一種地球同步軌道合成孔徑雷達覆蓋中國全境的控制方法

2023-12-01 21:12:31

專利名稱：一種地球同步軌道合成孔徑雷達覆蓋中國全境的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種地球同步軌道合成孔徑雷達覆蓋中國全境的控制方法，屬於合成孔徑雷達技術領域。
背景技術：
合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種全天候、全天時的現代高解析度微波成像雷達，可搭載於飛機、衛星、飛艇等多種飛行平臺上。在國土測量、農作物及植被分析、海洋及水文觀測、環境及災害監視、資源勘探、地形測繪和微變監視，以及軍事偵察等領域內，SAR發揮了越來越重要的作用。這些應用領域無一例外地對SAR的時間、空間覆蓋性能提出了較高要求。tWn，國土普查要求SAR的觀測範圍廣、災害監視要求SAR的響應時間短等。因此，SAR的覆蓋特性是SAR性能指標的一個重要方面。目前，世界各國已經成功發射的SAR衛星均處於400Km IOOOKm的低地球軌道(Low Earth Orbit, LEO)，其覆蓋面積小、重訪周期長、實時性差，這些特點已經嚴重限制了LEO SAR的應用範圍。例如，我國在汶川地震發生一天後，才獲得了首張低解析度(70m解析度)的SAR圖像，未能對救災工作提供最及時的信息服務。GEO SAR 位於 36000Km 的地球同步軌道(Geosynchronous Earth Orbit, GEO),隨著軌道高度升高數十倍，其覆蓋特性較LEO SAR顯著增強，表現為覆蓋面積大、重訪時間短。在理想情況下，GEO SAR的天線應具備距離向、方位向的二維±7. 5°相位掃描能力，此時，衛星下方的全部區域都可以被覆蓋，單顆GEO SAR即可覆蓋中國全境，且重訪時間在8-17小時。然而，根據現階段相控陣天線的工程實現能力，方位向±7.5°相位掃描是無法實現的，僅能實現距離向一維相位掃描，此時，波束覆蓋範圍是垂直於衛星慣性系速度的一個條帶，如圖2所示。仿真表明，僅具備距離向一維相位掃描能力的GEO SAR無法覆蓋中國全境，存在40%左右的盲區。一維相掃在覆蓋特性上的缺陷可以通過對平臺進行姿態機動來進行彌補，因此，必須提出一種在方位向相掃受限的情況下，依然能夠保證GEO SAR覆蓋中國全境的控制方法。

發明內容
本發明的目的是，為了克服一維相掃在GEO SAR對中國全境覆蓋中的缺陷，提出一種地球同步軌道合成孔徑雷達的控制方法，僅通過平臺俯仰機動與波束距離向相位掃描相結合的控制方法實現對中國全境覆蓋。本發明方法是通過下述技術方案實現的。一種地球同步軌道合成孔徑雷達的控制方法，該方法包括
合成孔徑雷達SAR運行於地球同步軌道GEO上，SAR所在衛星平臺具有至少±2°的俯仰機動能力，且SAR具備距離向一維相位掃描能力；在對中國境內各區域進行觀測時，僅通過衛星平臺俯仰角度的調節，並配合SAR距離向的相位掃描，實現對中國境內任意地點的觀測。其中，所述衛星平臺俯仰角度的調節具體為SOl :計算在GEO的一個軌道重複周期內，SAR對待觀測目標區域的可見時間；S02 :根據GEO SAR的軌道根數和目標區域的經緯度，計算在所述可見時間內的每個時間點上SAR到目標的斜距矢量，根據該斜距矢量獲得SAR能夠觀測到目標區域時衛星平臺所需機動的俯仰角以及衛星平臺在當前俯仰角情況下的下視角；繪製可見時間內俯仰角隨時間變化的曲線即俯仰角曲線Cl和下視角隨時間變化的曲線即下視角曲線C2 ；S03 :從步驟S02得到的下視角曲線C2中抽取滿足下視角大於I. 5°且小於7. 