CN116165612A - 一种针对ais引导sar星上实时处理的测试方法 - Google Patents

一种针对ais引导sar星上实时处理的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对AIS引导SAR星上实时处理的测试方法，通过构建由控制地面设备、GPS仿真器、AIS信号源、SAR回波模拟设备、总控设备及地面数据接收处理设备组成的测试环境实现了在轨卫星状态以及探测目标与场景的全要素等效模拟，该测试装置的应用有效提高了针对AIS引导SAR星上实时处理的测试置信度。

Description

一种针对AIS引导SAR星上实时处理的测试方法
技术领域
本发明属于合成孔径雷达卫星综合测试技术领域，具体涉及一种针对AIS引导SAR星上实时处理的测试方法。
背景技术
船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)是一种舰船状态自主通信系统，通过自主发送身份信息、位置、速度、航向等信息并由卫星转发后用于全球舰船的监管，AIS引导SAR实时成像功能能够实现AIS数据与SAR成像数据的即时融合，为舰船多维度状态获取与监控提供重要数据基础。
针对AIS引导SAR星上实时处理功能的测试是基于卫星多分系统协同工作的系统级测试项目，需要在构建测试环境的基础上设计测试方法实现AIS引导SAR实时成像的全流程等效验证，以给出测试验证结论，保障星上功能正常运行。然而现有技术中针对AIS引导SAR星上实时处理过程的测试方法，由于构建的测试环境缺乏完备性导致测试结果的测试置信度较低，尤其是对于实时成像的新功能仍缺乏行之有效的测试手段。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种针对AIS引导SAR星上实时处理的测试方法，实现了在包含在轨卫星状态、探测目标与场景的测试环境中对SAR星上实时处理过程的测试。
本发明提供的一种针对AIS引导SAR星上实时处理的测试方法，具体包括以下步骤：
通过控制地面设备构建模拟飞行测试环境，在模拟飞行测试环境中建立在轨模拟飞行状态，GPS仿真器为卫星提供模拟飞行期间的导航定位数据，卫星飞行过程中通过地面总控设备上注包含船舶海上移动标识码的引导成像指令包，卫星数管分系统解析引导成像指令包后进入引导成像模式，AIS信号源模拟生成包含目标舰船MMSI的AIS报文数据，SAR回波模拟设备模拟生成SAR回波信号，在星上完成引导实时成像处理后下传AIS报文数据及SAR目标检测结果，再利用地面数据接收处理设备对AIS报文数据及SAR目标检测结果进行判读得到测试结论。
进一步地，所述模拟飞行测试环境是为控制地面设备，包括由敏感器数据注入模块、执行机构数据采集模块、地面动力学与运动学仿真模块、测试综合控制模块及信号接口适配调理器；
敏感器数据注入模块基于星体姿态及轨道参数解算角速度、恒星及太阳方位等参数，再利用敏感器模型得到陀螺、星敏感器、太阳敏感器的输出信号作为敏感器信号，敏感器信号经信号接口适配调理器处理后发送至卫星控制分系统；卫星控制分系统采集敏感器信号并采用姿态确定算法实现卫星姿态确定，并根据期望姿态及预设的控制率形成执行机构控制信号；执行机构控制信号由执行机构数据采集模块采集得到推力器脉宽信号、动量轮转速信号及磁力矩器电流信号，并将信号传输至地面动力学与运动学仿真模块；地面动力学与运动学仿真模块对推力器脉宽信号、动量轮转速信号及磁力矩器电流信号进行仿真计算得到星体姿态及轨道参数，将星体姿态及轨道参数传输至敏感器数据注入模块。
进一步地，所述地面动力学与运动学仿真模块采用的卫星轨道姿态动力学方程为：
Figure BDA0003970854330000031
