CN113534153A - 一种精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法 - Google Patents

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CN113534153A CN202110806039.2A CN202110806039A CN113534153A CN 113534153 A CN113534153 A CN 113534153A CN 202110806039 A CN202110806039 A CN 202110806039A CN 113534153 A CN113534153 A CN 113534153A
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Abstract

本发明公开了一种精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法，包括：S1、通过俯仰‑偏航姿态导引以获得零多普勒中心，得到需要调整的偏航角与俯仰角；S2、姿态导引通过天线相位中心扫描方法得以等效实现，得到调整后的下视角与斜视角；S3、根据实时变化的波束角，计算多普勒参数。本发明充分考虑合成孔径内波束角的实时变化，完成度多普勒参数的精确计算，解决了多普勒参数精确度不够的问题。

Description

一种精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法
技术领域
本发明涉及微波遥感技术领域，更具体地说，特别涉及一种精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法。
背景技术
GEO SAR(地球同步轨道合成孔径雷达系统)合成孔径时间很长(可达数个小时)，可实现对目标的长时间观测，并且重返周期很短(接近个24小时)，可实现对突发时间的快速反应，此外其GEO SAR还不受地理边界条件限制等其他低轨SAR不具备的优势，因此在军事与民用都有很大的应用价值。
在星载SAR系统数据处理中，如：干涉、距离徙动校正和方位压缩中，多普勒中心都是极其重要的。为了避免复杂的多普勒中心估计过程并且提高处理精度，Roney第一次提出偏航导引控制方法获得零多普勒中心，其在近圆轨道中有着不错的效果。然而当卫星运行在有着不可忽视的偏心率的超高轨道上时，由于没有考虑地球自转以及卫星不再运行于近圆轨道上，多普勒中心残余可大上千赫兹(Hz)。关于这个问题，为了实现零多普勒中心控制，俯仰-偏航(pitch-yaw)姿态控制方法被提出，其可以很好的适用于GEO SAR轨道。但是，偏航角波动可达好几十度，在巨大的GEO SAR系统中是不可实现的。因此，姿态导引可以通过天线相位中心扫描的方法得以等效实现，并且可以用下视角与斜视角进行充分描述。
为了使得多普勒中心总保持为零，天线波束方向是实时变化的。而相应的多普勒参数(合成孔径时间、多普勒带宽以及方位向分辨率)计算方法都没有完全考虑合成孔径内波束角(下视角与斜视角)的实时变化，对复杂的计算过程存在着近似，这样的计算结果与真实结果存在着偏差，导致系统设计与成像处理不够精确。
为了提高多普勒参数计算结果的精确性，有必要充分考虑了波束角的实时变化，提出了一种精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法，包括以下步骤：
S1、通过俯仰-偏航姿态导引以获得零多普勒中心，得到需要调整的偏航角与俯仰角；
S2、姿态导引通过天线相位中心扫描方法得以等效实现，得到调整后的下视角与斜视角；
S3、根据实时变化的波束角，计算多普勒参数。
进一步地，所述偏航角与俯仰角采用以下公式计算：
Figure BDA0003166596610000021
其中，
Figure BDA0003166596610000022
是偏航角，θ是俯仰角，ωe表示地球自转角速度、αi表示轨道倾角、α表示纬度幅角、
Figure BDA0003166596610000023
表示纬度幅角随着时间的变化率、Rs表示卫星到地心距离、
Figure BDA0003166596610000024
表示卫星到地心距离的变化率。
进一步地，所述步骤S2中调整后的下视角与斜视角的计算公式为：
Figure BDA0003166596610000025
其中，γ表示调整后的下视角，φ表示调整后的斜视角，γ0是初始下视角。
进一步地，所述步骤S3具体包括：
S31、通过3-dB波束宽度计算合成孔径时间；
S32、通过合成孔径时间计算多普勒带宽，并根据多普勒带宽计算方向分辨率。
进一步地，所述步骤S31中计算合成孔径时间T的公式如下：
Figure BDA0003166596610000026
其中，Rs表示卫星的位置矢量，R表示目标到卫星的斜距矢量，θbw表示波束宽度，t1表示目标开始进入3-dB带宽的起始时刻，t2表示目标离开天线3-dB带宽的结束时刻；
再通过几何关系得出合成孔径时间T的数学表达式：
Figure BDA0003166596610000031
其中，Vg表示地速，Rc表示合成孔径时间内卫星的波束中心在地球表面扫过的距离，Re表示地球半径，μ是地球引力常数，a是轨道半长轴，k(γ,φ)是有下视角与斜视角引入的系数。
