基于多普勒中心和图像幅度的星载制造技术

本发明专利技术公开了一种基于多普勒中心和图像幅度的星载

【技术实现步骤摘要】
基于多普勒中心和图像幅度的星载SAR姿态误差标定方法


[0001]本专利技术属于合成孔径雷达
(Synthetic Aperture Radar,SAR)
技术，具体涉及一种基于多普勒中心和图像幅度的星载
SAR
姿态误差标定方法
。

技术介绍

[0002]卫星姿态是指卫星星体在轨道上运行时所处的空间指向状态，通常用偏航角
、
俯仰角和横滚角三个角度来表示
。
对于
SAR
卫星而言，卫星姿态和
SAR
天线指向一起，决定了
SAR
卫星的成像范围和成像参数
。
通常，
SAR
天线与卫星星体按照某个既定设计的角度连接和安装，以天线法向与星体
Z
轴同向居多，此时按照卫星和天线的安装关系和卫星姿态的测量结果，可以直接计算得到准确的天线波束指向，进而得到准确的成像和辐射校正参数
。
然而，由于在卫星发射
、
天线展开等过程中受到应力变化
、
空间温度变化等原因，卫星星体和天线之间的相对关系会产生一些未知的变化，从而使得根据卫星测量的姿态角和卫星星体与天线在发射前地面获得的已知关系，将无法准确计算
SAR
成像参数
。
为此，在卫星发射初期，必须开展姿态误差的标定工作，得到姿态误差修正量，从而可以利用卫星姿态的测量数据和姿态误差修正量来准确计算得到天线波束指向，从而得到准确的成像参数，实现自动化高质量的
SAR
图像产品生产
。
[0003]对于
SAR
卫星而言，横滚角误差主要引起距离向的波束指向误差；偏航和俯仰角则主要引起方位向的波束指向误差，会引起一个额外的斜视角，使得回波信号的多普勒中心频率发生变化
。
图1为
SAR
卫星姿态角及其误差导致的波束指向误差的示意图
。
通常，定义
Y
轴位于轨道平面内，指向卫星运动方向；
Z
轴表示背离地心向上的方向，
X
轴与
Y
轴和
Z
轴构成右手直角坐标系
。
θ
L
表示下视角，
θ
y
、
θ
p
、
θ
r
分别表示偏航角
、
俯仰角和横滚角
。
表示没有姿态误差时的波束指向，表示存在姿态误差时的波束指向
。
将这种因天线和星体之间相对关系的未知改变而带来的卫星姿态测量值无法准确得到天线指向的误差称为待标定的姿态误差
。
[0004]对于星载
SAR
，当卫星沿着轨道飞行时，由于地球自转的影响，卫星本体坐标系的
Z
轴并非严格指向地心
。
此外，为了校正雷达的波束中心，使其沿着零多普勒点，便于
SAR
数据的成像处理，星上控制系统需要实施姿态导引技术
。
目前针对星载
SAR
姿态误差的研究主要集中在姿态误差对多普勒特性的影响以及姿态导引技术；对于姿态误差引入的额外多普勒参数残余误差，通常在成像时采用多普勒参数估计技术来进行补偿
。
[0005]文献
[Raney R K.Doppler properties of radars in circular orbits[J].International Journal ofRemote Sensing,1986,7(9):1153
‑
1162.]基于圆轨道模型，推导了多普勒中心频率与偏航角间的关系，得到了补偿偏航角的方法，但对椭圆轨道，一维导引后仍会存在较大的多普勒残余
。
文献
[Fiedler H,Boerner E,Mittermayer J,et al.Total zero Doppler Steering
‑
a new method for minimizing the Doppler centroid[J].IEEE Geoscience&Remote Sensing Letters,2005,2(2):141
‑
145.]提出一种基于瞬时圆轨道的全零多普勒方法，在偏航导引基础上增加俯仰导引，使得整个测绘带
的多普勒中心频率都比较小
。
文献
[
陈溅来
,
杨军
,
孙光才
,
等
.
高轨
SAR
多普勒中心补偿的二维姿态控制方法
[J].
电子与信息学报
,2014,36(8):6.]提出一种面向高轨
SAR
的二维姿态控制策略
。
另外，对于姿态控制误差引入的额外多普勒残余误差，文献
[Lan G.Cumming,FrankH.Wong.
合成孔径雷达成像
:
算法与实现
[M].
电子工业出版社
,2012.]介绍了基于幅度和相位的多普勒中心频率估计方法和最大对比度法
、
视错位法等多普勒调频率估计方法
。
[0006]上述现有技术主要是围绕如何进行姿态引导，使得多普勒中心频率接近零，从而降低成像的难度，以及当存在姿态误差时如何估计
SAR
多普勒参数并进行成像而展开的
。
对于存在姿态角误差如何进行标定的问题，目前尚未见相关技术报道
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于多普勒中心和图像幅度的星载