其中，V为卫星的速度矢量，Fout为地球、月球、太阳引力、大气阻力及太阳光压的合外力，FThruster为推力器产生的推力，ω为姿态角速度矢量，Mout为重力梯度力矩、气动力矩、太阳光压力矩的合力矩，MThruster为推力器产生的控制力矩，MWheel为动量交换装置产生的力矩，m为卫星总质量，I为卫星总惯量。
进一步地，所述地面总控设备上注包含船舶海上移动标识码的引导成像指令包，还规定本次引导成像最长工作时间，若该时间内未完成引导成像则退出本次引导成像。
进一步地，所述卫星数管分系统解析引导成像指令包后进入引导成像模式，AIS信号源模拟生成包含目标舰船MMSI的AIS报文数据，SAR回波模拟设备模拟生成SAR回波信号的过程还包括：卫星数管分系统收到引导成像指令包后，对包头和校验和进行校验，正确后将有效数据区内容透明转发至AIS分系统，AIS分系统根据引导成像指令包中的船舶MMSI信息获取到匹配的AIS位置报告后，设SAR接收到成像指令包到开机成像的时间为T0，判断从获取到匹配的AIS位置报告后的T0内目标舰船是否位于SAR波束方位内，若预测目标舰船在SAR成像波束范围内，则进行SAR成像指令包设计，并将SAR成像指令包发送至SAR载荷分系统，根据成像时刻计算实时处理器开机时间，发送指令完成实时处理器及数传分系统状态设置；若预测目标舰船不在SAR成像波束范围内，则返回状态信息，本次引导不满足SAR成像条件，无法引导SAR成像。
进一步地，所述AIS信号源由信号源主控软件、基带信号处理板、射频通道模块及电源组成。
进一步地，所述SAR回波模拟设备模拟生成SAR回波信号的方式为：SAR回波模拟设备依据星地几何关系及目标场景与舰船目标特性采用实时卷积的方法生成模拟回波即SAR回波信号。
进一步地，所述利用地面数据接收处理设备对AIS报文数据及SAR目标检测结果进行判读得到测试结论的方式为：地面数据接收处理设备采用解调器解调SAR成像数据及AIS数据生成基带数据，基带数据经解码、去格式、解压缩后生成载荷业务数据，再通过虚拟信道标识符识别SAR成像数据及AIS数据，从AIS数据中查找对应MMSI的目标舰船的位置信息，进行位置误差及成像结果比对，判读AIS引导SAR实时处理功能性能指标得到测试结论。
有益效果：
1、本发明通过构建由控制地面设备、GPS仿真器、AIS信号源、SAR回波模拟设备、总控设备及地面数据接收处理设备组成的测试环境实现了在轨卫星状态以及探测目标与场景的全要素等效模拟，该测试装置的应用有效提高了针对AIS引导SAR星上实时处理的测试置信度。
2、本发明提出的测试方法通过比对AIS数据中目标舰船位置信息与实时处理器检测结果中的目标舰船定位信息，实现了性能指标的定量评估，有效提升测试精度及测试覆盖性。
3、本发明提出的测试方法匹配在轨应用流程，实现了“在轨怎么用、地面怎么测”的目标，达到了系统级测试的目的，为AIS引导SAR星上实时成像功能的验证奠定良好的基础。
附图说明
图1为本发明提供的一种针对AIS引导SAR星上实时处理的测试方法中测试环境系统组成图。
图2为本发明提供的一种针对AIS引导SAR星上实时处理的测试方法中控制地面设备组成图。
图3为本发明提供的一种针对AIS引导SAR星上实时处理的测试方法中测试场景通道数据结构图。
图4为AIS可探测区域及天线方向图的示意图。
图5为SAR载荷回波模拟器的信号流及基本原理框图。
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。
本发明提供的一种针对AIS引导SAR星上实时处理的测试方法，其测试系统组成如图1所示，其核心思想是：通过控制地面设备构建模拟飞行测试环境，在测试环境中建立在轨模拟飞行状态，GPS仿真器为卫星提供模拟飞行期间的导航定位数据，卫星飞行过程中通过地面总控设备上注包含船舶海上移动标识码(MMSI)的引导成像指令包，卫星数管分系统解析指令包后进入引导成像模式，AIS信号源模拟生成包含目标舰船MMSI的AIS报文数据，SAR回波模拟设备模拟生成SAR回波信号，在星上完成引导实时成像处理后下传AIS报文数据及SAR目标检测结果，再利用地面数据接收处理设备对AIS报文数据及SAR目标检测结果进行判读给出测试结论。
