CN114578353A - 一种sar波束时空覆盖特性分析方法及装置 - Google Patents

一种sar波束时空覆盖特性分析方法及装置 Download PDF

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CN114578353A CN202210094330.6A CN202210094330A CN114578353A CN 114578353 A CN114578353 A CN 114578353A CN 202210094330 A CN202210094330 A CN 202210094330A CN 114578353 A CN114578353 A CN 114578353A
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丁翼星
郭华东
商豪律
梁达
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Abstract

本发明提供一种SAR波束时空覆盖特性分析方法及装置，涉及航天航空技术领域，该方法包括：基于星历数据，确定合成孔径雷达位置；基于所述合成孔径雷达位置，确定合成孔径雷达波束对地表的覆盖区域面积、待分析时间内波束对所述覆盖区域面积的有效覆盖时长；基于所述覆盖区域面积和所述有效覆盖时长，进行合成孔径雷达波束的时空覆盖特性分析。本发明可以在SAR任意时刻或者任意时间段、任意波束形态以及任意波束指向的约束下，得到SAR波束对地表的覆盖情况，进而在多约束场景中得到SAR的时空覆盖特性。

Description

一种SAR波束时空覆盖特性分析方法及装置
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种SAR波束时空覆盖特性分析方法及装置。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种主动式的对地观测系统，可安装在飞机、卫星、宇宙飞船等飞行平台上，进行全天时、全天候对地观测，同时SAR的波束具有一定的地表穿透能力。因此，SAR系统在灾害监测、环境监测、海洋监测、资源勘查、农作物估产、测绘和军事等方面的应用上具有一定的优势，可发挥其他遥感手段难以发挥的作用。
但是，目前SAR的相关研究中并没有较多的关注月基SAR波束覆盖特性，重点多在SAR天线姿态控制导引、图像处理算法、SAR 平台参数配置等方面。因此，关于SAR波束的覆盖特性的相关分析是目前业界亟待解决的重要课题。
发明内容
本发明提供一种SAR波束时空覆盖特性分析方法及装置，实现在SAR任意时刻或者任意时间段、任意波束形态以及任意波束指向的约束下，得到SAR波束对地表的覆盖情况。
本发明提供一种SAR波束时空覆盖特性分析方法，应用于搭载在月球表面的合成孔径雷达，包括以下步骤：
基于星历数据，确定合成孔径雷达位置；
基于所述合成孔径雷达位置，确定合成孔径雷达波束对地表的覆盖区域面积以及待分析时间内波束对所述覆盖区域面积的有效覆盖时长；
基于所述覆盖区域面积和所述有效覆盖时长，进行合成孔径雷达波束的时空覆盖特性分析。
根据本发明提供的SAR波束时空覆盖特性分析方法，所述基于所述合成孔径雷达位置，确定合成孔径雷达波束对地表的覆盖区域面积以及待分析时间内波束对所述覆盖区域面积的有效覆盖时长，具体包括以下步骤：
基于所述合成孔径雷达位置，进行合成孔径雷达的天线姿态校准，将天线波束中心指向导引至零多普勒平面，并确定天线校准的姿态旋转矩阵；其中，所述姿态旋转矩阵是基于姿态校准前坐标系调整至姿态校准后坐标系时相对应坐标轴旋转的角度和方向确定的，并且姿态校准后坐标系的坐标原点为合成孔径雷达的质心；
基于合成孔径雷达的波束参数，确定合成孔径雷达波束截面形态；其中，所述波束参数包括合成孔径雷达载频，以及所述载频在距离向和方位向上的天线长度；
基于所述合成孔径雷达位置、所述姿态旋转矩阵和所述合成孔径雷达波束截面形态，确定波束覆盖边界；
基于所述波束覆盖边界和地球参数，确定波束的覆盖区域面积；
基于所述覆盖区域面积，确定待分析时间内波束的有效覆盖时长。
根据本发明提供的SAR波束时空覆盖特性分析方法，所述基于所述合成孔径雷达位置、所述姿态旋转矩阵和所述合成孔径雷达波束截面形态，确定波束覆盖边界，具体包括以下步骤：
基于姿态校准后坐标系的坐标原点、所述姿态旋转矩阵和所述合成孔径雷达波束截面形态，确定波束边界的锥形簇；
判断所述锥形簇的母线与地表向月侧之间是否存在交点；
若存在，则判断所述交点的入射角是否满足合成孔径雷达有效回波中极限入射角条件；其中，所述合成孔径雷达有效回波中极限入射角条件为入射角大于0°且小于90°；
若满足，则所述母线能在地表形成有效交点，汇总所有所述母线的有效交点，得到用于表征所述波束覆盖边界的有效地面交点集。
根据本发明提供的SAR波束时空覆盖特性分析方法，所述基于所述合成孔径雷达位置，所述姿态旋转矩阵和所述合成孔径雷达波束截面形态，确定波束覆盖边界，还包括以下步骤：
若不存在交点或不满足所述合成孔径雷达有效回波中入射角条件，则缩小波束赋形截面边界，并基于缩小后的波束赋形截面边界，重新确定所述锥形簇，直至所述母线与地表向月侧之间存在所述交点以及所述交点满足所述合成孔径雷达有效回波中入射角条件。
根据本发明提供的SAR波束时空覆盖特性分析方法，所述基于所述波束覆盖边界和地球参数，确定波束的覆盖区域面积，具体包括以下步骤：
