基于高轨星载SAR系统的电离层层析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于高轨星载SAR系统的电离层层析方法及系统。基于高轨星载SAR系统的电离层层析方法，包括：确定待反演区域内的多个地面PS点；定义从高轨星载SAR至地面PS点的路径为射线，计算各条射线上的TEC值；将待反演区域划分为多个空间网格；计算各条射线在每个空间网格内的截距长度；根据公式

Ionospheric tomography method and system based on high orbit spaceborne SAR system

【技术实现步骤摘要】
基于高轨星载SAR系统的电离层层析方法及系统
本专利技术涉及电离层层析
，尤其涉及一种基于高轨星载SAR系统的电离层层析方法及系统。
技术介绍
电离层会对航天遥感、卫星通讯、导航定位等领域造成严重影响，因此利用现代技术手段准确获得实时电离层电子密度三维分布数据将具有非常重要的现实意义。同时，由于自然灾害发生前(如地震)以及发生时(如台风、火山爆发、海啸等)电离层电子密度将发生重大变化，因此准确获得实时电离层电子密度数据在地震预测、观测气象灾害发生时的电离层变化等方面具有重要的科研和应用价值。电离层层析技术可准确反演出电离层电子密度空间分布，它基于观测区域内沿大量相互交叉的传播路径上的电离层总电子含量(TotalElectronicContent:TEC)数值，通过层析反演技术获得一定空间范围内的电离层剖面结构。电离层层析技术由美国伊利诺伊大学AustenJ于1986年首次提出，目前的主流电离层层析方式是基于GPS卫星，近几年出现的基于星载SAR卫星的电离层层析方法可与GPS层析方法互补，有效解决GPS层析方法的不足。当前基于星载SAR的电离层层析方法均是利用低轨星载SAR数据，由于低轨星载SAR的重访时间长、覆盖范围小，因此无法对特定区域进行实时大范围的电子密度反演。此外，在电离层TEC反演过程中，既有的基于低轨星载SAR数据的电离层TEC反演方法较少考虑电离层延迟误差以外其它误差的影响。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种基于高轨星载SAR系统的电离层层析方法及系统，可实现复杂环境下的大场景实时电子密度反演。根据本专利技术实施例的基于高轨星载SAR系统的电离层层析方法，包括：确定待反演区域内的多个地面PS点；定义从高轨星载SAR至所述地面PS点的路径为射线，计算各条所述射线上的TEC值；将所述待反演区域划分为多个空间网格；计算各条所述射线在每个所述空间网格内的截距长度；根据公式1，迭代计算所述待反演区域的电子密度分布情况；其中，Nejk+1为第j个所述空间网格第k+1次迭代后的电子密度值，TECi为第i条所述射线的TEC值，Ai为第i条所述射线的长度，Aij为第i条所述射线在第j个所述空间网格内的截距长度，λk为松弛因子，取值范围为0～1。根据本专利技术的一些实施例，所述计算各条所述射线上的TEC值，包括：利用高轨星载SAR向所述地面PS点发射电磁波，并接收所述地面PS点的回波信号；将所述回波信号划分为多个子孔径，每个所述子孔径内具有恒定的TEC值；将每个所述子孔径划分为多个子带；对每个所述子带进行保相成像处理，确定每个所述子带的残余相位误差，以获得所述子孔径的TEC值；对各个所述子孔径的TEC值进行方位向最小二乘拟合，获得所述回波信号对应的所述射线上的TEC值。在本专利技术的一些实施例中，所述子孔径时间段的最大值Ta满足：其中，f0为信号载频，fdr为方位向频率，c为光速，k2为常数。在本专利技术的一些实施例中，相邻两个所述子带相位差的绝对值小于等于2π。进一步的，所述子带带宽小于等于10MHZ。根据本专利技术的一些实施例，所述计算各条所述射线在每个所述空间网格内的截距长度，包括：在第n时刻从所述高轨星载SAR至第i个所述地面PS点的射线方程参考公式2，其中，Xip,Yip,Zip为第i个所述地面PS点在地固坐标系中的三维坐标值，Xs(n),Ys(n),Zs(n)为所述高轨星载SAR第n时刻时在所述地固坐标系中的三维坐标值，X,Y,Z为该射线与所述空间网格的网格面交点坐标，K为该射线与所述空间网格的网格面交点在该射线上的位置；根据公式3-5求解公式2，以获得所述射线在所述空间网格内的截距长度；X2+Y2+Z2＝(R+Hm)2公式3；tanJp·X-Y＝0公式4；Z2＝tan2Wq·(X2+Y2)公式5；其中，R为地球半径，Hm为第m个高度面对应的地面高度，其中，Jp为第p个经度面对应的经度值，Wq为第q个纬度面对应的纬度值。根据本专利技术的一些实施例，所述方法还包括：在确定待反演区域内的多个地面PS点之前，配置卫星编队，所述卫星编队包括多个高轨星载SAR。根据本专利技术的一些实施例，所述高轨星载SAR为GEOSAR。根据本专利技术实施例的基于高轨星载SAR系统的电离层层析系统，包括：高轨星载SAR，用于向待反演区域内的多个地面PS点发射电磁波，并接收所述地面PS点的回波信号；控制系统，用于计算从高轨星载SAR至所述地面PS点的各条所述上的TEC值，并将所述待反演区域划分为多个空间网格，计算各条所述射线在每个所述空间网格内的截距长度，且根据公式1，迭代计算所述待反演区域的电子密度分布情况；其中，Nejk+1为第j个所述空间网格第k+1次迭代后的电子密度值，TECi为第i条所述射线的TEC值，Ai为第i条所述射线的长度，Aij为第i条所述射线在第j个所述空间网格内的截距长度，λk为松弛因子，取值范围为0～1。根据本专利技术的一些实施例，所述控制系统，用于：将所述回波信号划分为多个子孔径，每个所述子孔径内具有恒定的TEC值；将每个所述子孔径划分为多个子带；对每个所述子带进行保相成像处理，确定每个所述子带的残余相位误差，以获得所述子孔径的TEC值；对各个所述子孔径的TEC值进行方位向最小二乘拟合，获得所述回波信号对应的所述射线上的TEC值。采用本专利技术实施例，可以具备复杂环境下实时精确反演电离层TEC的能力，同时，可实现实时大范围空间内的电子密度精确反演。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本专利技术的具体实施方式。附图说明通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。在附图中：图1是本专利技术实施例的基于高轨星载SAR系统的电离层层析方法流程图；图2是本专利技术实施例中基于GEOSAR回波数据反演电离层TEC流程图；图3是本专利技术实施例中子带划分示意图；图4是本专利技术实施例中子带带宽、TEC和相邻子带相位差的对应关系；图5是本专利技术实施例中信噪比、子带数量与TEC反演精度的对应关系；图6a是单颗GEOSAR卫星电离层三维层析时空占比示意图；图6b是ERS-1卫星电离层三维层析时空占比示意图；图7是本专利技术实施例中GEOSAR电离层三维层析几何结构示意图；图8a是本专利技术实施例中GEOSAR卫星编队示意图；图8b是本专利技术实施例中GEOSAR卫星编队层析时空覆盖率示意图；图9是本专利技术实施例中使用GEOS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高轨星载SAR系统的电离层层析方法，其特征在于，包括：/n确定待反演区域内的多个地面PS点；/n定义从高轨星载SAR至所述地面PS点的路径为射线，计算各条所述射线上的TEC值；/n将所述待反演区域划分为多个空间网格；/n计算各条所述射线在每个所述空间网格内的截距长度；/n根据公式1，迭代计算所述待反演区域的电子密度分布情况；/n

