超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，适用于通过整星姿态机动实现超高分辨率成像的SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计，属于SAR卫星总体设计技术领域。本发明专利技术充分考虑了精确的轨道、地球模型和系统限制因素，以及滑动聚束模式成像工作特点，给出了一种超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，为超高分辨率星载SAR成像提供了一种经济、高效的实现方式。本发明专利技术采用匀波束足印地面滑动速度的准则，设计整个成像时间内所有时刻的地面瞄准点，并计算瞬时时刻的姿态需求、PRF等参数，相对传统根据远离地面虚拟瞄准点的方式计算上述参数的方法，具有更高的精度和成像效率。

Parameter design method for ultra high resolution agile SAR satellite sliding spotlight mode system

The present invention relates to an ultra high resolution SAR satellite agile sliding spotlight mode system parameter design method is applied through the whole satellite attitude maneuver SAR satellite ultra high resolution imaging of the sliding spotlight mode system parameter design, belonging to the SAR satellite system design technology. The invention fully considers the precise orbit, earth model and system constraints, and the sliding spotlight mode imaging characteristics, gives an ultra high resolution SAR satellite agile sliding spotlight mode system parameter design method for high resolution spaceborne SAR imaging provides an effective way to realize economic. The invention adopts uniform beam footprint ground sliding velocity criterion, all the time to design the whole imaging time of the ground in the aiming point, and calculate the attitude of demand, the instantaneous parameters such as PRF, compared with the traditional method based on virtual aiming point away from the ground the way of calculating the above parameters, with higher accuracy and efficiency of image formation.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，适用于通过整星姿态机动实现超高分辨率成像的SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计，属于SAR卫星总体设计
，所述的超高分辨率是指SAR卫星的分辨率优于0.4m，即小于0.4m。
技术介绍