5°這一條件的時間段，這些時間段就是利於對目標區域進行成像的時間段；再從俯仰角曲線 Cl中獲取這些時間段對應的俯仰角，即為在利於對目標區域進行成像的時間段內需要俯仰機動的角度；S04:綜合考慮衛星任務、衛星平臺俯仰限幅和所需觀測目標區域的時間，根據步驟S03獲得的結果，確定目標區域的觀測時間及對應的衛星平臺俯仰角和下視角；S05 :根據步驟S04確定的衛星平臺俯仰角度對衛星平臺進行控制，根據步驟S04確定的下視角控制SAR距離向的相位掃描角度。有益效果對比已有技術，本發明方法通過平臺俯仰機動，改善了僅具備一維相掃能力GEOSAR對我國的覆蓋特性，實現了對中國全境的覆蓋。經仿真，俯仰機動的角度不需要很大，當平臺俯仰角大於±2°時，全部國土都可以被覆蓋；當平臺俯仰角大於±3°時，我國全部國土能夠被覆蓋，而且有92%國土的最大重訪時間將縮短到12-20小時；可見，本發明通過小角度的機動就可以實現全境覆蓋，機動角度小可以提高機動反應速度，而且可以減少機動所需的能源，易於工程實現。


圖I為GEO SAR星下點軌跡示意圖。圖2為僅具備一維相掃能力且平臺無機動時GEO SAR波束覆蓋範圍示意圖；其中，a為2D示意圖，b為3D示意圖。圖3為僅具備一維相掃能力且平臺可偏航時GEO SAR波束覆蓋範圍示意圖；其中，a為2D示意圖，b為3D示意圖。圖4為僅具備一維相掃能力且平臺可俯仰時GEO SAR波束覆蓋範圍示意圖；其中，a為2D示意圖，b為3D示意圖。圖5為GEO SAR斜距矢量、俯仰角、下視角的定義示意圖。圖6為GEO SAR與「北京」的斜距矢量所對應的俯仰角和下視角；其中，a為下視角計算結果圖，b為俯仰角計算結果圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明方法做進一步的詳細說明。本實施例中，SAR所在衛星運行在小偏心率的地球同步軌道(GEO)上，其星下點軌跡位於我國中部，平均軌道參數如下半長軸42164. 2Km ;軌道傾角53° ;偏心率O. 07 ;近地點俯角270。;交叉點經度105。。如圖I所示。採用本發明所述的一種地球同步軌道合成孔徑雷達覆蓋中國全境的控制方法完成該衛星對中國的全境覆蓋。其中，波束覆蓋區域的仿真、幾何參數和重訪時間的計算藉助於STK (Satellite Tool Kit, 一款由美國Analytical Graphics公司開發的宇航仿真軟體)進行。首先，進行覆蓋能力的論證驗證
對各種情況下，GEO SAR對我國的覆蓋特性進行論證，具體步驟為步驟一，根據軌道根數在STK中設置GEO SAR軌道。步驟二，設置觀測區域為中國全境。步驟三，根據SAR所在衛星平臺的機動條件，設置波束覆蓋範圍。步驟四，根據設定的波束覆蓋範圍，計算GEO SAR對我國的最大重訪時間。當GEO SAR僅具備距離向一維相位掃描能力時，在平臺具備不同機動能力的情況下，波束覆蓋範圍、最大重訪時間計算結果如下。I、平臺無機動此時，波束覆蓋範圍是垂直於衛星慣性系速度的一個條帶。考慮到利於成像的入射角範圍是10°至60°，其對應的下視角約為I. 5°至7. 5°，波束覆蓋範圍被限定為衛星左右兩個條帶，分別對應著左視和右視。GEO SAR方位向波束寬度可以表示為Θ, =0.886 —
D其中，Θ A為方位向波束寬度；λ為波長；D為天線直徑。當採用L波段(O. 24m波長)，24m直徑圓形可展開天線時，方位向半波束寬度約為
0.2538°。則，僅具備距離向一維相掃能力時，GEO SAR的波束覆蓋範圍就是垂直於衛星慣性系速度，方位向半波束寬度為O. 2538°的左右兩個條帶，如圖2所示。經仿真，當GEO SAR僅具備一維相掃能力且平臺無機動時，有45. 7%的國土無法
