CN113253267B - 一种星载雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种星载雷达，包括：以SAR为有效载荷的主星、伴飞辅星以及至少一对围绕主星飞行的第一辅星和第二辅星，以SAR系统为有效载荷的主星、伴飞辅星以及至少一对围绕主星飞行的第一辅星和第二辅星，其中，SAR系统基于第一辅星相对主星形成的第一物理基线(A)和第二辅星关于主星形成的第二物理基线(B)生成长度大于伴飞辅星相对主星形成的短垂直基线(D)长垂直基线和长度小于伴飞辅星相对主星形成的长水平基线的短水平基线，并结合短垂直基线(D)和长水平基线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。本发明能够在高分辨宽测绘带成像的同时提高地形测量的精度和量程。

Description

一种星载雷达
本发明是申请号为CN201910788732.4，申请日为2019年08月23日，申请类型为发明，申请名称为一种星载SAR星座系统的分案申请。
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种星载雷达。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种具有全天候、全天时对地观测能力的主动式微波成像雷达，并对地表有一定的穿透能力。它通过主动照射地物目标，获取后向散射回波生成高分辨率的二维影像。在资源勘探、军事侦察、灾害与环境监测等方面具有重要作用，其中星载合成孔径雷达卫星是以SAR为有效载荷的对地观测卫星。星载SAR系统中的发射装置向地面感兴趣观测区域发送雷达信号，并且星载SAR系统中的接收装置接收雷达信号到达地面后反射回波信号。星载SAR系统基于接收到的回波信号生成观测区域的SAR复图像。
星载SAR系统以高分辨宽测绘带、多模式成像等为发展目标。但由于星载SAR存在最小天线面积限制，方位高分辨率和观测带宽是单颗SAR系统的一对固有矛盾。而对干涉工作模式而言，单颗星载SAR系统通过采用重复飞行和单次飞行两种方式获得两幅复图像进行干涉得到高程信息。其中，重复飞行虽然可以实现较大的最优基线，获得较高的测高精度，但是两次观测的时间间隔较长，地面目标在此时间间隔内的变化会大大降低干涉精度；单次飞行虽然可以几乎同时获得两幅复图像，但是在同一颗卫星上无法装载两部距离较长的天线，因此无法实现较大的最优基线。因此，星载SAR星座系统应运而生。
星载SAR星座系统是由两颗及两颗以上以SAR为有效载荷的卫星组成。组成星座的卫星相互之间能够保持固定不变的相对位置，以该种形式组建的星座网络，能够有效的增加地面覆盖区域和缩短重访周期。星载SAR星座系统是获得高分辨率和宽测绘带SAR图像的最佳途径，它可以通过将多个低分辨率宽测绘带的星载SAR的图像结合以提高空间分辨率来获取高分辨率宽测绘带的SAR图像。例如，[1]禹卫东.用分布式小卫星提高星载SAR的方位向分辨率[J].系统工程与电子技术,2002,24(7):43-45。上述文献[1]提出采用两个系统参数相同的星载SAR沿飞行方向前后排列，前面的SAR天线处于后视状态，前面的SAR天线处于前视状态。两颗卫星对地面同一区域先后成像，但天线波束的照射方向不同，它们等效于单颗卫星采用大波束天线工作模式。对于每颗星载SAR而言，由于回波信号的多普勒带宽并没有增加，因此其脉冲重复周期保持不变，故不会影响测绘带宽。但是，该文献提出的方法只能保证回波距离向不模糊，而方位向多普勒模糊无法避免。现有技术一般利用信号处理的手段重构不模糊的多普勒频谱，例如，[2]张龙,苏涛,刘峥,et al.分布式小卫星联合多普勒解模糊SAR成像[J].系统工程与电子技术,2015,37(3):544-552。文献[2]采用了联合补偿垂直基线引起的非空变相位、空变相位以及残余相位来解决低方位重频采样下的星载SAR多普勒解模糊问题。该方法利用星载SAR星座系统的水平基线为多普勒模糊提供空间采样，使用Capon空间谱估计方法解多普勒模糊。该重构方法尽管解决了方位向多普勒模糊的问题，但却是以地面高度测量的量程为代价的。当星载SAR星座系统为了在干涉工作模式下获得较高的测高精度而具有较长的垂直基线时，为了满足解多普勒模糊算法的精度要求，则必须将地面高度测量的量程限制在很小的范围内，因此限制了星载SAR星座系统三维成像的性能。
星载SAR星座系统中，星与星之间不需要实物连接，可以在获得较大最优基线的同时使其获取信号的时间间隔很小，因此地面目标变化对干涉影响小，能够大大提高测高精度。例如，公开号为CN109031297A的中国专利文献公开了一种主星位于中心、辅星cartwheel编队的分布式SAR构型，包括一颗主星和多颗辅星，其中，主、辅星位于同一个轨道面上，辅星均匀分布在以主星为中心的Cartwheel椭圆轨迹上，并围绕主星沿所述Cartwheel椭圆轨迹飞行；该构型下，在整个轨道运行周期的任意时刻，均有由两颗辅星形成的有有效垂直长基线和由主星和一颗辅星形成的最优垂直有效短基线，从而可以利用长、短基线进行最优的干涉信号处理，获得测绘地区的高精度的数字高程模型(DigitalElevation Model，DEM)。
