像传感装置300基于调整天线角度以不同的模糊高程成像以检查两次成像相位展开的一致性以及同一成像区域的差异，从而减少相位展开误差。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：在对陡峭地区等地形起伏较大的地区成像时，以不同的模糊高程成像来减少相位展开的误差，提高相对精度，从而提高地形测量高度的精度。
如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于卫星编队的遥感系统，其特征在于，包括以成像传感装置(300)、同步装置(400)为有效载荷的主星(100)、第一辅星(200)和第二辅星(201)，其中，
所述第一辅星(200)和第二辅星(201)围绕所述主星(100)飞行且所述主星(100)位于所述第一辅星(200)和第二辅星(201)的运动轨迹的长轴上以形成具有相同切航迹基线分量的第一空间基线(A)和第二空间基线(B)，
所述成像传感装置(300)根据所述同步装置(400)基于时间、频率以及空间同步以形成时间序列的第一空间基线(A)和第二空间基线(B)从而获取地面区域变化的时空特征。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述第一辅星(200)和第二辅星(201)的运动轨迹外设置有与所述主星(100)前后编队飞行的以成像传感装置(300)、同步装置(400)为有效载荷的第三辅星(101)，并且所述第三辅星(101)位于所述主星(100)相邻的轨道上，从而所述第三辅星(101)相对所述主星(100)形成长沿航迹基线(C)以及短切航迹基线(D)，其中，
所述成像传感装置(300)基于所述第一空间基线(A)和第二空间基线(B)，并结合所述短切航迹基线(D)和长沿航迹基线(C)进行最优干涉基线处理以在高精细宽幅成像的同时获得地形高程信息和动目标速度信息。
3.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，在所述第三辅星(101)通过所述同步装置(400)同步的情况下，所述第一空间基线(A)、第二空间基线(B)、短切航迹基线(D)和长沿航迹基线(C)形成时间序列的沿航迹基线和切航迹基线，其中，
所述成像传感装置(300)基于时间序列的沿航迹切线获取动目标的速度随时间的变化信息，并基于时间序列的切航迹基线获取地面高程随时间的变化信息。
4.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，在所述主星(100)的轨道参数确定的情况下，
所述第一辅星(200)和所述第二辅星(201)的轨道参数基于第一空间基线(A)和第二空间基线(B)的切航迹有效基线的长度与切航迹有效基线的极限长度进行比较以调整所述第一辅星(200)和所述第二辅星(201)的飞行轨迹的短半轴的方式获得，
所述第三辅星(101)的轨道参数基于方位多普勒解模糊所需要的空间采样的要求以及多普勒解模糊精度的要求获得。
5.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述同步装置(400)至少包括时间同步模块(410)、频率同步模块(420)以及空间同步模块(430)，其中，
所述时间同步模块(410)被配置为：基于开机同时触发产生各星载有的定时脉冲信号并通过星间频率同步脉冲以获得星间的频率差值来实现时间同步。
6.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述频率同步模块(420)被配置为：采用线性调频信号作为同步脉冲以周期性的方式交换所述主星(100)与所述第一辅星(200)或第二辅星(201)或第三辅星(101)上的同步脉冲信号处理以获得星上频率源引起的相位差异，从而进行相位补偿以实现频率同步。
7.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述空间同步模块(430)被配置为：基于所述主星(100)上的成像传感装置(300)对地面目标区域的指向以及所述第一辅星(200)或第二辅星(201)或第三辅星(101)的卫星姿态以使得所述第一辅星(200)或第二辅星(201)或第三辅星(101)上的成像传感装置(300)指向同一地面目标区域从而完成空间同步。
8.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述成像传感装置(300)还设置有能够实时测量所述主星(100)、第一辅星(200)、第二辅星(201)以及第三辅星(101)的卫星姿态参数并能够实现精密定轨来获取高精度的所述第一空间基线(A)、第二空间基线(B)、长沿航迹基线(C)以及短切航迹基线(D)的测量装置(310)。
9.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述成像传感装置(300)还能够通过所述测量装置(310)获得地面目标区域的先验信息，并基于地面目标区域的纬度信息而调整所述主星(100)、第三辅星(101)、第一辅星(200)和第二辅星(201)上的成像传感装置(300)的天线角度以保持相同的模糊高程，从而提高不同纬度地区的地面高程测量精度的一致性。
10.如前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，当基于先验信息获得的地面目标区域的地形高度变化幅度较大时，调整所述主星(100)、第三辅星(101)、第一辅星(200)和第二辅星(201)上的成像传感装置(300)的天线角度以保持相同的且区别于第一模糊高程的第二模糊高程，使得所述SAR系统以至少两次不同的模糊高程成像。
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