一种机动平台双基前视SAR轨迹设计方法技术

本发明专利技术公开了一种机动平台双基前视SAR轨迹设计方法，本发明专利技术的方法利用GEO

【技术实现步骤摘要】
一种机动平台双基前视SAR轨迹设计方法


[0001]本专利技术属于雷达
，涉及基于GEO
‑
SAR卫星照射的机动平台双基前视SAR轨迹设计的方法。

技术介绍

[0002]合成孔径雷达(SAR)是一种全天时、全天候的高分辨成像系统，通过发射大时宽大带宽的线性调频(LFM)信号，对回波信号的距离向进行匹配滤波，得到脉冲压缩信号，从而获得距离向高分辨率，利用合成孔径技术实现方位向的高分辨率，其成像质量不受天气条件(云层、光照)等影响，具有对远距离目标进行检测和定位的特点。SAR典型的应用领域包括灾害监测、资源勘探、地质测绘等。
[0003]相对于单基SAR，双基SAR有以下优势：1.隐蔽性好，双基SAR收发分置，接收平台不发射信号，因此不容易被探测；2.能够从不同角度探测目标，传统单基雷达只能获取目标的后向散射特性。而使用双基构型，可以前视、侧视、后视等多角度对目标进行探测。尤其是对隐身目标的探测能力大大增强；3.系统灵活，收发平台之间可以根据需要任意配置，而且相互独立。
[0004]地球同步轨道合成孔径雷达(GEO
‑
SAR)为地球同步轨道合成孔径雷达卫星，运行在具有一定倾角的地球同步轨道上，运行周期与地球自转周期相同。具有更大的测绘带宽和更短的重访周期，使得能够广泛的运用于灾害监视，大地构造成像。双基GEO
‑
SAR还可以通过调整接收机的飞行参数方便和高效的提高成像性能。
[0005]近来关于双基SAR的研究不断升温，其中在成像算法，同步方法和实验方面取得不错的进展。文献“孟自强,李亚超,汪宗福,武春风,邢孟道,保铮.弹载双基前视SAR俯冲段弹道设计方法[J].系统工程与电子技术,2015,37(04):768
‑
774”提出了一种弹载双基前视SAR运动轨迹设计方法，然而该方法只考虑对发射机进行弹道设计同时该设计方法对成像性能的分析主要考虑距离向分辨率，对其它指标如信噪比和分辨率夹角没有进行分析；文献“Resolution calculation andnalysis in bistatic SAR with geostationary illuminator,”IEEE Geosci.Remote Sens.Lett.,vol.10,no.1,pp.194
–
198,Jan 2013”在考虑椭球表面和大的等效角情况下对空间分辨率进行了分析，但是空间分辨率的分析方法和空间分辨率的特性不能够直接运用到非零倾角的GEO双基SAR中。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提出了一种机动平台双基前视SAR轨迹设计方法。
[0007]本专利技术的技术方案为：一种机动平台双基前视SAR轨迹设计方法，具体包括如下步骤：
[0008]步骤S1.飞行轨迹建模，
[0009]为了更方便的对高速运动平台飞行路径进行规划，将飞行轨迹按时间平均分为N
段，每一段的时间为t，高速运动平台的加速度在地面坐标系中记为分别代表x轴，y轴，z轴三个方向的加速度，假设同一段飞行轨迹中，高速运动平台沿三个方向的加速度都是恒定不变的，通过设计每段飞行轨迹的加速度，再对加速度进行积分，可以得到总的飞行轨迹。
[0010]步骤S2.建立优化函数，
[0011]根据任务目标，综合选取控制能量、飞行时间、分辨单元面积、不能成像时间四个轨迹性能指标建立优化函数。
[0012](1)控制能量：由于飞行平台的体积限制，携带的燃料有限，因此，飞行轨迹的控制能量是描述轨迹性能的一个重要指标。
[0013]将控制能量的优化函数建立为：
[0014][0015]其中，i代表飞行轨迹的段序号，例如：i＝1时，代表第1段飞行轨迹。控制能量即为每一段飞行轨迹中的三个方向的加速度平方和，优化的目的是最小化飞行轨迹的控制能量。
[0016](2)飞行时间：因为飞行时间越长，平台暴露的时间越长，从而增加平台风险，将控制飞行时间的优化函数建立为：
[0017]f2＝kNt
ꢀꢀ
(2)
[0018]其中，k是权值系数，用来保证飞行时间和控制能量的优化函数处于同一量级，优化目的是最小化平台飞行时间。
[0019](3)分辨单元面积：高速运动平台载有合成孔径雷达接收机，被动接收GEO
‑
SAR卫星的信号，根据任务需求，要求对目标区域进行双基SAR成像。将按时间等分后的每段飞行轨迹继续按照时间等分成M段，计算每一子段飞行轨迹的成像分辨性能。
[0020]将分辨单元面积的优化函数记为：
[0021][0022]其中，为每一子段的分辨单元面积，分辨单元面积越小，雷达成像性能就越好，从而能准确的识别目标，ρ
gr
为距离分辨率，ρ
az
为方位分辨率，α是分辨方向夹角。
[0023]其中，距离分辨率ρ
gr
为：
[0024][0025]其中，c是光速，B
r
是信号带宽，H
⊥
是地面投影矩阵可以表示为：
[0026][0027]其中，I是单位矩阵，P
G
是成像区域坐标系的法向单位矢量，是P
G
的转置。
