CN110515078B - 用于空域覆盖的波位设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于空域覆盖的波位设计方法，旨在提供一种可无缝覆盖大空域范围，且不会因目标运动而造成漏扫的波位设计方法。本发明通过下述技术方案予以实现：根据空天信息系统的波束个数和波束指向范围进行初步区域划分，并计算单区域内的波束个数；根据空天信息系统的最低覆盖俯仰角、驻留时间、目标动态和单区域波束个数，基于波束投影理论设计不同波束宽度条件下的扫描波位，并计算不同波束宽度条件下设计波位的波束利用率；基于波束利用率随波束宽度的变化情况，选择最大波束利用率条件下的设计波位；调整设计波位在不同俯仰角处的波位个数和方位向指向，优化所述初步区域划分，得到波位的最终设计结果。

Description

用于空域覆盖的波位设计方法
技术领域
本发明涉及空天信息领域，更具体地，涉及空天信息领域中一种用于空域覆盖的波位设计方法。
背景技术
对于卫星、无人机、雷达等空间信息系统，其自身空间位置的准确性关系到系统的自身安全以及工作效能，因此需要对其进行高精度位置标定或测控。以对飞行器的测控为例，为对在大空域范围内任意分布的多目标实现同时测控，需首先解决目标的“发现”也即目标的空域方向估计问题。但由于测控信号信噪比极低，常规测向算法对失效，目标的空域方向估计需根据有限的波束资源，在驻留时间、目标动态等约束下，通过控制波位指向实现大空域范围内动目标的有效覆盖，并辅助以信号识别算法实现大空域范围内动目标的方向估计。另一方面，对于将空间信息作为目标对象的系统来说，在例如卫星成像、侦查等领域，空域是其不可获缺的一个特征量，也需要进行波位设计、扫描等其他处理，以实现低资源消耗条件下的指定空域覆盖。
扫描ScanSAR波位设计相当复杂，也非常重要，它直接影响到地球上的覆盖区域和图像质量。在工程上，应充分考虑各种误差对各指标的影响，比如相控阵天线的幅相误差、天线阵面热变形和天线展开引起的误差、地球自转和卫星姿态扰动对多普勒中心频率和多普勒调频率的影响等，这些误差使模糊度指标下降，影响波位的选择。现有技术提出了一种雷达角度搜索的扫描方法，设计波位呈中心向外展开的螺旋型以覆盖整个空域，按照小于波位直径的距离步长和以黄金角作为旋转步长的设计方案，从一个波位确定其下一个波位。但所述波位设计方法将波位对应方位角和俯仰角看作二维平面上的点进行处理，仅适用于空域范围较小的情况，无法直接推广到大空域范围的场景，且没有考虑目标运动对扫描造成的漏扫问题。
另一现有技术提出了基于多平面拼接的多面全空域覆盖的卫星移动通信相控阵天线。多面全空域覆盖的卫星移动通信相控阵天线采用七面阵围成台体的形式的卫星通信相控阵天线，利用七个面围成一个半台体，其中顶面为一个平面，侧边为六个与大地成相同夹角的平面，每个平面上布置四个贴片天线，每一面阵波束分别覆盖空域中不同的部分，其中顶部的面阵形成的波束覆盖上半空间的部分区域，侧面的六个面阵产生的波束分别覆盖低仰角空域。在每一面阵中，由四单元组成的相控阵可进行较小空域范围内的波束扫描，其中，顶面子阵波束扫描覆盖的区域中的每一个区域分别在俯仰面上覆盖20-50度，方位面上覆盖70度，需要六个波束覆盖这个区域。在方位面0-360内，分别由侧面6个四单元子阵形成波束覆盖，其中相邻两个子区域有20度的交叠区域，侧面子阵向一侧扫描20，每一个面阵的波束宽度为60，会有部分区域均不被相邻两个子阵的波束覆盖，每一个子阵向方位面的同一侧边进行扫描，以覆盖整个方位面0-360度的空间。在空间中，需要19个波位覆盖全空域。