确定所述有效地面交点集所形成的第一闭合区域；
基于所述地球参数，判断所述第一闭合区域是否经过国际日期变更线；
若未经过，则确定所述有效地面交点集形成的第一球面度，所述第一球面度在所述第一闭合区域未经过国际日期变更线时表征所述覆盖区域面积；
若经过，则获取所述第一闭合区域在所述国际日期变更线左右两侧分别对应的第二球面度和第三球面度，所述第一球面度、所述第二球面度和所述第三球面度相累加在所述第一闭合区域经过国际日期变更线时表征所述覆盖区域面积。
根据本发明提供的SAR波束时空覆盖特性分析方法，所述基于星历数据，确定合成孔径雷达位置，具体包括以下步骤：
将所述待分析时间转换为适用于调用星历数据的调用时间，并调取所述调用时间对应的星历数据；
基于所述星历数据，确定合成孔径雷达与月心之间的第一相对位置；
基于合成孔径雷达在月表的经纬度，判断合成孔径雷达是否位于向地一侧；
若位于向地一侧，基于月球质心运动，确定合成孔径雷达与地心之间的第二相对位置。
本发明还提供一种SAR波束时空覆盖特性分析装置，应用于搭载在月球表面的合成孔径雷达，包括：
位置确定模块，用于基于星历数据，确定合成孔径雷达位置；
覆盖确定模块，用于基于所述合成孔径雷达位置，确定合成孔径雷达波束对地表的覆盖区域面积以及待分析时间内波束对所述覆盖区域面积的有效覆盖时长；
特性分析模块，用于基于所述覆盖区域面积和所述有效覆盖时长，进行合成孔径雷达波束的时空覆盖特性分析。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述SAR波束时空覆盖特性分析方法的步骤。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述SAR波束时空覆盖特性分析方法的步骤。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述SAR波束时空覆盖特性分析方法的步骤。
本发明提供的SAR波束时空覆盖特性分析方法及装置，以月基 SAR平台为应用对象，以地月之间复杂的相对运动为应用场景，通过星历数据获取SAR位置，并通过获取到的SAR位置，计算并表示任意波束的覆盖区域面积和有效覆盖时长，本发明可以在SAR任意时刻或者任意时间段、任意波束形态以及任意波束指向的约束下，得到SAR波束对地表的覆盖情况，进而在多约束场景中得到SAR的时空覆盖特性，即对SAR波束的覆盖边界、覆盖面积、覆盖时长做分析，可以为SAR多波束或其他平台多波束通信等的分析提供便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的SAR波束的时空覆盖特性方法的流程示意图；
图2是本发明提供的SAR波束的时空覆盖特性方法中进行天线姿态校准时的示意图；
图3是本发明提供的SAR波束的时空覆盖特性方法中进行坐标系变换时的示意图；
图4是本发明提供的SAR波束的时空覆盖特性方法中计算波束覆盖边界时的示意图；
图5是本发明提供的SAR波束的时空覆盖特性方法中计算波束覆盖边界时的流程示意图；
图6是本发明提供的SAR波束的时空覆盖特性方法中计算入射角度数时的示意图；
图7是本发明提供的SAR波束的时空覆盖特性方法中确定波束覆盖区域面积时的示意图；
图8是本发明提供的SAR波束的时空覆盖特性方法中进行时间系统各个时间参数转换时的流程示意图；
图9是本发明提供的SAR波束的时空覆盖特性方法中确定SAR 位置时的流程示意图；
图10是本发明提供的SAR波束的时空覆盖特性装置的结构示意图；
图11是本发明提供的电子设备的结构示意图。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在目前关于SAR波束特性的相关研究中，均是仅将人造星载平台视为主要的研究对象，并没有针对自然卫星(如月球)平台对象进行研究。
在以人造星载平台为研究对象的波束特性研究中，存在以下几种方式：
1)在不严格要求精确性的前提下，可以视地球为固定非旋转的球体，波束发射平台进行沿轨运动；
2)对于非SAR平台，波束中心指向可以指向其星下点，此时地球可以被视为标准球体或者椭球体，表现在前者的大地纬度与地心纬度相等，后者的大地纬度与地心纬度不相等，且此时的波束宽度角通常被设置成相等；此情况下，可以根据卫星轨道六参数，即升交点赤经、轨道倾角、轨道长半径、轨道偏心率、近地点角距和真近点角等确定平台位置，并进而计算在天线姿态约束下的多波束覆盖情况；
3)对于SAR平台，若只粗略的考虑波束覆盖情况，在波束为球冠面圆形覆盖模式情况下，只需计算圆或椭圆长轴与短轴的4个点；在波束为球面四边形覆盖模式情况下，只需计算四边形的4个顶点，即可确定传感器对地覆盖的区域范围；在平台天线存在侧视角的情况下，通过卫星的侧视角度确定圆锥面，利用站心坐标系中波束的旋转角确定唯一的圆锥母线作为波束中心线，进而得到卫星波束中心与地球的交点，最终确定卫星覆盖范围。
综上，现有针对平台波束覆盖的分析中，为了减少分析过程的复杂程度，以及方便计算，通常忽略了中心波束指向任意的特点，或者由边界上少数几个点近似确定边界整体情况，没有给出可以通用的任意波束在时间覆盖和空间覆盖上的分析方案。
下面结合图1描述本发明的SAR波束时空覆盖特性分析方法，应用于搭载在月球表面的SAR，也就是月基SAR平台，月基SAR平台可以放置于月球正面向地侧的不同位置，此时若忽略月表撞击坑、环形山的影响，月球可视为平均半径为1731km的正球体。
该方法包括以下步骤：
S100、基于星历数据，确定SAR位置。