例如，公开号为CN101520511B的中国专利文献公开了一种分布式卫星合成孔径雷达编队构形方法，它提出一种“同心环”编队构形，并将多极限干涉SAR的最优基线组合约束条件作为设计输入参数，通过设计雷达天线视角的控制规律，能够在轨道运行周期内的满足最优基线组合的约束条件，可以通过多基线干涉处理技术提高DEM的高程精度。
但是，对于以上专利文献公开的星载SAR星座系统来说，其伴随辅星和主星之间或者任意两颗卫星之间的物理基线是随时间变化的，在一个轨道周期内垂直基线和水平基线之间耦合程度严重，即在某一时刻分不清楚垂直基线和水平基线。由于基线中的水平基线是用于测量运动目标的径向速度的，因此水平基线包含目标的速度和位置信息。然而，垂直基线包含地形起伏带来的高程测量信息，水平基线和垂直基线的耦合会引起径向速度信息和高程信息的耦合，使得地形变化和地面目标运动引起的干涉相位难以区分以致难以得到精确的测高信息。
综上，现有的星载SAR星座系统主要强调的是在轨道周期内形成稳定的长、短垂直基线来提高地形测量精度，而没有考虑到在轨道周期内垂直基线和水平基线耦合导致干涉相位夹杂运动目标的径向速度信息以致难以得到精确的测高精度。而且，为了满足解方位向多普勒模糊算法的精度要求，在具有稳定的长垂直基线的情况下，则必须将地面高度测量的量程限制在很小的范围内，限制了地形高度测量的量程。因此，有必要对现有技术进行改进，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。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明提供了一种星载SAR星座系统，采用第一辅星和第二辅星以主星为中心对称绕飞的方式形成被动稳定的轨道构型，第一辅星和第二辅星分别相对主星能够在轨道周期的任意时间内形成长度相同、相位反向的第一物理基线A和第二物理基线B，然后基于第一物理基线A和第二物理基线B解耦合得到包含地形高度信息的长垂直基线和包含速度信息的短水平基线，并结合伴飞辅星与主星之间形成的长水平基线C和短垂直基线D，使得SAR系统能够基于长垂直基线、短垂直基线D、长水平基线C和短水平基线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。
根据一个优选实施方式，一种星载SAR星座系统，包括：以SAR系统为有效载荷的主星、伴飞辅星以及至少一对围绕所述主星飞行的第一辅星和第二辅星。所述第一辅星和第二辅星关于所述主星成中心对称的方式形成被动的稳定构型以使得所述第一辅星相对所述主星形成第一物理基线A。所述第二辅星关于所述主星形成第二物理基线B。所述第一物理基线A与所述第二物理基线B长度相同且相位相反。所述伴飞辅星在所述第一辅星和第二辅星的飞行轨道外且与所述主星相邻的轨道上与所述第一主星前后编队飞行，从而相对所述主星形成长水平基线C以及短垂直基线D。所述SAR系统基于所述第一物理基线A和第二物理基线B生成长度大于所述短垂直基线D的垂直基线和长度小于所述长水平基线C的水平基线，并结合所述短垂直基线D和长水平基线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。
根据一个优选实施方式，所述伴飞辅星的轨道参数采用以下步骤获得：根据任务需求，获得所述主星的轨道参数，其中，主星轨道的偏心率为0；第一辅星和第二辅星的长半轴、轨道倾角和升交点赤经均与所述主星相同，并且第一辅星和第二辅星飞行轨迹的短半轴、半长轴由Hill方程计算获得，其中，所述第一辅星和第二辅星的飞行轨迹的短半轴的设计初值为任务的基线要求；根据所述第一辅星和第二辅星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所述第一物理基线A和第二物理基线B有效垂直基线长度，判断其是否小于垂直有效基线的极限基线长度；若不小于垂直有效基线的极限基线长度，则对所述第一辅星和第二辅星的飞行轨迹的短半轴进行调整，直至所述第一物理基线A和第二物理基线B的有效垂直基线长度满足要求；根据以上步骤得到的所述主星、第一辅星和第二辅星的轨道参数来计算在所述长水平基线C满足方位多普勒解模糊所需要的空间采样的要求以及所述短垂直基线D满足多普勒解模糊精度的要求的情况下所述伴飞辅星的轨道参数。
根据一个优选实施方式，在获得所述主星、伴飞辅星、第一辅星和第二辅星的轨道参数后，所述主星通过测量装置获取SAR雷达天线姿态参数以对所述主星、伴飞辅星、第一辅星和第二辅星实现精密定轨来获取高精度的所述第一物理基线A、第二物理基线B、水平基线C以及短垂直基线D。所述测量装置至少包括用于姿态测量的GPS接收机。所述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，获取所述SAR雷达天线的位置参数；利用所述SAR雷达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，并通过所述星间基线向量求解得到所述SAR雷达天线的姿态参数。
