CN112213702B - 一种geo sar卫星波束指向标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GEO SAR卫星波束指向标定方法，本发明采用比幅单脉冲法实现GEO SAR卫星SAR天线波束指向标定，SAR卫星天线通过不同馈源组合形成4个标校波束，分别为距离向左右对称波束RL和RR，方位向左右对称波束AL和AR。然后依次按照RL‑>RR‑>AL‑>AL的顺序向地面标校站发送信标脉冲信号(LFM信号)；地面标校站接收机放置于4个标校波束的中心位置。接收机接收信标信号后，经过数据处理可以分别估计距离向和方位向波束指向偏差，从而实现天线波束指向标定。

Description

一种GEO SAR卫星波束指向标定方法

技术领域

本发明涉及高轨微波成像卫星总体设计技术领域，具体涉及一种地球同步轨道合成孔径雷达(Geosynchronous Synthetic Aperture Radar，简称GEO SAR)卫星波束指向标定方法。

背景技术

传统低轨合成孔径雷达(Low Earth Orbit Synthetic Aperture Radar，简称LEOSAR)波束指向标定通过对亚马逊热带雨林进行成像，然后拟合方向图形状来确定波束指向。但GEO SAR卫星由于轨道局限，观测不到亚马逊热带雨林，因此无法用传统的LEO SAR方法进行波束指向标定。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种GEO SAR卫星波束指向标定方法，能够实现天线波束指向标定。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

S1、SAR卫星天线通过不同馈源组合形成4个标校波束，分别为距离向左对称波束RL和距离向右对称波束RR，方位向左对称波束AL和方位向右对称波束AR；依次按照RL→RR→AL→AR的顺序向地面标校站发送信标信号；地面标校站的接收机放置于4个标校波束的中心位置。

S2、地面标校站的接收机接收信标信号，按照如下方式分别进行距离向波束指向偏差估计和方位向波束指向偏差估计。

S201、依据接收到第一信标信号V₁和第二信标信号V₂；当进行距离向波束指向偏差估计时，V₁和V₂分别对应距离向左对称波束RL和距离向右对称波束RR的信标信号；当进行方位向波束指向偏差估计，V₁和V₂分别对应方位向左对称波束AL和方位向右对称波束AR的信标信号。

V₁＝gf₁(θ)A+Z₁

V₂＝gf₂(θ)A+Z₂

式中，g为信道增益；f₁(θ)为天线指向偏移为θ时，V₁对应的波束在地面标校站处的天线增益；f₂(θ)为天线指向偏移为θ时，V₂对应的波束在地面标校站处的天线增益；A为已知卫星发送的复信标信号；Z₁为地面标校站接收V₁时的高斯噪声；Z₂为地面标校站接收V₂时的高斯噪声。

S202、针对接收到第一信标信号V₁和第二信标信号V₂进行和差处理，分别得到波束和信号V_∑以及波束差信号V_Δ为：

V_Δ＝V₁-V₂＝g(f₁(θ)-f₂(θ))A+U＝ηF(θ)A+U

V_∑＝V₁+V₂＝g(f₁(θ)+f₂(θ))A+U＝ηA+W

式中，系数η＝g(f₁(θ)+f₂(θ))；比幅单脉冲输出为U为和处理后的高斯噪声；W为差处理后的高斯噪声。

解算得到比幅单脉冲输出的期望

S203、利用比幅单脉冲输出的期望解算波束指向偏差估计值/>

式中，λ_θ为F(θ)的斜率估计；θ₀为修订常值。

当V₁和V₂分别对应距离向左对称波束RL和距离向右对称波束RR的信标信号时，为距离向波束指向偏差估计值；当V₁和V₂分别对应方位向左对称波束AL和方位向右对称波束AR的信标信号时，/>为方位向波束指向偏差估计值。

进一步地，中，具体为：

V₁＝{V_1i}；

V₂＝{V_2i}；

A＝{a_i}；

Z₁＝{z_1i}；

Z₂＝{z_2i}；

即V₁、V₂、A、Z₁、Z₂均为N×1的列矢量，i＝1…N，N为地面标校站接收信标信号的样点数；V_1i和V_2i分别为V₁和V₂的第i个复信号；a_i为已知卫星发送的第i个复信标信号；z_1i和z_2i分别为地面标校站接收V_1i和V_2i波束时的相互独立的高斯噪声。

进一步地，U＝{u_i}，W＝{w_i}，u_i和w_i分别为z_1i和z_2i和差处理后的高斯噪声。

有益效果：

本发明采用比幅单脉冲法实现GEO SAR卫星SAR天线波束指向标定，SAR卫星天线通过不同馈源组合形成4个标校波束，分别为距离向左右对称波束RL和RR，方位向左右对称波束AL和AR。然后依次按照RL->RR->AL->AL的顺序向地面标校站发送信标脉冲信号(LFM信号)；地面标校站接收机放置于4个标校波束的中心位置。接收机接收信标信号后，经过数据处理可以分别估计距离向和方位向波束指向偏差，从而实现天线波束指向标定。