S200、基于SAR位置，确定SAR波束对地表的覆盖区域面积以及待分析时间内波束对覆盖区域面积(波束覆盖边界以及边界内区域) 的有效覆盖时长。
在本实施例中，待分析时间可以是时刻，也可以是时间段。
S300、基于覆盖区域面积和有效覆盖时长，进行SAR波束时空覆盖特性分析。
本发明的SAR波束时空覆盖特性分析方法，以月基SAR平台为应用对象，以地月之间复杂的相对运动为应用场景，通过星历数据获取SAR位置，并通过获取到的SAR位置，计算并表示任意波束的覆盖区域面积和有效覆盖时长，本发明可以在SAR任意时刻或者任意时间段、任意波束形态以及任意波束指向的约束下，得到SAR波束对地表的覆盖情况，进而在多约束场景中得到SAR的时空覆盖特性，即对SAR波束的覆盖边界、覆盖面积、覆盖时长做分析，可以为SAR 多波束或其他平台多波束通信等的分析提供便利。
下面结合图2和图3描述本发明的SAR波束时空覆盖特性分析方法，步骤S200具体包括以下步骤：
S210、基于SAR位置，进行SAR的天线姿态校准，将SAR天线波束中心指向导引至零多普勒平面，并确定天线校准的姿态旋转矩阵。在该方法中，姿态旋转矩阵是基于姿态校准前坐标系调整至姿态校准后坐标系时相对应坐标轴旋转的角度和方向确定的。
天线姿态校准的目的是使平台的航迹速度方向与天线中心相位指向相互垂直，并且，在本实施例中，天线中心相位指向与天线中心指向相同。
姿态校准前坐标系与姿态校准后坐标系分别为两不同的坐标系，姿态校准前坐标系为初始SAR天线指向的坐标系，此时：
姿态校准前坐标系中X轴平行于月面SAR速度方向；姿态校准前坐标系中Z轴平行于角动量矢量，并且与北天极的夹角小于90°；姿态校准前坐标系中Y轴垂直于X、Z轴组成的平面。
姿态校准后坐标系为将天线姿态也就是天线波束中心指向导引到零多普勒平面时的坐标系，此时：
姿态校准后坐标系中X轴平行于月面SAR航迹速度；姿态校准后坐标系中Z轴平行于以航迹速度为参考的角动量方向；姿态校准后坐标系中Y轴垂直于X轴和Y轴，并且满足右手定则。
在该方法中，姿态校准会涉及到坐标系变换，且，姿态校准后坐标系的坐标原点为SAR的质心。
请参阅图3，图3所示的坐标系变换过程中，能够相互变换的坐标系包括：月心月固坐标系(The Moon Center Moon Fixed Coordinate System，MCMF)、地球质心惯性坐标系(The Earth Central Inertial Coordinate System，ECI)、地球质心旋转坐标系(TheEarth Central Rotational Coordinate System，ECR)、月球站心天线坐标系(The MoonStation Central Coordinates System，MSC)、天线坐标系(The Antenna CoordinateSystem，ACS)和天线旋转坐标系(The Antenna Rotation Coordinate System，RCS)。
在MSC中，月面SAR平台质心为坐标系原点，Z轴平行于月心指向站心的矢量，X轴和Y轴分别平行于本地的纬度线与经度线；在ACS中，以ACS天线中心指向为旋转轴，旋转若干角度，可以得到RCS。
对于SAR平台，为避免星下点回波的影响，一般会避免天线直接指向星下点，即存在不同的下视角，通过步骤S210，可以计算得到关于SAR天线姿态控制旋转矩阵。
对于任意目标与SAR平台，其多普勒中心频率可以描述为下式：
Figure RE-GDA0003599446700000091
其中，λ表示雷达发射信号波长；R表示散射点(地面目标点)在时刻t到雷达的瞬时斜距；
Figure RE-GDA0003599446700000092
A为SAR平台与对应中心目标点的连线，A表示为中心波束指向；
Figure RE-GDA0003599446700000093
B表示航迹速度；we表示地球旋转角速度；
Figure RE-GDA0003599446700000101
表示月基SAR位置；
Figure RE-GDA0003599446700000102
表示目标点位置；mp表示月表；ep表示地表；ecr表示地球旋转坐标系 (EarthCentral Rotational Coordinate System)。在本实施例中，坐标系可选，并且当在相同的坐标系下计算时，可以变为其他的坐标系，即可以改变右上角标的参数。
在姿态校正前坐标系中，A可以由高度角
Figure RE-GDA0003599446700000103
和方位角
Figure RE-GDA0003599446700000104
进行如下式的表述：
Figure RE-GDA0003599446700000105
其中，ux、uy、uz分别为描述姿态校正前坐标系的三轴单位向量，即ux为描述姿态校正前坐标系X轴的单位向量，uy为描述姿态校正前坐标系Y轴的单位向量，uz为描述姿态校正前坐标系Z轴的单位向量；k为表示月基SAR平台天线的侧视方向，k的取值为1或者-1，其中k的取值为1时表示月基SAR平台天线的侧视方向为左视，k的取值为-1时表示月基SAR平台天线的侧视方向为右视，即，k表示沿运动方向的左侧或者右侧进行回波的发射与接收。
在本实施例中，在步骤S210中，采用的是两维姿态调整，即进行横滚roll、俯仰pitch和偏航yaw中的二种姿态旋转。
以先俯仰pitch调整，后偏航yaw调整为例。此时姿态旋转矩阵Ξ假设如下：
Figure RE-GDA0003599446700000106
