CN118131145A - 一种三轴稳定卫星的雷达rcs序列模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法及装置，方法包括：利用feko电磁仿真软件构建三轴稳定卫星的结构模型；使用feko软件生成卫星在设定频率下的全方向RCS数据集合，导出RCS数据集合并保存；利用STK卫星分析软件计算卫星过境雷达时的时标、位置和速度信息；根据时标、位置和速度信息，利用矢量分析方法计算雷达视角方向上卫星姿态的俯仰角和滚转角；根据俯仰角和滚转角，从RCS数据集合中查询RCS值，整合得到三轴稳定卫星的雷达RCS序列。本发明能够有效提升三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟结果的可信度，为RCS识别研究和卫星姿态研究提供有效的数据支撑。

Description

一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法及装置

技术领域

本发明属于空间目标RCS(Radar Cross Section，雷达散射截面积)数据模拟领域，特别是一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法及装置。

背景技术

在开展空间目标雷达RCS数据研究时，由于保密等原因，一般较难获取到雷达设备采集的目标RCS实测数据，因而需要利用仿真手段获取一些目标的RCS数据。常规的RCS数据模拟方法是直接利用feko电磁仿真软件线性仿真目标RCS数据，但是这样仿真得到的数据没有包含目标实际的运动和姿态信息，影响RCS数据的真实性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法，能够将卫星运动和姿态变化情况融入RCS序列，从而为RCS研究提供更为真实有效的数据。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，利用feko电磁仿真软件构建三轴稳定卫星的结构模型；

步骤2，使用feko软件生成卫星在设定频率下的全方向RCS数据集合，导出RCS数据集合并保存；

步骤3，利用STK(Satellite Tool Kit)卫星分析软件计算卫星过境雷达时的时标、位置和速度信息；

步骤4，根据时标、位置和速度信息，利用矢量分析方法计算雷达视角方向上卫星姿态的俯仰角和滚转角；

步骤5，根据俯仰角和滚转角，从RCS数据集合中查询RCS值，整合得到三轴稳定卫星的雷达RCS序列。

本发明实现了三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟功能，根据目标运动位置计算雷达观测到的目标姿态，从而得到贴近真实场景的RCS序列结果。本发明能够有效提升三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟结果的可信度，为RCS特性识别研究和卫星姿态研究提供有效的数据支撑。

步骤1中利用feko电磁仿真软件构建三轴稳定卫星的结构模型，构建时卫星的运动方向设定为X轴，指向地心的方向设定为Z轴，利用右手法则确立的方向为Y轴。

步骤2中使用feko软件生成卫星在设定频率下的全方向RCS数据集合，设定频率即为需要模拟的雷达电磁波频率，全方向则是指设定feko软件平面波的俯仰角为0°至360°，滚转角为0°至180°，根据计算设备的性能情况设定采样间隔为0.1°至1°，计算得到的全方向RCS数据集合包含俯仰角、滚转角、RCS值。

步骤3中利用STK卫星分析软件计算卫星过境雷达时的时标、位置和速度信息，具体为将卫星的轨道参数信息和雷达位置信息输入STK卫星分析软件中，生成需要计算时段内卫星过境雷达的数据，这些数据包括过境时标、J2000平赤道地心坐标系下的位置(x,y,z)和速度(dx,dy,dz)。

步骤4中根据时标、位置和速度信息，利用矢量分析方法计算雷达视角方向上卫星姿态的俯仰角和滚转角，具体为利用上述信息将卫星本体坐标系转换至J2000平赤道地心坐标系，设J2000平赤道地心坐标系下卫星位置为(x,y,z)，卫星速度为(dx,dy,dz)，得到卫星本体坐标系在J2000平赤道地心坐标系下的表示如下：

设地面雷达在J2000平赤道地心坐标系下的坐标为(x_r,y_r,z_r)，则卫星反射电磁波至雷达的矢量方向表示为：

D_r＝(X_r-x,Y_r-y,Z_r-z)

从而，该矢量方向上卫星的姿态角表示如下：

步骤5中根据俯仰角和滚转角，从RCS数据集合中查询RCS值，整合得到三轴稳定卫星的雷达RCS序列，具体为利用俯仰角和滚转角信息，从步骤2生成的RCS数据集合中提取最接近这两个角度值的数据，将该数据对应的RCS值作为当前点的RCS值。依照序列顺序重复操作，得到卫星过境雷达整个时段内的RCS序列值。

所述方法还包括：

一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟装置，所述装置包括：

建模仿真模块，用于在feko软件上仿真并将计算得到的RCS数据集合进行存储；

过境模拟模块，用于在STK软件上仿真计算卫星过境数据；

角度转换模块，将卫星过境数据通过坐标转换和计算生成卫星姿态的俯仰角和滚转角数据；

RCS提取模块，利用俯仰角和滚转角信息从RCS数据集中自动提取RCS值并整合生成RCS时序序列。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)能够通过坐标系建模和位置信息转换方法计算三轴稳定卫星当前的姿态情况；2)能够计算雷达视线方向卫星的姿态角，并通过角度匹配方式获取姿态角对应的RCS值；3)通过本装置能够获取贴近实际的三轴稳定卫星RCS序列数据；4)本方法中的目标全方向RCS数据集，一次生成后可重复使用；5)本方法可移植性强，对三轴稳定卫星的任意过境圈次都适用。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法的流程图；

