敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法技术

本发明专利技术提出了一种敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法，在聚束模式工作时包括：对雷达波束的地面瞄准点和成像时序进行规划；根据所规划的成像时序，对所述雷达波束的姿态机动需求信息进行粗算；将粗算获得的姿态机动需求信息作为初始信息进行精算以完成最终的姿态机动需求计算。因此，本发明专利技术考虑了雷达波束离轴角的影响，适用于包含任意离轴角的敏捷SAR卫星聚束模式姿态机动需求计算，也可应用于机械扫描和电扫描联合实现的SAR卫星聚束模式姿态机动需求计算，得到满足精度要求的需求姿态，能够适用于天线安装于星体任何位置的敏捷SAR卫星聚束模式姿态机动需求计算。

Calculation method of attitude maneuver requirement for agile SAR satellite spotlight mode

The invention provides a method for calculating the agile spotlight mode synthetic aperture radar satellite attitude maneuver needs, including in the spotlight at work: on the radar beam ground aiming point and imaging timing planning; according to the imaging sequence planning of attitude maneuver, demand information of the radar beam was put; rough count information obtained as the initial maneuver demand information to complete the actuarial calculation of final demand attitude maneuver. Therefore, the invention considers the effect of the axial angle from the radar beam, suitable for containing arbitrary axial angle from agile SAR satellite attitude maneuver spotlight mode computing needs, can also be applied to SAR satellite mechanical and electrical scan combined with the spotlight mode attitude maneuver get computing needs, meet the accuracy requirements of the requirement of attitude, can Application of SAR satellite antenna installed on the agile star anywhere in the spotlight mode attitude maneuver demand calculation.