根据一个优选实施方式，在所述主星获得所述SAR雷达天线的姿态参数后，所述GPS接收机基于所述主星、伴飞辅星、第一辅星和第二辅星的轨道参数并与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所述星座系统的轨道扰动模型以消除摄动对基线测量的影响；所述GPS接收机基于所述SAR雷达天线的姿态参数以及所述星座系统的轨道扰动模型得到的定轨结果以获得所述第一物理基线A、第二物理基线B长水平基线C以及短垂直基线D。
根据一个优选实施方式，在所述主星通过所述GPS星座获取先验信息之前，所述主星进行时间同步以避免时钟误差带来影响。所述主星、伴飞辅星、第一辅星和第二辅星均包括同步装置。所述同步装置至少包括时间同步组件。所述时间同步组件被配置为：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，所述同步装置还包括频率同步组件。所述频率同步组件被配置为：采用频率线性时变信号作为同步脉冲以周期性的方式中断任意两星载SAR信息的获取，并通过对交换的同步脉冲信号处理以获得任意两星上频率源引起的相位差异。基于所述相位差异对所述SAR进行相位补偿以实现频率同步。
根据一个优选实施方式，在所述主星通过所述同步装置与所述伴飞辅星同步和/或所述第一辅星以及第二辅星同步的情况下，所述第一物理基线A、第二物理基线B、水平基线C以及短垂直基线D形成时间序列的水平基线和垂直基线。
根据一个优选实施方式，在所述主星通过所述同步装置与所述GPS星座连接获得先验信息后，所述主星根据所述GPS星座的先验信息获取地面观测区域的纬度信息而调整所述伴飞辅星、第一辅星和第二辅星的天线角度以保持相同的高程模糊度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，一种星载SAR成像方法，该方法包括：使用以SAR系统为有效载荷的主星、伴飞辅星以及至少一对围绕所述主星飞行的第一辅星和第二辅星构成的星座进行成像。所述第一辅星和第二辅星关于所述主星成中心对称的方式形成被动的稳定构型以使得所述第一辅星和所述第二辅星分别相对所述主星形成长度相同、相位相反的第一物理基线A和第二物理基线B。所述伴飞辅星在所述第一辅星和第二辅星的飞行轨道外且与所述第一主星相邻的轨道上与所述第一主星前后编队飞行。所述伴飞辅星相对所述第一主星形成长水平基线C以及短垂直基线D。所述SAR系统基于所述第一物理基线A和第二物理基线B生成较长的垂直基线和较短的水平基线，并结合所述短垂直基线D和长水平基线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测量的精度和量程。
根据一个优选实施方式，在所述主星通过同步装置与GPS星座连接获得先验信息后，所述主星基于所述GPS星座的先验信息获取地面观测区域的纬度信息而调整所述主星、伴飞辅星、第一辅星和第二辅星上SAR系统的天线角度以保持相同的高程模糊度，从而提高不同纬度地区的高程测量精度的一致性。在所述主星、伴飞辅星、第一辅星和第二辅星上SAR系统的天线角度保持相同的第一高程模糊度成像后，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，调整所述主星、伴飞辅星、第一辅星和第二辅星上SAR系统的天线角度以保持相同的且区别于第一高程模糊度的第二高程模糊度，使得所述SAR系统以至少两次不同的高程模糊度成像。
本发明的有益技术效果包括以下一下或多项：
1、本发明的星载SAR星座系统采用第一辅星和第二辅星以主星为中心对称绕飞的方式形成被动稳定的轨道构型，第一辅星和第二辅星分别相对主星能够在轨道周期的任意时间内形成长度相同、相位反向的第一物理基线和第二物理基线，可以获得只包含地形高度信息的长垂直基线和只包含速度信息的短水平基线，能避免水平基线和垂直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、一般在SAR系统高分辨宽测绘带成像时，由于采用低方位重复采样会导致方位向多普勒模糊，需要对SAR得到的图像进行解多普勒模糊，伴飞辅星相对主星形成的长水平基线能够为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；
3、长水平基线与第一物理基线和第二物理基线解耦合得到的短水平基线相结合，可以进行最优干涉信号处理，能够提供更多的关于径向速度的干涉相位信息，从而为动目标检测提供条件；
4、长垂直基线与短垂直基线相结合进行多基线干涉处理能够得到更多的地形高度信息，从而在SAR系统干涉成像时，提高地形高度测量的精度；