图2为一个实例中构建的三轴稳定卫星结构示意图；

图3为实例中利用feko生成的目标全方向RCS部分数据；

图4为实例中利用STK构建的卫星和雷达场景示意图；

图5为实例中利用STK计算的卫星位置和速度矢量数据；

图6为实例中生成得到的RCS序列。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细的说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，结合图1的具体实施流程图，提供了一种三轴稳定卫星的雷达RCS(Radar Cross Section，雷达散射截面积)序列模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，利用feko电磁仿真软件构建三轴稳定卫星的结构模型；

步骤2，使用feko软件生成卫星在设定频率下的全方向RCS数据集合，导出RCS数据集合并保存；

步骤3，利用STK(Satellite Tool Kit，卫星工具包)卫星分析工具计算卫星过境雷达时的时标、位置和速度信息；

步骤4，根据时标、位置和速度信息，利用矢量分析方法计算雷达视角方向上卫星姿态的俯仰角和滚转角；

步骤5，根据俯仰角和滚转角，从RCS数据集合中查询RCS值，整合得到三轴稳定卫星的雷达RCS序列。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤1中利用feko电磁仿真软件构建三轴稳定卫星的结构模型，构建时三轴稳定卫星的运动方向设定为X轴，与地面垂直的方向设定为Z轴，利用右手法则确立的方向为Y轴。图2展示了构建的三轴稳定卫星的结构模型，并标明了模型的X轴、Y轴和Z轴方向。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤2中使用feko软件生成卫星在设定频率下的全方向RCS数据集合，设定频率即为需要模拟的雷达电磁波频率，全方向则是指设定feko软件平面波的俯仰角为0°至360°，滚转角为0°至180°，根据计算设备的性能情况设定采样间隔为0.1°至1°，计算得到的全方向RCS数据集合包含俯仰角、滚转角、RCS值等信息。图3展示了RCS计算的部分结果，数据包括俯仰角、滚转角和RCS值。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤3中利用STK卫星分析工具计算卫星过境雷达时的时标、位置和速度信息，具体为将卫星的轨道参数信息和雷达位置信息输入STK软件中，生成需要计算时段内卫星过境雷达的数据，这些数据包括过境时标、J2000平赤道地心坐标系下的位置(x,y,z)和速度(dx,dy,dz)。图4展示了利用STK生成的卫星过境雷达场景示意图，图5展示了利用STK计算得到的过境时标、位置(x,y,z)和速度(dx,dy,dz)的部分数据(图5中的vx、vy、vz同速度dx、dy、dz一一对应)。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤4中根据时标、位置和速度信息，利用矢量分析方法计算雷达视角方向上卫星姿态的俯仰角和滚转角，具体为利用上述信息将卫星本体坐标系转换至J2000平赤道地心坐标系，设J2000平赤道地心坐标系下卫星位置为(x,y,z)，卫星速度为(dx,dy,dz)，得到卫星本体坐标系在J2000平赤道地心坐标系下的表示如下：

其中，Axis_x表示卫星本体坐标系的X轴在J2000平赤道地心坐标系下的单位矢量，Axis_z表示卫星本体坐标系的Z轴在J2000平赤道地心坐标系下的单位矢量，Axis_y表示卫星本体坐标系的Y轴在J2000平赤道地心坐标系下的单位矢量。

设地面雷达在J2000平赤道地心坐标系下的坐标为(x_r,y_r,z_r)，则卫星反射电磁波至雷达的矢量方向表示为：

D_r＝(X_r-x,Y_r-y,Z_r-z)

从而，该矢量方向上卫星的姿态角表示如下：

其中，俯仰角θ表示矢量方向D_r从卫星本体坐标系的Z轴偏离至卫星本体坐标系的X轴的角度，滚转角表示矢量方向D_r从卫星本体坐标系的X轴偏离至卫星本体坐标系的Y轴的角度。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤5中根据俯仰角和滚转角，从RCS数据集合中查询RCS值，整合得到三轴稳定卫星的雷达RCS序列，具体为利用俯仰角和滚转角信息，从步骤2生成的RCS数据集合中提取最接近这两个角度值的数据，将该数据对应的RCS值作为当前点的RCS值。依照序列顺序重复操作，得到卫星过境雷达整个时段内的RCS序列值。图6展示了利用计算得到的RCS序列值绘制的RCS序列曲线，图中横坐标代表时间，纵坐标代表RCS值。