当该类拼接阵列的大空域覆盖系统的波束指向不同时，对应的波位宽度不同，因此现有技术提供的在大空域范围内的波位设计需根据系统指向每个角度的波束宽度进行逐个波位分析，但随着覆盖大空域范围波位数量的增加，所述波位设计方法效率极低，并且波位间的重叠区域大小难以根据目标动态进行调整。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种可无缝覆盖大空域范围，且不会因目标运动而造成漏扫的波位设计方法，以解决在给定波束宽度、波束个数、波束指向范围、波束驻留时间和目标动态约束条件下的高波束利用率波位设计问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。一种用于空域覆盖的波位设计方法，其特征在于包括如下步骤：根据空天信息系统参数，确定所述系统的最低覆盖俯仰角、波束个数、波束指向范围、最大波束宽度、波束在单波位的驻留时间和目标动态参数；根据波束个数和波束指向范围，对所述系统在空域上进行初步区域划分，并计算单区域内的波束个数；根据空天信息系统的最低覆盖俯仰角、驻留时间、目标动态和单区域波束个数，基于波束投影理论设计不同波束宽度条件下的扫描波位，并计算不同波束宽度条件下设计波位的波束利用率；基于波束利用率随波束宽度的变化情况，选择最大波束利用率条件下的设计波位，保留波束利用率最大时的设计结果作为初步波位设计；根据所述初步区域划分和波束指向范围，调整初步波位设计在不同俯仰角处的波位个数和方位向指向，优化所述初步区域划分，得到扫描波位的最终设计结果。
本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
本发明基于不同波位在空间中的几何关系，在驻留时间、卫星动态、波束个数、波束宽度等约束下，设计具有最大波束利用率的空域扫描波位，并在不同波位之间设置与目标最大动态相匹配的重叠区域，可实现高波束利用率且能无缝覆盖大空域范围的波位设计；基于不同波位在空间中的几何关系，设计具有最大波束利用率的波位，并在不同波位之间设置与目标最大动态相匹配的重叠区域，消除由于目标运动造成的漏扫问题，可实现对大空域范围内动目标的有效覆盖。
本发明根据所述空天信息系统的波束个数、波束指向范围，计算空天信息系统在空域上的初步区域划分和单区域内的波束个数，对波束个数、单波束的指向范围没有限制。
本发明选择最大波束利用率条件下的设计波位，保留波束利用率最大时的设计结果作为初步波位设计；根据所述初步区域划分和波束指向范围，调整初步波位设计在不同俯仰角处的波位个数和方位向指向，优化所述初步区域划分，提供规整的空域区域划分。
附图说明
图1是用于空域覆盖的波位设计方法的流程图。
图2(a)是覆盖要求空域的波位数随设计波束宽度的变化曲线。
图2(b)是波束利用率随设计波束宽度的变化曲线。
图2(c)是设计波位的空域覆盖示意图。
图3是圆轨道卫星在轨道高度200km时卫星相对于地面系统在方位向和俯仰向的运动角速度。
图4(a)是未分区时设计波位的空域覆盖示意图。
图4(b)是设计波位的分区示意图。
下面结合附图和实施例对发明做进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，按实际的空天信息系统参数，确定所述系统的最低覆盖俯仰角、波束个数、波束指向范围、最大波束宽度、波束在单波位的驻留时间和目标动态参数；根据波束个数和波束指向范围，对所述系统在空域上进行初步区域划分，并计算单区域内的波束个数；根据空天信息系统的最低覆盖俯仰角、驻留时间、目标动态和单区域波束个数，基于波束投影理论设计不同波束宽度条件下的扫描波位，并计算不同波束宽度条件下设计波位的波束利用率；基于波束利用率随波束宽度的变化情况，选择最大波束利用率条件下的设计波位，保留波束利用率最大时的设计结果作为初步波位设计；根据所述初步区域划分和波束指向范围，调整初步波位设计在不同俯仰角处的波位个数和方位向指向，优化所述初步区域划分，得到扫描波位的最终设计结果。