【技术特征摘要】
1.一种基于高轨星载SAR系统的电离层层析方法，其特征在于，包括：
确定待反演区域内的多个地面PS点；
定义从高轨星载SAR至所述地面PS点的路径为射线，计算各条所述射线上的TEC值；
将所述待反演区域划分为多个空间网格；
计算各条所述射线在每个所述空间网格内的截距长度；
根据公式1，迭代计算所述待反演区域的电子密度分布情况；



其中，Nejk+1为第j个所述空间网格第k+1次迭代后的电子密度值，TECi为第i条所述射线的TEC值，Ai为第i条所述射线的长度，Aij为第i条所述射线在第j个所述空间网格内的截距长度，λk为松弛因子，取值范围为0～1。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算各条所述射线上的TEC值，包括：
利用高轨星载SAR向所述地面PS点发射电磁波，并接收所述地面PS点的回波信号；
将所述回波信号划分为多个子孔径，每个所述子孔径内具有恒定的TEC值；
将每个所述子孔径划分为多个子带；
对每个所述子带进行保相成像处理，确定每个所述子带的残余相位误差，以获得所述子孔径的TEC值；
对各个所述子孔径的TEC值进行方位向最小二乘拟合，获得所述回波信号对应的所述射线上的TEC值。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子孔径时间段的最大值Ta满足：
其中，f0为信号载频，fdr为方位向频率，c为光速，k2为常数。


4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，相邻两个所述子带相位差的绝对值小于等于2π。


5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述子带带宽小于等于10MHZ。


6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算各条所述射线在每个所述空间网格内的截距长度，包括：
在第n时刻从所述高轨星载SAR至第i个所述地面PS点的射线方程参考公式2，



其中，Xip,Yip,Zip为第i个所述地面PS点在地固坐标系中的三维坐标值，Xs(n),Ys(n),Zs(n)为所述高...

【专利技术属性】
技术研发人员：张龙，田野，李博骁，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司电子科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11