其中，Ry表示绕y轴旋转的旋转矩阵，Rz表示绕z轴旋转的旋转矩阵，
Figure RE-GDA0003599446700000107
表示绕z轴旋转的角度(弧度制)，
Figure RE-GDA0003599446700000108
表示绕y轴旋转的角度(弧度制)。
进行姿态调整后，原先的姿态调整前坐标系中的三个单位指向轴变为：
Figure RE-GDA0003599446700000111
其中，u′x、u′y、u′z分别为描述姿态校正后坐标系的三轴单位向量，即u′x为描述姿态校正后坐标系X轴的单位向量，u′y为描述姿态校正后前坐标系Y轴的单位向量，u′z为描述姿态校正后坐标系Z轴的单位向量。
经过姿态调整后，A变为A′，A′具体为：
Figure RE-GDA0003599446700000112
经过姿态调整后，B可以重写为：
B＝ξx·ux+ξy·uy+ξz·uz
其中，ξx、ξy、ξz分别表示B在ux、uy、uz所组成坐标系中的分量。
由于经过姿态调整后，姿态调整后坐标系的x轴与航迹速度平行，此航迹速度需与姿态调整后坐标系的y、z轴垂直，因此， B·u′y＝0、B·u′z＝0，可推导出以下不等式方程组。
Figure RE-GDA0003599446700000121
并对推导出的不等式方程组可以求解得到：
Figure RE-GDA0003599446700000122
同理，先俯仰pitch调整，后横滚roll调整，或者先横滚roll调整，后偏航调整yaw调整，其过程均类似。
在针对侧视SAR平台时，高度角可以赋值为侧视角，方位角赋值为零。通过计算后的任意一种二维导引方式的姿态旋转角，可以计算出旋转矩阵。
下面以图2为例进行说明，假定存在两个共原点S的坐标系 S﹣xyz和S﹣x1y1z1，且坐标系的变换方向为S﹣xyz至S﹣x1y1z1。γ1、γ2、γ3分别为两坐标系的坐标旋转角，变换次序为S﹣xyz绕z轴旋转γ1，使x轴与SN重合，之后再绕x轴旋转γ2，使z与z1重合，最后绕z1轴旋转γ3，使SN与x1重合。
S﹣x1y1z1坐标系各轴的指向向量在S﹣xyz坐标系中均已知，则可以通过以下步骤计算两坐标系旋转的角度和方向：
A100、确定旋转角γ1的角度。
由图2可知，SN分别垂直于Sz、Sz1。即有
SN＝Sz×Sz1
Figure RE-GDA0003599446700000123
A200、确定旋转角γ1的方向。
S﹣xyz绕Sz旋转γ1角度后，flag1表示旋转角γ1旋转方向，Sx应与 SN重合，即有：
SN＝Rz(flag1·γ1)·Sx
Figure RE-GDA0003599446700000131
A300、确定旋转角γ2的角度。
由坐标系旋转次序以及图2可知：
Figure RE-GDA0003599446700000132
A400、确定旋转γ2的方向。
S﹣xyz继续绕SN旋转γ2角度后，flag2表示旋转角γ2旋转方向，Sz 应与Sz1重合，即有：
Sz1＝Rx(flag2·γ2)·Rz(flag1·γ1)·Sz
其中，Rx表示绕x轴旋转的旋转矩阵。
Figure RE-GDA0003599446700000133
A500、确定旋转角γ3的角度。
由坐标系旋转次序以及图2可知：
Figure RE-GDA0003599446700000134
A600、确定旋转γ3的方向。
S﹣xyz继续绕Sz1旋转γ3角度后，flag3表示旋转角γ3旋转方向， SN应与Sx1重合，即有：
Sx1＝Rz(flag3·γ3)·Rx(flag2·γ2)·Rz(flag1·γ1)·Sx
Figure RE-GDA0003599446700000135
此时由S﹣xyz调整至S﹣x1y1z1的旋转矩阵E为：
E＝Rz(flag3·γ3)·Rx(flag2·γ2)·Rz(flag1·γ1)
S220、基于SAR的波束参数，确定SAR波束截面形态。在该方法中，波束参数包括SAR载频，以及载频在距离向和方位向上的天线长度。
在该方法中，通过SAR载频以及SAR载频在距离向、方位向上的天线长度，可以基本确定波束截面形态。通常，对于垂直于波束照射方向的平面而言，波束在其上覆盖的区域可以由在两个方向上不相等的圆锥角，即通过距离向宽度角θr、方位向宽度角θa进行确定，具体的：
Figure RE-GDA0003599446700000141
Figure RE-GDA0003599446700000142
其中，c表示光速，f表示载频，Lr表示天线距离向长度，Lα表示天线方位向长度。
S230、基于SAR位置、姿态旋转矩阵和SAR波束截面形态，确定波束覆盖边界。
S240、基于波束覆盖边界和地球参数，确定波束的覆盖区域面积。
S250、基于覆盖区域面积，确定待分析时间内波束的有效覆盖时长。在该方法中，如果待分析时间为连续的时间集合也就是时间段，则可以求出在该时间段特定的月基SAR对覆盖区域面积的有效覆盖时长。
下面结合图4至图6描述本发明的SAR波束时空覆盖特性分析方法，步骤S230具体包括以下步骤：
S231、基于姿态校准后坐标系的坐标原点、姿态旋转矩阵和SAR 波束截面形态，确定波束边界的锥形簇。
S232、判断锥形簇的母线与地表向月侧之间是否存在交点。
S233、若存在，则判断交点的入射角是否满足SAR有效回波中入射角条件；其中，SAR有效回波中入射角条件为入射角大于0°且小于90°。
S234、若满足，则母线能在地表形成有效交点，汇总所有母线的有效交点，得到用于表征波束覆盖边界的有效地面交点集。