[0028]u
TA
(t0)是在t0时刻目标到发射站的单位向量，u
RA
(t0)是在t0时刻目标到接收站的单位向量；
[0029]方位分辨率ρ
az
表示为：
[0030][0031]其中，λ为载波波长，T
a
为合成孔径时间，ω
TA
(t)为发射站的角速度，ω
RA
(t)为接收站的角速。
[0032]分辨方向夹角α可以表示为：
[0033]α＝cos
‑1(Ξ
·
Θ)
ꢀꢀ
(7)
[0034]其中，Θ表示距离分辨方向的单位矢量，Ξ表示方位分辨方向的单位矢量。
[0035][0036][0037](4)不能成像时间：由于高速平台飞行轨迹末段需要瞄准目标方向飞行，造成飞行末段成像性能急剧恶化，导致不能成像，设飞行轨迹不能成像时间为t
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，所以将控制不能成像时间的优化函数记为：
[0038]f4＝t
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ꢀꢀ
(10)
[0039]需要最小化末段不能成像时间，使全段成像性能最优。
[0040]综上所述，考虑控制能量、飞行时间、分辨单元面积、不能成像时间四个目标函数，建模为双目标优化函数，针对飞行平台的动能和能量限制，同时考虑控制能量最小，飞行时间最短建立优化函数一：
[0041][0042]针对飞行平台整个飞行路径的成像性能，同时考虑分辨单元面积最小和不能成像时间最短建立优化函数二：
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机动平台双基前视SAR轨迹设计方法，具体包括如下步骤：步骤S1.飞行轨迹建模，将飞行轨迹按时间平均分为N段，每一段的时间为t，高速运动平台的加速度在地面坐标系中记为分别代表x轴，y轴，z轴三个方向的加速度；步骤S2.建立优化函数，根据任务目标，选取控制能量、飞行时间、分辨单元面积、不能成像时间四个轨迹性能指标建立优化函数：(1)控制能量：将控制能量的优化函数建立为：其中，i代表飞行轨迹的段序号，控制能量即为每一段飞行轨迹中的三个方向的加速度平方和；(2)飞行时间：将控制飞行时间的优化函数建立为：f2＝kNt其中，k是权值系数，用来保证飞行时间和控制能量的优化函数处于同一量级；(3)分辨单元面积：将按时间等分后的每段飞行轨迹继续按照时间等分成M段，计算每一子段飞行轨迹的成像分辨性能，将分辨单元面积的优化函数记为：其中，为每一子段的分辨单元面积，ρ
gr
为距离分辨率，ρ
az
为方位分辨率，α是分辨方向夹角；距离分辨率ρ
gr
为：其中，c是光速，B
r
是信号带宽，H
⊥
是地面投影矩阵可以表示为：其中，I是单位矩阵，P
G
是成像区域坐标系的法向单位矢量，是P
G
的转置；u
TA
(t0)是在t0时刻目标到发射站的单位向量，u
RA
(t0)是在t0时刻目标到接收站的单位向量；方位分辨率ρ
az
表示为：其中，λ为载波波长，T
a
为合成孔径时间，ω
TA
(t)为发射站的角速度，ω
RA
(t)为接收站的角速。分辨方向夹角α表示为：
α＝cos
‑1(Ξ
·
Θ)其中，Θ表示距离分辨方向的单位矢量，Ξ表示方位分辨方向的单位矢量，其中，Θ表示距离分辨方向的单位矢量，Ξ表示方位分辨方向的单位矢量，(4)不能成像时间：设飞行轨迹不能成像时间为t
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，将控制不能成像时间的优化函数记为：f4＝t
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考虑控制能量、飞行时间、分辨单元面积、不能成像时间四个目标函数，建模为双目标优化函数，针对飞行平台的动能和能量限制，同时考虑控制能量最小，飞行时间最短建立优化函数一：针对飞行平台整个飞行路径的成像性能，同时考虑分辨单元面积最小和不能成像时间最短建立优化函数二：F2＝f3+f4步骤S3.确定约束条件，确定飞行平台终端位置、飞行平台机动性以及视线角三个约束条件；(1)飞行平台终端位置约束：为了使飞行平台落在指定位置，建立约束条件：||[R
dx
(Nt)
‑
R
dx
,R
dy
(Nt)
‑
R
dy
,R
dz
(Nt)
‑
R
dz
]||＝0其中，规定飞行平台在时间t的位置矢量为[R
dx
(t),R
dy
(t),R
dz
(t)]，[R
dx
(Nt),R
dy
(Nt),R
dz
(Nt)]代表飞行平台在降落时刻Nt的位置矢量，|| ||表示2范数运算，即取矢量长度，目标位置矢量为[R
tx
,R
ty
,R
tz
]，由||[R
dx
(Nt)
‑
R
dx
,R
dy
(Nt)
‑
R
dy
,R
dz
(Nt)
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙稚超，孙华瑞，安洪阳，陈天夫，任航，武俊杰，杨建宇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：