被覆蓋。2、平臺可偏航此時，隨著平臺的偏航，波束覆蓋範圍被展寬為垂直於衛星慣性系速度的左右兩個扇形區域，分別對應著左視和右視。扇形的圓心角等於平臺的偏航角，如圖3所示。當平臺分別具備±30°、土45°、土60°偏航控制能力時，有14. 7 %、6· 3 %的國土無法覆蓋，對可以被覆蓋區域的重訪時間也基本在16小時以上。如果平臺能夠具備±60°偏航控制能力，全部國土都可以被GEO SAR覆蓋。但是±60°偏航控制會消耗較大能量，而且控制較為複雜。因此不是理想的控制方式。3、平臺可俯仰當GEO SAR平臺具備俯仰能力時，波束沿慣性速度方向的覆蓋範圍將被展寬，變為垂直於衛星慣性系速度Vsi的一個寬條帶，展寬的下視角近似等於平臺俯仰角，如圖4所示。經仿真，當平臺可以進行±1°的俯仰時，無法覆蓋的國土面積由45. 7%縮小為16.6% ;當平臺可以進行±2°的俯仰時，全部國土都可以被覆蓋；如果平臺俯仰角進一步增加到±3°，有92%國土的最大重訪時間將縮短到12-20小時。可見，隨著平臺俯仰範圍的逐漸增加，GEO SAR的覆蓋特性得到逐步改善；如果需要覆蓋全部國土，平臺俯仰角應大於 ±2°。可見，對於運行於地球同步軌道GEO上的SAR，只要SAR所在衛星平臺具有至少±2°的俯仰機動能力，且SAR自身具備距離向一維相位掃描能力，不需要具備方位向相掃能力，在對中國境內各區域進行觀測時，僅通過衛星平臺的小角度的俯仰機動，並配合SAR距離向的相位掃描，就可實現對中國境內任意地點的觀測，從而實現了僅具備一維相掃能力的GEO SAR對中國全境的覆蓋。當需要對中國境內某個地點進行觀測時，具體控制過程如下這裡，以北京地區作為目標區域為例步驟S01，計算在地球同步軌道的一個軌道重複周期內(I天)，SAR對北京地區的可見時間，計算結果為=2:03:34-21:25:52。該可見時間可以利用STK軟體進行計算，在STK中設定衛星軌道和目標位置，STK自動生成目標位置的可見時間；可見時間是指衛星在目標地平線以上的時間。步驟S02，根據地球同步軌道的軌道根數和目標經緯度，計算在步驟SOl計算的可見時間內每個時間點上SAR到目標的斜距矢量(如圖5所示)，根據該斜距矢量獲得SAR能夠觀測到目標區域時衛星平臺所需機動的俯仰角以及衛星平臺在當前俯仰角情況下的下視角。其中，斜距矢量是指在地固坐標系中，SAR指向目標的矢量，下視角是指斜距矢量與衛星平臺本體z軸之間的夾角；衛星平臺在不機動時，其z軸指向星下點。其中，俯仰角和下視角的計算方法為在地固坐標系中，根據衛星軌道計算衛星位置坐標和星下點位置坐標，並將目標區域經緯度轉換為地固坐標系坐標；根據這三點的坐標可以計算得到衛星斜距矢量，從而獲得衛星高度和斜距長度；而後，計算目標和星下點連線在地距向、方位向的投影長度 』方位向投影長度比衛星高度即為俯仰角的正切值，地距向投影長度比斜距長度即為下視角的正弦值。通過本步驟的計算，獲得可見時間內一系列的俯仰角和下視角後，可以繪製可見時間內俯仰角隨時間變化的曲線即俯仰角曲線Cl (如圖6a)和下視角隨時間變化的曲線即下視角曲線C2(如圖6b)。步驟S03，當下視角小於1.5°或大於7. 5°時，不利於成像，因此本步驟從步驟S02得到的下視角曲線C2中抽取滿足下視角大於I. 5°、小於7.5°這一條件的時間段，這些時間段就是利於對目標區域進行成像的時間段，圖6中實線線條所對應的時間段均滿足這一條件。再從下視角曲線C2中獲取這些時間段對應的俯仰角，即為在利於對目標區域進行成像的時間段內需要俯仰機動的角度；通過圖6可以看出，當俯仰角為0°時(即平臺無機動)，如圖6中A點所示，下視角為O. 498°，不滿足下視角的約定範圍，也就是GEO SAR無法覆蓋北京地區；只要平臺俯仰角大於O. 68°，就可以使GEO SAR以某一特定下視角覆蓋到北京地區。