滑动聚束模式是一种新颖的SAR工作模式，它通过控制天线波束扫描速度，减缓天线波束足印地面滑动速度，增加成像点的合成孔径时间，实现高分辨率成像。滑动聚束模式的方位向成像范围大于传统聚束模式，方位向的分辨率低于传统聚束模式，滑动聚束模式可以通过控制波束扫描速度，实现分辨率和方位向成像范围之间的折中权衡。在滑动聚束模式中，由于天线辐照区在地面上移动，成像区域内的目标被完整的天线方向图加权，这消除了系统性能指标的方位向起伏，使滑动聚束能像条带模式一样得到方位向均匀的图像产品。目前，滑动聚束模式已经广泛应用到先进的机载SAR系统中，此外它也在德国的TerraSAR-X卫星上得到成功应用。现有的星载滑动聚束模式都具有正侧视、小扫描范围的特点，比如TerraSAR-X卫星的滑动聚束模式方位向扫描范围在±0.75°范围内。正因如此，现有的星载SAR滑动聚束模式系统参数设计时，可以在星地几何模型中假设虚拟远离成像区的旋转中心，借此设计相关参数。德宇航Josef Mittermayer等在2003年国际地球科学与遥感大会(IGARSS 2003)上发表了《Sliding spotlight SAR processing for TerraSAR-X using a new formulation of the extended chirp scaling algorithm》一文，根据虚拟旋转中心原理和平直星地几何关系，给出了星载滑动聚束模式起始扫描角、结束扫描角、成像时间等参数计算方法，并成功应用于TerraSAR-X卫星。但该方法几何精度不足，且通过近似的虚拟转动中心方式计算系统参数，仅适用于小扫描情况，对于超高分辨率星载SAR滑动聚束模式不适用。电子所吕继宇等发展了上述方法，提出了一种星载合成孔径雷达滑动聚束方位向参数获取方法，并申请了专利(专利申请号：201410041182.7)。该方法仍是根据虚拟旋转中心原理和平直星地几何关系进行计算，精度不适合高分辨率SAR卫星。此外，利用敏捷SAR卫星实现超高分辨率滑动聚束模式成像时，需要给出需求的卫星姿态角度，上述两种方法均不适用。最后，超高分辨率星载SAR滑动聚束模式回波信号距离徙动大，造成PRF选择困难，上述方法不能解决此类问题。敏捷SAR卫星通过整星姿态机动实现超高分辨率滑动聚束模式成像，传统通过虚拟旋转中心原理和平直星地几何关系计算方位参数的方法，不能满足高分辨率滑动聚束模式成像需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提出超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，该方法充分考虑精确的轨道、地球模型和系统限制因素，进行相关系统指标设计；将成像场景中心位置回波多普勒频率为零时刻设置为成像中心时刻，保证成像过程中回波多普勒中心频率绝对值最小；根据匀波束足印地面滑动速度的准则，设计方位向不同时刻的地面瞄准点；根据成像中心时刻星历几何关系，确定波束足印地面滑动速度；根据瞬时时刻瞄准点和卫星坐标，利用矢量方法得到所需的姿态角；根据瞬时时刻的回波多普勒范围和时间范围选择此刻的PRF，克服超高分辨率滑动聚束模式回波信号大距离徙动造成的发射脉冲干扰问题；根据处理带宽范围确定性能分析点是否在有效照射范围内，再统计整个成像时间内的照射时间和对应的多普勒调频率，进而得到准确的方位分辨率评估值；通过减缓波束足印地面滑动速度，提高方位向分辨率，直到满足分辨率需求；通过增加总成像时间，增加方位向覆盖范围，直到满足图像长度需求。本专利技术为敏捷SAR卫星基于整星机动和变重频技术实现超高分辨率成像提供一种全面、准确的参数设计和实现方法。。本专利技术的技术解决方案是：超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，该方法的步骤包括：(1)确定SAR卫星在地面上的成像场景中心位置以及确定SAR卫星的位置、速度和加速度；根据SAR卫星成像任务需求，确定SAR卫星在地面上的成像场景中心位置，根据SAR卫星的轨道参数，确定不同星历时刻的SAR卫星位置、速度和加速度；(2)计算不同星历时刻位于步骤(1)中成像场景中心位置的目标的回波多普勒频率根据步骤(1)中得到的SAR卫星位置、速度和加速度，以及成像场景中心位置的坐标，计算不同星历时刻位于步骤(1)中成像场景中心位置的目标回波多普勒频率fdc，计算方法如式(1)所示： f d c = - 2 λ ( R s → - R t → ) · ( V s → - V t → ) R s t - - - ( 1 ) ]]>其中，为地心惯性坐标系下卫星的位置矢量，为地心惯性坐标系下成像场景中心的位置矢量，为地心惯性坐标系下卫星的速度矢量，为地心惯性坐标系下位于成像场景中心的目标的速度矢量，λ为载波波长，Rst为卫星与位于成像场景中心的目标之间的距离；根据上式可以得到所有星历时刻的位于成像场景中心目标的回波多普勒频率；(3)确定成像中心时刻寻找步骤(2)中得到的位于成像场景中心目标的回波多普勒频率为零的星历时刻，将其确定为SAR卫星成像中心时刻；(4)计算步骤(3)中SAR卫星成像中心时刻，卫星到位于成像场景中心目标的斜距根据成像中心时刻卫星位置坐标和位于成像场景中心目标位置坐标，计算成像中心时刻卫星到位于成像场景中心目标的斜距；(5)计算成像中心时刻多普勒调频率根据步骤(1)得到的卫星位置、速度及加速度，以及成像场景中心位置，计算成像中心时刻位于成像场景中心位置的目标的回波多普勒调频率fa，计算方法如式(2)所示： f a = - 本文档来自技高网...

