一种高轨SAR任意方向扫描的区域目标观测方法与流程

本发明涉及一种高轨sar任意方向扫描的区域目标观测方法，属于合成孔径雷达领域。

背景技术：

1、合成孔径雷达(synthetic aperture radar,sar)作为一种主动式微波成像传感器，与光学及高光谱遥感手段相比，sar具备全天时、全天候的成像能力，获得的图像能够反映目标微波散射特性，而且具有一定的穿透性，是获取地物信息的一种重要技术手段。而星载sar以卫星等空间飞行器为运动平台，具备全球观测能力，自1978年美国发射第1颗sar卫星seasat开始，逐渐成为对地观测领域的研究热点，在全球地形测量、环境遥感、自然灾害监测等领域发挥了越来越重要的作用。

2、地球同步轨道sar(geosynchronous synthetic aperture radar，geosar)由于其轨道的特殊性，天然具备高重访宽覆盖的特性，作为一种新体制星载sar，近些年来得到广泛关注和研究。在高轨sar发挥其高重访宽覆盖的过程中，必然涉及到天线波束的控制，大量学者针对高轨sar偏航导引、零多普勒导引、凝视姿态控制进行广泛深入研究。

3、在覆盖区观测的波束控制方面，与低轨sar相比，高轨sar重访周期短、覆盖面广，因此可以利用星地相对运动和天线波束指向控制构成“凝视”成像工作方式，实现对地面固定目标长时间持续性成像观测。但geosar“凝视”成像工作方式合成孔径时间长，存在复杂的非直线相对运动，使得低轨sar一维波束指向控制方法不再完全适用，需要提出新的二维波束指向控制方法。因此学者们针对高轨sar凝视观测的波束控制进行研究，包括相控阵天线体制的天线二维角度控制、反射面天线体制的姿态控制等实现方式，但均集中于单个波束指向特定目标点的研究，而对于高轨sar扫描模式控制方式研究则相对较少。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高轨sar任意方向扫描的区域目标观测方法，该方法解决了两轴姿态控制与天线电扫结合时区域性目标的观测方向受限的问题，可以提高用户对大范围区域性目标的观测需求。

2、本发明的技术解决方案是：一种高轨sar任意方向扫描的区域目标观测方法，包括：

3、结合轨道根数及观测区域中心坐标，根据本次观测任务成像几何，确定可用于成像观测的轨道段；

4、在确定的可用于成像观测的轨道段内，将观测区域中心坐标、观测区边缘坐标、初始天线中心波束指向矢量、初始天线电扫方向矢量，统一至卫星轨道坐标系；

5、根据得到的卫星轨道坐标系下观测区域中心坐标、观测区边缘坐标和初始天线电扫方向矢量，计算得到偏航姿态角；

6、根据得到的卫星轨道坐标系下观测区域中心坐标和偏航姿态角，计算得到俯仰角；

7、根据观测区域中心坐标在绕偏航轴进行偏航机动后坐标系下的坐标和俯仰角，计算得到滚动角；

8、根据观测区域中心坐标、观测区边缘坐标在卫星轨道坐标系下的矢量夹角，确定天线扫描角度范围。

9、所述结合轨道根数及观测区域中心坐标，根据本次观测任务成像几何，确定可用于成像观测的轨道段，包括：

10、设本次观测任务成像几何中入射角范围为[α1,α2]；根据卫星轨道根数与观测区域中心坐标，计算得到卫星与观测区域中心坐标的地心张角β，以及卫星与观测区中心坐标连线偏离卫星星下点方向角度θl，进而得到卫星在当前位置观测目标的入射角为β+θl；当某轨道段入射角满足α1≤β+θl≤α2时，则确定该轨道段可用于进行成像观测。

11、所述在确定的可用于成像观测的轨道段内，将观测区域中心坐标、观测区边缘坐标、初始天线中心波束指向矢量、初始天线电扫方向矢量，统一至卫星轨道坐标系，包括：

12、在卫星轨道坐标系中，设初始天线中心波束与z轴重合，初始天线电扫方向与y轴重合；则观测区域中心坐标在卫星轨道坐标系中的坐标为t1＝[xr1,yr1,zr1]t，观测区边缘坐标的坐标为t2＝[xr2,yr2,zr2]t；所述卫星轨道坐标系中，x轴指向飞行方向，z轴指向地心方向，y轴符合右手法则。

