一种编队GEO SAR的等效相位中心及积累时间优化方法技术

本发明专利技术公开了一种编队GEO SAR的等效相位中心及积累时间优化方法，本发明专利技术由于采用优化非零相位中心间距的准则，因而能够获得编队GEO SAR相位中心的均匀优化结果，并可结合分辨率需求实现卫星轨道根数设计。本发明专利技术由于精确计算了地面栅瓣位置，据此设计了抑制栅瓣的最佳积累时间，因而可以获得栅瓣最低的最佳质量成像结果。

An Equivalent Phase Center and Accumulation Time Optimization Method for Formation GEO SAR

【技术实现步骤摘要】
一种编队GEOSAR的等效相位中心及积累时间优化方法
本专利技术属于合成孔径雷达
，具体涉及一种编队GEOSAR的等效相位中心及积累时间优化方法。
技术介绍
合成孔径雷达(SAR)是一种全天候、全天时的高分辨微波遥感成像雷达，可安装在飞机、卫星、导弹等飞行平台上。自上世纪50年代专利技术以来，已经在很多领域取得了越来越广泛的应用，例如灾害控制、植被分析、微波遥感等领域。地球同步轨道合成孔径雷达(GEOSAR)是运行在36000km高度地球同步轨道上的SAR卫星。相比于低轨SAR(LEOSAR，轨道高度低于1000km)而言，GEOSAR具有成像范围大、重访时间短等特点，目前已成为国内外的研究热点。编队GEOSAR使用同时收发信号的多个卫星形成多个相位中心，相对于单星GEOSAR可降低积累时间和发射功率。然而编队GEOSAR系统参数多，卫星轨道根数设计的自由度大，系统性能与系统参数的关系复杂，尤其是分辨率。因此，根据所需的分辨率设计有效的卫星轨道根数难度非常高。目前已有的文献对编队SAR的分辨率的计算大多基于数值仿真方法，无法根据所需分辨率设计卫星轨道根数；少数解析设计方法仅考虑正侧视，不适用GEOSAR。此外，在卫星实际工作中，轨道难以保持理想状态，难以避免交轨基线的出现，将导致成像结果有明显的栅瓣。因此，对于存在交轨基线情况的卫星构型，需要设计合理的积累时间，以抑制栅瓣。这在已有编队SAR的研究文献中未曾提及。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种编队GEOSAR的等效相位中心及积累时间优化方法，可根据分辨率需求设计各卫星的轨道根数，并结合卫星实际运动中的间距设计理想的积累时间以抑制栅瓣，获得最佳成像质量。一种编队GEOSAR的等效相位中心优化方法，包括如下步骤：步骤1，基于最大化相位中心均匀性，使用数值优化法确定编队GEOSAR的卫星相对位置，具体包括如下步骤：步骤11，假设共有N个卫星，第n个卫星的位置为θn,n＝1,2,…,N，将编队中首尾卫星位置分别取值为0和1，即θ1＝0，θN＝1；然后将[0,1]区间值域均匀离散化，设定区间划分数为K，即在[0,1]上等间距取K个数；K至少取100；步骤12，除0和1外，从[0,1]区间值域划分的K个数中对θ2～θN-1按编号顺序任意取值，即0＝θ1<…<θn′<…<θN＝1，构成卫星位置序列{θn}；其中，n′＝2,3,...,N-1；步骤13，计算两两卫星之间相位中心位置并进行升序排列，得到{φk＝(θm+θn)/2}ASC，其中下标ASC表示按升序排列；m＝1,2,…,N；然后根据各卫星相位中心位置计算两两卫星之间相位中心间距；将相位中心间距中的零值剔除，并将剩余间距中计算最大间距与最小间距之差作为代价函数；步骤14，按照步骤12的方法，不断为θ2～θN-1取值，直到遍历所有的卫星位置序列；其中，每一次取值后，均执行步骤13，得到代价函数；取代价函数最小的卫星位置序列作为卫星位置最终优化结果；步骤2，计算相位中心阵列总长度，进而结合步骤1得到的参考卫星相对位置确定各个卫星相对参考卫星的间距，具体为：步骤21，确定参考卫星孔径中心时刻，并计算该孔径中心时刻的参考卫星斜距矢量以及在地心地固坐标系下的参考卫星速度步骤22，获得卫星速度地分量和地距向，具体为：先计算斜距单位矢量其中根据场景中心位置获得场景平面的法向量然后分别求以为法向量的投影矩阵其中I为单位矩阵；最后计算地距向和速度地分量步骤23，求地距向和速度地分量的夹角得到二维分辨率夹角，并结合分辨率需求获得相位中心阵列总长度，具体为：地距向和速度地分量的夹角为其中该角度也是地面二维分辨率的夹角；假设分辨率设计要求为ρ，按如下公式计算阵列总长度：其中，M表示相位中心个数，λ为信号波长；步骤24，结合步骤1得到的卫星相对位置，第k个卫星相对于参考星的间距计算方式如下：步骤25，根据卫星相对于参考卫星的间距，计算得到等效相位中心。较佳的，所述步骤14中，若有多组代价函数同为最小，则取间距数目最多的一组作为卫星位置最终优化结果。