S235、若不存在交点或不满足SAR有效回波中极限入射角条件，则缩小波束赋形截面边界，并基于缩小后的波束赋形截面边界，重新确定新的锥形簇，直至新的锥形簇的母线与地表向月侧之间存在交点以及交点满足SAR有效回波中极限入射角条件。
在一些可能的实施例中，入射角范围可选为15°至50°。
请参阅图4，假设图4中xyz表示ACS坐标系，x′y′z′为RCS坐标系，ACS坐标系和RCS坐标系在图6中均以S点为坐标系中心，并且x″y″z″为将S点(S点为月基SAR平台天线的相位中心)沿天线中心指向(即波束中心指向SEt)平移至S′点形成的，Et与z、z′、z″共线，并且Et的方向为地球方向。图4中位于右边的椭圆可以视为S′点处的波束截面边界；θ1和θ2分别等同于前文中提到的θr和θa；θ3表示由ACS坐标系至RCS坐标系的旋转角，并且θ3通常视为零；L1为波束截面较长方向的半宽度，L2为波束截面较短方向的半宽度，即有：
L1＝‖SS′‖·tanθ1
L2＝‖SS′‖·tanθ2
以较长方向长度最大处为初始点P0，并将逆时针方向作为旋转正方向，将波束截面边界按照弧度角均匀的划分为N等分，依次选取点 Pi(0≤i≤N)，各个Pi相对于初始点P0的旋转角度为θ＝2π·i/N，在x″y″z″的x″S′y″平面中，Pi的坐标为(L1·cosθ,L2·sinθ,0)，在 x′y′z′中，Pi的坐标为(L1·cosθ,L2·sinθ,‖SS′‖)。SPi组成了关于波束边界的锥形簇。
请参阅图5，月基SAR波束对地表的覆盖范围主要由波束的覆盖边界决定，波束边界的锥形簇母线是否能在地表形成有效的交点，取决于三个约束条件：第一、为月面SAR平台是否位于月球的向地一侧；第二、为锥形簇的母线是否与地表相交；第三、为地表交点至月面SAR平台的连线矢量是否符合SAR有效回波中入射角约束。第一和第二约束条件即锥形簇的母线与向月侧地表之间是否存在交点。
请参阅图6，当得知了SAR位置之后，α表示波束入射角， OeEt＝OeS+R·U，其中，Oe表示地心，U＝SEt/‖SEt‖2，U为关于波束边界指向的单位向量,R＝‖SEt‖2。对于波束边界与地面的交点 Et，Et的坐标(x,y,z)满足椭球地球方程：
Figure RE-GDA0003599446700000161
其中，
Figure RE-GDA0003599446700000162
为地球赤道半径，
Figure RE-GDA0003599446700000163
为地球极半径，通过二次方程最小根方法能够计算波束边界与地面的交点：
R2+2·F·R+G＝0
其中：
Figure RE-GDA0003599446700000164
Figure RE-GDA0003599446700000165
Figure RE-GDA0003599446700000166
Figure RE-GDA0003599446700000167
对于椭球地球表面上任意一点Ep，切平面的法向量ΓP为：
Figure RE-GDA0003599446700000168
假设波束边界处SPi与地面有交点，则交点处的入射角α的余弦为：
Figure RE-GDA0003599446700000169
对于雷达波束的入射角α而言，入射角α较大或较小都不能有效的接收回波，入射角α的值需满足一定的范围，具体的为：α∈[αmin,αmax]。优选的，αmin>0°，αmax<90°，即对于入射角α而言，入射角α需满足：
cosαmax<cosα<cosαmin
对于Pi，若计算得到Pi的R为虚数，则表明SPi方向与地面无交点；若入射角α不满足cosαmax<cosα<cosαmin，则对于雷达波束表明该边界处不能得到较好的回波，若出现以上两种情况需要对波束横截面边界进行更新。例如，在x″S′y″平面中对于极角θ对应的位置Pi，若极角θ对应的位置Pi计算得到的R为虚数或该Pi的入射角α不满足 cosαmax<cosα<cosαmin，那么应当逐渐缩小极角θ所对应的极径 r，使更新后得到的
Figure RE-GDA0003599446700000171
更加靠近x″S′y″平面的中心，直到得到与地表有交点的第一个
Figure RE-GDA0003599446700000172
并且该
Figure RE-GDA0003599446700000173
的入射角α满足cosαmax<cosα< cosαmin的约束。故x″S′y″平面中，选择与Pi相适应的坐标轴步长 (Δxi,Δyi,0)，对Pi进行更新，则x″S′y″中新的
Figure RE-GDA0003599446700000174
位置为(L1·cosθ-k·Δxi,L2·sinθ-k·Δyi,0)。
其中，
Figure RE-GDA0003599446700000175
M·Δyi＝L2·sinθ；M·Δxi＝L1·cosθ； 1≤k≤M。
下面结合图7描述本发明的SAR波束时空覆盖特性分析方法，步骤S240具体包括以下步骤：
S241、确定有效地面交点集所形成的第一闭合区域。
S242、基于地球参数，判断第一闭合区域是否经过国际日期变更线。
S243、若未经过，则确定有效地面交点集形成的第一球面度，第一球面度在第一闭合区域未经过国际日期变更线时表征覆盖区域面积。
S244、若经过，则获取第一闭合区域在国际日期变更线左右两侧分别对应的第二球面度和第三球面度，第一球面度、第二球面度和第三球面度相累加在第一闭合区域经过国际日期变更线时表征覆盖区域面积。
