CN112130147B - 一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，属于星载合成孔径雷达成像技术，首先，根据星载SAR成像准备时间，设置星上定位系统PVT数据外推时间；其次，基于实时广播的PVT、姿态数据，通过坐标系转换和星地位置计算，获得目标在卫星本体坐标系下的位置矢量；再次，根据目标在卫星本体坐标系下的位置矢量确定目标的成像时刻和最优成像波位。本发明方法充分利用了星上定位系统PVT数据外推功能，输入参数简单且易于卫星自主实现，计算精度相对较高。

Description

一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法

技术领域

本发明涉及一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，特别是涉及一种基于海陆目标位置信息的合成孔径雷达成像波位确定方法，属于星载合成孔径雷达成像技术。

背景技术

星载合成孔径雷达(SAR)越来越多的采用可变视角、可变波束的有源相控阵天线，针对不同的成像幅宽、视角，SAR通常设计有不同的成像波位。对于特定海陆目标成像任务，星载SAR系统需要提前开展任务规划，确定目标成像所需要成像波位。

SAR卫星成像任务规划通常在地面人员辅助下进行，根据卫星精密定轨数据和成像目标地理位置，推算卫星航过时刻以及航过时刻卫星与目标视角关系，结合SAR波位设计，完成目标成像波位确定。常规方法建立在精密定轨数据的基础上，对于航过时刻、视角关系计算精准，非常适合对岛屿、城市、森林、溢油等固定位置目标的成像波位计算。随着SAR成像需求扩展，对运动目标或非合作目标SAR成像需求逐渐增多，传统方法无法满足相关成像需求，需要根据运动目标或临时成像任务特点，探索新的波位确定方法，在轨实现成像波位的自主快速确定。

成像波位在轨确定是星载SAR的自主管理的重要环节，是实现SAR与其他载荷系统交互配合的先决条件。由于星载SAR具有相对目标飞行速度快，星地距离远和目标海拔起伏大等特点，导致星载SAR成像波位自主计算复杂，国内外公开文献或专利中均未见相关论述。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，首先，根据星载SAR成像准备时间，设置星上定位系统PVT数据外推时间；其次，基于实时广播的PVT、姿态数据，通过坐标系转换和星地位置计算，获得目标在卫星本体坐标系下的位置矢量；再次，根据目标在卫星本体坐标系下的位置矢量确定目标的成像时刻和最优成像波位。本发明方法充分利用了星上定位系统PVT数据外推功能，输入参数简单且易于卫星自主实现，计算精度相对较高。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，包括如下步骤：

S1、根据星载SAR成像准备时间，设置外推时刻；

S2、在WGS84坐标系下，根据外推时刻，确定卫星的外推位置数据和目标位置数据，计算WGS84坐标系下卫星指向目标的矢量；

S3、根据WGS84坐标系到J2000惯性坐标系的转换矩阵、S2中WGS84坐标系下卫星指向目标的矢量，计算J2000惯性坐标系下卫星指向目标的矢量；

S4、在WGS84坐标系下，根据外推时刻，获得卫星的外推位置数据和速度数据，计算卫星在J2000惯性坐标系下的卫星轨道参数；

S5、根据S4中的卫星轨道参数，计算J2000惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵；然后计算轨道坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵；

S6、根据S3中J2000惯性坐标系下卫星指向目标的矢量、S4中J2000惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵、S4中轨道坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵，计算卫星本体坐标系下卫星指向目标的矢量；

S7、根据卫星本体坐标系下卫星指向目标的矢量，确定侧摆角、下视角；在外推时刻，根据俯仰角、卫星相对星下点速度、外推数据广播周期、轨道高度，判断卫星是否航过目标；如果卫星航过目标则转入S8，否则转入S10；

S8、根据侧摆角、距离向覆盖角度范围，判断卫星是否具备成像条件，如果具备成像条件则转入S9，否则转入S10；

S9、获得成像波位；

S10、成像波位确定方法结束。

上述基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，优选的，S9中获得多个成像波位时，选取满足如下关系的第i个波位Bⁱ：