附图说明

图1为相邻对称波束示意图；

图2为本发明实施例提供的波束指向标定示意图；

图3为本发明实施例提供的标校波束地面覆盖示意图；

图4为本发明实施例提供的方位向标校波束馈源选择示意；

图5为本发明实施例提供的距离向标校波束馈源选择示意图；

图6标校波束时序设计图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种比幅单脉冲技术广泛应用于雷达系统测角应用中。雷达天线在一个角平面内形成两个相同且部分重叠的对称波束，如图1所示。两个对称波束交叠于OA轴，左侧波束指向OB方向，右侧波束指向OC方向。

当目标位于θ_s方向时，两个波束收到的信号强度相当，故称此轴为等信号轴；当目标偏向OB方向时，指向θ_l的左波束的回波要强一些；当目标偏向OC方向时，指向θ_r的右波束的回波要强一些。因此，通过比较左、右波束中目标接收信号的强弱可以判定目标偏离波束中心指向θ_s的方向。比幅单脉冲雷达测角的基本原理就是将左右波束同时收到的信号进行和差处理，分别得到和信号和差信号。利用和差信号比值与角度指向偏差间的函数关系，获得目标方向与波束指向θ_s的角度偏差。

以高斯函数近似方向性函数的波束为例，设对称波束指向角(波束中心偏离两波束等功率交叠轴的角度)分别为±θ_s，半功率波束宽度为θ_B，则两个波束的归一化方向性函数分别为

式中，θ为目标方向偏离两波束等功率交叠轴的角度，α＝4ln2，

当|θ|<|θ_s|且|θ_s|<<1时，对上式进行泰勒级数展开，根据比幅单脉冲原理，可以得到角度偏差θ与比幅单脉冲输出F(θ)存在的函数关系F(θ)为

β，可以看出，在满足一定近似条件下，θ与F(θ)可近似为线性关系。因此，波束指向角度偏差θ(波束等功率交点相对于标校站位置)可以表示为

式中，λ_θ为F(θ)的斜率估计，可以通过地面定标进行估计。通过测量多个位置点的和差比值，通过最小二乘法可以得到λ_θ的估计，θ₀为修订常值。

本发明采用比幅单脉冲法实现GEO SAR卫星SAR天线波束指向标定，如图2所示。SAR卫星天线通过不同馈源组合形成4个标校波束，分别为距离向左右对称波束RL和RR，方位向左右对称波束AL和AR。然后依次按照RL->RR->AL->AL的顺序向地面标校站发送信标脉冲信号(LFM信号)；地面标校站接收机放置于4个标校波束的中心位置(如图3所示)。接收机接收信标信号后，经过数据处理可以分别估计距离向和方位向波束指向偏差，从而实现天线波束指向标定。

GEO SAR卫星SAR波束指向标定系统主要由星上产生的4个标校波束、地面标校设备和数据处理设备组成。标校波束由天线使用不同的馈源组合来实现；地面标校接收机主要用来接收SAR卫星标校信号；数据处理单元主要完成标校信号处理及波束指向偏差估计。

S1、标校波束设计：SAR卫星天线通过不同馈源组合形成4个标校波束，分别为距离向左对称波束RL和距离向右对称波束RR，方位向左对称波束AL和方位向右对称波束AR；依次按照RL→RR→AL→AR的顺序向地面标校站发送信标信号；地面标校站的接收机放置于4个标校波束的中心位置。

按照实际标校波束设计要求，方位向可选取1、2或3、4作为标校波束，如图4所示，距离向可选取1、3或2、4作为标校波束，如图5。

S2、标校脉冲时序设计：不额外增加星上系统硬件，标定时采取4个标校波束分时依次发射脉冲信号的方式。即地面标校站的接收机接收信标信号，按照如下方式分别进行距离向波束指向偏差估计和方位向波束指向偏差估计

设地面标校接收机经过低噪声放大、变频和模数转换后接收到两个波束的信号分别为V₁和V₂，根据比幅单脉冲测角的基本原理，通过多个标校站的接收信号，通过最小二乘法，得到波束指向估计值。

按照实际标校波束设计要求，选取不同方位向和距离向馈源组合来实现标校波束设计。方位向示意馈源如图4所示，距离向示意馈源如图5所示。

无需额外增加星上系统硬件，标定时采取4个标校波束分时依次发射脉冲信号的方式，如图6所示。

S201、依据接收到第一信标信号V₁和第二信标信号V₂；当进行距离向波束指向偏差估计时，V₁和V₂分别对应距离向左对称波束RL和距离向右对称波束RR的信标信号；当进行方位向波束指向偏差估计，V₁和V₂分别对应方位向左对称波束AL和方位向右对称波束AR的信标信号；

V₁＝gf₁(θ)A+Z₁

V₂＝gf₂(θ)A+Z₂

式中，g为信道增益；f₁(θ)为天线指向偏移为θ时，V₁对应的波束在地面标校站处的天线增益；f₂(θ)为天线指向偏移为θ时，V₂对应的波束在地面标校站处的天线增益；A为已知卫星发送的复信标信号；Z₁为地面标校站接收V₁时的高斯噪声；Z₂为地面标校站接收V₂时的高斯噪声；