5、由于第一物理基线、第二物理基线及伴飞辅星相对主星形成的物理基线由于包含垂直基线会引入空变矢量，所以在解多普勒模糊之前要进行相位补偿以保证多普勒解模糊的精确实现，而现有技术是基于假设地面高度信息已知的条件进行相位补偿，所以为了满足多普勒解模糊的精度会导致垂直基线的长度与地形高度测量的量程成反比，从而限制了地形高度测量的量程，而采用本发明后，第一物理基线和第二物理基线由于长度相同且相位反向，可以解耦合获得只包含地形高度信息的长垂直基线和只包含速度信息的短水平基线，并且伴飞辅星相对主星形成的物理基线基于伴飞辅星与主星之间固定的轨道距离可以分解得到只包含地形高度信息的短垂直基线和只包含速度信息的长水平基线，长垂直基线和短垂直基线的多基线干涉处理能够得到每个多普勒频率中的垂直基线引入的相位，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，从而实现SAR系统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。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施方式的简化示意图。
附图标记列表
100：主星 101：伴飞辅星
200：第一辅星 201：第二辅星
A：第一物理基线 B：第二物理基线
C：长水平基线 D：短垂直基线
具体实施方式
下面结合附图1进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，若出现“第一”、“第二”等术语，其仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，若出现术语“多个”，其含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如在整篇本申请中所使用的那样，词语“可以”系容许含义(即，意味着有可能的)而不是强制性含义(即，意味着必须的)。类似地，词语“包括”意味着包括但不限于。
短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”系开放式表达，它们涵盖操作中的关联与分离两者。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或更多个”、“A、B或C”和“A、B和/或C”中的每个分别指单独A、单独B、单独C、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起。
术语“一种”或“一个”实体指的是该实体中的一个或多个。这样，术语“一”(或“一”)、“一个或多个”以及“至少一个”在本文中可以交换地使用。还应该注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以交换地使用。
实施例1
本实施例还公开了一种SAR系统，也可以是一种星载SAR系统，也可以是一种分布式SAR系统，也可以是一种分布式星载SAR系统，该系统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发明的系统。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，一种星载SAR星座系统，包括：以SAR系统为有效载荷的主星100、伴飞辅星101以及至少一对围绕主星100飞行的第一辅星200和第二辅星201。第一辅星200和第二辅星201关于主星100成中心对称的方式形成被动的稳定构型以使得第一辅星200相对主星100形成第一物理基线A。第二辅星201关于主星100形成第二物理基线B。第一物理基线A与第二物理基线B长度相同且相位相反。伴飞辅星101在第一辅星200和第二辅星201的飞行轨道外且与主星100相邻的轨道上与第一主星100前后编队飞行，从而相对主星100形成长水平基线C以及短垂直基线D。SAR系统基于第一物理基线A和第二物理基线B生成长度大于短垂直基线D长垂直基线和长度小于长水平基线C的短水平基线，并结合短垂直基线D和长水平基线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1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。优选地，第一辅星200和第二辅星201构成的椭圆形的空间构型以主星100为中心。该空间构型在轨道面和水平面的投影为椭圆。第一辅星200和第二辅星201绕主星100旋转的周期与主星100绕地球转动的周期相同。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物理基线A和第二物理基线B。而且，第一物理基线A和第二物理基线B是随着椭圆构型的旋转周期而呈周期性变化，从而第一物理基线A和第二物理基线B是包含有速度信息和地形高度信息的混合基线。优选地，第一物理基线A和第二物理基线B基于长度相同且相位相反，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长垂直基线和只包含速度信息的短水平基线。本发明采用此方式至少能够实现的有益技术效果是：能避免第一物理基线A和第二物理基线B由于水平基线和垂直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，伴飞辅星101的轨道与主星100的轨道相距至少为120m，避免并且伴飞辅星101的轨道与主星100的轨道的距离是保持固定的，如图1所示。