基于敏捷合成孔径雷达卫星姿态机动的马赛克模式实现方法技术

本发明专利技术提供了一种基于敏捷合成孔径雷达卫星姿态机动的马赛克模式实现方法，包括：计算实现马赛克模式成像所需的总体参数；对马赛克模式成像的图像的中间子成像块的参数进行计算；基于中间子成像模块，逐渐增加子成像块并对其参数进行计算，直至获得的图像的方位向成像范围满足需求。因此，本发明专利技术充分考虑精确的轨道和地球模型，根据马赛克模式需求性能指标和成像几何设计敏捷SAR卫星的瞄准点和工作时序，通过整星的横滚和俯仰机动得到成像所需的波束指向，通过整星的偏航机动控制雷达波束地面足印方向，通过电扫描实现距离向波束快速切换。保证了马赛克模式不同子成像块之间的无缝拼接，提供了一种经济、高效的实现途。

Mosaic mode implementation of satellite attitude maneuver based on agile SAR

The invention provides a mobile mosaic mode implementation method, agile synthetic aperture radar satellite attitude which is based on a calculation of overall parameters required to realize mosaic mode imaging; calculate the parameters of intermediate sub block of the image mosaic imaging mode imaging; intermediate sub imaging module based on sub block image gradually increased and the parameters of calculate, until the obtained image azimuth imaging range to meet the demand. Therefore, the invention fully consider the precise orbit and the earth model, according to the requirements of the performance index and mosaic mode imaging geometry design of agile SAR satellite aiming point and timing of work through the entire star roll and pitching beam required for imaging of the point, the yaw maneuver control of satellite ground radar beam footprint direction. Through the electric scanning distance to fast switching beam. It ensures seamless splicing between different sub imaging blocks of mosaic pattern, and provides an economical and efficient way to realize the mosaic.

