星載脈沖線性調(diào)頻波雷達測高方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于星球探測領(lǐng)域，特別是針對星載探地雷達對地高度信息的需要，在不 增加其他載荷的前提下提供準(zhǔn)確的高度信息。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著人類對宇宙空間探索的逐漸深入，衛(wèi)星被越來越多地用于對外星球 地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造的探測。為實現(xiàn)探測，衛(wèi)星一般搭載星載探地雷達，使用雷達回波實現(xiàn) 對探測目標(biāo)的檢測和分析。
[0003] 星載探地雷達在使用過程中需要有衛(wèi)星高度信息的支持，如果高度不夠準(zhǔn)確，會 導(dǎo)致開窗時間錯誤，不能準(zhǔn)確采集回波信號，難以實現(xiàn)探測目標(biāo)，因此需要有比較精確的衛(wèi) 星高度信息。在目前的火星探測衛(wèi)星上，有些星載雷達裝載有激光測高儀或者Ku、S、C、波 段的測高儀，這需要額外的載荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決衛(wèi)星軌道高度不精確，本發(fā)明在不適用其他載荷的前提下提供了一種星 載脈沖線性調(diào)頻波雷達測高的方法來得到衛(wèi)星飛行的高度。
[0005] (二）技術(shù)方案
[0006] 本發(fā)明提供一種星載脈沖線性調(diào)頻波雷達測高方法，用于繞星球飛行的衛(wèi)星，該 方法包括步驟：
[0007] 步驟A，根據(jù)地面高程數(shù)據(jù)選擇一段平坦地區(qū)作為測高起始地區(qū)；
[0008] 步驟B，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)節(jié)雷達天線方向，使天線波束垂直于星球表面；
[0009] 步驟C，發(fā)射脈沖線性調(diào)頻雷達信號，信號的載頻為F，帶寬為B，脈沖寬度為T111，脈 沖重復(fù)周期（PRT)為T。；
[0010] 步驟D，根據(jù)衛(wèi)星飛行軌道提供的高度信息R。，估計雷達信號回波返回衛(wèi)星的時間
-，其中c為光速；
[0011] 步驟E，根據(jù)步驟D計算的回波延時時間開窗采集回波信號，采樣時間窗多出 20us，前后各留IOus作余量長為1"+20 · 10 6,開始采樣時間為τ。-1〇 · 10 6,采樣率為Fs ;
[0012] 步驟F，對步驟E采集的回波信號進行匹配濾波，累加匹配濾波的輸出結(jié)果，并分 析累加后信號的信噪比SNR ;
[0013] 步驟G，判斷步驟F中輸出信號的信噪比是否滿足要求，若滿足則繼續(xù)進行下一 步，若不滿足則回到步驟B繼續(xù)進行發(fā)射、采集、匹配濾波和累加；以及
[0014] 步驟Η，根據(jù)匹配濾波的結(jié)果得到一個脈沖信號，脈沖信號距離采樣時間窗起點的 時間為τ i，根據(jù)脈沖信號在時間軸上的位置計算從信號采集開始到出現(xiàn)脈沖的時間，結(jié)合 步驟E中設(shè)定的開窗時間推導(dǎo)出衛(wèi)星距離星球表面的高度信息〗
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，該方法還可以包括：步驟I，衛(wèi)星慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供星 球運行的速度 ν'(?)，根據(jù)地面高程數(shù)據(jù)可以得到星下點位置的地形高度變化曲線d(l)，再 結(jié)合步驟H計算的高度信息H。，可以實時推導(dǎo)出衛(wèi)星高度信息h (t)。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，該方法還可以包括：步驟J，下一次出現(xiàn)星球表面為平坦地 區(qū)時，重復(fù)上述步驟得到新的高度信息，校正實時跟蹤高度誤差。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，該方法還可以包括：步驟K，根據(jù)記錄下來的數(shù)據(jù)可以做出 衛(wèi)星飛行的高度軌跡圖和地面高程變化圖。
[0018] (三）有益效果
[0019] 本發(fā)明可以在不增加其他載荷的前提下，利用星載探地雷達實現(xiàn)對衛(wèi)星高度的計 算，并實時跟蹤衛(wèi)星的高度。相比于現(xiàn)有技術(shù)，節(jié)省了衛(wèi)星的負(fù)重和成本。