基于确定的轨道距离可以将伴飞辅星101相对主星100形成的物理基线分解得到短垂直基线D和长水平基线C。通过该方式，本发明的短垂直基线D在伴飞辅星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，能够为伴飞辅星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、伴飞辅星101、第一辅星200和第二辅星201上的SAR系统接收主星100发送至地面目标返回的回波信号。SAR系统采用低方位重复采样的方式获得地面目标的多幅SAR图像，通过拼接多幅SAR图像以形成高分辨宽测绘带的SAR图像。由于SAR系统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，长水平基线C和短水平基线包含径向速度信息，能够为动目标检测提供条件；第二，长水平基线C和短水平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，第一物理基线A、第二物理基线B以及伴飞辅星101相对主星100形成的物理基线的存在会引入空变矢量。将第一物理基线A、第二物理基线B以及伴飞辅星101相对主星100形成的物理基线分解得到长垂直基线和短垂直基线D，长垂直基线和短垂直基线D的多基线干涉处理能够得到每个多普勒频率中的垂直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，长垂直基线和短垂直基线D的多基线干涉处理还能够提高地形高度测量的精度。
本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：
第一，本发明的星载SAR星座系统采用第一辅星200和第二辅星201以主星100为中心对称绕飞的方式形成被动稳定的轨道构型，第一辅星200和第二辅星201分别相对主星100能够在轨道周期的任意时间内形成长度相同、相位反向的第一物理基线A和第二物理基线B，可以获得只包含地形高度信息的长垂直基线和只包含速度信息的短水平基线，能避免水平基线和垂直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；
第二，一般在SAR系统高分辨宽测绘带成像时，由于采用低方位重复采样会导致方位向多普勒模糊，需要对SAR得到的图像进行解多普勒模糊，伴飞辅星101相对主星100形成的长水平基线C能够为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；
第三，长水平基线与第一物理基线和第二物理基线解耦合得到的短水平基线相结合，可以进行最优干涉信号处理，能够提供更多的关于径向速度的干涉相位信息，从而为动目标检测提供条件；
第四，长垂直基线与短垂直基线D相结合进行多基线干涉处理能够得到更多的地形高度信息，从而在SAR系统干涉成像时，提高地形高度测量精度；
第五，由于第一物理基线A、第二物理基线B及伴飞辅星101相对主星100形成的物理基线由于包含垂直基线会引入空变矢量，所以现有技术在解多普勒模糊之前要进行相位补偿以保证多普勒解模糊的精确实现，而现有技术基于假设地面高度信息已知的条件进行相位补偿，所以为了满足多普勒解模糊的精度会导致垂直基线的长度与地形高度测量的量程成反比，从而限制了地形高度测量的量程，而采用本发明后，第一物理基线A和第二物理基线B通过差分处理可以获得只包含地形高度信息的长垂直基线和只包含速度信息的短水平基线，并且伴飞辅星101相对主星100形成的物理基线基于伴飞辅星101与主星100之间固定的轨道距离可以分解得到只包含地形高度信息的短垂直基线D和只包含速度信息的长水平基线C，长垂直基线和短垂直基线D的多基线干涉处理能够得到每个多普勒频率中的垂直基线引入的相位信息，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，从而实现SAR系统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。
根据一个优选实施方式，伴飞辅星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物理基线A和第二物理基线B有效垂直基线长度，判断其是否小于垂直有效基线的极限基线长度；若不小于垂直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，直至第一物理基线A和第二物理基线B的有效垂直基线长度满足要求；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水平基线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垂直基线D满足多普勒解模糊精度的要求的情况下伴飞辅星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，由于第一辅星200和第二辅星201以主星100为中心对称，即第一辅星200和第二辅星201位置反向，相位差为180°，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的第一物理基线A、第二物理基线B的长度。基于得到的第一物理基线A、第二物理基线B对地球表面进行投影得到有效基线，并使得垂直有效基线的长度满足多普勒解模糊精度要求，水平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，从而垂直有效基线的长度以及水平有效基线的长度均应小于相应的极限基线长度。垂直有效基线的极限基线长度：