【技术实现步骤摘要】
基于敏捷合成孔径雷达卫星姿态机动的马赛克模式实现方法
本专利技术涉及一种基于敏捷合成孔径雷达(以下简称为SAR)卫星姿态机动的马赛克模式实现方法，尤其适用于采用集中馈电的反射面体制敏捷SAR卫星实现马赛克模式.
技术介绍
马赛克模式是一种新兴的SAR工作体制，它距离向通过天线波束在不同子测绘带之间切换实现宽测绘带成像，方位向通过波束反向扫描实现高分辨率成像，它的工作原理如图1所示.马赛克模式结合了ScanSAR模式宽测绘带和聚束模式高分辨率的特点，所以马赛克模式也被称为聚束版的ScanSAR。敏捷SAR卫星依靠姿态控制系统控制卫星整体绕俯仰、横滚、偏航3个轴向摆动，实现马赛克模式成像所需的方位向波束扫描，而马赛克模式成像所需的距离向波束快速切换由天线系统有限的电扫描能力实现。UryNaftaly和RonitLevy-Nathansohn在IEEEGeoscienceandRemoteSensingLetters上发表了《OverviewoftheTECSARsatellitehardwareandMosaicmode》一文，对马赛克模式的原理进行了介绍，同时给出了马赛克模式子测绘带全分辨率图像连续的基本条件。刘光炎和孟喆在微波学报上发表了《合成孔径雷达Mosaic模式系统性能分析》一文，对马赛克模式的基本原理和频谱特性进行了一定的分析.韩晓磊、李世强等在宇航学报上发表的《基于敏捷卫星平台的星载SARMosaic模式研究》一文，对基于敏捷卫星平台的星载SAR马赛克模式系统设计方法和性能进行了分析。但上述分析均是在小扫描角基础上进行的，没有充分考虑精确的轨道和地球模型，并且未在马赛克模式的系统需求与卫星的姿态角之间建立直接的联系，更为重要的是完全没有考虑轨道弯曲和姿态机动造成的波束足印旋转对拼接的影响，不适用于需要大扫描范围的高分宽幅马赛克模式.通过敏捷SAR卫星实现高性能指标的马赛克模式时，需要较长的成像时间，期间卫星的运动轨迹不能简化为直线，存在弯曲，导致波束地面足印发生旋转。此外，该模式还需要较大的整星姿态机动范围，同样导致波束地面足印发生大角度旋转。马赛克模式不同子测绘带之间的切换通过电扫描实现，而这种扫描一般仅能在波束地面足印方向进行(如图2所示)。这时波束地面足印的旋转导致子测绘带间切换仅能沿不同的倾斜方向进行，最终导致马赛克模式整体图像呈现倒梯形，且方位向存在间隙，不能实现无缝拼接(如图3所示)。因此，需要在高精度卫星轨道和地球模型的基础上，充分考虑波束指向和地面足印的旋转问题，通过控制卫星的姿态使马赛克模式不同子成像块沿相同的方向排布和切换，实现马赛克模式成像区域无缝拼接，得到高分辨率宽测绘带星载SAR图像.
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题以及克服现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于敏捷SAR卫星姿态机动的马赛克模式实现方法，该方法依靠敏捷SAR卫星姿态控制系统控制卫星整体绕俯仰、横滚、偏航3个轴向摆动，实现马赛克模式成像所需的方位向波束扫描，并依靠天线系统有限的电扫描能力实现马赛克模式成像所需的距离向波束快速切换.该方法充分考虑精确的轨道和地球模型，根据马赛克模式需求性能指标和成像几何设计敏捷SAR卫星的瞄准点和工作时序，通过整星的横滚和俯仰机动得到成像所需的波束指向，通过整星的偏航机动控制雷达波束地面足印方向，通过电扫描实现距离向波束快速切换。保证了马赛克模式不同子成像块之间的无缝拼接，为基于卫星平台姿态机动实现高分辨率宽测绘带星载SAR马赛克模式成像提供一种经济、高效的实现途径。本专利技术提出的基于敏捷SAR卫星姿态机动的马赛克模式实现方法包含三个主要步骤，分别为总体参数计算、中间子成像块参数计算、其他子成像块参数递推计算.具体如下：步骤1——总体参数计算1.1计算使成像场景中心回波信号多普勒中心为零的中心时刻根据星历数据和场景中心坐标，计算星载SAR场景中心回波信号的多普勒频率，再将多普勒中心为零的时刻确定为成像中心时刻。1.2计算中心时刻波束指向场景中心时的参考足印方向向量将中心时刻雷达波束指向场景中心时的波束地面足印方向矢量确定为其他所有子成像块的波束地面足印参考方向向量.1.3计算所需子测绘带数根据星历数据、成像场景位置确定成像几何关系，确定达到需求成像范围所需的子测绘带数.步骤2——中间子成像块参数计算2.1计算中间子成像块成像时间根据成像几何和需求分辨率，计算中间子成像块所需的成像时间。2.2计算中间子成像块波束地面足印移动距离根据成像拼接条件，确定中间子成像块波束地面足印移动距离。2.3确定中间子成像块瞄准点与瞄准时序规划根据中间子成像块场景中心位置，沿参考足印方位向平均分配足印移动距离.并按保证地面足印匀速运动的准则，为成像时间平均分配不同的瞄准点，使瞄准点和成像时间一一对应，完成中间子成像块瞄准点和时序规划.2.4计算实现波束指向所需的横滚角和俯仰角根据波束地面足印方向、成像瞄准点和时序，结合星历数据，计算满足指向需求的横滚角和俯仰角。2.5将参考足印方向向量变换到轨道坐标系下根据星历数据，将参考波束地面足印方向向量变换到轨道坐标系下。2.6利用得到的横滚角和俯仰角计算中间向量根据得到的横滚角和俯仰角，以及轨道坐标系下的波束地面足印方向向量，计算波束地面足印方向向量由轨道坐标系向星本体坐标系转化的中间向量。2.7利用中间向量计算需求偏航角通过控制后的波束地面足印方向向量与期望波束地面足印方向向量相等构建方程，计算需求偏航角。2.8计算方位向成像范围利用计算得到的姿态角信息、星历数据和地面足印移动距离等，计算得到的中间子成像块方位向有效长度。步骤3——其他子成像块参数递推计算本部分通过递推计算得到马赛克模式所有子成像块参数，其中前一个子成像块的计算结果将作为下一个子成像块计算的输入参数，直到方位向成像范围满足需求为止。3.1增加一组子成像块马赛克模式需要进行方位向拼接，因此，当中间子成像块参数计算完成后，增加一组子成像块，通过后续步骤计算相应参数。3.2计算边界位置波束瞄准点根据前一子成像块设计结果，计算该子成像块的起始时刻或结束时刻瞄准点。3.3计算子成像块成像时间根据成像几何和需求分辨率，计算本子成像块的成像时间。3.4计算子成像块波束地面足印移动距离根据成像拼接条件，计算本子成像块波束足印移动距离。3.5确定子成像块瞄准点与瞄准时序规划根据边界位置波束瞄准点和波束地面足印移动距离，完成本子成像块瞄准点和时序规划。3.6计算实现波束指向所需的横滚角和俯仰角与步骤2.4采用相同的方法，计算所需的横滚角和俯仰角。3.7将参考足印方向向量变换到轨道坐标系下与步骤2.5采用相同的方法，将参考足印方向向量变换到轨道坐标系下。3.8利用横滚角和俯仰角计算中间向量与步骤2.6采用相同的方法，利用横滚角和俯仰角计算中间向量。3.9利用中间向量计算需求偏航角与步骤2.7采用相同的方法，利用中间向量计算需求偏航角.3.10计算方位向成像范围利用得到的姿态角信息、星历数据和地面足印移动距离等，计算该子成像块方位向有效长度。再通过累加计算得到方位向总长度。3.11判断是否满足成像范围需求判断方位向总长度是否满足需求，如未达到需求，增加一组子成像块，重新执行步骤3，直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于敏捷合成孔径雷达卫星姿态机动的马赛克模式实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，计算实现马赛克模式成像所需的总体参数；步骤二，对所述马赛克模式成像的图像的中间子成像块的参数进行计算；步骤三，基于所述中间子成像模块，逐渐增加子成像块并对其参数进行计算，直至获得的图像的方位向成像范围满足需求。

