CN111505635A - 用于相干层析的geo sar双星编队构型设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于相干层析的GEO SAR双星编队构型设计方法，通过获取GEO SAR双星编队主星的轨道根数和相关层析的性能要求；主星的轨道根数包括半长轴ac、离心率ec、倾角ic、升交点赤经Ωc、近地点幅角ωc、平近点角Mc；相关层析的性能要求包括高度向采样参数；根据主星的轨道根数和高度向采样参数，确定GEO SAR双星编队从星的轨道根数，从星的轨道根数包括半长轴ad、离心率ed、倾角id、升交点赤经Ωd、近地点幅角ωd、平近点角Md；能够实现编队GEO SAR垂直基线随重访次数的增加，而按照指定的间隔均匀变化，并且可以最小化各次重访的沿轨基线，提高各次重访主辅图像的相关系数，从而提高层析成像的性能。

Description

用于相干层析的GEO SAR双星编队构型设计方法
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达技术领域，尤其涉及一种用于相干层析的GEO SAR双星编队构型设计方法。
背景技术
合成孔径雷达层析(TomoSAR)利用多幅具有一定观测视角差异的合成孔径雷达(SAR)图像形成高度向合成孔径，可分离同一个分辨单元内的叠掩目标从而实现三维成像。利用SAR图像生成干涉图后计算相关函数进行层析的技术称为相干层析(Coherence-basedTomoSAR)，其利用相关函数的多视处理可以有效降低相位噪声的影响，因而在森林等自然场景的垂直结构反演中具有重大应用前景。由于传统单星SAR是通过卫星的重访获取多幅图像以生成干涉图，重访间隔导致不同时间的SAR图像受到时间去相关和不同的大气干扰，恶化了SAR图像的相关系数。利用卫星编队可以同时获取多幅图像，具有有效克服大气扰动和场景去相关的优势，是实现相干层析的有效体制。
当前用于相干层析的卫星编队的研究集中于低轨SAR(LEO SAR，轨道高度低于1000km)，由于重访时间长(10天以上)，获取的同一个场景的干涉图数量十分受限，并且各次重访编队的基线存在严重的非均匀性，制约了相干层析的精度。
地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)运行在36000km高度的地球同步轨道上，具有成像范围大、重访时间短(24小时)等优势。利用GEO SAR编队可以大幅提高干涉图的数量进而提高相干层析的精度，而使用双星GEO SAR编队就可以实现每天获取一幅干涉图。
为了实现高度向成像性能最优，编队在高度向的采样需要按照指定的间隔均匀采样，在GEO SAR双星编队中即是要求编队的垂直基线随重访次数均匀变化。这依赖于合理设计的GEO SAR编队构型。编队构型设计的任务是根据主星的轨道根数以及层析的性能要求，设计从星的轨道根数。目前已有的TomoSAR编队构型设计主要针对LEO SAR，其利用多颗卫星沿着高度向排列，无法实现垂直基线随重访次数按指定间隔变化。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于相干层析的GEO SAR双星编队构型设计方法，包括：
获取GEO SAR双星编队主星的轨道根数和相干层析的性能要求；所述主星的轨道根数包括半长轴ac、离心率ec、倾角ic、升交点赤经Ωc、近地点幅角ωc、平近点角Mc；所述相干层析的性能要求包括高度向采样参数；
根据所述主星的轨道根数和所述高度向采样参数，确定GEO SAR双星编队从星的轨道根数，所述从星的轨道根数包括半长轴ad、离心率ed、倾角id、升交点赤经Ωd、近地点幅角ωd、平近点角Md。
可选的，所述高度向采样参数包括高度向采样间隔ΔB、高度向初始间隔B0、高度向采样天数K、从星的星下点轨迹漂移方向。
可选的，所述从星的星下点轨迹漂移方向包括自东向西和自西向东。
可选的，所述根据所述主星的轨道根数和所述高度向采样参数，确定GEO SAR双星编队从星的轨道根数包括：
根据所述主星的离心率ec确定所述从星的离心率ed；
根据所述主星的倾角ic确定所述从星的倾角id；
根据所述主星的平近点角Mc确定所述从星的平近点角Md；
根据所述主星的半长轴ac、倾角ic、从星的星下点轨迹漂移方向以及高度向采样间隔ΔB，确定所述从星的半长轴ad；