在一个实施例中，提供了一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟装置，所述装置包括：

建模仿真模块，用于在feko软件上仿真并将计算得到的RCS数据集合进行存储；

过境模拟模块，用于在STK卫星分析软件上仿真计算卫星过境数据；

角度转换模块，将卫星过境数据通过坐标转换和计算生成卫星姿态的俯仰角和滚转角数据；

RCS提取模块，利用俯仰角和滚转角信息从RCS数据集中自动提取RCS值并整合生成RCS时序序列。

关于一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟装置的具体限定可以参见上文中对于一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法的限定，在此不再赘述。上述三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本发明提供的一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法及装置，实现了三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟功能，根据目标运动位置计算雷达观测到的目标姿态，从而得到贴近真实场景的RCS序列结果。本发明能够有效提升三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟结果的可信度，为RCS特性识别研究和卫星姿态研究提供有效的数据支撑。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，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)

1.一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，利用feko电磁仿真软件构建三轴稳定卫星的结构模型；

步骤2，使用feko软件生成三轴稳定卫星的结构模型在设定频率下的全方向RCS数据集合，导出全方向RCS数据集合并保存；

步骤3，利用STK卫星分析软件计算卫星过境雷达时的时标、位置和速度信息；

步骤4，根据时标、位置和速度信息，利用矢量分析方法计算雷达视角方向上卫星姿态的俯仰角和滚转角；

步骤5，根据俯仰角和滚转角，从全方向RCS数据集合中查询RCS值，整合得到三轴稳定卫星的雷达RCS序列，通过三轴稳定卫星的雷达RCS序列分析得到三轴稳定卫星的运动姿态和尺寸大小，对三轴稳定卫星的身份进行识别匹配。

2.根据权利要求1所述的三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法，其特征在于，步骤1中利用feko电磁仿真软件构建三轴稳定卫星的结构模型，构建时卫星的运动方向设定为X轴，指向地心的方向设定为Z轴，利用右手法则确立的方向为Y轴。

3.根据权利要求1所述的三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法，其特征在于，步骤2中，使用feko软件生成三轴稳定卫星的结构模型在设定频率下的全方向RCS数据集合，具体包括：

设定频率即为需要模拟的雷达电磁波频率，对三轴稳定卫星的结构模型进行网格化处理，全方向则是指设定feko软件平面波的俯仰角为0°至360°，滚转角为0°至180°，根据计算设备的性能情况设定采样间隔为0.1°至1°，计算得到三轴稳定卫星的全方向RCS数据集合。

4.根据权利要求3所述的三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法，其特征在于，步骤2中，全方向RCS数据集合包含俯仰角、滚转角、RCS值。

5.根据权利要求1所述的三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法，其特征在于，步骤3中，利用STK卫星轨道分析工具计算卫星过境雷达时的时标、位置和速度信息，具体包括：

将卫星的轨道参数信息和雷达位置信息输入STK卫星分析软件中，生成需要计算时段内卫星过境雷达的数据，包括过境时标、J2000平赤道地心坐标系下的位置(x,y,z)和速度(dx,dy,dz)。

6.根据权利要求1所述的三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法，其特征在于，步骤4中，根据时标、位置和速度信息，利用矢量分析方法计算雷达视角方向上卫星姿态的俯仰角和滚转角，具体包括：

利用上述信息将卫星本体坐标系转换至J2000平赤道地心坐标系，设J2000平赤道地心坐标系下卫星位置为(x,y,z)，卫星速度为(dx,dy,dz)，得到卫星本体坐标系在J2000平赤道地心坐标系下的表示如下：

其中，Axis_x表示卫星本体坐标系的X轴在J2000平赤道地心坐标系下的单位矢量，Axis_z表示卫星本体坐标系的Z轴在J2000平赤道地心坐标系下的单位矢量，Axis_y表示卫星本体坐标系的Y轴在J2000平赤道地心坐标系下的单位矢量；

设地面雷达在J2000平赤道地心坐标系下的坐标为(x_r,y_r,z_r)，则卫星反射电磁波至雷达的矢量方向表示为：

D_r＝(X_r-x,Y_r-y,Z_r-z)

从而，矢量方向上卫星的姿态角表示如下：

其中，俯仰角θ表示矢量方向D_r从卫星本体坐标系的Z轴偏离至卫星本体坐标系的X轴的角度，滚转角表示矢量方向D_r从卫星本体坐标系的X轴偏离至卫星本体坐标系的Y轴的角度。

7.根据权利要求1所述的三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟方法，其特征在于，步骤5中，根据俯仰角和滚转角，从RCS数据集合中查询RCS值，整合得到三轴稳定卫星的雷达RCS序列，具体包括：

利用俯仰角和滚转角信息，从步骤2生成的RCS数据集合中提取最接近俯仰角和滚转角这两个角度值的数据，将数据对应的RCS值作为当前点的RCS值，依照序列顺序重复操作，得到三轴稳定卫星的雷达RCS序列。

8.一种三轴稳定卫星的雷达RCS序列模拟装置，其特征在于，包括：

建模仿真模块，用于在feko软件上仿真并将计算得到的RCS数据集合进行存储；

过境模拟模块，用于在STK卫星分析软件上仿真计算卫星过境数据；

角度转换模块，将卫星过境数据通过坐标转换和计算生成卫星姿态的俯仰角和滚转角数据；

RCS提取模块，利用俯仰角和滚转角信息从RCS数据集中自动提取RCS值并整合生成RCS时序序列。