【技术实现步骤摘要】
敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法
本专利技术涉及一种敏捷合成孔径雷达(以下简称为SAR)卫星聚束模式姿态机动需求计算方法，尤其适用于天线相位中心偏离星本体，并采用集中馈电的反射面体制进行敏捷SAR卫星聚束模式姿态机动需求计算.
技术介绍
聚束模式是一种常用的高分辨率星载SAR工作模式，通过雷达波束扫描使波束中心始终瞄准地面固定点，从而使成像区域始终处于雷达波束的照射之下，延长了合成孔径时间，实现了方位向高分辨率成像。敏捷SAR卫星有效载荷固定在卫星上，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SAR成像所需的波束扫描。敏捷SAR卫星具有较高的灵活性和成像能力，能高效地实现高分辨率聚束模式成像。星载SAR与光学成像机理不同，例如，SAR需侧视成像、SAR天线具备波束扫描能力以及SAR对相位误差敏感等，导致光学遥感卫星中的姿态机动指标参数计算方法不适用于SAR卫星。上海航天控制技术研究所的汪礼成等人在2013年高分辨率对地观测学术年会上发表了《对地聚束成像SAR卫星姿态控制技术研究》一文，对聚束模式下SAR卫星的姿态跟踪机动规律进行了研究，但未考虑雷达天线相位中心偏离星本体坐标系原点，和雷达天线波束指向偏离星本体坐标系坐标轴的情况。题为“一种基于SAR卫星姿态控制实现滑动聚束模式的方法”的专利技术专利(北京航空航天大学，陈杰等，申请号为CN103076607)提出了一种基于SAR卫星姿态控制实现滑动聚束模式的方法，但这种方法是针对滑动聚束模式而非聚束模式设计的，同时它也不能适应雷达天线相位中心偏离星本体坐标系原点，和雷达天线波束指向偏离星本体坐标系坐标轴的情况，不适用于高分辨率聚束模式敏捷SAR卫星。因而，敏捷SAR卫星聚束模式分辨率高，对雷达波束指向的精度要求提高，需要在高精度卫星轨道和地球模型的基础上，充分考虑雷达天线相位中心偏离星本体坐标系原点，和雷达天线波束指向偏离星本体坐标系坐标轴的影响，设计精确的敏捷SAR卫星聚束模式姿态需求计算方案。
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迭代计算的敏捷SAR卫星聚束模式姿态机动指标参数计算方案，能适应SAR天线在星体上各种不同的安装位置，并充分考虑可能存在的波束离轴角，得到准确的敏捷SAR卫星聚束模式成像所需的姿态指标参数，为基于卫星平台姿态机动实现高分辨率星载SAR成像提供支撑.本专利技术提供了一种敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法，包含以下三个主要步骤：瞄准点和时序规划、需求姿态角粗算和需求姿态角精算。步骤1——瞄准点和时序规划1.1)聚束模式工作时雷达波束中心始终瞄准地面待观测场景的几何中心，选择该几何中心作为地面瞄准点.1.2)根据瞄准点坐标以及星历数据，寻找瞄准点回波多普勒中心为零的星历时刻，将其作为成像时序的中心。根据需求方位向分辨率和多普勒调频率计算完整的成像时间，并平均分布于时序中心两侧.1.3)将地面瞄准点和地心坐标变换到轨道坐标系，为后续姿态角计算提供输入.步骤2——需求姿态角粗算2.1)根据天线相位中心和地面瞄准点在轨道系下的坐标，计算期望的波束中心指向向量；2.2)根据卫星质心和地心在轨道系下的坐标，计算起始Z轴指向向量；2.3)由于雷达波束可能存在离轴角，根据旋转变换关系，计算波束起始指向向量；2.4)根据欧拉定理，计算以欧拉轴/角参数式表示的需求姿态；2.5)根据欧拉四元数式与欧拉轴/角参数式的转换关系计算需求的欧拉四元数；2.6)根据欧拉角式与欧拉四元数式的转换关系可以计算得到初始欧拉角。步骤3——需求姿态角精算3.1)利用上一步得到的初始欧拉角，计算星本体坐标系到轨道坐标系的转换矩阵，并将天线相位中心星本体坐标系坐标变换成轨道坐标系坐标；3.2)以此坐标为输入，重复步骤二的计算过程，得到新的欧拉角；3.3)比较新欧拉角与初始欧拉角之间的差值，如大于预先设定的门限值，则用新欧拉角代替初始欧拉角，重复上述过程，直到新欧拉角与初始欧拉角之间的差值小于预先设定的门限值，完成姿态机动需求计算.因此，与现有技术相比，本专利技术可以实现以下的有益效果：1)充分考虑了卫星轨道和地球表面的弯曲特性影响，以及聚束模式星载SAR工作特点，为高分辨率星载SAR成像提供了一种经济、高效的实现方式；2)充分考虑了可能存在的波束指向偏离星本体坐标系Z轴的离轴角，适用于同时存在电扫描和整星姿态机动的情况，具备更高的普适性，且为机电联合扫描实现聚束模式星载SAR成像提供技术基础；3)能适应SAR天线在星体上各种不同的安装位置，将天线相位中心与卫星质心偏差的影响降低到可以忽略的程度.附图说明图1是本专利技术的敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法的流程图；图2是本专利技术的敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法的计算原理示意图；图3是本专利技术的敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法的实施验证流程图；图4示出了本专利技术实施例所涉及的以卫星轨道系为参考系312转序下的需求欧拉角；图5示出了本专利技术实施例的STK软件中虚拟SAR卫星的起始时刻波束指向；图6示出了本专利技术实施例的STK软件中虚拟SAR卫星的中间时刻波束指向；图7示出了本专利技术实施例的STK软件中虚拟SAR卫星的结束时刻波束指向；图8示出了本专利技术实施例的地面瞄准误差.具体实施方式下面结合附图1-8及具体实施方式对本专利技术进行详细说明.本专利技术通过迭代计算得到敏捷SAR卫星聚束模式姿态机动需求指标参数，具体的方法流程图如图1所示，包含以下步骤：步骤一，瞄准点和时序规划1.1确定瞄准点为计算姿态机动需求指标参数，需要明确不同时刻雷达波束需要指向的位置信息。聚束模式工作时雷达波束中心始终瞄准地面待观测场景的几何中心，因此，选择该几何中心作为整个成像时间内的地面瞄准点。该瞄准点的具体坐标由任务规划和系统波位设计结果决定，观测任务确定后可以计算得到。1.2时序规划接下来需要确定成像时间序列，为保证回波信号多普勒中心为零，降低数据处理难度，需要以回波多普勒中心为零的星历时刻作为成像时序中心，再根据分辨率需求计算成像总时间，并将其对称分布于成像时序中心两侧，完成时序规划。为寻找瞄准点回波多普勒中心为零的星历时刻，首先需要计算各个星历时刻的回波多普勒中心，计算方法如下：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瞄准点的位置矢量，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瞄准点的速度矢量，λ为载波波长，Rst为卫星与瞄准点之间的距离。根据上式可以得到所有星历时刻的瞄准点回波多普勒中心值，进而得到中心值为零的星历时刻.接下来根据需求方位向分辨率ρa和多普勒调频率fa计算成像时间，计算公式如下：其中，Vg为零多普勒线扫过地面的速度，kwa为多普勒信号处理加权扩展因子，fa为多普勒调频率，由下式计算得到其中，为地心惯性坐标系下卫星的加速度矢量，为地心惯性坐标系下瞄准点的加速度矢量。将成像时间长度Ts对称分布于成像时序中心t0两侧，成像时间范围为完成了时序规划。本专利技术中涉及的坐标系变换方法可查阅卫星控制经典教材，这里不再累述.1.3计算瞄准点和地心轨道坐标系坐标将地面瞄准点和地心坐标变换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法，其特征在于，在聚束模式工作时，包括以下步骤：步骤一，对雷达波束的地面瞄准点和成像时序进行规划；步骤二，根据所规划的成像时序，对所述雷达波束的姿态机动需求信息进行粗算；以及步骤三，将粗算获得的姿态机动需求信息作为初始信息进行精算，以完成最终的姿态机动需求计算。