根据所述主星的升交点赤经Ωc、半长轴ac、倾角ic以及高度向初始间隔B0，确定所述从星的升交点赤经Ωd；
根据所述主星的近地点幅角ωc、半长轴ac、倾角ic以及高度向初始间隔B0，确定所述从星的近地点幅角ωd。
可选的，所述根据所述主星的离心率ec确定所述从星的离心率ed包括：令所述从星的离心率ed等于所述主星的离心率ec；
所述根据所述主星的倾角ic确定所述从星的倾角id包括：令所述从星的倾角id等于所述主星的倾角ic；
所述根据所述主星的平近点角Mc确定所述从星的平近点角Md包括：令所述从星的平近点角Md等于所述主星的平近点角Mc。
可选的，所述根据所述主星的半长轴ac、倾角ic、从星的星下点轨迹漂移方向以及高度向采样间隔ΔB，确定所述从星的半长轴ad包括，按照如下公式确定所述从星的半长轴ad：
Figure BDA0002453223280000031
若要求从星的星下点轨迹自东向西漂移，则上述式子符号取正，若要求从星的星下点轨迹自西向东漂移，则上述式子符号取负。
可选的，所述根据所述主星的升交点赤经Ωc、半长轴ac、倾角ic、高度向初始间隔B0以及高度向采样天数K，确定所述从星的升交点赤经Ωd包括，按照如下公式确定所述从星的升交点赤经Ωd：
Figure BDA0002453223280000032
可选的，所述根据所述主星的近地点幅角ωc、半长轴ac、倾角ic、高度向初始间隔B0以及高度向采样天数K，确定所述从星的近地点幅角ωd包括，按照如下公式确定所述从星的近地点幅角ωd：
Figure BDA0002453223280000033
本发明的有益效果是：
根据本发明提供的用于相干层析的GEO SAR双星编队构型设计方法，通过获取GEOSAR双星编队主星的轨道根数和相干层析的性能要求；主星的轨道根数包括半长轴ac、离心率ec、倾角ic、升交点赤经Ωc、近地点幅角ωc、平近点角Mc；相干层析的性能要求包括高度向采样参数；根据主星的轨道根数和高度向采样参数，确定GEO SAR双星编队从星的轨道根数，从星的轨道根数包括半长轴ad、离心率ed、倾角id、升交点赤经Ωd、近地点幅角ωd、平近点角Md；能够实现编队GEO SAR垂直基线随重访次数的增加，而按照指定的间隔均匀变化，并且可以最小化各次重访的沿轨基线，提高各次重访主辅图像的相关系数，从而提高层析成像的性能。
附图说明
图1为本发明的用于相干层析的GEO SAR双星编队构型设计方法流程示意图；
图2为本发明的使用本方案得到的卫星编队的基线随轨道时间变化的示意图；
图3为本发明的使用本方案得到的不同纬度幅角处各天基线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
卫星的轨道根数包括半长轴、离心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角，其中真近点角可以用平近点角替代。这六个轨道根数决定了卫星的唯一状态。本发明中，用户输入为主星的轨道根数(半长轴ac、离心率ec、倾角ic、升交点赤经Ωc、近地点幅角ωc、平近点角Mc)、高度向采样间隔ΔB、高度向初始间隔B0、高度向采样天数K、从星星下点轨迹漂移方向(自东向西/自西向东)。输出为从星的轨道根数(半长轴ad、离心率ed、倾角id、升交点赤经Ωd、近地点幅角ωd、平近点角Md)。具体步骤请参见图1，包括：
S101、获取GEO SAR双星编队主星的轨道根数和相干层析的性能要求；主星的轨道根数包括半长轴ac、离心率ec、倾角ic、升交点赤经Ωc、近地点幅角ωc、平近点角Mc；相干层析的性能要求包括高度向采样参数。
S102、根据主星的轨道根数和高度向采样参数，确定GEO SAR双星编队从星的轨道根数，从星的轨道根数包括半长轴ad、离心率ed、倾角id、升交点赤经Ωd、近地点幅角ωd、平近点角Md。
(1)从星离心率、倾角、平近点角的设计
在GEO SAR编队用于生成干涉图时，有必要最小化沿轨基线，以降低旋转去相关。在固定垂直基线在一个轨道周期内的均方根的前提下，若我们最小化沿轨基线在一个轨道周期内的均方根，则可以得到从星与主星的离心率、倾角、平近点角分别相同的结论。因此令从星的离心率、倾角、平近点角与主星一致，即:
ed＝ec
id＝ic
Md＝Mc (1)
(2)从星半长轴的设计