应理解，本发明所指的波束利用率是一个介于0到1之间的数值，用以判定波位设计的优劣，波束利用率越大表明相邻波位间的波位重叠越小，其具体定义为：欲被覆盖的空域在单位球面投影的表面积与设计波位在单位球面上投影面积和的比值。
应理解，整个波位设计过程从高俯仰角到低俯仰角进行，在空天信息系统的实际扫描过程中，波位扫描顺序可以按照空天信息系统的俯仰角从高到低，方位角从小到大进行，也可以按照空天信息系统的俯仰角从低到高、方位角从大到小进行，两种扫描方式均不会破坏对动目标的覆盖性。
应理解，本发明所指的目标动态是指目标相对于空天信息系统的最大运动角速度，该角速度可以是一个定值，可以是一个与空天信息系统俯仰角相关的函数，也可以考虑速度为0，本发明对此不作限定。
可选地，本发明所述优化初步设计波位在不同俯仰角处的波位个数和方位向指向步骤仅在单波束指向范围较窄，必须对空域进行区域划分的情况是必选的步骤，但本发明对单波束指向的范围并不做具体约束。
可选地，本发明所指波束个数和指向范围作为参数输入，并根据该参数确定单区域波束个数，但从空天信息系统的系统设计的角度出发，也可以直接输入单区域波束个数，进行波位设计，再根据需求设计空域分区，本发明对以上所述的设计步骤不作限定。
可选地，本发明所指的单波束的作用范围可以是部分空域，也可以是全空域，本发明对此不作限定。
优选地，基于波束投影理论的降维波位设计方法将二维波位设计问题化简为俯仰向的波位指向设计和方位向的波位指向设计两个子问题，并通过以下步骤实现给定波束宽度、最低覆盖俯仰角、驻留时间、波束个数、目标在俯仰向的角速度和目标在方位向的角速度条件下的波位设计：
步骤1.设置空天信息系统第p＝1圈次的波位指向，再依据给定的波束宽度，计算第p圈次波位覆盖的最低有效俯仰角，和在当前俯仰角处，扫描波位设计完成后的剩余波束个数；
步骤2.依据所述最低覆盖俯仰角和第p圈次波位覆盖的最低有效俯仰角，判定扫描波位设计是否完成：若第p圈次波位覆盖的最低有效俯仰角小于给定空天信息系统的最低覆盖俯仰角，则扫描波位设计完成，输出设计波位和波束利用率，否则，更新p等于p+1，并继续执行下一步骤；
步骤3.利用空天信息系统的波束驻留时间、波束个数、目标运动速度参数和第p-1圈次的设计波位，计算第p圈次扫描波位与第p-1圈次扫描波位在俯仰向的重叠角度，并结合第p-1圈次扫描波位覆盖的最低俯仰角，计算第p圈次扫描波位的最高覆盖俯仰角；
步骤4.利用步骤3所述第p圈次扫描波位的最高覆盖俯仰角和给定的空天信息系统波束宽度，计算不考虑方位向重叠时，具有最高波束利用率波位设计的波位个数N；
步骤5.利用步骤4所述波位个数N、步骤3所述第p-1圈次设计完成后的剩余波束个数、给定空天信息系统的波束驻留时间和目标动态，计算第p圈次所有波位的扫描时间，并据此计算第p圈次波位与第p-1圈次波位在俯仰向为适应目标运动而设置的重叠角度和在第p圈次扫描时，不同波位在方位向为适应目标运动而设置的重叠角度；
步骤6.利用第p圈次扫描波位与第p-1圈次扫描波位在俯仰向的重叠角度，计算并更新第p圈次扫描波位的最高覆盖俯仰角；
步骤7.利用第p圈次扫描波位的最高覆盖俯仰角、在第p圈次扫描波位在方位向的重叠角度和给定的空天信息系统波束宽度，计算空天信息系统第p圈次的波位指向和第p圈次波位的最低覆盖俯仰角，并继续执行步骤2。
应理解，本发明方法中，波位设计按空天信息系统的高俯仰角到低俯仰角的顺序进行，每个俯仰角处设计波位的俯仰向指向均相等，因此，空天信息系统的第p圈次扫描波位，即表示从最高俯仰角往低俯仰角数，第p圈次的扫描波位。