水平有效基线的极限基线长度：
其中，λ为SAR系统的工作波长，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a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标识雷达信号带宽，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伴飞辅星101的轨道参数。伴飞辅星101的轨道与主星100的轨道保持固定的距离。优选地，伴飞辅星101与主星100按照前后编队飞行方式设置。优选地，伴飞辅星101与主星100的前后距离满足水平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，伴飞辅星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，能够保证星载SAR星座系统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水平基线，提高系统成像效率；第三，伴飞辅星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，本发明的星座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，本发明的星座空间构型能够任意时刻形成多条有效垂直基线和多条有效水平基线，并且多条有效垂直基线和多条有效水平基线均满足多基线干涉处理的要求；第六，本发明的星座空间构型任意时间形成的有效垂直基线满足多普勒解模糊精度要求，有效水平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SAR系统能够任意时间高分辨宽测绘带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，在获得主星100、伴飞辅星101、第一辅星200和第二辅星201的轨道参数后，主星100通过测量装置获取SAR雷达天线姿态参数以对主星100、伴飞辅星101、第一辅星200和第二辅星201实现精密定轨来获取高精度的第一物理基线A、第二物理基线B、长水平基线C以及短垂直基线D。优选地，测量装置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SAR雷达天线的位置参数；利用SAR雷达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SAR雷达天线的姿态参数。
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SAR雷达天线的粗略位置坐标。优选地，GPS接收机为获取精确的SAR雷达天线位置坐标，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。
根据一个优选实施方式，在主星100获得SAR雷达天线的姿态参数后，GPS接收机基于主星100、伴飞辅星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星座系统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SAR雷达天线的姿态参数以及星座系统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物理基线A、第二物理基线B长水平基线C以及短垂直基线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，在主星100通过GPS星座获取先验信息之前，主星100进行时间同步以避免时钟误差带来影响。主星100、伴飞辅星101、第一辅星200和第二辅星201均包括同步装置。同步装置至少包括时间同步组件。时间同步组件被配置为：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。
