利用分布式多星敏获取星载天线指向信息的方法及系统与流程

本发明涉及星载雷达天线在轨波束指向信息的，具体地，涉及一种利用分布式多星敏获取星载天线指向信息的方法及系统，尤其是，涉及一种利用星上分布式多星敏获取星载雷达天线在轨波束指向信息的方法及系统。

背景技术：

1、合成孔径雷达是一种主动式的对地观测系统，可安装在飞机、卫星等飞行平台上实施全天时、全天候对地观测。由于其中灾害监测、环境监测、海洋观测和资源勘察等应用方面具有独特的优势，因此越来越受到世界各国的重视。特别是随着近年来航天技术的快速发展，合成孔径雷达也越来越多的应用到航天对地观测中，相继出现了平板相控阵、反射面等形式的星载雷达天线。不论是平板相控阵形式还是反射面形式的星载雷达天线，其基本工作原理都是通过向预定目标发射定向微波并接收回波以实现对该预定目标成像。因此，提高星载雷达天线所发射的微波波束指向的精确性，可显著减小波束指向与预期指向的偏差角，增强对预定目标的辐射强度，以提高观测成像性能。在实际工程应用中，通常是将卫星运行所在的轨道系下雷达天线所发射的微波波束指向定义为在轨波束指向。当前，卫星通常使用星敏感器作为姿态测量和控制的敏感器部件，用以观测获取卫星在轨的姿态情况。由于雷达天线固连在卫星上，星敏感器观测得到的卫星的姿态也即是雷达天线的姿态，因此，只要获取星敏观测坐标系下雷达天线的波束指向信息，再通过星敏观测坐标系与轨道系的转换关系，即可获取轨道系下雷达天线波束指向描述。

2、由于现有的相控阵形式或反射面形式的星载雷达天线，随卫星入轨后均需通过展开机构进行展开，以拼接形成完整的天线。在这个过程中，卫星发射阶段的振动环境、展开机构和轨道空间环境等都将对雷达天线的微波波束指向产生影响，导致雷达天线在轨波束指向与地面测试所获取的波束指向之间产生偏差，进而影响雷达天线在轨期间的实际性能。对于如何获取雷达天线在轨波束指向信息，现有的研究和工程实践主要方法是以提高雷达天线机械性能，以控制天线的型位精度为基础，尽可能减小前述发射过程及在轨环境对对雷达天线机械性能的影响，进而采用地面测试获取的波束指向信息代替在轨条件下的波束指向信息。

3、例如对于平板相控阵形式的雷达天线，公开号为cn105444669a的中国发明专利文件公开了一种用于大型平面指向变化的测量系统及测量方法，包括线型激光发射器、一维psd测点、测量控制器以及信息处理器；所述信息处理器与测量控制器数据连接，所述测量控制器与线型激光发射器控制连接，所述一维psd测点为多个，其中每一个一维psd测点处均设有一维psd传感器，所述线型激光发射器输出的光线传输至一维psd传感器，所述一维psd传感器与测量控制器数据连接；多个所述一维psd测点布置于大型平面上。同时提供了上述测量系统的测量方法。该文件测量方法是通过线型激光器配合一维psd的传感技术，得到各个测点的位置变化量，并求解得到大型平面的指向变化量，以便对大型平面进行进一步的调整或补偿。

4、公开号为cn105526879a的中国发明专利申请文件公开了一种基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量系统及方法，包括依次通过传导光纤连接的光波发生器、传导光纤、多个光栅测点、光波解调器、信息处理器；光波发生器包括主光源和分光器，用于提供多路传导光纤所需的光波；多个光栅测点被布置于卫星大阵面天线形面上，用于形成传感网络；光波解调器，用于对收集的光波进行解调，从而得到各个光栅测点的应变和温度；信息处理器，用于对各个光栅测点的应变和温度进行计算，并得到天线阵面形面变形参数。本发明还提供了基于光纤光栅的卫星大阵面天线变形在轨测量方法，便于进行天线结构控制或者信号补偿，使得卫星成像抗干扰性能得到提高。

5、公开号为cn107121124a的中国发明专利文件公开了一种星载天线机械指向精度的测量方法，该方法利用相机拍摄天线阵面从而快速获得反光标志点坐标，通过公共标志点转换至经纬仪测量系统坐标系下并拟合天线阵面法线，利用经纬仪准直测量卫星基准棱镜，互瞄获得经纬仪之间的角度关系，最终计算得到天线阵面法线与卫星坐标系的机械指向精度，满足大尺寸天线机械指向精度快速测量的要求。该文件的星载天线机械指向精度的测量方法，能够广泛适用于天线机械指向精度的测量，特别是大尺寸天线机械指向精度快速测量。

6、上述专利公开的方法都是只针对平板相控阵形式的阵面天线，对阵面天线进行机械型位精度测量，最终获取的也只是天线的机械指向信息，属于间接的近似等效的形式获取波束指向信息。