其中，

分别为波位Bⁱ的距离向覆盖角度范围下限和上限；R_X为侧摆角。

上述基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，优选的，所述外推时刻晚于成像准备时间。

上述基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，优选的，所述卫星轨道参数为轨道六根数。

上述基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，优选的，S7中，根据以下不等式判断卫星是否航过目标：

其中，V_Sat为卫星相对星下点速度，T_PVT为外推数据广播周期，H为轨道高度。P_Y为下视角。

上述基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，优选的，根据以下不等式判断卫星是否具备成像条件：

其中，

分别为波位Bⁿ的距离向覆盖角度范围下限和上限；R_X为侧摆角。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明方法基于卫星实时在轨姿态、轨道数据，将目标地理经纬度转换为卫星坐标系下位置矢量，确保最终能够选择最优波位引导成像；

(2)本发明方法充分利用了星上定位系统PVT数据外推功能，输入参数简单且易于卫星自主实现，计算精度相对较高；

(3)本发明方法使得星上其他载荷系统对SAR的引导成像称为可能，使得在全球范围内进行非合作目标的实时监测与引导成像成为可能；

(4)某型号SAR卫星在AIS引导SAR成像时首次采用了本方法，满足了卫星对船舶目标的实时监测与成像需求，同时方法可以推广应用于其他微波或光学遥感卫星。

附图说明

图1为目标在卫星本体坐标系下角度示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，包括如下步骤：

步骤1：根据星载SAR成像准备时间t_pre，设置星上定位系统PVT数据外推时间t_ex，t_ex＞t_pre。

步骤2：根据WGS84坐标系下t_ex时刻卫星外推位置数据P_Sat,WGS84和海陆目标(以下简称目标)位置数据P_Tar,WGS84，计算WGS84坐标系中卫星指向目标的矢量ΔP_{Sat2Tar,WGS84}。

ΔP_{Sat2Tar,WGS84}＝P_Tar,WGS84-P_Sat,WGS84

步骤3：计算WGS84坐标系到J2000惯性坐标系的转换矩阵L_WGS84toJ2000：

式中，

z_A＝2306”.2181t+1”.09468t²+0”.018203t³

θ_A＝2004”.3109t-0”.42665t²-0”.041833t³

ζ_A＝2306”.2181t+0”.30188t²+0”.017998t³

t为世界时T对应的儒略世纪数。

R_x(α)表示绕X轴转动角度α，

R_y(β)表示绕Y轴转动角度β，

R_z(γ)表示绕Z轴转动角度γ，

步骤4：由WGS84坐标系中卫星指向目标的矢量ΔP_{Sat2Tar,WGS84}和转换矩阵L_WGS84toJ2000，计算J2000坐标系中卫星指向目标船的矢量ΔP_{Sat2Tar,J2000}。

ΔP_{Sat2Tar,J2000}＝L_WGS84toJ2000·ΔP_{Sat2Tar,WGS84}

步骤5：根据WGS84坐标系下t_ex时刻卫星外推位置P_Sat,WGS84和速度V_Sat,WGS84数据，计算卫星在J2000坐标系中的轨道参数，即轨道六根数[a e i Ω ω θ]。其中a为轨道半长轴，e为离心率，i为轨道倾角，Ω为升交点黄经，ω为近日点幅角，θ为真近点角。

步骤6：计算J2000坐标系到轨道坐标系的转换矩阵L_J2000toOrbit。

式中，u＝ω+θ。

步骤7：计算卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵L_{Orbit_to_Body}。

L_{Orbit_to_Body}＝R_z(Yaw)R_y(Pitch)R_x(Roll)