在實際中，可以根據平臺的俯仰能力，或者SAR衛星當前執行的任務，進行俯仰角度的選定。S04 :綜合考慮衛星任務、衛星平臺俯仰限幅和所需觀測目標區域的時間，根據步驟S03獲得的結果，確定目標區域的觀測時間及對應的衛星平臺俯仰角和下視角。 例如，根據衛星平臺的俯仰限幅，設定其以I. 5°俯仰機動，則根據各時刻的俯仰角，獲取1.5°對應的時間，如圖6中B點、C點所示，在一天之中，GEO SAR可以以1.5°的俯仰角兩次覆蓋北京地區，覆蓋時刻分別為11:35、16:30，對應的下視角分別為2. 11°、2. 68°。S05 :根據步驟S04確定的衛星平臺俯仰角度對衛星平臺進行控制，根據步驟S04確定的下視角控制SAR距離向的相位掃描角度。從而實現了僅通過衛星平臺俯仰角度的機動，並配合SAR距離向的相位掃描，實現對中國境內任意地點的觀測。本實施例的仿真結果顯示,通過平臺俯仰機動,可以改善僅具備一維相掃能力GEOSAR對我國的覆蓋特性，實現對中國全境的覆蓋。以上所述的具體描述，對發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種地球同步軌道合成孔徑雷達的控制方法，其特徵在於，包括 合成孔徑雷達SAR運行於地球同步軌道GEO上，SAR所在衛星平臺具有至少±2°的俯仰機動能力，且SAR具備距離向一維相位掃描能力； 在對中國境內各區域進行觀測時，僅通過衛星平臺俯仰角度的機動，並配合SAR距離向的相位掃描，實現對中國境內任意地點的觀測。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述通過衛星平臺俯仰角度的機動，並配合SAR距離向的相位掃描，實現對中國境內任意地點的觀測，具體為 501:計算在GEO的一個軌道重複周期內，SAR對待觀測目標區域的可見時間； 502:根據GEO SAR的軌道根數和目標區域的經緯度，計算在所述可見時間內的每個時間點上SAR到目標的斜距矢量，根據該斜距矢量獲得SAR能夠觀測到目標區域時衛星平臺所需機動的俯仰角以及衛星平臺在當前俯仰角情況下的下視角；繪製可見時間內俯仰角隨時間變化的曲線即俯仰角曲線Cl和下視角隨時間變化的曲線即下視角曲線C2 ； 303:從步驟502得到的下視角曲線02中抽取滿足下視角大於1.5°且小於7.5°這一條件的時間段，這些時間段就是利於對目標區域進行成像的時間段；再從俯仰角曲線Cl中獲取這些時間段對應的俯仰角，即為在利於對目標區域進行成像的時間段內需要俯仰機動的角度； 504:綜合考慮衛星任務、衛星平臺俯仰限幅和所需觀測目標區域的時間，根據步驟S03獲得的結果，確定目標區域的觀測時間及對應的衛星平臺俯仰角和下視角； 505:根據步驟S04確定的衛星平臺俯仰角度對衛星平臺進行控制，根據步驟S04確定的下視角控制SAR距離向的相位掃描角度。
全文摘要
本發明公開了一種地球同步軌道合成孔徑雷達GEO SAR覆蓋中國全境的控制方法，屬於合成孔徑雷達技術領域。受限於現階段相控陣天線的工程實現能力，GEO SAR僅能實現距離向一維相位掃描，無法覆蓋中國全境。本發明要求SAR所在衛星平臺具有至少±2°的俯仰機動能力，且SAR具備距離向一維相位掃描能力；在對中國境內各區域進行觀測時，僅通過衛星平臺俯仰角度的機動，並配合SAR距離向的相位掃描，實現對中國境內任意地點的觀測，克服了一維相掃在GEO SAR對中國全境覆蓋中的缺陷，且易於工程實現。
文檔編號G01S13/90GK102621994SQ201210096628
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月5日 優先權日2012年4月5日
發明者丁澤剛, 朱宇, 胡程, 高陽特, 龍騰 申請人:北京理工大學