根据一个优选实施方式，同步装置还包括频率同步组件。频率同步组件被配置为：采用频率线性时变信号作为同步脉冲以周期性的方式中断任意两星载SAR信息的获取，并通过对交换的同步脉冲信号处理以获得任意两星上频率源引起的相位差异。基于相位差异对SAR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、伴飞辅星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分别向伴飞辅星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SAR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SAR主天线上发射至伴飞辅星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，伴飞辅星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SAR系统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。
优选地，主星100上的SAR雷达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以及伴飞辅星101采用小角度斜视指向成像区域的方式观测地面目标成像，以完成空间同步。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。
根据一个优选实施方式，在主星100通过同步装置与伴飞辅星101同步和/或第一辅星200以及第二辅星201同步的情况下，第一物理基线A、第二物理基线B、水平基线C以及短垂直基线D形成时间序列的水平基线和垂直基线。优选地，在利用长垂直基线和短垂直基线D进行SAR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，即相位解缠。优选地，SAR系统基于时间序列的水平基线和垂直基线得到时间、频率等同步信息从而对接收的信号进行校正。SAR系统基于校正的信息进行相位补偿，并利用短垂直基线对长垂直基线进行相位解缠，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：由于短垂直基线D的测高精度不高，对长垂直基线进行相位解缠时可能会错误解缠，而采用本发明后，利用时间序列的水平基线和垂直基线得到时间、频率等同步信息从而对接收的信号进行校正，并利用长、短垂直基线进行相位解缠，提高相位解缠精度以进一步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通过同步装置与GPS星座连接获得先验信息后，主星100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伴飞辅星101、第一辅星200和第二辅星201的天线角度以保持相同的高程模糊度从而提高不同纬度地区的高程测量精度的一致性。
优选地，高程模糊度反应了干涉相位的变化对高程变化的敏感程度。当垂直基线较长时，高程模糊度较小，干涉相位对于高程变化的敏感程度越强。当垂直基线过短时，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，高程模糊度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，导致物理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，通过调整天线角度能够调整高程模糊度。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高程模糊度，从而提高不同纬度地区的高程测量精度的一致性。
实施例2
本实施例还公开了一种成像方法，也可以是一种雷达成像方法，也可以是一种SAR系统的成像方法，也可以是一种星载SAR系统的成像方法，也可以是一种星载SAR星座系统的成像方法，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发明的方法。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，该方法包括：使用以SAR系统为有效载荷的主星100、伴飞辅星101以及至少一对围绕主星100飞行的第一辅星200和第二辅星201构成的星座进行成像。第一辅星200和第二辅星201关于主星100成中心对称的方式形成被动的稳定构型以使得第一辅星200和第二辅星201分别相对主星100形成长度相同、相位相反的第一物理基线A和第二物理基线B。伴飞辅星101在第一辅星200和第二辅星201的飞行轨道外且与第一主星100相邻的轨道上与第一主星100前后编队飞行。伴飞辅星101相对第一主星100形成长水平基线C以及短垂直基线D。SAR系统基于第一物理基线A和第二物理基线B生成较长的垂直基线和较短的水平基线，并结合短垂直基线D和长水平基线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测量的精度和量程。本发明采用此方式至少能够实现以下有益技术效果：第一辅星和第二辅星以主星为中心对称绕飞的方式能够形成被动稳定的轨道构型，第一辅星和第二辅星分别相对主星能够在轨道周期的任意时间内形成长度相同、相位反向的第一物理基线和第二物理基线，并结合伴飞辅星与主星之间形成的长水平基线和短垂直基线，然后基于第一物理基线和第二物理基线解耦合得到包含地形高度信息的长垂直基线和包含速度信息的短水平基线，最后SAR系统基于长垂直基线、短垂直基线、长水平基线和短水平基线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。