由于通常GEO SAR的轨道周期与地球自转周期相等，因此GEO SAR的星下点轨迹是完全重合的。若微调GEO SAR的半长轴，星下点轨迹将不再重合，而是相比于上一天有所漂移。当半长轴略大于或略小于同步轨道(42164km)时，星下点轨迹分别可发生自东向西和自西向东漂移。半长轴与主星有所差异的从星和主星之间的间距，也因此会随着卫星运行天数的增加而线性变化，据此可以设计从星的半长轴。
主从星的间距中的高度向分量构成了高度向间隔。在GEO SAR编队中，高度向间隔就是垂直基线。在实施步骤1之后，主从星具有半长轴差异的GEO SAR编队的沿轨基线和垂直基线可以分别表示为
Figure BDA0002453223280000051
Figure BDA0002453223280000052
其中n为主星轨道运动的角速度，Δω＝ωd-ωc、ΔΩ＝Ωd-Ωc、Δa＝ad-ac分别表示主从星的近地点幅角之差、升交点经度之差、半长轴之差。
注意到编队垂直基线
Figure BDA0002453223280000053
在全轨是变化的。因此有必要指定特定轨道处或某个数学量下编队垂直基线的变化间隔。本设计方法以垂直基线日变化量，即一个轨道周期内高度向采样间隔的均方根ΔB为输入，即令
Figure BDA0002453223280000061
求解上式，即可得到主从星半长轴之差满足：
Figure BDA0002453223280000062
最后，根据从星星下点运动轨迹漂移方向的要求(自东向西/自西向东)确定Δa的符号。因此从星半长轴的计算方法为：
Figure BDA0002453223280000063
(3)从星升交点赤经、近地点幅角的设计
除步骤(1)中提到的一个轨道周期内沿轨基线的最小化，步骤(2)中提到的主从星垂直基线日变化量以外，GEO SAR编队的设计，还需要考虑高度向初始间隔(即初始垂直基线)的设置和多轨道周期内沿轨基线的最小化，这是因为相干层析需要利用编队运行多个周期以获取多幅干涉图。考虑到t＝k·T时(即纬度幅角AoL＝0°)卫星轨迹的线性性质最佳，成像性能最好，我们选取最小化t＝k·T处沿轨基线序列的均方根作为优化的准则。由于垂直基线随时间是变化的，因此我们定义第一个轨道周期内的垂直基线均方根作为初始垂直基线。需令初始垂直基线等于用户定义的高度向初始间隔B0，因此，编队的多周期沿轨基线最小化，是一个如下所示的带约束条件的优化问题：
Figure BDA0002453223280000064
令L导数为0，可得到从星的的升交点赤经Ωd、近地点幅角ωd的计算公式如下：
Figure BDA0002453223280000065
Figure BDA0002453223280000066
为了更好地理解本发明，接下来结合具体参数给出实施的示例。
在示例中，主星轨道根数如表1所示。重轨天数为K＝30，高度向采样间隔为ΔB＝20km，高度向初始间隔B0＝20km，要求从星自西向东漂移。
表1主星轨道根数数据表
主星轨道根数 数值
半长轴a<sub>c</sub>(km) 42164
离心率e<sub>c</sub> 0
倾角i<sub>c</sub>(°) 16
近地点幅角ω<sub>c</sub>(°) 0
升交点赤经Ω<sub>c</sub>(°) 0
平近点角M<sub>c</sub>(°) 0
首先，由步骤1，根据公式(1)可以得到从星的离心率ed＝0，倾角id＝16°，平近点角Md＝0°。然后，由步骤2，由于要求从星自西向东漂移，因此公式(5)符号取负号,；将ac、ic、ΔB的数值代入公式中得到ad＝42164.71km。最后，将B0、Ωc、ac、ic、K的数值代入公式(7)、(8)后，得到Ωd＝0.229°、ωd＝-0.201°或Ωd＝-0.229°、ωd＝0.201°
图2(a)、(b)分别给出了采用本方案设计得到的GEO SAR双星编队在前10天的沿轨基线和垂直基线，图3(a)、(b)分别给出了不同纬度幅角处各天的沿轨基线和垂直基线变化。可以看出，在纬度幅角AoL＝0°处，编队的沿轨基线是全轨各处最小的，而垂直基线表现出非常明显的线性变化。全轨各个纬度幅角处各天沿轨基线线性性质良好，而在90°以内的各个纬度幅角处，0°～80°内垂直基线的线性性质都十分显著，说明全轨8/9以上的区域可实现高度向的均匀采样。
通过仿真结果可以看出利用这种用于相干层析的GEO SAR双星编队构型设计方法，可以设计满足高度向均匀采样且沿轨基线最小的GEO相干层析编队。