【技术保护点】
超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于该方法的步骤包括：(1)确定SAR卫星在地面上的成像场景中心位置以及确定SAR卫星的位置、速度和加速度；根据SAR卫星成像任务需求，确定SAR卫星在地面上的成像场景中心位置，根据SAR卫星的轨道参数，确定不同星历时刻的SAR卫星位置、速度和加速度；(2)计算不同星历时刻位于步骤(1)中成像场景中心位置的目标的回波多普勒频率；根据步骤(1)中得到的SAR卫星位置、速度和加速度，以及成像场景中心位置的坐标，计算不同星历时刻位于步骤(1)中成像场景中心位置的目标回波多普勒频率fdc；(3)确定成像中心时刻；寻找步骤(2)中得到的位于成像场景中心目标的回波多普勒频率为零的星历时刻，将其确定为SAR卫星成像中心时刻；(4)计算步骤(3)中SAR卫星成像中心时刻，卫星到位于成像场景中心目标的斜距；根据成像中心时刻卫星位置坐标和位于成像场景中心目标位置坐标，计算成像中心时刻卫星到位于成像场景中心目标的斜距；(5)计算成像中心时刻多普勒调频率；根据步骤(1)得到的卫星位置、速度及加速度，以及成像场景中心位置，计算成像中心时刻位于成像场景中心位置的目标的回波多普勒调频率fa；(6)计算合成孔径时间；根据步骤(5)计算得到的位于成像场景中心位置的目标的回波多普勒调频率，和期望的方位向分辨率，计算方位向合成孔径时间Ts；(7)计算SAR卫星波束足印地面滑动速度；根据步骤(6)计算得到的合成孔径时间Ts及SAR卫星波束地面投影长度，计算得到波束足印地面滑动速度Vf；(8)计算总成像时间；根据步骤(7)计算得到的波束足印地面滑动速度和期望的SAR卫星方位成像场景范围，计算SAR卫星方位向总成像时间Tall；(9)确定方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点；根据步骤(3)得到的中心时刻、步骤(8)得到的总成像时间、步骤(7)得到的地面波束足印滑动速度、步骤(1)确定的成像场景中心位置，按等波束地面足印移动速度规律，确定方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点；(10)布置性能分析采样点；在成像场景内沿二维方向均匀布置性能分析采样点；(11)计算成像所需卫星姿态；根据步骤(1)中得到的卫星位置、速度以及步骤(9)得到的方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点，计算卫星所有成像时刻瞬时成像所需姿态；首先根据SAR卫星和地面瞄准点在轨道系下的坐标，计算期望的波束指向向量；再根据SAR卫星和地球中心在轨道系下的坐标，计算起始波束指向向量；得到卫星所有成像时刻瞬时成像所需卫星姿态如式(6)和(7)所示：e→=VSL→×VST→|VSL→×VST→|---(6)]]>Φ=arccos(VSL→·VST→|VSL→|·|VST→|)---(7)]]>其中，×为向量积，·为标量积，为欧拉轴，Φ为欧拉角，为起始波束指向向量的向量长度，为起始波束指向向量，为期望波束指向向量的向量长度；为期望波束指向向量；然后再将上述姿态转换到期望的表示形式，如期望的形式为任意转序的欧拉角或四元数；(12)计算瞬时回波时间范围；根据步骤(1)中得到的卫星位置以及已知的卫星的天线波束宽度，确定卫星波束覆盖范围；计算卫星到卫星波束覆盖范围内各个点的斜距，再根据得到的各个点的斜距变化范围，计算瞬时回波时间范围；(13)计算瞬时回波多普勒频率范围；根据步骤(1)中得到的卫星位置、速度以及步骤(12)得到的卫星波束覆盖范围，计算卫星波束覆盖范围内各个点上目标瞬时回波的多普勒频率，最终确定卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围；所述的计算卫星波束覆盖范围内各个点上目标回波的多普勒频率的计算方法同步骤(2)，其不同点在于步骤(2)中的目标位于成像场景中心，该步骤中的目标位于卫星波束覆盖范围内各个点；(14)确定PRF选择范围；根据步骤(13)计算得到的卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围，确定SAR卫星脉冲重复频率选择下限PRFmin，根据SAR卫星能力即SAR卫星的脉冲重复频率的最高值，给定SAR卫星脉冲重复频率选择上限PRFmax；所述的SAR卫星脉冲重复频率选择下限的确定方法如式(8)所示：PRFmin＝KaBas  (8)其中Ka为需求方位向过采样率，Bas为卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围；所述的SAR卫星脉冲重复频率选择上限PRFmax不高于SAR卫星的脉冲重复频率的最高值；(15)计算发射脉冲干扰时间；在SAR卫...