本发明提供的一种针对AIS引导SAR星上实时处理的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、构建模拟飞行测试环境，基于测试环境建立SAR卫星在轨模拟飞行状态。本发明搭建的模拟飞行测试环境为控制地面设备，包括敏感器数据注入模块、执行机构数据采集模块、地面动力学与运动学仿真模块、测试综合控制模块及信号接口适配调理器，其组成如图2所示，模拟飞行测试环境与卫星控制分系统组成闭环控制回路。
敏感器数据注入模块基于星体姿态及轨道参数解算角速度、恒星及太阳方位等参数，再利用敏感器模型得到陀螺、星敏感器、太阳敏感器的输出信号作为敏感器信号，敏感器信号经信号接口适配调理器处理后发送至卫星控制分系统；卫星控制分系统采集敏感器信号并采用姿态确定算法实现卫星姿态确定，并根据期望姿态及预设的控制率形成执行机构控制信号；执行机构控制信号由执行机构数据采集模块采集得到推力器脉宽信号、动量轮转速信号及磁力矩器电流信号，并将信号传输至地面动力学与运动学仿真模块；地面动力学与运动学仿真模块对推力器脉宽信号、动量轮转速信号及磁力矩器电流信号进行仿真计算得到星体姿态及轨道参数，将星体姿态及轨道参数传输至敏感器数据注入模块。
本发明中地面动力学与运动学仿真模块采用的卫星轨道姿态动力学方程为：
Figure BDA0003970854330000061
其中，V为卫星的速度矢量，Fout为地球、月球、太阳引力、大气阻力及太阳光压的合外力，FThruster为推力器产生的推力，ω为姿态角速度矢量，Mout为重力梯度力矩、气动力矩、太阳光压力矩的合力矩，MThruster为推力器产生的控制力矩，MWheel为动量交换装置产生的力矩，m为卫星总质量，I为卫星总惯量。
地面动力学与运动学仿真模块采用GPS仿真器提供模拟飞行期间的导航定位数据，由于SAR接收到成像指令包到开机成像的过程中需要准备时间，因此要求GPS仿真器具需要具有轨道外推能力，模拟飞行过程中通过地面总控设备上注指令模拟卫星星箭分离、消初偏、粗定向、高精度姿态控制等过程，之后建立正常模拟飞行状态。
步骤2、采用地面总控设备向卫星注入引导成像指令包，使卫星进入引导成像模式。
通过地面总控设备上注AIS引导SAR实时成像指令包，由卫星数管分系统解析指令包并通过总线控制卫星控制分系统进入引导成像模式，指令包中包含船舶MMSI信息，并规定本次引导成像最长工作时间，若该时间内未完成引导成像则退出本次引导成像。
AIS引导SAR成像指令包定义如表1所示：
表1
Figure BDA0003970854330000071
卫星数管分系统收到引导成像指令包后，对包头和校验和进行校验，正确后将有效数据区内容透明转发至AIS分系统，AIS分系统根据引导成像指令包中的船舶MMSI信息获取到匹配的AIS位置报告后，设SAR接收到成像指令包到开机成像的时间为T0，判断从获取到匹配的AIS位置报告后的T0内目标舰船是否位于SAR波束方位内，若预测目标舰船在SAR成像波束范围内，则进行SAR成像指令包设计，SAR成像指令包定义如表2所示，并将SAR成像指令包发送至SAR载荷分系统，根据成像时刻计算实时处理器开机时间，发送指令完成实时处理器及数传分系统状态设置；若预测目标舰船不在SAR成像波束范围内，则返回状态信息，本次引导不满足SAR成像条件，无法引导SAR成像。
表2
Figure BDA0003970854330000081
步骤3、采用AIS信号源模拟舰船AIS报文信息。按照舰船AIS报文格式模拟舰船发送的AIS报文，AIS报文中船舶MMSI信息包含上注指令包中船舶信息，根据AIS天线覆盖范围、卫星轨道参数模拟及SAR载荷波束覆盖范围模拟可探测区域舰船AIS报文。
