CN114662273A - 一种微纳卫星sar天线总体设计方法 - Google Patents

Abstract

一种微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法，首先确定用户设计任务需求的参数，包括距离方位分辨率、观测带宽度、SAR工作时长、图像系统灵敏度；根据运载整流罩类型及所提供的发射净包络，确定SAR天线发射及在轨状态的包络约束；根据卫星构型、轨道特性、用户设计任务需求，计算卫星每轨供能；根据卫星能源约束条件，计算满足灵敏度指标要求的最小天线面积；计算满足距离方位模糊度约束条件的最小天线面积及满足方位向分辨率和观测带宽度的天线尺寸范围；最后根据涉及的用户设计任务需求、运载能力、卫星构型、轨道特性、SAR图像系统灵敏度、模糊度、方位向分辨率、观测带宽度，获取距离向、方位向天线尺寸。

Description

一种微纳卫星SAR天线总体设计方法

技术领域

本发明涉及一种微纳卫星SAR天线总体设计方法，属于微纳卫星SAR天线设计领域。

背景技术

微纳SAR卫星重量在百公斤量级、包络尺寸小于1m³，对卫星总体设计提出了较高要求。SAR天线尺寸设计是制约微纳SAR卫星重量、包络及功耗的重要因素，主要受距离方位模糊度、方位向分辨率、波束覆盖范围等多方位因素制约。目前SAR天线的设计思路为：

根据距离方位模糊度确定最小天线面积；根据方位向分辨率确定方位向天线尺寸；根据波束覆盖范围和波束宽度等参数确定距离向天线尺寸；根据天线面积、图像系统灵敏度、天线效率、TR组件效率等因素确定SAR天线对卫星的功耗需求。

上述设计方法是以SAR载荷为主体进行卫星系统设计，通常需要多轮方案迭代和优化才能确认一个适用于工程实践、各方面性能综合最优的结果，使得卫星研制周期较长，最终设计的SAR天线重量和尺寸包络较大，无法满足微纳卫星短周期、轻量化的需求。

因此如何进行SAR载荷天线和卫星平台一体化设计，快速设计出轻量化的SAR天线尺寸是本发明重点解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，以SAR载荷为主体进行卫星系统设计造成的卫星研制周期长、天线重量尺寸暴力较大的问题，提出了一种微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法，步骤如下：

(1)确定用户设计任务需求的参数，包括距离方位分辨率、观测带宽度、SAR工作时长、图像系统灵敏度；

(2)根据运载整流罩类型及所提供的发射净包络，确定SAR天线发射及在轨状态的包络约束；

(3)根据卫星构型、轨道特性、用户设计任务需求，计算卫星每轨供能；

(4)根据卫星能源约束条件，计算满足灵敏度指标要求的最小天线面积；

(5)计算满足距离方位模糊度约束条件的最小天线面积及满足方位向分辨率和观测带宽度的天线尺寸范围；

(6)根据步骤(1)至步骤(5)中涉及的用户设计任务需求、运载能力、卫星构型、轨道特性、SAR图像系统灵敏度、模糊度、方位向分辨率、观测带宽度，获取距离向、方位向天线尺寸。

所述步骤(1)中，距离方位分辨率为SAR图像距离向及方位向的可分辨单元，观测带宽度为SAR图像距离向观测范围，SAR工作时长为每轨SAR可开机最长时间，系统灵敏度表征图像信噪比水平。

所述步骤(2)中，所述卫星运载能力为所能发射卫星的最大重量及最大包络尺寸，SAR天线发射包络约束为在发射入轨前，SAR天线经过折叠后的包络尺寸，SAR天线在轨状态的包络约束为发射入轨后，SAR天线展开后的包络尺寸。

所述步骤(3)中，所述卫星构型为卫星形状的三维尺寸，轨道特性为卫星运行一圈的时长、速度、阳照时长、阴影时长，卫星每轨供能为卫星运行一圈所能提供给SAR天线的输出功率。