【技术特征摘要】
1.超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计方法，其特征在于该方法的步骤包括：(1)确定SAR卫星在地面上的成像场景中心位置以及确定SAR卫星的位置、速度和加速度；根据SAR卫星成像任务需求，确定SAR卫星在地面上的成像场景中心位置，根据SAR卫星的轨道参数，确定不同星历时刻的SAR卫星位置、速度和加速度；(2)计算不同星历时刻位于步骤(1)中成像场景中心位置的目标的回波多普勒频率；根据步骤(1)中得到的SAR卫星位置、速度和加速度，以及成像场景中心位置的坐标，计算不同星历时刻位于步骤(1)中成像场景中心位置的目标回波多普勒频率fdc；(3)确定成像中心时刻；寻找步骤(2)中得到的位于成像场景中心目标的回波多普勒频率为零的星历时刻，将其确定为SAR卫星成像中心时刻；(4)计算步骤(3)中SAR卫星成像中心时刻，卫星到位于成像场景中心目标的斜距；根据成像中心时刻卫星位置坐标和位于成像场景中心目标位置坐标，计算成像中心时刻卫星到位于成像场景中心目标的斜距；(5)计算成像中心时刻多普勒调频率；根据步骤(1)得到的卫星位置、速度及加速度，以及成像场景中心位置，计算成像中心时刻位于成像场景中心位置的目标的回波多普勒调频率fa；(6)计算合成孔径时间；根据步骤(5)计算得到的位于成像场景中心位置的目标的回波多普勒调频率，和期望的方位向分辨率，计算方位向合成孔径时间Ts；(7)计算SAR卫星波束足印地面滑动速度；根据步骤(6)计算得到的合成孔径时间Ts及SAR卫星波束地面投影长度，计算得到波束足印地面滑动速度Vf；(8)计算总成像时间；根据步骤(7)计算得到的波束足印地面滑动速度和期望的SAR卫星方位成像场景范围，计算SAR卫星方位向总成像时间Tall；(9)确定方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点；根据步骤(3)得到的中心时刻、步骤(8)得到的总成像时间、步骤(7)得到的地面波束足印滑动速度、步骤(1)确定的成像场景中心位置，按等波束地面足印移动速度规律，确定方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点；(10)布置性能分析采样点；在成像场景内沿二维方向均匀布置性能分析采样点；(11)计算成像所需卫星姿态；根据步骤(1)中得到的卫星位置、速度以及步骤(9)得到的方位向所有成像时刻SAR卫星波束地面瞄准点，计算卫星所有成像时刻瞬时成像所需姿态；首先根据SAR卫星和地面瞄准点在轨道系下的坐标，计算期望的波束指向向量；再根据SAR卫星和地球中心在轨道系下的坐标，计算起始波束指向向量；得到卫星所有成像时刻瞬时成像所需卫星姿态如式(6)和(7)所示： e → = V S L → × V S T → | V S L → × V S T → | - - - ( 6 ) ]]> Φ = arccos ( V S L → · V S T → | V S L → | · | V S T → | ) - - - ( 7 ) ]]>其中，×为向量积，·为标量积，为欧拉轴，Φ为欧拉角，为起始波束指向向量的向量长度，为起始波束指向向量，为期望波束指向向量的向量长度；为期望波束指向向量；然后再将上述姿态转换到期望的表示形式，如期望的形式为任意转序的欧拉角或四元数；(12)计算瞬时回波时间范围；根据步骤(1)中得到的卫星位置以及已知的卫星的天线波束宽度，确定卫星波束覆盖范围；计算卫星到卫星波束覆盖范围内各个点的斜距，再根据得到的各个点的斜距变化范围，计算瞬时回波时间范围；(13)计算瞬时回波多普勒频率范围；根据步骤(1)中得到的卫星位置、速度以及步骤(12)得到的卫星波束覆盖范围，计算卫星波束覆盖范围内各个点上目标瞬时回波的多普勒频率，最终确定卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围；所述的计算卫星波束覆盖范围内各个点上目标回波的多普勒频率的计算方法同步骤(2)，其不同点在于步骤(2)中的目标位于成像场景中心，该步骤中的目标位于卫星波束覆盖范围内各个点；(14)确定PRF选择范围；根据步骤(13)计算得到的卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围，确定SAR卫星脉冲重复频率选择下限PRFmin，根据SAR卫星能力即SAR卫星的脉冲重复频率的最高值，给定SAR卫星脉冲重复频率选择上限PRFmax；所述的SAR卫星脉冲重复频率选择下限的确定方法如式(8)所示：PRFmin＝KaBas (8)其中Ka为需求方位向过采样率，Bas为卫星波束覆盖范围内目标瞬时回波的多普勒频率变化范围；所述的SAR卫星脉冲重复频率选择上限PRFmax不高于SAR卫星的脉冲重复频率的最高值；(15)计算发射脉冲干扰时间；在SAR卫星脉冲重复频率变化范围内，根据给定SAR卫星发射脉冲宽度和保护时间宽度，逐点计算发射脉冲干扰时间Tinter，计算方法如式(9)所示：N*PRI-Trp≤Tinter≤N*PRI+Tp+Trp (9)其中，PRI为脉冲重复周期即为PRF的倒数，Tp为发射脉冲宽度，Trp保护时间宽度，N为发射接收脉冲延迟数；(16)计算星下点回波干扰时间；在SAR卫星脉冲重复频率变化范围内，根据SAR卫星发射脉冲宽度、保护时间宽度和瞬时星下点高度，逐点计算星下点回波干扰时间Tnadir；(17)选择瞬时PRF值；根据步骤(12)计算得到的瞬时回波时间范围和步骤(14)确定的PRF选择范围，在避开步骤(15)中发射脉冲干扰时间和步骤(16)中星下点回波干扰时间的情况下，按照需求选择合适的瞬时PRF值；(18)确定方位向处理带宽范围；根据步骤(13)计算得到的瞬时多普勒频率变化范围，和给定的方位向处理带宽，确定瞬时方位有用的带宽f范围；(19)计算性能分析采样点回波多普勒频率；根据卫星瞬时位置和瞬时速度，以及步骤(10)布置好的性能分析采样点坐标，计算采样点回波的多普勒频率，所述的采样点回波的多普勒频率的计算方法同步骤(2)，其不同点在于步骤(2)中的目标位于成像场景中心，该步骤中的目标为采样点；(20)判断是否在处理带宽范围内；判断步骤(19)计算的采样点的回波多普勒频率是否在步骤(18)确定的方位向处理带宽范围内，并将判断结果进行记录；上面步骤(11)-步骤(20)计算的均为某一时刻的卫星的各个相应的参数，采用相同的方法计算步骤(8)中总成像时间内所有时刻的卫星的各个相应的参数；(21)统计性能分析采样点照射时间和性能分析采样点多普勒调频率；统计性能分析采样点的有效成像时间和性能分析采样点的多普勒调频率；所述的性能分析采样点的多普勒调频率的计算方法同步骤(5)，其不同点在于步骤(5)中的目标位于成像场景中心，该步骤中的目标为性能分析采样点；(22)计算方位向分辨率；根据步骤(21)得到的性能分析采样点照射时间和和性能分析采样点多普勒调频率，获得性能分析采样点的方位向分辨率ρa；(23)判断是否达到分辨率需求；判断步骤(22)得到的所有性能分析采样点的方位向分辨率是否都达到设定的要求值，如能达到，进入步骤(24)；如不能达到，减慢波束足印滑动速度，重新自步骤(7)开始执行，即将步骤(7)中计算得到的波束足印地面滑动速度Vf减去一个给定值代替步骤(7)中计算得到的Vf，然后进入步骤(8)，直到性能分析采样点的方位向分辨率小于等于设定的要求值；(24)确定方位向覆盖范围；根据步骤(1)得到的卫星位置和步骤(11)得到的卫星姿态，获取方位向成像覆盖范围；(25)判断是否达到覆盖需求；判断步骤(24)得到的卫星方位向覆盖范围是否达到设定的方位向覆盖范围，如能达到，则超高分辨率敏捷SAR卫星滑动聚束模式系统参数设计符合要求；如不能达到，增加总成像时间，重新自步骤(8)开始执行，即将步骤(8)中计算得到的总成像时间Tall加上一个给定值代替步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩晓磊，张庆君，刘杰，张润宁，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京;11