7、例如对于反射面形式的雷达天线，公开号为cn104236518a的中国发明专利申请文件公开了一种基于光学成像与模式识别的天线主波束指向探测方法，包括如下步骤：步骤1：大视场可见光相机对目标成像，捕获、识别并跟踪目标；步骤2：大视场可见光相机引导小视场可见光相机对准目标，进行高分辨率成像；步骤3：利用随机椭圆检测的方法确定目标天线区域；步骤4：利用空间圆法向量确定的方法确定目标天线的主波束指向。该文件解决了空间目标天线主波束指向探测问题，通过小视场可见光相机对目标天线进行高分辨率探测，利用模式识别技术检测目标天线区域并确定目标天线主波束指向，从而为导航制导与控制系统提供引导。

8、公开号为cn103185566a的中国发明专利公开了一种反射面天线波束指向的测试装置及其测试方法，所述的反射面天线固定于天线支架上，包括有：电子经纬仪和天线基准镜，该装置还包括有光学望远镜；所述的光学望远镜平行于反射面天线机械轴固定于天线支架上；所述的发射天线旁边放置靶标；该测试装置，用于通过光学测量方法和天线远场方向图测试相结合，精确测量反射面天线的电轴和机械轴夹角。该方法利用光学望远镜平行于反射面天线机械轴固定于天线支架上，并在所述的发射天线旁边放置靶标，最终通过光学测量方法和天线远场方向图测试相结合，精确测量反射面天线的电轴和机械轴夹角。该文件可以解决精确测试星载天线电轴机械轴指向问题，具有准确、普适性强等优点。该文件公开的仍然是地面测试方法，而且是对反射面天线进行型位测量，使用反射面天线机械指向代替微波波束指向，也属于间接的近似等效的形式获取波束指向信息。

9、而公开号为cn108152787a的中国发明专利申请文件中公开了一种用于精确获取卫星雷达天线波束指向的方法，该文件公开的方法是(1)雷达卫星配备微波波束接收天线，通过该波束接收天线及星上处理设备精确获取雷达波束指向信息；(2)雷达卫星配备激光发射器，且在接收天线获取微波波束信息的同时，激光器发射器发射激光光束进入星上配备的星敏感器感光元件；(3)通过星敏感器的运算处理，获取前述激光光束的惯性指向；(4)将微波波束指向信息、激光光束惯性指向信息和由星敏感器获取的卫星姿态信息等数据进行融合处理，精确获取星敏感器光轴指向和微波波束指向的关系，进而能够对雷达成像过程中微波波束指向进行精确的修正。该文件通过星上光学基准和微波电性基准转换,将微波波束指向信息直接转换到卫星卫星姿态坐标系下描述,精确获取波束在轨指向信息。该文件公开了使用激光器和星敏感器配合的方法，获取转换关系。但是，众所周知的是，星空是较暗的背景空间，星上使用激光器并使激光这种强光源进入星敏感器并由星敏感器对其感知获取光束指向和位置，这必将对星敏感器正常的观测星空产生影响，进而对系统的测量精度产生影响。同时，太空中的太阳光、月光、地气光等杂散光也容易对激光器的激光产生干扰，因此，该文件公开的方法具有较强的局限性。

10、针对上述中的现有技术，发明人认为卫星发射阶段的振动环境、展开机构和轨道空间环境等都将对雷达天线的微波波束指向产生影响，导致雷达天线在轨波束指向与地面测试所获取的波束指向之间产生偏差，进而影响雷达天线在轨期间的实际性能，较难准确获取雷达天线在轨波束指向信息，具有一定的局限性。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用分布式多星敏获取星载天线指向信息的方法及系统。

2、根据本发明提供的一种利用分布式多星敏获取星载天线指向信息的方法，其特征在于，包括如下步骤：

3、配备步骤：卫星配备雷达天线、平台星敏、测量天线和测量星敏；

4、第一转换关系获取步骤：建立测量星敏观测坐标系和测量天线坐标系，根据所述测量天线和测量星敏之间的关系获取测量星敏观测坐标系和测量天线坐标系之间的转换关系，记为第一转换关系；

5、第二转换关系获取步骤：通过所述测量天线和雷达天线之间进行微波双向发射接收，获取雷达天线波束指向信息和测量天线坐标系的转换关系，记为第二转换关系；

6、第三转换关系获取步骤：第二转换关系获取步骤的同时，所述测量星敏和平台星敏同步观测恒星并与同一星图进行匹配，获取平台星敏观测坐标系和测量星敏观测坐标系的转换关系，记为第三转换关系；

7、融合转换步骤：利用第一转换关系、第二转换关系以及第三转换关系，按照公式进行融合转换，获取平台星敏观测坐标系下雷达天线波束指向信息。

8、优选的，在所述第一转换关系获取步骤中，所述测量天线和测量星敏之间有固定的相对位置关系，测量天线发射的微波波束指向与测量星敏的光轴指向有固定的空间角度关系，通过固定的相对位置关系和固定的空间角度关系获取测量星敏坐标系和测量天线坐标系之间的转换关系。