舰船AIS信号源能够根据卫星轨道模拟可视范围内固定数量终端信号发射，每个终端信号功率根据天线方向图及终端位置决定。AIS信号源由信号源主控软件、基带信号处理板、射频通道模块及电源组成。
信号源主控软件根据卫星轨道、海面终端分布及卫星天线方向图在可视范围内选择目标舰船终端，并将所选的终端信息发送给基带信号处理板，基带信号处理板完成通道延时、多普勒偏移、功率等信道参数计算，基带信号处理板同时完成信号时隙分配，基带数据经射频通道模块调制后生成AIS信号馈入星上AIS接收机。
基带AIS数据包含两个频点，每个频点包括固定帧数据和AIS帧数据，其数据结构如图3所示，固定帧和AIS帧数据组帧格式如表3和表4。
表3
Figure BDA0003970854330000091
表4
Figure BDA0003970854330000092
AIS可探测区域及天线方向图如图4所示。
步骤4、采用SAR回波模拟设备SAR载荷回波信号。
依据星地几何关系及目标场景与舰船目标特性，采用实时卷积的方法生成模拟回波，SAR载荷按照引导指令成像后回波模拟设备开始工作，将回波信号馈入SAR接收通道，SAR完成成像后通过分路选择器将回波数据传输至实时处理器，实时处理器完成SAR成像。
SAR载荷回波模拟器实时接收星上SAR载荷的PRF脉冲信号，并以PRF脉冲信号为时间基准，对SAR载荷射频发射信号进行接收和ADC采集，得到每个PRF时刻的基带发射信号；同时，回波模拟器接收GPS仿真器产生的秒脉冲信号，对内部存储的卫星轨道PVT表进行读取和插值，获取当前PRF时刻的卫星位置数据，并通过与控制分系统的接口获取姿态信息，根据卫星位置数据和设定的地面目标场景，计算得到每个PRF时刻的目标场景响应；最后，将目标场景响应与雷达基带发射信号进行卷积调制以及DAC播放和上变频处理，得到每个PRF时刻的射频回波信号，注入到SAR载荷的接收通道中，完成每个PRF的回波生成注入过程。其信号流以及基本原理框图如图5所示。
步骤5、数据接收处理及判读。
地面数据接收处理设备完成SAR成像数据及AIS数据的接收，经解调器解调后生成基带数据，基带数据经解码、去格式、解压缩后生成载荷业务数据，通过虚拟信道标识符识别SAR成像数据及AIS数据。
星上实时处理结果为目标舰船切片信息位置信息，从AIS数据中查找对应MMSI的目标舰船的位置信息，进行位置误差及成像结果比对，对AIS引导SAR实时处理功能性能指标进行判读，给出判读结论。
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 (8)

1.一种针对AIS引导SAR星上实时处理的测试方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
通过控制地面设备构建模拟飞行测试环境，在模拟飞行测试环境中建立在轨模拟飞行状态，GPS仿真器为卫星提供模拟飞行期间的导航定位数据，卫星飞行过程中通过地面总控设备上注包含船舶海上移动标识码的引导成像指令包，卫星数管分系统解析引导成像指令包后进入引导成像模式，AIS信号源模拟生成包含目标舰船MMSI的AIS报文数据，SAR回波模拟设备模拟生成SAR回波信号，在星上完成引导实时成像处理后下传AIS报文数据及SAR目标检测结果，再利用地面数据接收处理设备对AIS报文数据及SAR目标检测结果进行判读得到测试结论。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述模拟飞行测试环境是为控制地面设备，包括由敏感器数据注入模块、执行机构数据采集模块、地面动力学与运动学仿真模块、测试综合控制模块及信号接口适配调理器；