【技术特征摘要】
1.一种基于敏捷合成孔径雷达卫星姿态机动的马赛克模式实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，计算实现马赛克模式成像所需的总体参数；步骤二，对所述马赛克模式成像的图像的中间子成像块的参数进行计算；步骤三，基于所述中间子成像模块，逐渐增加子成像块并对其参数进行计算，直至获得的图像的方位向成像范围满足需求。2.根据权利要求1所述的基于敏捷合成孔径雷达卫星姿态机动的马赛克模式实现方法，其特征在于，所述步骤一包括：计算所述马赛克模式的成像场景中心的回波信号多普勒中心为零的成像中心时刻；计算雷达波束在所述成像中心时刻指向所述成像场景中心时的参考足印方向向量；以及确定达到所述马赛克模式的成像范围所需的子测绘带数。3.根据权利要求2所述的基于敏捷合成孔径雷达卫星姿态机动的马赛克模式实现方法，其特征在于，在所述步骤一中，根据星历数据和成像场景的中心坐标，计算所述成像场景中心的所述回波信号的多普勒效率，并将所述多普勒中心为零的时刻确定为所述成像中心时刻，将所述雷达波束在所述成像中心时刻指向所述成像场景中心时的波束地面足印方向向量确定为其它所有子成像块的参考波束地面足印参考方向向量，根据星历数据、所述成像场景的位置，确定成像几何关系，从而确定达到需求成像范围所需的所述子测绘带数。4.根据权利要求3所述的基于敏捷合成孔径雷达卫星姿态机动的马赛克模式实现方法，其特征在于，所述步骤二包括：计算所述中间子成像块的成像时间；计算所述中间子成像块的波束地面足印移动距离；确定所述中间子成像块的瞄准点与瞄准时序规划；计算实现波束指向所需的横滚角和俯仰角；将所述参考足印方向向量变换到轨道坐标系下；计算所述波束地面足印方向向量转化的中间向量；利用所述中间向量，计算需求偏杭角；以及计算所述中间子成像块的方位向成像范围。5.根据权利要求4所述的基于敏捷合成孔径雷达卫星姿态机动的马赛克模式实现方法，其特征在于，在所述步骤二中，根据所述成像几何关系和需求的分辨率，计算所述中间子成像块所需的成像时间，根据成像拼接条件，确定所述中间子成像块的波束地面足印移动距离，根据所述中间子成像块的场景中心位置，沿参考足印方位向平均分配的足印移动距离，并在地面足印匀速运动的情况下，为所述成像时间平均分配不同的瞄准点，以使所述瞄准点与所述成像时间一一对应，从而完...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩晓磊，张庆君，刘杰，李世强，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