13、所述根据得到的卫星轨道坐标系下观测区域中心坐标、观测区边缘坐标和初始天线电扫方向矢量，计算得到偏航姿态角，包括：

14、设观测区域中心坐标、观测区边缘坐标连线方向的坐标矢量为

15、t12＝[xr12,yr12,zr12]t

16、其中xr12＝xr1-xr2；yr12＝yr1-yr2；zr12＝zr1-zr2；

17、通过姿态的偏航控制使t12与天线电扫方向，即与y轴平行，据此计算得到偏航姿态角θy＝-atan(xr12/yr12)。

18、所述根据得到的卫星轨道坐标系下观测区域中心坐标和偏航姿态角，计算得到俯仰角，包括：

19、计算观测区域中心坐标在绕偏航轴进行偏航机动后坐标系下的坐标，设坐标为[xr1_y,yr1_y,zr1_y]t：

20、

21、通过姿态的俯仰控制使观测区域中心坐标位于天线的电扫平面内，据此得到俯仰角θp＝atan(xr1_y/zr1_y)。

22、所述根据观测区域中心坐标在绕偏航轴进行偏航机动后坐标系下的坐标[xr1_y,yr1_y,zr1_y]t和俯仰角，计算得到滚动角，包括：

23、计算观测区域中心坐标在偏航与俯仰机动后坐标系下的坐标，设坐标为[xr1_yp,yr1_yp,zr1_yp]t：

24、

25、通过姿态的滚动控制使观测区域中心坐标位于天线中心波束指向方向上，据此得到滚动角θr＝atan(yr1_yp/zr1_yp)。

26、所述根据观测区域中心坐标、观测区边缘坐标在卫星轨道坐标系下的矢量夹角，确定天线扫描角度范围，包括：

27、利用卫星轨道坐标系下观测区域中心坐标t1与观测区边缘坐标t2的矢量点积运算，计算得到矢量夹角θrg，则天线扫描角度范围为[-θrg,θrg].

28、所述矢量夹角θrg计算公式为：

29、

30、本发明与现有技术相比的有益效果在于：

31、1)本发明提出的方法可实现用户沿任意方向的观测需求，解决了两轴姿态控制与天线电扫结合时区域性目标的观测方向受限的问题，可以高效解决用户对大范围区域性目标的观测需求。

32、2)利用本发明提出的方法，结合高轨sar成像几何与国土边界范围，通过合理任务规划，可以在2-4天内完成国土全覆盖观测。

技术特征：

1.一种高轨sar任意方向扫描的区域目标观测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种高轨sar任意方向扫描的区域目标观测方法，其特征在于：所述结合轨道根数及观测区域中心坐标，根据本次观测任务成像几何，确定可用于成像观测的轨道段，包括：

3.根据权利要求1所述的一种高轨sar任意方向扫描的区域目标观测方法，其特征在于：所述在确定的可用于成像观测的轨道段内，将观测区域中心坐标、观测区边缘坐标、初始天线中心波束指向矢量、初始天线电扫方向矢量，统一至卫星轨道坐标系，包括：

4.根据权利要求1所述的一种高轨sar任意方向扫描的区域目标观测方法，其特征在于：所述根据得到的卫星轨道坐标系下观测区域中心坐标、观测区边缘坐标和初始天线电扫方向矢量，计算得到偏航姿态角，包括：

5.根据权利要求1所述的一种高轨sar任意方向扫描的区域目标观测方法，其特征在于：所述根据得到的卫星轨道坐标系下观测区域中心坐标和偏航姿态角，计算得到俯仰角，包括：

6.根据权利要求1所述的一种高轨sar任意方向扫描的区域目标观测方法，其特征在于：所述根据观测区域中心坐标在绕偏航轴进行偏航机动后坐标系下的坐标[xr1_y,yr1_y,zr1_y]t和俯仰角，计算得到滚动角，包括：

7.根据权利要求1所述的一种高轨sar任意方向扫描的区域目标观测方法，其特征在于：所述根据观测区域中心坐标、观测区边缘坐标在卫星轨道坐标系下的矢量夹角，确定天线扫描角度范围，包括：

8.根据权利要求7所述的一种高轨sar任意方向扫描的区域目标观测方法，其特征在于：所述矢量夹角θrg计算公式为：

技术总结
本发明公开了一种高轨SAR任意方向扫描的区域目标观测方法，包括：结合轨道根数及观测区域中心坐标，确定可用于成像观测的轨道段；在确定的可用于成像观测的轨道段内，将观测区域中心坐标、观测区边缘坐标、初始天线中心波束指向矢量、初始天线电扫方向矢量，统一至卫星轨道坐标系；计算得到偏航姿态角、俯仰角以及滚动角；根据观测区域中心坐标、观测区边缘坐标在卫星轨道坐标系下的矢量夹角，确定天线扫描角度范围。本发明针对用户对高轨SAR任意方向扫描观测的需求，提出了一种平台三轴姿态机动与天线一维电扫相结合的解决方案，可以实现高轨SAR卫星任意方向观测区的扫描观测。

技术研发人员：李光廷,聂世康,陈一波,刘鑫,林晨晨
受保护的技术使用者：西安空间无线电技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/11/7