【附圖說明】
[0020] 圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的星載脈沖線性調(diào)頻波雷達測高方法的流 程圖；
[0021] 圖2示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的星載脈沖線性調(diào)頻波雷達測高方法的匹 配濾波輸出結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0022] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合針對火星的具體實 施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過繞火星飛行的衛(wèi)星上的星載探地雷達發(fā)射天線向火星 表面周期地發(fā)射脈沖線性調(diào)頻信號，該信號在傳到火星表面時發(fā)生反射。接收天線通過預(yù) 估發(fā)射信號的傳輸時間，選擇適合的開窗時間對回波信號進行采樣接收，并通過對雷達回 波信號的延時進行分析，得到衛(wèi)星的高度信息。
[0024] 圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的火星星載脈沖線性調(diào)頻波雷達測高方法 的流程圖。圖2示意性示出了該方法中回波信號匹配濾波的輸出結(jié)果圖。參照圖1，根據(jù)本 發(fā)明實施例的星載脈沖線性調(diào)頻波雷達測高的方法的步驟包括：
[0025] 步驟A，根據(jù)火星地面高程數(shù)據(jù)選擇一段平坦地區(qū)作為測高起始地區(qū)。盡量選取地 形起伏抖動不超過50米，且變化平滑的區(qū)域。
[0026] 步驟B，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)節(jié)雷達天線方向，使天線波束垂直于火星表面。天線波束 垂直于火星表面才可以得到信號強度比較強的回波信號，而且所測的延時才是衛(wèi)星到火星 表面星下點的延時。
[0027] 步驟C，發(fā)射脈沖線性調(diào)頻雷達信號，信號的載頻為F，帶寬為B，脈沖寬度為T111，脈 沖重復(fù)周期（PRT)為T。。因此發(fā)送的脈沖線性調(diào)頻雷達信號x(t)為：
[0029] 其中，t表示時間變量，η為自然數(shù)，少為初始相位，信號的載頻為F，帶寬為B，脈沖 寬度為Tni,脈沖重復(fù)周期（PRT)為T。。相位函數(shù)為：
[0030] 對相位求導(dǎo)得到頻率函數(shù)：
[0031]
[0032] 步驟D，根據(jù)衛(wèi)星飛行軌道提供的高度信息R。，估計雷達信號回波返回衛(wèi)星的時間
其中c為光速。衛(wèi)星在繞火星飛行的過程中會提供衛(wèi)星的飛行高度信息，但是所 提供的飛行高度信息不夠精確，有上千米的誤差。因此τ。只是雷達信號發(fā)射到接受大概 所需的延時，不夠準(zhǔn)確，需要做進一步的處理，得到更準(zhǔn)確的延時。
[0033] 步驟Ε，根據(jù)步驟D計算的回波延時時間開窗采集回波信號，由于衛(wèi)星飛行軌道高 度信息不夠準(zhǔn)確，因此采樣時間窗需要比脈沖信號寬度T ni多出20us，前后各留IOus作余 量。因此時間窗長為!"+20 · 10 6,開始采樣時間為τ。-1〇 · 10 6。采樣率為Fs。
[0034] 設(shè)雷達信號經(jīng)過的準(zhǔn)確延時為τ，其中τ <T。。則回波信號的表達式為：
選擇的米樣時間為：[τ。_10 · 10 6， τ。+1"+10 · 10 6]，采樣率為Fs。采樣點數(shù)為：N = Fs · (Tm+20 · 10 6)。得到的離散采樣信 號為：
[0035]
[0036] 其中，k = 0,1 …N-1。
[0037] 步驟F，對步驟E采集的回波信號進行匹配濾波，并累加匹配濾波的輸出結(jié)果，并 分析累加后信號的信噪比SNR。
[0038] 匹配濾波器為Μ? = -〇:，其中上標(biāo)*表示取共輒。匹配濾波器的輸出函數(shù)為
[0040] 如圖2所示，匹配濾波器的輸出函數(shù)可以近似為一脈沖信號 [0041] sout (t) ^Tn- Sinc(Ba-T1))
[0042] 將得到的脈沖信號結(jié)果存儲起來，并且與之前得到的結(jié)果進行累加得到累加后的 信號。脈沖的位置s n (t)出現(xiàn)在開