优选地，在所述步骤4中，利用步骤3所述第p圈次扫描波位的最高覆盖俯仰角和给定的空天信息系统波束宽度，计算不考虑方位向重叠时，具有最高波束利用率波位设计的波位个数N，N的计算公式为：
Figure GDA0004114500460000071
式中，
Figure GDA0004114500460000072
表示空天信息系统第p圈次波位的最低覆盖俯仰角，n表示在空天信息系统第p圈次波位个数，α表示波束宽度，/>
Figure GDA0004114500460000073
表示第p圈次扫描波位的最高覆盖俯仰角。
优选地，所述步骤7中空天信息系统第p圈次的波位在俯仰向指向
Figure GDA0004114500460000074
的计算公式为：
Figure GDA0004114500460000075
/>
Figure GDA0004114500460000081
当Kleft＝0时，中间变量x＝0，Kleft>0时，中间变量x＝1，
式中，
Figure GDA0004114500460000082
表示单圈次设计波位的最高覆盖俯仰角，θmax表示波位在方位向为适应目标运动而设置的重叠角度，Kleft表示第p-1圈次扫描完成时的空闲扫描波束个数，K表示波束个数，/>
Figure GDA0004114500460000083
表示向上取整运算符。
实施例1：
考虑仅用1个最大波束宽度为14.5度的波束对俯仰角5度以上的空域进行扫描波位设计，并且不考虑目标运动速度。在该场景下采用图1所述设计流程，设置波束设计时波位的缩小步进为0.05度，得到扫描波位设计结果如图2所示。
参阅图2(a)和图2(b)，两张图片分别给出了覆盖要求空域的波位数随设计波束宽度的变化曲线和波束利用率随设计波束宽度的变化曲线。当用给定最大波数宽度14.5度进行波位设计时，设计波位共194个，对应波束利用率58.85％，随着波束宽度的降低，设计波位个数和波束利用率缓慢增加，其中，波束利用率在波束宽度为13.85度时达到峰值63.20％，对应波位个数仅增加4个，达到198。当波束宽度进一步减小到13.8度时，波束利用率陡然下降到53.90，对应波位数增加也突增到235个。实施例1的设计波位对5度以上空域实现了无缝覆盖。
参阅图2(c)，该图给出了设计波位的空域覆盖图。波位在空域中的覆盖性用波束在以空天信息系统为球心单位球面的投影表示，并且该图画出了俯仰角5度的纬线。从图2(c)可以看出，相邻波位相交，波位与波位之间均存在一定重叠，保证了所有波位对5度以上空域的覆盖性，与此同时，也可以看出，最低俯仰角处相邻波位的交点与5度俯仰角纬线基本重合，保证了波束的利用率。
实施例2：
考虑仅用10个最大波束宽度为18.7度的波束对俯仰角5度以上的空域进行扫描，单波束最大指向区域为90度，波束驻留时间32ms，并且考虑可适应200km轨道卫星的动态。可以采用图1所述设计流程，并设置波束设计间隔Δα＝0.05度，对上述参数下的扫描波位进行设计。
参阅图3。图3给出了当卫星相对地面系统在不同俯仰角处的俯仰向运动角速度和方位向角速度，在俯仰向和方位向的波位重叠，便可根据卫星轨道与地面站的几何关系和图3所示结果确定。根据波束个数和波束覆盖范围，可确定将5度以上空域划分为10个区域，每个区域用1个波束进行扫描，即K＝1。利用图1所示设计流程，可得到扫描波位设计结果如图4所示，为适应目标动态，设计波位的波束利用率较实施例1有所降低，为57.2％。
参阅图4(a)。该图给出了初步波位设计结果在空域上的覆盖示意图。该设计中，波位在俯仰向划分，一共分为8圈，从高俯仰角到低俯仰角的波位个数分别为1、8、12、15、21、24、27和28，一共135个波位。