一种编队GEOSAR的积累时间优化方法，包括如下步骤：步骤1，基于最大化相位中心均匀性，使用数值优化法确定编队GEOSAR的卫星相对位置具体包括如下步骤：步骤11，假设共有N个卫星，第n个卫星的位置为θn,n＝1,2,…,N，将编队中首尾卫星位置分别取值为0和1，即θ1＝0，θN＝1；然后将[0,1]区间值域均匀离散化，设定区间划分数为K，即在[0,1]上等间距取K个数；K至少取100；步骤12，除0和1外，从[0,1]区间值域划分的K个数中对θ2～θN-1按编号顺序任意取值，即0＝θ1<…<θn′<…<θN＝1，构成卫星位置序列{θn}；其中，n′＝2,3,...,N-1；步骤13，计算两两卫星之间相位中心位置并进行升序排列，得到{φk＝(θm+θn)/2}ASC，其中下标ASC表示按升序排列；m＝1,2,…,N；然后根据各卫星相位中心位置计算两两卫星之间相位中心间距；将相位中心间距中的零值剔除，并将剩余间距中计算最大间距与最小间距之差作为代价函数；步骤14，按照步骤12的方法，不断为θ2～θN-1取值，直到遍历所有的卫星位置序列；其中，每一次取值后，均执行步骤13，得到代价函数；取代价函数最小的卫星位置序列作为卫星位置最终优化结果；步骤2、计算相位中心阵列总长度，进而结合步骤1得到的参考卫星相对位置确定各个卫星相对参考卫星的间距，具体为：步骤21，确定参考卫星孔径中心时刻，并计算该孔径中心时刻的参考卫星斜距矢量以及在地心地固坐标系下的参考卫星速度步骤22，获得卫星速度地分量和地距向，具体为：先计算斜距单位矢量其中根据场景中心位置获得场景平面的法向量然后分别求以为法向量的投影矩阵其中I为单位矩阵；最后计算地距向和速度地分量步骤23，求地距向和速度地分量的夹角得到二维分辨率夹角，并结合分辨率需求获得相位中心阵列总长度，具体为：地距向和速度地分量的夹角为其中该角度也是地面二维分辨率的夹角；假设分辨率设计要求为ρ，按如下公式计算阵列总长度：其中，M表示相位中心个数，λ为信号波长；步骤24，结合步骤1得到的卫星相对位置，第n个卫星相对于参考星的间距计算方式如下：步骤3，基于地心地固坐标系下卫星轨迹一致的原则，根据步骤2得到的卫星间距计算卫星的相对轨道根数，具体为：步骤31，首先计算第n个卫星相对于参考星的过近地点时间之差为Δtn＝Δdn/v，其中然后计算第n个卫星相对于参考星的平近点角之差为ΔMn＝ωsΔtn，其中ωs为卫星的角速度；最后计算第n个卫星相对于参考星的升交点赤经之差为ΔΩn＝-ωEΔtn，其中ωE为地球自转的角速度；步骤32，根据卫星平近点角和真近点角关系，由平近点角之差获得真近点角之差Δun：其中e为卫星的离心率，uref为参考卫星当前的真近点角；则第n个卫星的真近点角为un＝Δun+uref；步骤4，基于栅瓣最小化准则，根据卫星实际位置计算最佳积累时间，具体为：步骤41，根据卫星定位测得阵列总长，考虑到大小和方向，假设测得的阵列总长为矢量计算阵列间距矢量为阵列间距矢量的地分量计算方式为：步骤42，先计算阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种编队GEO SAR的等效相位中心优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于最大化相位中心均匀性，使用数值优化法确定编队GEO SAR的卫星相对位置，具体包括如下步骤：步骤11，假设共有N个卫星，第n个卫星的位置为θn,n＝1,2,…,N，将编队中首尾卫星位置分别取值为0和1，即θ1＝0，θN＝1；然后将[0,1]区间值域均匀离散化，设定区间划分数为K，即在[0,1]上等间距取K个数；K至少取100；步骤12，除0和1外，从[0,1]区间值域划分的K个数中对θ2～θN‑1按编号顺序任意取值，即0＝θ1<…<θn′<…<θN＝1，构成卫星位置序列{θn}；其中，n′＝2,3,...,N‑1；步骤13，计算两两卫星之间相位中心位置并进行升序排列，得到{φk＝(θm+θn)/2}ASC，其中下标ASC表示按升序排列；m＝1,2,…,N；然后根据各卫星相位中心位置计算两两卫星之间相位中心间距；将相位中心间距中的零值剔除，并将剩余间距中计算最大间距与最小间距之差作为代价函数；步骤14，按照步骤12的方法，不断为θ2～θN‑1取值，直到遍历所有的卫星位置序列；其中，每一次取值后，均执行步骤13，得到代价函数；取代价函数最小的卫星位置序列作为卫星位置最终优化结果；步骤2，计算相位中心阵列总长度，进而结合步骤1得到的参考卫星相对位置确定各个卫星相对参考卫星的间距，具体为：步骤21，确定参考卫星孔径中心时刻，并计算该孔径中心时刻的参考卫星斜距矢量...