所述步骤(4)中，所述最小天线面积为距离向天线尺寸和方位向天线尺寸的乘积。

所述步骤(5)中，所述模糊度为天线旁瓣信号进入主瓣信号的幅度之和与主瓣信号幅度比值，天线尺寸范围为在约束条件前提下距离向和方位向天线长度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法，采用SAR载荷天线和卫星平台一体化设计的思路，以用户的应用需求为前提进行任务分析，综合考虑运载发射能力、轨道特性、卫星能源供给能力、微纳卫星重量和包络等卫星因素和距离方位模糊度、图像系统灵敏度、方位向分辨率、波束覆盖范围、波束宽度等载荷因素，计算得到距离向天线尺寸和方位向天线尺寸，使得SAR天线面积和微纳卫星系统性能比最优；

(2)本发明在SAR载荷天线参数设计时就考虑了微纳卫星平台的能力，在天线面积和性能之间折中考虑，确定易于工程实践和各方面综合性能最优的结果，大大减少了卫星系统总体过程中的迭代过程，大幅度提升了卫星的设计成本和研制周期。

附图说明

图1为发明提供的微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法流程图；

图2为发明提供的用户应用需求分析流程图；

图3为发明提供的SAR每轨工作时长内最大功耗计算方法流程图；

图4为发明提供的SAR天线功耗计算流程图；

图5为发明提供的最小天线面积计算方法流程图；

图6为发明提供的最小天线面积计算方法流程图；

图7为发明提供的SAR天线尺寸计算方法流程图；

具体实施方式

一种微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法，以微纳卫星的重量、包络以及能源供给能力为约束前提，分析满足距离方位模糊度、方位向分辨率、波束覆盖范围等性能指标的距离向和方位向天线尺寸，使得SAR天线规模和卫星系统性能比最优，提高了卫星系统设计的效率，方法具体步骤如下：

(1)确定用户设计任务需求的参数，包括距离方位分辨率、观测带宽度、SAR工作时长、图像系统灵敏度；距离方位分辨率为SAR图像距离向及方位向的可分辨单元，观测带宽度为SAR图像距离向观测范围，SAR工作时长为每轨SAR可开机最长时间，系统灵敏度表征图像信噪比水平；

(2)根据运载整流罩类型及所提供的发射净包络，确定SAR天线发射及在轨状态的包络约束；卫星运载能力为所能发射卫星的最大重量及最大包络尺寸，SAR天线发射包络约束为在发射入轨前，SAR天线经过折叠后的包络尺寸，SAR天线在轨状态的包络约束为发射入轨后，SAR天线展开后的包络尺寸；

(3)根据卫星构型、轨道特性、用户设计任务需求，计算卫星每轨供能；卫星构型为卫星形状的三维尺寸，轨道特性为卫星运行一圈的时长、速度、阳照时长、阴影时长，卫星每轨供能为卫星运行一圈所能提供给SAR天线的输出功率；

(4)根据卫星能源约束条件，计算满足灵敏度指标要求的最小天线面积；最小天线面积为距离向天线尺寸和方位向天线尺寸的乘积；

(5)计算满足距离方位模糊度约束条件的最小天线面积及满足方位向分辨率和观测带宽度的天线尺寸范围；模糊度为天线旁瓣信号进入主瓣信号的幅度之和与主瓣信号幅度比值，天线尺寸范围为在约束条件前提下距离向和方位向天线长度；

(6)根据步骤(1)至步骤(5)中涉及的用户设计任务需求、运载能力、卫星构型、轨道特性、SAR图像系统灵敏度、模糊度、方位向分辨率、观测带宽度，获取距离向、方位向天线尺寸。

下面根据具体实施例进行进一步说明：

第一实施例

本发明实施例一提供的用户应用需求分析流程图如图2所示，包括如下的处理步骤：

步骤S11，由于SAR较大的能源需求，选取轨道高度H_orbit为的太阳同步晨昏圆轨道，保证轨道的光照时间最长。

步骤S12，方位分辨率ρ_a是指SAR图像沿卫星飞行方向的可分辨单元。民商用卫星的应用场景包括农业、林业、城市建设、环保、减灾等，通常选取方位向分辨率为ρ_a＝3m。