进一步地，所述步骤S32中的多普勒带宽Ba的计算公式如下：
Figure BDA0003166596610000032
其中，f是多普勒频率，该公式考虑了五阶的泰勒展开斜距模型，kn是斜距的各阶系数；
所述步骤S32中的方向分辨率ρa的计算公式如下：
Figure BDA0003166596610000033
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明从俯仰-偏航姿态导引控制方法出发，得到卫星在轨道不同位置处的偏航角与俯仰角，由于偏航角波动过大，在地球同步轨道合成孔径雷达系统卫星平台不可实现，采用相控天线扫描方法得以实现，并采用下视角与斜视角进行描述。根据调整后的天线波束中心视线得到实时变化的波束角，然后从合成孔径时间、多普勒带宽以及方位向分辨率的定义出发，充分考虑合成孔径内波束角的实时变化，完成度多普勒参数的精确计算，解决了多普勒参数精确度不够的问题。从仿真实验结果来看本发明能够有效地提多普勒参数的计算精度。本发明在地球同步轨道合成孔径雷达系统的卫星系统设计以及成像处理中有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明参数计算的参考几何模型。
图2是本发明偏航角与俯仰角随纬度幅角的变化曲线。
图3是本发明下视角与斜视角的变化曲线。
图4a是本发明不同下视角条件下考虑了波束角变化的合成孔径时间变化曲线，图4b是本发明不同下视角条件下未考虑波束角变化的合成孔径时间变化曲线。
图5a是在不同下视角条件下考虑了波束角变化的多普勒带宽变化曲线，图5b是在不同下视角条件下未考虑波束角变化的多普勒带宽变化曲线。
图6a是在不同下视角条件下考虑了波束角变化的方位向分辨率曲线，图6b是在不同下视角条件下未考虑波束角变化的方位向分辨率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1和图2所示，本实施例公开了一种精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法，包括以下步骤：
步骤S1、通过俯仰-偏航姿态导引以获得零多普勒中心，得到需要调整的偏航角与俯仰角。
在该步骤中，假设雷达是右侧视，通过俯仰-偏航姿态导引以获得零多普勒中心，得到需要调整的偏航角与俯仰角为：
Figure BDA0003166596610000041
其中，
Figure BDA0003166596610000042
是偏航角，θ是俯仰角，ωe表示地球自转角速度、αi表示轨道倾角、α表示纬度幅角、
Figure BDA0003166596610000043
表示纬度幅角随着时间的变化率、Rs表示卫星到地心距离、
Figure BDA0003166596610000044
表示卫星到地心距离的变化率。
如附图2所示，为得到的偏航角
Figure BDA0003166596610000051
与俯仰角θ随着纬度幅角α的变化曲线。可以看出，两种角度在轨道不同位置是实时变化的，说明在雷达系统参数计算中需要考虑这种实时变化量，否则会导致计算出现偏差。
步骤S2、姿态导引通过天线相位中心扫描方法得以等效实现，得到调整后的下视角与斜视角。
根据图2可以看出，卫星轨道周期内的偏航导引角可以达到几十度，对于GEO SAR系统是不可实现的，对于使用相控阵天线的GEO SAR系统来说，姿态导引可以通过天线相位中心扫描方法得以等效实现。调整后的下视角γ与斜视角φ为：
Figure BDA0003166596610000052
其中，γ表示调整后的下视角，φ表示调整后的斜视角，γ0是初始下视角。由于偏航角与俯仰角是随着纬度幅角而实时变化的，因此下视角与斜视角也是实时变化的，可以从附图1可以看出，得到的下视角γ与斜视角φ随着纬度幅角的变化曲线如附图3所示。
步骤S3、根据实时变化的波束角，计算多普勒参数。
由于GEO SAR超长的合成孔径时间，合成孔径时间内波束指向变化会对多普勒参数造成可观的影响，必须交由考虑。本实施例从多普勒参数最基本的定义出发，考虑合成孔径内的波束角实时变化，进行多普勒参数的精确计算。
通过3-dB波束宽度来精确计算合成孔径时间T，公式如下：
Figure BDA0003166596610000053
其中，Rs表示卫星的位置矢量，R表示目标到卫星的斜距矢量，θbw表示波束宽度，t1表示目标开始进入3-dB带宽的起始时刻，t2表示目标离开天线3-dB带宽的结束时刻。然后可以通过几何关系给出合成孔径时间的数学表达式，可参考附图1。
Figure BDA0003166596610000061
其中，Vg表示地速，Rc表示合成孔径时间内卫星的波束中心在地球表面扫过的距离，Re表示地球半径，μ是地球引力常数，a是轨道半长轴，k(γ,φ)是有下视角与斜视角引入的系数。得到的考虑波束角变化的合成孔径时间T随着纬度幅角α的变化曲线如附图4a和图4b所示，在不同下视角情况下(分别为0.01°、1.50°和2.96°)合成孔径时间在轨道上的变化曲线，图4a为考虑了波束角的变化；图4b为没有考虑波束角的变化。
针对多普勒带宽Ba的计算，本实施例考虑了合成孔径时间T内起始时刻的多普勒频率与离开时刻的多普勒频率之差，计算方式如下：
Figure BDA0003166596610000062