【技术特征摘要】
1.一种编队GEOSAR的等效相位中心优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于最大化相位中心均匀性，使用数值优化法确定编队GEOSAR的卫星相对位置，具体包括如下步骤：步骤11，假设共有N个卫星，第n个卫星的位置为θn,n＝1,2,…,N，将编队中首尾卫星位置分别取值为0和1，即θ1＝0，θN＝1；然后将[0,1]区间值域均匀离散化，设定区间划分数为K，即在[0,1]上等间距取K个数；K至少取100；步骤12，除0和1外，从[0,1]区间值域划分的K个数中对θ2～θN-1按编号顺序任意取值，即0＝θ1<…<θn′<…<θN＝1，构成卫星位置序列{θn}；其中，n′＝2,3,...,N-1；步骤13，计算两两卫星之间相位中心位置并进行升序排列，得到{φk＝(θm+θn)/2}ASC，其中下标ASC表示按升序排列；m＝1,2,…,N；然后根据各卫星相位中心位置计算两两卫星之间相位中心间距；将相位中心间距中的零值剔除，并将剩余间距中计算最大间距与最小间距之差作为代价函数；步骤14，按照步骤12的方法，不断为θ2～θN-1取值，直到遍历所有的卫星位置序列；其中，每一次取值后，均执行步骤13，得到代价函数；取代价函数最小的卫星位置序列作为卫星位置最终优化结果；步骤2，计算相位中心阵列总长度，进而结合步骤1得到的参考卫星相对位置确定各个卫星相对参考卫星的间距，具体为：步骤21，确定参考卫星孔径中心时刻，并计算该孔径中心时刻的参考卫星斜距矢量以及在地心地固坐标系下的参考卫星速度步骤22，获得卫星速度地分量和地距向，具体为：先计算斜距单位矢量其中根据场景中心位置获得场景平面的法向量然后分别求以为法向量的投影矩阵其中I为单位矩阵；最后计算地距向和速度地分量步骤23，求地距向和速度地分量的夹角得到二维分辨率夹角，并结合分辨率需求获得相位中心阵列总长度，具体为：地距向和速度地分量的夹角为其中该角度也是地面二维分辨率的夹角；假设分辨率设计要求为ρ，按如下公式计算阵列总长度：其中，M表示相位中心个数，λ为信号波长；步骤24，结合步骤1得到的卫星相对位置，第n个卫星相对于参考星的间距计算方式如下：步骤25，根据卫星相对于参考卫星的间距，计算得到等效相位中心。2.如权利要求1所述的编队GEOSAR的等效相位中心优化方法，其特征在于，所述步骤14中，若有多组代价函数同为最小，则取间距数目最多的一组作为卫星位置最终优化结果。3.一种编队GEOSAR的积累时间优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于最大化相位中心均匀性，使用数值优化法确定编队GEOSAR的卫星相对位置具体包括如下步骤：步骤11，假设共有N个卫星，第n个卫星的位置为θn,n＝1,2,…,N，将编队中首尾卫星位置分别取值为0和1，即θ1＝0，θN＝1；然后将[0,1]区间值域均匀离散化，设定区间划分数为K，即在[0,1]上等间距取K个数；K至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡程，董锡超，陈志扬，龙腾，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11