一种不依赖于卫星姿控的星载SAR多普勒导引方法

一种不依赖于卫星姿控的星载sar多普勒导引方法
技术领域
1.本发明属于星载合成孔径雷达领域，具体涉及一种不依赖于卫星姿控的星载sar多普勒导引方法。


背景技术：

2.当多普勒中心频率估计出现误差时，方位匹配滤波器的中心频率偏离回波信号的频谱能量峰值，从而降低目标主响应的压缩能量，恶化信号的模糊比和信噪比。多普勒调频率误差将造成方位匹配滤波器失配，导致脉冲响应宽度展宽，图像分辨率降低。因此，在星载sar系统中，降低星载sar 回波数据的多普勒中心频率是必要的。
3.卫星姿态导引方法是降低星载sar 回波数据的多普勒中心频率的关键技术。卫星姿态导引方法通过调整卫星的偏航角、俯仰角，将sar 回波数据的多普勒中心频率降低至0赫兹附近，以此降低聚焦算法的复杂度，提高图像配准精度，提高干涉精度，利于扇贝效应校正。卫星姿态导引技术目前已在国际先进星载sar 系统（如terrasar-x 系统）中得到应用和验证。
4.通过卫星姿态导引技术，会导致星载sar成像、同步通信等不连续的问题，同时也会产生一定的姿态扰动，直接影响接收数据的多普勒参数估计，这在一定程度上影响了星载sar的观测效能，限制了新一代星载sar的发展；另外，未来的星载sar系统将装配星间激光通信，实现星间的信息交互，传统的姿态导引技术，通过卫星姿态的控制来实现全零多普勒导引，这将会对激光通信链路的稳定性产生较大影响。