SAR
姿态误差标定方法
。
[0008]实现本专利技术的目的技术解决方案为：一种基于多普勒中心和图像幅度的星载
SAR
姿态误差标定方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1，基于多普勒中心频率估计值和多普勒调频率，对
SAR
卫星的原始回波数据进行成像处理，得到初步聚焦的
SAR
图像，选取均匀场景统计图像功率沿距离向的变化曲线，与天线距离向方向图比较，确定横滚角误差；
[0010]步骤2，根据姿态引导理论，计算使多普勒中心频率为零的理论二维姿态导引角，当偏航角
、
俯仰角与理论二维姿态引导角存在偏差时，获取多普勒中心频率曲面，根据当前
SAR
卫星的原始回波数据对应的多普勒中心频率估计值，在多普勒中心频率曲面上寻找相对应的偏航角误差和俯仰角误差组合；
[0011]步骤3，针对不同下视角下的
SAR
回波数据，重复步骤1，将获取的横滚角误差求平均确定最终的横滚角误差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于多普勒中心和图像幅度的星载
SAR
姿态误差标定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于多普勒中心频率估计值和多普勒调频率，对
SAR
卫星的原始回波数据进行成像处理，得到初步聚焦的
SAR
图像，选取均匀场景统计图像功率沿距离向的变化曲线，与天线距离向方向图比较，确定横滚角误差；步骤2，根据姿态引导理论，计算使多普勒中心频率为零的理论二维姿态导引角，当偏航角
、
俯仰角与理论二维姿态引导角存在偏差时，获取多普勒中心频率曲面，根据当前
SAR
卫星的原始回波数据对应的多普勒中心频率估计值，在多普勒中心频率曲面上寻找相对应的偏航角误差和俯仰角误差组合；步骤3，针对不同下视角下的
SAR
回波数据，将获取的横滚角误差求平均确定最终的横滚角误差估计值，对获取的偏航角误差和俯仰角误差，使用最小二乘法，确定最终的偏航角和俯仰角误差估计值
。2.
根据权利要求1所述的基于多普勒中心和图像幅度的星载
SAR
姿态误差标定方法，其特征在于，步骤1，基于多普勒中心频率估计值和多普勒调频率进行成像处理，得到初步聚焦的
SAR
图像，选取均匀场景统计图像功率沿距离向的变化曲线，与天线距离向方向图比较，确定横滚角误差，具体方法为：步骤
1.1
，解析
SAR
卫星的原始回波数据，读取原始回波并解析获取其对应的轨道信息
、
下视角和姿态测量值，其中姿态测量值包括偏航角
、
俯仰角和横滚角；步骤
1.2
，根据
SAR
卫星的轨道信息
、
姿态量测值和
SAR
载荷参数，计算多普勒调频率，采用
CDE
或能量均衡法，确定多普勒中心频率估计值；步骤
1.3
，基于多普勒中心频率估计值和多普勒调频率进行成像处理，得到初步聚焦的
SAR
图像；步骤
1.4
，在初步聚焦的
SAR
图像中选取能量均方根在
0.5dB
以内的均匀场景区域，统计图像功率沿距离向的变化曲线；步骤
1.5
，选定距离向波束指向误差的估计区间和估计步长，依次获取各个距离向波束指向误差作用下的天线距离向方向图结果，将其与步骤
1.4
的图像功率沿距离向的变化曲线进行比较，选取两者差距最小时的距离向波束指向误差，将其作为横滚角误差
。3.
根据权利要求1所述的基于多普勒中心和图像幅度的星载
SAR
姿态误差标定方法，其特征在于，步骤2，根据姿态引导理论，计算使多普勒中心频率为零的理论二维姿态导引角，当偏航角
、
俯仰角与理论二维姿态引导角存在偏差时，获取多普勒中心频率曲面，根据当前
SAR
卫星的原始回波数据对应的多普勒中心频率估计值，在多普勒中心频率曲面上寻找相对应的偏航角误差和俯仰角误差组合，具体方法为：步骤
2.1
，计算多普勒中心频率为零时的理论二维姿态导引角；其中，
θ
yt
为偏航角，
θ
pt
为俯仰角，
u
为纬度幅角，
i
为轨道倾角，
ω
s
为卫星等效轨道角速
度，
ω
e
为地球自转角速度，
e
为偏心率，
f
为真近心角；步骤
2.2
，设在选定的估计区间及步长下，共有
N
个偏航角控制误差估计值和
N
个俯仰角控制误差估计值构成
N*N
个二维姿态角控制误差组合，分别计算每个组合对应的多普勒中心频率
f
dc
；确定没有姿态误差时的波束指向确定没有姿态误差时的波束指向其中，
θ
L
为波束中心下视角，
(
·
)
T
表示转置操作；存在偏航角和俯仰角误差时，波束指向需要进行两次旋转变换，其中偏航旋转矩阵表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：仇晓兰，商明样，陈旻，
申请(专利权)人：苏州空天信息研究院，
类型：发明
国别省市：