【技术特征摘要】
1.一种敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法，其特征在于，在聚束模式工作时，包括以下步骤：步骤一，对雷达波束的地面瞄准点和成像时序进行规划；步骤二，根据所规划的成像时序，对所述雷达波束的姿态机动需求信息进行粗算；以及步骤三，将粗算获得的姿态机动需求信息作为初始信息进行精算，以完成最终的姿态机动需求计算。2.根据权利要求1所述的敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法，其特征在于，所述步骤一包括：使所述雷达波束的中心始终瞄准地面待观测场景的几何中心，并选择所述几何中心作为所述地面瞄准点；根据各个瞄准点的坐标以及星历数据，寻找所述瞄准点的回波多普勒中心为零的行李时刻并将其作为所述成像时序的中心；根据需求的方位向分辨率和多普勒调频率，计算完整的成像时间并使其平均分布于所述成像时序的中心两侧。3.根据权利要求2所述的敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法，其特征在于，所述步骤一还包括：将所述地面瞄准点和地心坐标变换到轨道坐标系，以为后续的姿态机动需求信息的计算提供输入。4.根据权利要求3所述的敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法，其特征在于，在所述步骤二中执行：根据所规划的成像时序，获得成像星历时刻来进行逐点计算；将起始指向向量和期望指向向量变换到同一坐标系下；利用最短旋转路径准则，计算实现天线波束期望指向的旋转轴和转动叫，进而得到所有的姿态机动需求信息。5.根据权利要求3所述的敏捷合成孔径雷达卫星聚束模式姿态机动需求计算方法，其特征在于，所述步骤二包括：根据天线相位中心和所述地...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩晓磊，张庆君，刘杰，袁智，张驰，朱宇，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