在本实施例中，地球参数可以用正球体类型表示，也可以用椭球体类型表示。地球参数主要参数包含地球球体的半长轴和球体偏心率。对于地表有效交点集合，M的值越大，地表有效交点的位置越准确，相应的，地表有效交点集合也就越准确，即，M的值越大，越能够减少由于位置所造成的误差。
对于单个球体，其整体球面度为4π，球面度是立体角的计量单位，通常面积为半径平方(e2)的球表面对球心的张角等于1球面度。例如，对于WGS-84椭球形式的地球参数而言，地球极半径约为 6356.9km，赤道半径约为6377.8km，赤道半径相较于极半径变化0.3％，此时地球可视为以6371km为平均半径的球体。
请参阅图7，r表示球体半径，σ表示天顶角，φ表示方位角，dσ表示在天顶角σ方向上的角度量，dφ表示在方位角φ方向上角度的角度量。若某个立体角Ω在球面的上的截面面积为SΩ，则有：
dSΩ＝(rdσ)·(rsinσdφ)＝r2·sinσdσdφ
一般情况下，当地表有效交点集合不经过国际日期变更线，即 -180度经线时，可以不需要计算其他闭合区域面积，仅仅通过地表有效交点的球面度就可以准确求出波束的覆盖区域面积；否则，则需再计算以-180度经线为分界线的两部分的球面度，并与地表有效交点的球面度进行累加求和，才能得到波束的覆盖区域面积。
下面结合图8和图9描述本发明的SAR波束时空覆盖特性分析方法，步骤S100具体包括以下步骤：
S110、将待分析时间转换为适用于调用星历数据的调用时间，并调取调用时间对应的星历数据。
请参阅图8，图8的所示的时间系统中，能够转换的时间系统包括：质心天球参考系(Barycentric Celestial Reference System，BCRS) 中的质心坐标时(BarycentricCoordinate Time，TCB)、质心天球参考系中的太阳系质心力学时(Barycentric DynamicalTime，TDB)、地心天球参考系(Geocentric Celestial Reference System，GCRS)的坐标时为地心坐标时(Geocentric Coordinate Time，TCG)、地球时 (Terrestrial Time，TT)、国际原子时(International Atomic Time，TAI)、协调世界时(Coordinated UniversalTime，UTC)、世界时(Universal Time，UTI)、格林尼治平恒星时(Greenwich Mean SiderealTime， GMST)、格林尼治时角(Greenwich Apparent Sidereal Time，GAST) 和儒略历(Julian Day，JD)。
在该方法中，时间系统中各时间参数可以进行相互转换，并且通过不同类型时间系统的相互转换，可以计算出适用于调用星历数据的时间标量或者由多个时间标量组成的时间序列。在初始的时间参数设置中，时间参数一般为UTC类型时间，而参与星历调用的时间参数一般为TDB类型。
在本实施例中，时间系统中各时间参数来源于DE430 JPL星历的星历数据。星历指的是一种星体轨道参数表，即用列表数据说明每隔一定时间某星体预定所在位置、速度等其他信息。
S120、基于星历数据，确定SAR与月心之间的第一相对位置。
S130、基于SAR在月表的经纬度，判断SAR是否位于向地一侧。
S140、若位于向地一侧，基于月球质心运动，确定SAR与地心之间的第二相对位置。
在该方法中，第一相对位置和第二相对位置用于表征SAR位置。
请参阅图9，通过调取星历数据来计算月心位置与速度关系，以此来得到第一相对位置。在本实施例中，月球位置与速度的关系是在国际天球参考架(InternationalCelestial Reference Frame，ICRF)下定义的，并且所采用的时间体系为TDB下的简化儒略历时间 (Modified Julian Day，MJD)。
月面SAR平台的位置至少位于向地一侧(即平台位置的纬度区间为90°S-90°N，经度区间为90°W-90°E)，否则，需重新选择 SAR位置，而后将SAR位置在MCMF中进行表示，并叠加进月球质心运动环节中，从而表示出月面SAR相对于地球的位置速度变化关系，以此来得到第二相对位置。
下面对本发明提供的SAR波束的时空覆盖特性装置进行描述，下文描述的SAR波束的时空覆盖特性装置与上文描述的SAR波束的时空覆盖特性方法可相互对应参照。
下面结合图10描述本发明的SAR波束时空覆盖特性分析装置，应用于搭载在月球表面的SAR，也就是月基SAR平台，月基SAR平台可以放置于月球正面向地侧的不同位置，此时若忽略月表撞击坑、环形山的影响，月球可视为平均半径为1731km的正球体。
该装置包括：
位置确定模块100，用于基于星历数据，确定SAR位置。
覆盖确定模块200，用于基于SAR位置，确定SAR波束对地表的覆盖区域面积以及待分析时间内波束对于覆盖区域面积(波束覆盖边界以及边界内区域)的有效覆盖时长。
在本实施例中，待分析时间可以是时刻，也可以是时间段。
特性分析模块300，用于基于覆盖区域面积和有效覆盖时长，进行SAR波束时空覆盖特性分析。
本发明的SAR波束时空覆盖特性分析装置，以月基SAR平台为应用对象，以地月之间复杂的相对运动为应用场景，通过星历数据获取SAR位置，并通过获取到的SAR位置，计算并表示任意波束的覆盖区域面积和有效覆盖时长，本发明可以在SAR任意时刻或者任意时间段、任意波束形态以及任意波束指向的约束下，得到SAR波束对地表的覆盖情况，进而在多约束场景中得到SAR的时空覆盖特性，即对SAR波束的覆盖边界、覆盖面积、覆盖时长做分析，可以为SAR 多波束或其他平台多波束通信等的分析提供便利。