其中，f是多普勒频率，本实施例考虑了五阶的泰勒展开斜距模型，kn是斜距的各阶系数。可以看出，多普勒带宽Ba的表达式也是与合成孔径的起始与终止时刻有关的。因此，多普勒带宽的精确计算也需要考虑波束角的实时变化。得到的考虑波束角变化的合多普勒带宽随着纬度幅角的变化曲线如附图5a和图5b所示，其考虑了在不同下视角情况下(分别为0.01°、1.50°和2.96°)多普勒带宽在轨道上的变化曲线，图5a为考虑了波束角的变化，图5b没有考虑波束角的变化。
方位向分辨率ρa的计算如下：
Figure BDA0003166596610000063
其中，与方位向分辨率ρa计算有关的地速和多普勒带宽都与波束角有关，因此，方位向分辨率的精确计算也需要考虑波束角的实时变化。得到的考虑波束角变化的合方位向分辨率随着纬度幅角的变化曲线如附图6a和6b所示，其考虑了在不同下视角情况下(分别为0.01°、1.50°和2.96°)方位向分辨率在轨道上的变化曲线，图6a为考虑了波束角的变化，图6b没有考虑波束角的变化。
下表1为仿真中设定的GEO SAR系统参数，将该表1中的参数引入到仿真实验中，
可以得到精确的多普勒参数，尤其是随着下视角的增大时，是否考虑合成孔径内波束角的变化对多普勒参数的精确计算影响更大。而精确的多普勒参数在实际工程中的系统设计以及后续的成像处理中都极其重要。本发明能够有效地提多普勒参数的计算精度。本发明能在GEO SAR卫星系统设计以及成像处理中有广泛的应用前景。
表1
指标名称 表示符号 数值
半长轴 a 42164.17Km
偏心率 e 1×10<sup>-8</sup>
轨道倾角 α<sub>i</sub> 60°
载频 f<sub>c</sub> 1.25GHz
脉冲持续时间 T<sub>P</sub> 2.5μs
升交点赤经 θ<sub>R</sub> 115°
近地点幅角 θ<sub>P</sub> 270°
天线尺寸 S 30m×30m
入射角 θ<sub>inc</sub> 20°
带宽 B<sub>a</sub> 30MHz
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过俯仰-偏航姿态导引以获得零多普勒中心，得到需要调整的偏航角与俯仰角；
S2、姿态导引通过天线相位中心扫描方法得以等效实现，得到调整后的下视角与斜视角；
S3、根据实时变化的波束角，计算多普勒参数。
2.根据权利要求1所述的精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法，其特征在于，所述偏航角与俯仰角采用以下公式计算：
Figure FDA0003166596600000011
其中，
Figure FDA0003166596600000012
是偏航角，θ是俯仰角，ωe表示地球自转角速度、αi表示轨道倾角、α表示纬度幅角、
Figure FDA0003166596600000013
表示纬度幅角随着时间的变化率、Rs表示卫星到地心距离、
Figure FDA0003166596600000014
表示卫星到地心距离的变化率。
3.根据权利要求1所述的精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法，其特征在于，所述步骤S2中调整后的下视角与斜视角的计算公式为：
Figure FDA0003166596600000015
其中，γ表示调整后的下视角，φ表示调整后的斜视角，γ0是初始下视角。
4.根据权利要求1所述的精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31、通过3-dB波束宽度计算合成孔径时间；
S32、通过合成孔径时间计算多普勒带宽，并根据多普勒带宽计算方向分辨率。
5.根据权利要求4所述的精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法，其特征在于，所述步骤S31中计算合成孔径时间T的公式如下：
Figure FDA0003166596600000021
其中，Rs表示卫星的位置矢量，R表示目标到卫星的斜距矢量，θbw表示波束宽度，t1表示目标开始进入3-dB带宽的起始时刻，t2表示目标离开天线3-dB带宽的结束时刻；
再通过几何关系得出合成孔径时间T的数学表达式：
Figure FDA0003166596600000022
其中，Vg表示地速，Rc表示合成孔径时间内卫星的波束中心在地球表面扫过的距离，Re表示地球半径，μ是地球引力常数，a是轨道半长轴，k(γ,φ)是有下视角与斜视角引入的系数。
6.根据权利要求4所述的精确的地球同步轨道合成孔径雷达系统参数计算方法，其特征在于，所述步骤S32中的多普勒带宽Ba的计算公式如下：
Figure FDA0003166596600000023
其中，f是多普勒频率，该公式考虑了五阶的泰勒展开斜距模型，kn是斜距的各阶系数；
所述步骤S32中的方向分辨率ρa的计算公式如下：
Figure FDA0003166596600000024
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104730506A (zh) * 2015-03-05 2015-06-24 北京控制工程研究所 一种合成孔径雷达卫星的全零多普勒姿态导引方法

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