本发明提供的相干层析GEO SAR双星编队构型设计方法，通过获取GEO SAR双星编队主星的轨道根数和相干层析的性能要求；主星的轨道根数包括半长轴ac、离心率ec、倾角ic、升交点赤经Ωc、近地点幅角ωc、平近点角Mc；相干层析的性能要求包括高度向采样参数；根据主星的轨道根数和高度向采样参数，确定GEO SAR双星编队从星的轨道根数，从星的轨道根数包括半长轴ad、离心率ed、倾角id、升交点赤经Ωd、近地点幅角ωd、平近点角Md；能够实现编队GEO SAR垂直基线随重访次数的增加，而按照指定的间隔均匀变化，并且可以最小化各次重访的沿轨基线，提高各次重访主辅图像的相关系数，从而提高层析成像的性能。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于相干层析GEO SAR双星编队构型设计方法，其特征在于，包括：
获取GEO SAR双星编队主星的轨道根数和相干层析的性能要求；所述主星的轨道根数包括半长轴ac、离心率ec、倾角ic、升交点赤经Ωc、近地点幅角ωc、平近点角Mc；所述相干层析的性能要求包括高度向采样参数；
根据所述主星的轨道根数和所述高度向采样参数，确定GEO SAR双星编队从星的轨道根数，所述从星的轨道根数包括半长轴ad、离心率ed、倾角id、升交点赤经Ωd、近地点幅角ωd、平近点角Md。
2.如权利要求1所述的用于相干层析GEO SAR双星编队构型设计方法，其特征在于，所述高度向采样参数包括高度向采样间隔ΔB、高度向初始间隔B0、高度向采样天数K、从星的星下点轨迹漂移方向。
3.如权利要求2所述的用于相干层析GEO SAR双星编队构型设计方法，其特征在于，所述从星的星下点轨迹漂移方向包括自东向西和自西向东。
4.如权利要求3所述的用于相干层析GEO SAR双星编队构型设计方法，其特征在于，所述根据所述主星的轨道根数和所述高度向采样参数，确定GEO SAR双星编队从星的轨道根数包括：
根据所述主星的离心率ec确定所述从星的离心率ed；
根据所述主星的倾角ic确定所述从星的倾角id；
根据所述主星的平近点角Mc确定所述从星的平近点角Md；
根据所述主星的半长轴ac、倾角ic、从星的星下点轨迹漂移方向以及高度向采样间隔ΔB，确定所述从星的半长轴ad；
根据所述主星的升交点赤经Ωc、半长轴ac、倾角ic以及高度向初始间隔B0，确定所述从星的升交点赤经Ωd；
根据所述主星的近地点幅角ωc、半长轴ac、倾角ic以及高度向初始间隔B0，确定所述从星的近地点幅角ωd。
5.如权利要求4所述的用于相干层析GEO SAR双星编队构型设计方法，其特征在于，所述根据所述主星的离心率ec确定所述从星的离心率ed包括：令所述从星的离心率ed等于所述主星的离心率ec；
所述根据所述主星的倾角ic确定所述从星的倾角id包括：令所述从星的倾角id等于所述主星的倾角ic；
所述根据所述主星的平近点角Mc确定所述从星的平近点角Md包括：令所述从星的平近点角Md等于所述主星的平近点角Mc。
6.如权利要求4所述的用于相干层析GEO SAR双星编队构型设计方法，其特征在于，所述根据所述主星的半长轴ac、倾角ic、从星的星下点轨迹漂移方向以及高度向采样间隔ΔB，确定所述从星的半长轴ad包括，按照如下公式确定所述从星的半长轴ad：
Figure FDA0002453223270000021
若要求从星的星下点轨迹自东向西漂移，则上述式子符号取正，若要求从星的星下点轨迹自西向东漂移，则上述式子符号取负。
7.如权利要求4所述的用于相干层析GEO SAR双星编队构型设计方法，其特征在于，所述根据所述主星的升交点赤经Ωc、半长轴ac、倾角ic、高度向初始间隔B0以及高度向采样天数K，确定所述从星的升交点赤经Ωd包括，按照如下公式确定所述从星的升交点赤经Ωd：
Figure FDA0002453223270000022
8.如权利要求4所述的用于相干层析GEO SAR双星编队构型设计方法，其特征在于，所述根据所述主星的近地点幅角ωc、半长轴ac、倾角ic、高度向初始间隔B0以及高度向采样天数K，确定所述从星的近地点幅角ωd包括，按照如下公式确定所述从星的近地点幅角ωd：
Figure FDA0002453223270000023
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