步骤S13，根据SAR的品质因数Q和方位向分辨率，计算得到观测带宽度。品质因数Q需满足

其中ρ_a为方位向分辨率，W_i为观测带宽度，V_s为卫星速度，θ_i为入射角，C为光速。

考虑一定冗余系数coef_{品质因子冗余系数}，则

步骤S14，假设卫星每轨观测覆盖范围为W_g，则SAR每轨工作时长T_工作时长为：

其中ε_{波位重叠度}为波位重叠度，通常选择10％～20％。

步骤S15，选取SAR波段和极化方式，统计得到一定入射角范围地面目标后向散射系数σ^o，则SAR图像的系统灵敏度为

其中SNR为信号的平均信噪比。

第二实施例

本发明实施例二为根据运载火箭的发射能力和SAR天线展开方式，确定SAR天线在轨状态的包络约束，包括如下的处理步骤：

步骤S21，选择发射卫星的运载火箭，根据运载包络设计卫星本体尺寸为L_ben(X)×B_ben(Y)×H_ben(Z)。

步骤S22，SAR天线发射时，采用沿方位向多次折叠的方法，以达到较小的发射包络。当SAR天线沿卫星Z轴折叠N次、卫星Z轴尺寸为H_ben时，计算方位向天线在轨飞行尺寸包络为：

L_{a_运载}＜N×H_ben

第三实施例

本发明实施例三提供给SAR每轨工作时长内最大功耗计算方法流程图如图3所示，包括如下的处理步骤：

步骤S3，根据卫星能源供给、SAR工作时长，分析计算得到卫星每轨所能提供的能源。

步骤S31，进行轨道参数分析，当卫星轨道为圆轨道时计算卫星轨道周期T₀为：

通过STK仿真分析获得每轨最长阴影时长T_阴影时间和最短光照时长为T_阳照时间，且有T₀＝T_阴影时间+T_阳照时间。

步骤S32，根据卫星本体尺寸和运载包络，分析获得太阳电池阵最大面积为S平方米。

步骤S33，根据太阳电池阵面积、单片太阳电池片大小，计算得到太阳电池阵串联和并联片数。

步骤S331，根据卫星平台供电电压标准，微纳卫星平台电压为V_sat＝32V；单片太阳电池片电压为V_单片，则太阳电池阵串联片数为：

步骤S332，计算太阳电池阵并联片数为：

其中为L为单片太阳电池长度，B为宽度，coef_布片系数为布片系数。

步骤S34，由轨道阳照时长、SAR天线工作电压、SAR工作时长计算每轨SAR天线工作时长内的最大功耗，其流程图如图4所示，包括如下的处理步骤：

步骤S341，计算太阳电池阵每轨的输出功率为：

P_total＝I_单片×V_sat×N_并联

步骤S342，计算太阳电池阵每轨对SAR天线最大可充电电量为：

其中P_total为太阳电池阵每轨输出功率；coef_分阵系数为给SAR天线供电的分阵系数，通常选择0.16；U_充电为SAR天线充电电压；T_姿态机动为卫星对日巡航到对地成像的机动时间；coef_光照效率为姿态机动过程中太阳光照效率。

步骤S343，计算SAR天线每轨工作的最大可放电电量Q_可放电：

其中，η为载荷电池充放比，通常选择1.03。

步骤S344，计算SAR天线每轨工作的最大功耗P_SAR天线：

第四实施例

本发明实施例四在卫星每轨可提供SAR天线的最大功耗P_SAR天线、图像系统灵敏度NEσ^o、天线效率η_SAR天线、TR组件效率η_TR、距离向分辨率ρ_r等约束下，根据雷达方程计算得到满足图像系统灵敏度指标的最小天线面积范围A_{min_NEσ}0计算方法流程图如图5所示，包括如下的处理步骤：

步骤S41，计算SAR天线的平均发射功率P_av：

P_av＝P_SAR天线×η_TR

步骤S42，根据雷达方程，计算SAR天线发射增益G：

其中，R为目标与雷达之间的斜距，V为卫星与目标之间的相对速度，k为玻尔兹曼常数，T₀为系统绝对温度，F_n为系统噪声系数，k_s为系统损耗，M为多视数，λ为波长，P_av为平均发射功率，ρ_r为距离向分辨率。