技术实现要素：

5.针对该技术问题，本发明提出一种不依赖于卫星姿控的星载sar多普勒导引方法，有效提升星载sar系统能力，同时保障系统星间激光稳定通信。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种不依赖于卫星姿控的星载sar多普勒导引方法，包括如下步骤：步骤1）构造多普勒中心公式，根据卫星轨道参数和卫星所在位置确定偏航角；步骤2）将偏航角转化为二维相控阵波束的电扫描角；步骤3）通过对方位向、俯仰向两个方向的电扫描达到偏航控制。
7.进一步地，所述构造多普勒中心公式包括：卫星姿态以三轴姿态角表示，所述三轴姿态角为偏航角、俯仰角和横滚角；设卫星所在的空间位置为，卫星的等效速度为，卫星的下视角为，为卫星工作的工作频率，为卫星所在位置的纬度幅角，为卫星的轨道倾角，为地球的自转角速度，为卫星的角速度，c为光速；设卫星的多普勒中心为，则多普勒中心表示为：
，实现多普勒导引时，则有：，即有：，在上式中， 为侧视角；为方位向波束电扫描角和为俯仰向波束电扫描角；，，其中，为真近点角，为轨道偏心率，为卫星的轨道倾角，为近地点幅角；在上式中， 和分别满足如下公式：，，其中，为轨道半长轴，为地球引力常量；将偏航角转化为波束电扫描角，通过对方位向、俯仰向两个方向的电扫描即达到偏航控制。
8.进一步地，卫星平台坐标系与天线坐标系的转换关系表示为：，在上式中，矩阵由卫星的偏航角、俯仰角和横滚角确定，矩阵由天线视角确定：，
。
9.进一步地，所述通过对方位向、俯仰向两个方向的电扫描达到偏航控制包括：按下式控制相控阵天线阵列中每一个天线单元的相位值，通过波束电子控制实现偏航角度补偿：，在上式中，为相控阵天线阵列中每一个天线单元的相位值，为方位向，为俯仰向，和分别为方位向和距离向的投影的角度值，为波长。
10.有益效果：不同于传统的卫星姿态导引方法，本发明的模式是一种不依赖于卫星姿控的星载sar多普勒导引方法，通过电扫描的方式进行多普勒导引，这提升了星载sar的观测效能，促进了新一代星载sar的发展。
附图说明
11.图1为卫星几何构型图；图2为卫星平台坐标系与天线坐标系的转换示意图；图3为一轨的偏航导引角；图4为方位向电扫描角度和俯仰向电扫描角度；图5为波束电扫操作示意图。
具体实施方式
12.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
13.本发明采用相控阵电扫描的方案，通过对sar天线的电子波束控制，实现星载sar多普勒引导。
14.本发明的一种不依赖于卫星姿控的星载sar多普勒导引方法，具体包括如下步骤：步骤1）构造多普勒中心公式，根据卫星轨道参数和卫星所在位置确定偏航角；步骤2）将偏航角转化为二维相控阵波束的电扫描角；步骤3）通过对方位向、俯仰向两个方向的电扫描即可达到偏航控制。
15.下面给出一个基于实际星载雷达系统实现的该方法的实施例：如图1所示，卫星姿态通常以三轴姿态角来表示，即等效偏航角、俯仰角和横滚角。设卫星所在的空间位置为，卫星的等效速度为，卫星的下视角为，为卫星工作的工作频率，为卫星所在位置的纬度幅角，为卫星的轨道倾角，为地球的自转角速度，为卫星的角速度，c为光速；设卫星的多普勒中心为，则多普勒中心可以表示为：，要想实现多普勒导引，即需要满足多普勒中心为0，即：，即有：，在上式中，为侧视角。波束电扫描角和 ；，，其中，为真近点角，为轨道偏心率，为卫星的轨道倾角，为近地点幅角。
16.在上式子中， 和分别满足如下公式：，，其中，为轨道半长轴，为地球引力常量。
17.上式表明了可以将偏航角转化为方位向波束电扫描角和俯仰向波束电扫
描角，通过对方位向、俯仰向两个方向的电扫描即可达到偏航控制。
18.为了能对方位向、俯仰向两个方向的电扫描，达到偏航控制的目的，需要将卫星平台坐标系和天线坐标系进行转换，卫星平台坐标系与天线坐标系的转换关系如图2所示，可以被表示为：，在上式中，矩阵由卫星的偏航角、俯仰角和横滚角确定，矩阵由天线视角确定：，。
19.下面结合一个实例进行说明，星载sar的仿真参数如表所示：
,由上表的数据带入到上式中，可以得到在俯仰角为零、且在所述卫星的波束指向与所述零多普勒的法线方向垂直的情景下，偏航角为：。
20.结合上式可以得到矩阵和矩阵分别为：,,即有：,对应的方位向电扫描角度为-1.571
°
，俯仰向电扫描角度为-0.08
°
。
21.图3给出了一轨的偏航角，图4给出了所对应的方位向电扫描角度和俯仰向电扫描角度。
22.通过对方位向、俯仰向两个方向的电扫描即可达到偏航控制，波束电扫的操作如
图5所示：，按上式控制相控阵天线阵列中每一个天线单元的相位值，即可通过波束电子控制实现偏航角度补偿。
23.在上式中，为相控阵天线阵列中每一个天线单元的相位值，为方位向，为俯仰向，和分别为方位向和距离向的投影的角度值。
24.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种不依赖于卫星姿控的星载sar多普勒导引方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1）构造多普勒中心公式，根据卫星轨道参数和卫星所在位置确定偏航角；步骤2）将偏航角转化为二维相控阵波束的电扫描角；步骤3）通过对方位向、俯仰向两个方向的电扫描达到偏航控制。2.根据权利要求1所述的一种不依赖于卫星姿控的星载sar多普勒导引方法，其特征在于，所述构造多普勒中心公式包括：卫星姿态以三轴姿态角表示，所述三轴姿态角为偏航角、俯仰角和横滚角；设卫星所在的空间位置为，卫星的等效速度为，卫星的下视角为，为卫星工作的工作频率，为卫星所在位置的纬度幅角，为卫星的轨道倾角，为地球的自转角速度，为卫星的角速度，c为光速；设卫星的多普勒中心为，则多普勒中心表示为：，实现多普勒导引时，则有：，即有：，在上式中， 为侧视角； 为方位向波束电扫描角和为俯仰向波束电扫描角；，，其中，为真近点角，为轨道偏心率，为卫星的轨道倾角，为近地点幅角；在上式中， 和分别满足如下公式：，，其中，为轨道半长轴，为地球引力常量；将偏航角转化为波束电扫描角，通过对方位向、俯仰向两个方向的电扫描即达到偏航控制。
3.根据权利要求2所述的一种不依赖于卫星姿控的星载sar多普勒导引方法，其特征在于，卫星平台坐标系与天线坐标系的转换关系表示为：，在上式中，矩阵由卫星的偏航角、俯仰角和横滚角确定，矩阵由天线视角确定：，。4.根据权利要求3所述的一种不依赖于卫星姿控的星载sar多普勒导引方法，其特征在于，所述通过对方位向、俯仰向两个方向的电扫描达到偏航控制包括：按下式控制相控阵天线阵列中每一个天线单元的相位值，通过波束电子控制实现偏航角度补偿：，在上式中，为相控阵天线阵列中每一个天线单元的相位值，为方位向，为俯仰向，和分别为方位向和距离向的投影的角度值，为波长。

技术总结
本发明提供一种不依赖于卫星姿控的星载SAR多普勒导引方法，包括如下步骤：1）构造多普勒中心公式，根据卫星轨道参数和卫星所在位置确定偏航角；2）将等效偏航角转化为二维相控阵波束的电扫描角；3）通过对方位向、俯仰向两个方向的电扫描即可达到偏航控制。本发明的模式是一种不依赖于卫星姿控的星载SAR多普勒导引方法及装置，通过电扫描的方式进行多普勒导引，这提升了星载SAR的观测效能，促进了新一代星载SAR的发展。星载SAR的发展。星载SAR的发展。


技术研发人员：邓云凯 刘大成 昌盛 乔凯 欧乃铭 刘开雨
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2023.02.01
技术公布日：2023/3/14