敏感器数据注入模块基于星体姿态及轨道参数解算角速度、恒星及太阳方位等参数，再利用敏感器模型得到陀螺、星敏感器、太阳敏感器的输出信号作为敏感器信号，敏感器信号经信号接口适配调理器处理后发送至卫星控制分系统；卫星控制分系统采集敏感器信号并采用姿态确定算法实现卫星姿态确定，并根据期望姿态及预设的控制率形成执行机构控制信号；执行机构控制信号由执行机构数据采集模块采集得到推力器脉宽信号、动量轮转速信号及磁力矩器电流信号，并将信号传输至地面动力学与运动学仿真模块；地面动力学与运动学仿真模块对推力器脉宽信号、动量轮转速信号及磁力矩器电流信号进行仿真计算得到星体姿态及轨道参数，将星体姿态及轨道参数传输至敏感器数据注入模块。
3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述地面动力学与运动学仿真模块采用的卫星轨道姿态动力学方程为：
Figure FDA0003970854320000021
其中，V为卫星的速度矢量，Fout为地球、月球、太阳引力、大气阻力及太阳光压的合外力，FThruster为推力器产生的推力，ω为姿态角速度矢量，Mout为重力梯度力矩、气动力矩、太阳光压力矩的合力矩，MThruster为推力器产生的控制力矩，MWheel为动量交换装置产生的力矩，m为卫星总质量，I为卫星总惯量。
4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述地面总控设备上注包含船舶海上移动标识码的引导成像指令包，还规定本次引导成像最长工作时间，若该时间内未完成引导成像则退出本次引导成像。
5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述卫星数管分系统解析引导成像指令包后进入引导成像模式，AIS信号源模拟生成包含目标舰船MMSI的AIS报文数据，SAR回波模拟设备模拟生成SAR回波信号的过程还包括：卫星数管分系统收到引导成像指令包后，对包头和校验和进行校验，正确后将有效数据区内容透明转发至AIS分系统，AIS分系统根据引导成像指令包中的船舶MMSI信息获取到匹配的AIS位置报告后，设SAR接收到成像指令包到开机成像的时间为T0，判断从获取到匹配的AIS位置报告后的T0内目标舰船是否位于SAR波束方位内，若预测目标舰船在SAR成像波束范围内，则进行SAR成像指令包设计，并将SAR成像指令包发送至SAR载荷分系统，根据成像时刻计算实时处理器开机时间，发送指令完成实时处理器及数传分系统状态设置；若预测目标舰船不在SAR成像波束范围内，则返回状态信息，本次引导不满足SAR成像条件，无法引导SAR成像。
6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述AIS信号源由信号源主控软件、基带信号处理板、射频通道模块及电源组成。
7.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述SAR回波模拟设备模拟生成SAR回波信号的方式为：SAR回波模拟设备依据星地几何关系及目标场景与舰船目标特性采用实时卷积的方法生成模拟回波即SAR回波信号。
8.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述利用地面数据接收处理设备对AIS报文数据及SAR目标检测结果进行判读得到测试结论的方式为：地面数据接收处理设备采用解调器解调SAR成像数据及AIS数据生成基带数据，基带数据经解码、去格式、解压缩后生成载荷业务数据，再通过虚拟信道标识符识别SAR成像数据及AIS数据，从AIS数据中查找对应MMSI的目标舰船的位置信息，进行位置误差及成像结果比对，判读AIS引导SAR实时处理功能性能指标得到测试结论。
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