参阅图4(b)。该图给出了输出区域划分后的波位设计结果。该设计中，为获得更加集中的区域划分结果，修改了不同俯仰角处的波位个数，从高俯仰角到低俯仰角，各圈次的波位个数分别设置为：1、8、9、18、18、27、27、27，共134个波位，并经过适当旋转，得到最终区域划分如下所述：区域1包括第一圈和第二圈的9个波位，最低覆盖俯仰角、最高覆盖俯仰角、最低方位角和最高方位角分别为70.32度、90度、0度和360度；区域2包括14个波位，最低覆盖俯仰角、最高覆盖俯仰角、最低方位角和最高方位角分别为3.60度、73.12度、-21.24度和20度；区域3包括14个波位，最低覆盖俯仰角、最高覆盖俯仰角、最低方位角和最高方位角分别为3.60度、73.12度、18.76度和60度；区域4包括14个波位，最低覆盖俯仰角、最高覆盖俯仰角、最低方位角和最高方位角分别为3.60度、73.12度、58.76度和100度；区域5包括14个波位，最低覆盖俯仰角、最高覆盖俯仰角、最低方位角和最高方位角分别为3.60度、73.12度、98.76度和140度；区域6包括14个波位，最低覆盖俯仰角、最高覆盖俯仰角、最低方位角和最高方位角分别为3.60度、73.12度、138.76度和180度；区域7包括14个波位，最低覆盖俯仰角、最高覆盖俯仰角、最低方位角和最高方位角分别为3.60度、73.12度、178.76度和220度；区域8包括14个波位，最低覆盖俯仰角、最高覆盖俯仰角、最低方位角和最高方位角分别为3.60度、73.12度、218.76度和260度；区域9包括14个波位，最低覆盖俯仰角、最高覆盖俯仰角、最低方位角和最高方位角分别为3.60度、73.12度、258.76度和300度；区域10包括14个波位，最低覆盖俯仰角、最高覆盖俯仰角、最低方位角和最高方位角分别为3.60度、73.12度、298.76度和340度。
应理解，本申请实施例的技术方案可以应用于不考虑目标动态的空域覆盖波位设计、可适应目标动态的空域覆盖扫描波位设计、不考虑空域分区的空域覆盖扫描波位设计和考虑空域分区的空域覆盖扫描波位设计。
应理解，本发明所指的最大波束宽度，要求波束在指向范围内的任何一个方向，在所述的波束宽度内，波束都能满足一定的EIRP指标。
以上内容结合实施例对本发明进行了详细介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可在具体实施方式及应用范围上做出明显变型，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于空域覆盖的波位设计方法，其特征在于包括如下步骤：根据空天信息系统参数，确定所述系统的最低覆盖俯仰角、波束个数、波束指向范围、最大波束宽度、波束在单波位的驻留时间和目标动态参数；根据波束个数和波束指向范围，对所述系统在空域上进行初步区域划分，并计算单区域内的波束个数；根据空天信息系统的最低覆盖俯仰角、驻留时间、目标动态和单区域波束个数，基于波束投影理论设计不同波束宽度条件下的扫描波位，并计算不同波束宽度条件下设计波位的波束利用率；基于波束利用率随波束宽度的变化情况，选择最大波束利用率条件下的设计波位，保留波束利用率最大时的设计结果作为初步波位设计；根据所述初步区域划分和波束指向范围，调整初步波位设计在不同俯仰角处的波位个数和方位向指向，优化所述初步区域划分，得到扫描波位的最终设计结果；
基于波束投影理论的降维波位设计方法将二维波位设计问题化简为俯仰向的波位指向设计和方位向的波位指向设计两个子问题，并通过以下步骤实现给定波束宽度、最低覆盖俯仰角、驻留时间、波束个数、目标在俯仰向的角速度和目标在方位向的角速度条件下的波位设计：
步骤1.设置空天信息系统第p＝1圈次的波位指向，再依据给定的波束宽度，计算第p圈次波位覆盖的最低有效俯仰角，和在当前俯仰角处，扫描波位设计完成后的剩余波束个数；