式中，Yaw、Pitch、Roll为卫星姿态欧拉角。Yaw为偏航角，Pitch为俯仰角，Roll为滚动角。

步骤8：计算卫星指向目标在卫星本体坐标系下的矢量ΔP_Sat2Tar,Body。

ΔP_Sat2Tar,Body＝L_{Orbit_to_Body}·L_J2000toOrbit·ΔP_{Sat2Tar,J2000}

步骤9：将卫星指向目标船矢量在卫星本体系的YOZ面内的投影与本体系的+Z轴的夹角作为侧摆角R_X，将卫星指向目标船矢量在卫星本体系的YOZ面内的投影与卫星指向目标船矢量的夹角作为下视角P_Y(见图1)。

式中，ΔX_Body、ΔY_Body、ΔZ_Body为ΔP_Sat2Tar,Body在卫星本体坐标系下的X、Y、Z轴的三个分量。

步骤10：判断卫星是否航过目标，首先计算如下不等式：

式中V_Sat为卫星相对星下点速度，T_PVT为外推数据广播周期，H为轨道高度。如果(1)式成立表示外推时刻t_ex卫星航过目标，然后转入步骤11；否则卫星未航过目标，不能给出成像波位。

步骤11：判断卫星是否具备成像条件。

设卫星本体坐标系下SAR成像波位Bⁿ在卫星本体坐标系下YOZ的距离向覆盖角度范围为

判断如下不等式：

若所有波位均不满足(2)式条件，表示t_ex外推时刻航过目标但不具备成像条件。

若(2)式成立，且有N个波位成立，则优先选用满足公式(3)的第i个波位Bⁱ。

分别为波位Bⁱ的距离向覆盖角度范围下限和上限；R_X为侧摆角。

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。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据星载SAR成像准备时间，设置外推时刻；

S2、在WGS84坐标系下，根据外推时刻，确定卫星的外推位置数据和目标位置数据，计算WGS84坐标系下卫星指向目标的矢量；

S3、根据WGS84坐标系到J2000惯性坐标系的转换矩阵、S2中WGS84坐标系下卫星指向目标的矢量，计算J2000惯性坐标系下卫星指向目标的矢量；

S4、在WGS84坐标系下，根据外推时刻，获得卫星的外推位置数据和速度数据，计算卫星在J2000惯性坐标系下的卫星轨道参数；

S5、根据S4中的卫星轨道参数，计算J2000惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵；然后计算轨道坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵；

S6、根据S3中J2000惯性坐标系下卫星指向目标的矢量、S4中J2000惯性坐标系到轨道坐标系的转换矩阵、S4中轨道坐标系到卫星本体坐标系的转换矩阵，计算卫星本体坐标系下卫星指向目标的矢量；

S7、根据卫星本体坐标系下卫星指向目标的矢量，确定侧摆角、下视角；在外推时刻，根据俯仰角、卫星相对星下点速度、外推数据广播周期、轨道高度，判断卫星是否航过目标；如果卫星航过目标则转入S8，否则转入S10；

S8、根据侧摆角、距离向覆盖角度范围，判断卫星是否具备成像条件，如果具备成像条件则转入S9，否则转入S10；

S9、获得成像波位；

S10、成像波位确定方法结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，其特征在于，S9中获得多个成像波位时，选取满足如下关系的第i个波位Bⁱ：

其中，

分别为波位Bⁱ的距离向覆盖角度范围下限和上限；R_X为侧摆角。

3.根据权利要求1所述的一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，其特征在于，所述卫星轨道参数为轨道六根数。

4.根据权利要求1～3之一所述的一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，其特征在于，S7中，根据以下不等式判断卫星是否航过目标：

其中，V_Sat为卫星相对星下点速度，T_PVT为外推数据广播周期，H为轨道高度；P_Y为下视角。

5.根据权利要求1～3之一所述的一种基于海陆目标位置信息的成像波位确定方法，其特征在于，根据以下不等式判断卫星是否具备成像条件：

其中，

分别为波位Bⁿ的距离向覆盖角度范围下限和上限；R_X为侧摆角。

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