该装置中，覆盖确定模块200具体包括：
姿态校准单元210，用于基于所述合成孔径雷达位置，进行SAR 的天线姿态校准，将SAR天线波束中心指向导引至零多普勒平面，并确定天线校准的姿态旋转矩阵。在该装置中，姿态旋转矩阵是基于姿态校准前坐标系调整至姿态校准后坐标系时相对应坐标轴旋转的角度和方向确定的。
在该装置中，姿态校准会涉及到坐标系变换，且，姿态校准后坐标系的坐标原点为SAR的质心。
天线姿态校准的目的是使平台的航迹速度方向与天线中心相位指向相互垂直，并且，在本实施例中，天线中心相位指向与天线中心指向相同。
截面确定单元220，用于基于SAR的波束参数，确定SAR波束截面形态。在该装置中，波束参数包括SAR载频，以及载频在距离向和方位向上的天线长度。
在该装置中，通过SAR载频以及SAR载频在距离向、方位向上的天线长度，可以基本确定波束界面形态。通常，对于垂直于波束照射方向的平面而言，波束在其上覆盖的区域可以由在两个方向上不相等的圆锥角，即通过距离向宽度角θr、方位向宽度角θa进行确定。
边界确定单元230，用于基于SAR位置、姿态旋转矩阵和SAR 波束截面形态，确定波束覆盖边界。
面积确定单元240，用于基于波束覆盖边界和地球参数，确定波束的覆盖区域面积。
时长确定单元250，用于基于覆盖区域面积，确定待分析时间内波束的有效覆盖时长。在该装置中，如果待分析时间为连续的时间集合也就是时间段，则可以求出在该时间段特定的月基SAR对覆盖区域面积的有效覆盖时长。
该装置中，边界确定单元230具体包括：
第一确定单元231，用于基于姿态校准后坐标系的坐标原点、姿态旋转矩阵和SAR波束截面形态，确定波束边界的锥形簇。
第二确定单元232，用于判断锥形簇的母线与地表向月侧之间是否存在交点。
第三确定单元233，用于若存在，则判断交点的入射角是否满足 SAR有效回波中入射角条件；其中，SAR有效回波中入射角条件为入射角大于0°且小于90°。
第四确定单元234，用于若满足，则母线能在地表形成有效交点，汇总所有母线的有效交点，得到用于表征波束覆盖边界的有效地面交点集。
第五确定单元235，用于若不存在交点或不满足SAR有效回波中极限入射角条件，则缩小波束赋形截面边界，并基于缩小后的波束横截面边界，重新确定新的锥形簇，直至新的锥形簇的母线与地表向月侧之间存在交点以及交点满足SAR有效回波中极限入射角条件。
在一些可能的实施例中，入射角可选的范围为15°至50°。
该装置中，面积确定单元240具体包括：
第六确定单元241，用于确定有效地面交点集所形成的第一闭合区域。
第七确定单元242，用于基于地球参数，判断第一闭合区域是否经过国际日期变更线。
第八确定单元243，用于若未经过，则确定有效地面交点集形成的第一球面度，第一球面度在第一闭合区域未经过国际日期变更线时表征覆盖区域面积。
第九确定单元244，用于若经过，则获取第一闭合区域在国际日期变更线左右两侧分别对应的第二球面度和第三球面度，第一球面度、第二球面度和第三球面度相累加在第一闭合区域经过国际日期变更线时表征覆盖区域面积。
该装置中，位置确定模块100具体包括：
时间转换单元110，用于将待分析时间转换为适用于调用星历数据的调用时间，并调取调用时间对应的星历数据。
在该装置中，时间系统中各时间参数可以进行相互转换，并且通过不同类型时间系统的相互转换，可以计算出适用于调用星历数据的时间标量或者由多个时间标量组成的时间序列。在初始的时间参数设置中，时间参数一般为UTC类型时间，而参与星历调用的时间参数一般为TDB类型。
在本实施例中，时间系统中各时间参数来源于DE430 JPL星历的星历数据。星历指的是一种星体轨道参数表，即用列表数据说明每隔一定时间某星体预定所在位置、速度等其他信息。
第一计算单元120，用于基于星历数据，确定SAR与月心之间的第一相对位置。
判断单元130，用于基于SAR在月表的经纬度，判断SAR是否位于向地一侧。
第二计算单元140，用于若位于向地一侧，基于月球质心运动，确定SAR与地心之间的第二相对位置。
在该方法中，第一相对位置和第二相对位置用于表征SAR位置。
图11示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图11所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行SAR波束的时空覆盖特性方法，该方法包括以下步骤：
S100、基于星历数据，确定合成孔径雷达位置；
S200、基于所述合成孔径雷达位置，确定合成孔径雷达波束对地表的覆盖区域面积以及待分析时间内波束对所述覆盖区域面积的有效覆盖时长；
S300、基于所述覆盖区域面积和所述有效覆盖时长，进行合成孔径雷达波束的时空覆盖特性分析。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的SAR波束的时空覆盖特性方法，该方法包括以下步骤：
S100、基于星历数据，确定合成孔径雷达位置；
S200、基于所述合成孔径雷达位置，确定合成孔径雷达波束对地表的覆盖区域面积以及待分析时间内波束对所述覆盖区域面积的有效覆盖时长；
S300、基于所述覆盖区域面积和所述有效覆盖时长，进行合成孔径雷达波束的时空覆盖特性分析。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的SAR波束的时空覆盖特性方法，该方法包括以下步骤：