V₁＝{V_1i}，V₂＝{V_2i}，A＝{a_i}，Z₁＝{z_1i}，Z₂＝{z_2i}为N×1的列矢量，i＝1…N，N为标校站接收信标信号的样点数；V_1i和V_2i分别为标校站接收第1个和第2个波束得到的第i个复信号；a_i为已知卫星发送的复信标信号；g为信道增益；f₁(θ)和f₂(θ)分别为天线指向偏移为θ时，第1个和第2个波束在标校站处的天线增益(方向性函数)；z_1i和z_2i分别为标校站接收第1个和第2个波束时的相互独立的高斯噪声。

S202、针对接收到第一信标信号V₁和第二信标信号V₂进行和差处理，分别得到波束和信号V_∑以及波束差信号V_Δ为：

V_Δ＝V₁-V₂＝g(f₁(θ)-f₂(θ))A+U＝ηF(θ)A+U

V_∑＝V₁+V₂＝g(f₁(θ)+f₂(θ))A+U＝ηA+W

式中，V_∑和V_Δ分别为和信号和差信号；系数η＝g(f₁(θ)+f₂(θ))；比幅单脉冲输出为和处理后的高斯噪声为U＝{u_i}，差处理后的高斯噪声为W＝{w_i}，u_i和w_i分别为z_1i和z_2i和差处理后的高斯噪声。

解算得到比幅单脉冲输出的期望可以利用最小二乘法求解。

S203、利用比幅单脉冲输出的期望解算波束指向偏差估计值/>

根据比幅单脉冲测角的基本原理，F(θ)在θ较小时可近似为线性关系，偏差角度θ(波束等功率交点相对于标校站位置)的估计为

式中，λ_θ为F(θ)的斜率估计，可以通过定标进行估计。通过多个标校站的接收信号，通过最小二乘法，得到λ_θ的估计；θ₀为修订常值。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种GEO SAR卫星波束指向标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、SAR卫星天线通过不同馈源组合形成4个标校波束，分别为距离向左对称波束RL和距离向右对称波束RR，方位向左对称波束AL和方位向右对称波束AR；依次按照RL→RR→AL→AR的顺序向地面标校站发送信标信号；地面标校站的接收机放置于4个标校波束的中心位置；

S2、地面标校站的接收机接收信标信号，按照如下方式分别进行距离向波束指向偏差估计和方位向波束指向偏差估计；

S201、依据接收到第一信标信号V₁和第二信标信号V₂；当进行距离向波束指向偏差估计时，V₁和V₂分别对应距离向左对称波束RL和距离向右对称波束RR的信标信号；当进行方位向波束指向偏差估计，V₁和V₂分别对应方位向左对称波束AL和方位向右对称波束AR的信标信号；

V₁＝gf₁(θ)A+Z₁

V₂＝gf₂(θ)A+Z₂

式中，g为信道增益；f₁(θ)为天线指向偏移为θ时，V₁对应的波束在地面标校站处的天线增益；f₂(θ)为天线指向偏移为θ时，V₂对应的波束在地面标校站处的天线增益；A为已知卫星发送的复信标信号；Z₁为地面标校站接收V₁时的高斯噪声；Z₂为地面标校站接收V₂时的高斯噪声；

S202、针对接收到第一信标信号V₁和第二信标信号V₂进行和差处理，分别得到波束和信号V_∑以及波束差信号V_Δ为：

V_Δ＝V₁-V₂＝g(f₁(θ)-f₂(θ))A+U＝ηF(θ)A+U

V_∑＝V₁+V₂＝g(f₁(θ)+f₂(θ))A+U＝ηA+W

式中，系数η＝g(f₁(θ)+f₂(θ))；比幅单脉冲输出为U为和处理后的高斯噪声；W为差处理后的高斯噪声；

解算得到比幅单脉冲输出的期望

S203、利用所述比幅单脉冲输出的期望解算波束指向偏差估计值/>

式中，λ_θ为F(θ)的斜率估计；θ₀为修订常值；

当V₁和V₂分别对应距离向左对称波束RL和距离向右对称波束RR的信标信号时，为距离向波束指向偏差估计值；当V₁和V₂分别对应方位向左对称波束AL和方位向右对称波束AR的信标信号时，/>为方位向波束指向偏差估计值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中，具体为：

V₁＝{V_1i}；

V₂＝{V_2i}；

A＝{a_i}；

Z₁＝{z_1i}；

Z₂＝{z_2i}；

即V₁、V₂、A、Z₁、Z₂均为N×1的列矢量，i＝1…N，N为地面标校站接收信标信号的样点数；V_1i和V_2i分别为V₁和V₂的第i个复信号；a_i为已知卫星发送的第i个复信标信号；z_1i和z_2i分别为地面标校站接收V_1i和V_2i波束时的相互独立的高斯噪声。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，U＝{u_i}，W＝{w_i}，u_i和w_i分别为z_1i和z_2i和差处理后的高斯噪声。