根据一个优选实施方式，在主星100通过同步装置与GPS星座连接获得先验信息后，主星100基于GPS星座的先验信息获取地面观测区域的纬度信息而调整主星100、伴飞辅星101、第一辅星200和第二辅星201上SAR系统的天线角度以保持相同的高程模糊度，从而提高不同纬度地区的高程测量精度的一致性。在主星100、伴飞辅星101、第一辅星200和第二辅星201上SAR系统的天线角度保持相同的第一高程模糊度成像后，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、伴飞辅星101、第一辅星200和第二辅星201上SAR系统的天线角度以保持相同的且区别于第一高程模糊度的第二高程模糊度，使得SAR系统以至少两次不同的高程模糊度成像。优选地，高程模糊度与方位瞬时斜视角的正弦成正比。高程模糊度反应了相位变化对高程变化的敏感程度。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解缠误差偏大。优选地，SAR系统基于调整天线角度以不同的高程模糊度成像以检查两次成像相位解缠的一致性以及同一成像区域的差异，从而减少相位解缠误差。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，以不同的高程模糊度成像来减少相位解缠的误差，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)

1.一种星载雷达，其特征在于，包括：以SAR系统为有效载荷的主星(100)、伴飞辅星(101)以及至少一对围绕所述主星(100)飞行的第一辅星(200)和第二辅星(201)，其中，
所述SAR系统基于第一辅星(200)相对所述主星(100)形成的第一物理基线(A)和第二辅星(201)关于所述主星(100)形成的第二物理基线(B)生成长度大于伴飞辅星(101)相对所述主星(100)形成的短垂直基线(D)长垂直基线和长度小于伴飞辅星(101)相对主星(100)形成的长水平基线(C)的短水平基线，并结合所述短垂直基线(D)和长水平基线(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。
2.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述第一辅星(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。
3.如权利要求2所述的雷达，其特征在于，采用差分处理的方式从包含有速度信息和地形高度信息的混合基线即第一物理基线(A)和第二物理基线(B)得到只包含地形高度信息的长垂直基线和只包含速度信息的短水平基线。
4.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述SAR系统接收主星(100)发送至地面目标返回的回波信号。
5.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述伴飞辅星(101)和/或第一辅星(200)和/或第二辅星(201)记录自主星(100)发送的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SAR系统成像时再进行相应的相位补偿，从而完成频率同步。
6.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述第一辅星(200)、第二辅星(201)以及伴飞辅星(101)通过采用正侧视的方式指向成像区域的雷达天线以小角度斜视指向成像区域的方式观测地面目标成像，以完成空间同步。
7.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述主星(100)采用频率线性时变信号作为脉冲信号。
8.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述SAR系统基于时间序列的水平基线和垂直基线得到时间、频率等同步信息从而对接收的信号进行校正。
9.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述SAR系统基于校正的信息进行相位补偿，并利用短垂直基线对长垂直基线进行相位解缠，从而进一步提高地形高度测量的精度。
10.如权利要求2所述的雷达，其特征在于，描述辅星运动的所述Hill方程为：
其中，式中坐标系原点定义为主星(100)，主星(100)沿轨道绕地球运行，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。
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