S100、基于星历数据，确定合成孔径雷达位置；
S200、基于所述合成孔径雷达位置，确定合成孔径雷达波束对地表的覆盖区域面积以及待分析时间内波束对所述覆盖区域面积的有效覆盖时长；
S300、基于所述覆盖区域面积和所述有效覆盖时长，进行合成孔径雷达波束的时空覆盖特性分析。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种SAR波束时空覆盖特性分析方法，应用于搭载在月球表面的合成孔径雷达，其特征在于，包括以下步骤：
基于星历数据，确定合成孔径雷达位置；
基于所述合成孔径雷达位置，确定合成孔径雷达波束对地表的覆盖区域面积以及待分析时间内波束对所述覆盖区域面积的有效覆盖时长；
基于所述覆盖区域面积和所述有效覆盖时长，进行合成孔径雷达波束的时空覆盖特性分析。
2.根据权利要求1所述的SAR波束时空覆盖特性分析方法，其特征在于，所述基于所述合成孔径雷达位置，确定合成孔径雷达波束对地表的覆盖区域面积以及待分析时间内波束对所述覆盖区域面积的有效覆盖时长，具体包括以下步骤：
基于所述合成孔径雷达位置，进行合成孔径雷达的天线姿态校准，将天线波束中心指向导引至零多普勒平面，并确定天线校准的姿态旋转矩阵；其中，所述姿态旋转矩阵是基于姿态校准前坐标系调整至姿态校准后坐标系时相对应坐标轴旋转的角度和方向确定的，并且姿态校准后坐标系的坐标原点为合成孔径雷达的质心；
基于合成孔径雷达的波束参数，确定合成孔径雷达波束截面形态；其中，所述波束参数包括合成孔径雷达载频，以及所述载频在距离向和方位向上的天线长度；
基于所述合成孔径雷达位置、所述姿态旋转矩阵和所述合成孔径雷达波束截面形态，确定波束覆盖边界；
基于所述波束覆盖边界和地球参数，确定波束的覆盖区域面积；
基于所述覆盖区域面积，确定待分析时间内波束的有效覆盖时长。
3.根据权利要求2所述的SAR波束时空覆盖特性分析方法，其特征在于，所述基于所述合成孔径雷达位置、所述姿态旋转矩阵和所述合成孔径雷达波束截面形态，确定波束覆盖边界，具体包括以下步骤：
基于姿态校准后坐标系的坐标原点、所述姿态旋转矩阵和所述合成孔径雷达波束截面形态，确定波束边界的锥形簇；
判断所述锥形簇的母线与地表向月侧之间是否存在交点；
若存在，则判断所述交点的入射角是否满足合成孔径雷达有效回波中极限入射角条件；其中，所述合成孔径雷达有效回波中极限入射角条件为入射角大于0°且小于90°；
若满足，则所述母线能在地表形成有效交点，汇总所有所述母线的有效交点，得到用于表征所述波束覆盖边界的有效地面交点集。
4.根据权利要求3所述的SAR波束时空覆盖特性分析方法，其特征在于，所述基于所述合成孔径雷达位置，所述姿态旋转矩阵和所述合成孔径雷达波束截面形态，确定波束覆盖边界，还包括以下步骤：
若不存在交点或不满足所述合成孔径雷达有效回波中入射角条件，则缩小波束赋形截面边界，并基于缩小后的波束赋形截面边界，重新确定所述锥形簇，直至所述母线与地表向月侧之间存在所述交点以及所述交点满足所述合成孔径雷达有效回波中入射角条件。
5.根据权利要求3所述的SAR波束时空覆盖特性分析方法，其特征在于，所述基于所述波束覆盖边界和地球参数，确定波束的覆盖区域面积，具体包括以下步骤：
确定所述有效地面交点集所形成的第一闭合区域；
基于所述地球参数，判断所述第一闭合区域是否经过国际日期变更线；
若未经过，则确定所述有效地面交点集形成的第一球面度，所述第一球面度在所述第一闭合区域未经过国际日期变更线时表征所述覆盖区域面积；
若经过，则获取所述第一闭合区域在所述国际日期变更线左右两侧分别对应的第二球面度和第三球面度，所述第一球面度、所述第二球面度和所述第三球面度相累加在所述第一闭合区域经过国际日期变更线时表征所述覆盖区域面积。
6.根据权利要求1所述的SAR波束时空覆盖特性分析方法，其特征在于，所述基于星历数据，确定合成孔径雷达位置，具体包括以下步骤：
将所述待分析时间转换为适用于调用星历数据的调用时间，并调取所述调用时间对应的星历数据；
基于所述星历数据，确定合成孔径雷达与月心之间的第一相对位置；
基于合成孔径雷达在月表的经纬度，判断合成孔径雷达是否位于向地一侧；
若位于向地一侧，基于月球质心运动，确定合成孔径雷达与地心之间的第二相对位置；
其中，所述第一相对位置和所述第二相对位置用于表征合成孔径雷达位置。
7.一种SAR波束时空覆盖特性分析装置，应用于搭载在月球表面的合成孔径雷达，其特征在于，包括：
位置确定模块，用于基于星历数据，确定合成孔径雷达位置；
覆盖确定模块，用于基于所述合成孔径雷达位置，确定合成孔径雷达波束对地表的覆盖区域面积以及待分析时间内波束对所述覆盖区域面积的有效覆盖时长；
特性分析模块，用于基于所述覆盖区域面积和所述有效覆盖时长，进行合成孔径雷达波束的时空覆盖特性分析。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述SAR波束时空覆盖特性分析方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述SAR波束时空覆盖特性分析方法的步骤。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述SAR波束时空覆盖特性分析方法的步骤。
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