步骤2.依据所述最低覆盖俯仰角和第p圈次波位覆盖的最低有效俯仰角，判定扫描波位设计是否完成：若第p圈次波位覆盖的最低有效俯仰角小于给定空天信息系统的最低覆盖俯仰角，则扫描波位设计完成，输出设计波位和波束利用率，否则，更新p等于p+1，并继续执行下一步骤；
步骤3.利用空天信息系统的波束驻留时间、波束个数、目标运动速度参数和第p-1圈次的设计波位，计算第p圈次扫描波位与第p-1圈次扫描波位在俯仰向的重叠角度，并结合第p-1圈次扫描波位覆盖的最低俯仰角，计算第p圈次扫描波位的最高覆盖俯仰角；
步骤4.利用步骤3所述第p圈次扫描波位的最高覆盖俯仰角和给定的空天信息系统波束宽度，计算不考虑方位向重叠时，具有最高波束利用率波位设计的波位个数N；
步骤5.利用步骤4所述波位个数N、步骤3所述第p-1圈次设计完成后的剩余波束个数、给定空天信息系统的波束驻留时间和目标动态，计算第p圈次所有波位的扫描时间，并据此计算第p圈次波位与第p-1圈次波位在俯仰向为适应目标运动而设置的重叠角度和在第p圈次扫描时，不同波位在方位向为适应目标运动而设置的重叠角度；
步骤6.利用第p圈次扫描波位与第p-1圈次扫描波位在俯仰向的重叠角度，计算并更新第p圈次扫描波位的最高覆盖俯仰角；
步骤7.利用第p圈次扫描波位的最高覆盖俯仰角、在第p圈次扫描波位在方位向的重叠角度和给定的空天信息系统波束宽度，计算空天信息系统第p圈次的波位指向和第p圈次波位的最低覆盖俯仰角，并继续执行步骤2。
2.如权利要求1所述的用于空域覆盖的波位设计方法，其特征在于：波束利用率是一个介于0到1之间，用以判定波位设计优劣的数值，并且波束利用率是欲被覆盖的空域在单位球面投影的表面积与设计波位在单位球面上投影面积和的比值。
3.如权利要求1所述的用于空域覆盖的波位设计方法，其特征在于：在空天信息系统的实际扫描过程中，波位扫描顺序按照空天信息系统的俯仰角从高到低，方位角从小到大进行，或按照空天信息系统的俯仰角从低到高、方位角从大到小进行。
4.如权利要求1所述的用于空域覆盖的波位设计方法，其特征在于：波位个数N的计算公式为：
Figure FDA0004107177440000031
式中，
Figure FDA0004107177440000032
是波位在俯仰向指向角，/>
Figure FDA0004107177440000033
表示第p圈次扫描波位的最高覆盖俯仰角，n表示在空天信息系统第p圈次波位个数位，α表示波束宽度，/>
Figure FDA0004107177440000034
表示空天信息系统第p圈次波位的最低覆盖俯仰角。
5.如权利要求4所述的用于空域覆盖的波位设计方法，其特征在于：空天信息系统第p圈次的波位在俯仰向指向
Figure FDA0004107177440000035
的计算公式为：
Figure FDA0004107177440000036
Figure FDA0004107177440000037
当Kleft＝0时，中间变量x＝0，Kleft>0时，中间变量x＝1，
式中，
Figure FDA0004107177440000038
表示单圈次设计波位的最低覆盖俯仰角，θmax表示波位在方位向为适应目标运动而设置的重叠角度，Kleft表示第p-1圈次扫描完成时的空闲扫描波束个数，K表示波束个数，/>
Figure FDA0004107177440000039
表示向上取整运算符。
6.如权利要求1所述的用于空域覆盖的波位设计方法，其特征在于：波位在空域中的覆盖性用波束在以空天信息系统为球心单位球面的投影表示，并且相邻波位相交，波位与波位之间均存在一定重叠。
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