9、优选的，在所述第二转换关系获取步骤中，所述测量天线和雷达天线之间进行微波双向发射接收，获取测量天线坐标系下雷达天线所发射的微波波束指向信息。

10、优选的，在所述第三转换关系获取步骤中，测量星敏和平台星敏同步观测太空中的恒星并与同一星图进行匹配，分别获取平台星敏观测坐标系和测量星敏观测坐标系相对惯性系的姿态四元数，以及惯性系到平台星敏观测坐标系和测量星敏观测坐标系的转换关系，获取平台星敏观测坐标系和测量星敏观测坐标系的转换关系。

11、优选的，在所述配备步骤中，所述测量天线包括波束指向测量天线，测量星敏包括用于波束指向测量的星敏。

12、根据本发明提供的一种利用分布式多星敏获取星载天线指向信息的系统，包括如下模块：

13、配备模块：卫星配备雷达天线、平台星敏、测量天线和测量星敏；

14、第一转换关系获取模块：建立测量星敏观测坐标系和测量天线坐标系，根据所述测量天线和测量星敏之间的关系获取测量星敏观测坐标系和测量天线坐标系之间的转换关系，记为第一转换关系；

15、第二转换关系获取模块：通过所述测量天线和雷达天线之间进行微波双向发射接收，获取雷达天线波束指向信息和测量天线坐标系的转换关系，记为第二转换关系；

16、第三转换关系获取模块：第二转换关系获取模块的同时，所述测量星敏和平台星敏同步观测恒星并与同一星图进行匹配，获取平台星敏观测坐标系和测量星敏观测坐标系的转换关系，记为第三转换关系；

17、融合转换模块：利用第一转换关系、第二转换关系以及第三转换关系，按照公式进行融合转换，获取平台星敏观测坐标系下雷达天线波束指向信息。

18、优选的，在所述第一转换关系获取模块中，所述测量天线和测量星敏之间有固定的相对位置关系，测量天线发射的微波波束指向与测量星敏的光轴指向有固定的空间角度关系，通过固定的相对位置关系和固定的空间角度关系获取测量星敏坐标系和测量天线坐标系之间的转换关系。

19、优选的，在所述第二转换关系获取模块中，所述测量天线和雷达天线之间进行微波双向发射接收，获取测量天线坐标系下雷达天线所发射的微波波束指向信息。

20、优选的，在所述第三转换关系获取模块中，测量星敏和平台星敏同步观测太空中的恒星并与同一星图进行匹配，分别获取平台星敏观测坐标系和测量星敏观测坐标系相对惯性系的姿态四元数，以及惯性系到平台星敏观测坐标系和测量星敏观测坐标系的转换关系，获取平台星敏观测坐标系和测量星敏观测坐标系的转换关系。

21、优选的，在所述配备模块中，所述测量天线包括波束指向测量天线，测量星敏包括用于波束指向测量的星敏。

22、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

23、1、本方法巧妙的借助太空恒星这一统一的恒定基准，在轨时利用分布在卫星上不同位置的星敏(平台星敏和测量星敏)同时观测恒星并与同一星图匹配获取观测结果，进而分别得到当前时刻卫星的姿态情况(利用平台星敏观测结果)和测量星敏的姿态情况(利用测量星敏的观测结果)。通过这个过程，获取了测量星敏观测坐标系与平台星敏观测坐标系之间的转换关系，为后续的融合转换打下基础；

24、2、本方法运用测量天线和雷达天线之间双向的微波发射-接收，直接获取雷达天线波束指向信息，并将雷达天线波束指向信息转换到测量天线坐标系下进行描述，属于直接获取雷达天线波束指向信息的方式，与传统的通过获取雷达天线阵面机械指向并将阵面机械指向近似等效为雷达天线所发射的微波波束指向的间接方法有本质的区别。同时，本方法直接采用测量天线与雷达天线之间双向的微波发射-接收的形式，不受雷达天线本身的体制和构型形式的限制，可适用于平板相控阵、反射面等多种形式的雷达天线，具有较强的通用性；

25、3、本发明巧妙的通过预先设定使测量天线和测量星敏之间具有相对固定的空间安装位置关系，且测量天线发射的微波波束矢量与测量星敏的光轴矢量之间具有相对固定的空间夹角关系，通过二者之间相对固定的安装位置关系和空间角度关系，可以得到测量星敏观测坐标系和测量天线坐标系之间的转换关系。再进一步利用所获取的测量天线坐标系下的雷达天线微波波束发射指向信息，测量星敏观测坐标系与平台星敏观测坐标系之间的转换关系等，将雷达天线微波波束发射指向信息转换到平台星敏观测坐标系下描述。通过这个融合转换过程，充分利用卫星上星敏这一高精度姿态测量部件，实现平台星敏和测量星敏的光学观测和雷达天线微波波束发射指向之间的“光-电”基准转换，确保整个融合转换的精度。