步骤S43，计算满足系统灵敏度NEσ^o指标的最小天线面积范围A_{min_NEσ}0

第五实施例

本发明实施例五在距离方位模糊度约束条件下，计算得到最小天线面积A_{min_Amb}；在方位向分辨率、波束覆盖范围和波束宽度等约束条件，计算距离向天线尺寸和方位向天线尺寸范围计算方法流程图如图6所示，包括如下的处理步骤：

步骤S51，计算使得雷达信号完全不模糊的天线最小面积A_{min_Amb}：

步骤S52，在方位向分辨率约束条件下，计算得到方位天线尺寸L_a：

其中，k_s为展开系数，一般选择1.2。

步骤S53，在波束覆盖范围和波束宽度等约束条件下，计算得到距离向天线范围：

其中，θ_f为最大入射角，R_f为最大入射角下的斜距。

第六实施例

本发明实施例六综合步骤S2、S4、S5所得到的天线面积、距离向天线尺寸和方位向天线尺寸范围，得到满足微纳卫星需求的SAR天线尺寸，计算方法流程图如图7所示，包括如下的处理步骤：

步骤S61，综合考虑使得雷达信号完全不模糊的天线最小面积A_{min_Amb}和满足系统灵敏度NEσ^o指标的最小天线面积范围

等因素，得到天线最小面积A_min为：

步骤S62，综合考虑运载包络和方位向分辨率等因素，得到方位向天线尺寸L_a为：

L_a＝min{L_{a_运载},L_{a_az}}

步骤S63，根据最小天线面积A_min，计算距离向天线尺寸约束为：

步骤S64，综合考虑波束覆盖范围、波束宽度和最小天线面积等因素，得到距离向天线尺寸L_r为：

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。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法，其特征在于步骤如下：

(1)确定用户设计任务需求的参数，包括距离方位分辨率、观测带宽度、SAR工作时长、图像系统灵敏度；

(2)根据运载整流罩类型及所提供的发射净包络，确定SAR天线发射及在轨状态的包络约束；

(3)根据卫星构型、轨道特性、用户设计任务需求，计算卫星每轨供能；

(4)根据卫星能源约束条件，计算满足灵敏度指标要求的最小天线面积；

(5)计算满足距离方位模糊度约束条件的最小天线面积及满足方位向分辨率和观测带宽度的天线尺寸范围；

(6)根据步骤(1)至步骤(5)中涉及的用户设计任务需求、运载能力、卫星构型、轨道特性、SAR图像系统灵敏度、模糊度、方位向分辨率、观测带宽度，获取距离向、方位向天线尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法，其特征在于：

所述步骤(1)中，距离方位分辨率为SAR图像距离向及方位向的可分辨单元，观测带宽度为SAR图像距离向观测范围，SAR工作时长为每轨SAR可开机最长时间，系统灵敏度表征图像信噪比水平。

3.根据权利要求2所述的一种微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法，其特征在于：

所述步骤(2)中，所述卫星运载能力为所能发射卫星的最大重量及最大包络尺寸，SAR天线发射包络约束为在发射入轨前，SAR天线经过折叠后的包络尺寸，SAR天线在轨状态的包络约束为发射入轨后，SAR天线展开后的包络尺寸。

4.根据权利要求3所述的一种微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法，其特征在于：

所述步骤(3)中，所述卫星构型为卫星形状的三维尺寸，轨道特性为卫星运行一圈的时长、速度、阳照时长、阴影时长，卫星每轨供能为卫星运行一圈所能提供给SAR天线的输出功率。

5.根据权利要求4所述的一种微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法，其特征在于：

所述步骤(4)中，所述最小天线面积为距离向天线尺寸和方位向天线尺寸的乘积。

6.根据权利要求5所述的一种微纳卫星SAR天线尺寸一体化设计方法，其特征在于：

所述步骤(5)中，所述模糊度为天线旁瓣信号进入主瓣信号的幅度之和与主瓣信号幅度比值，天线尺寸范围为在约束条件前提下距离向和方位向天线长度。

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