采用波束指向控制的地球同步軌道圓跡sar成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于合成孔徑雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用波束指向控制的地球同步 軌道圓跡SAR成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 合成孔徑雷達(dá)（SyntheticApertureRadar,SAR)是一種對(duì)地成像遙感觀測(cè)的重 要手段，因具有"全天時(shí)、全天候"的特點(diǎn)、所以不受氣象條件和夜晚的影響，從而得到了廣 泛的應(yīng)用。圓跡SAR利用雷達(dá)平臺(tái)與被觀測(cè)目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的360° 全方位觀測(cè)，具有分辨率高和三維成像等多種優(yōu)點(diǎn)。目前，圓跡SAR常采用飛機(jī)或臨近空間 飛艇作為雷達(dá)平臺(tái)，通過(guò)飛機(jī)或飛艇對(duì)地面目標(biāo)的圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)圓跡成像。在星載SAR方 面，常見(jiàn)的成像衛(wèi)星的軌道較低，無(wú)法形成雷達(dá)與目標(biāo)之間的360°相對(duì)運(yùn)動(dòng)，目前尚無(wú)在 軌運(yùn)行的星載圓跡SAR系統(tǒng)。發(fā)明專利名稱為"地球同步軌道圓跡合成孔徑雷達(dá)三維微波 成像方法（專利號(hào)ZL200710176924. 7) "的專利提出了以地球同步軌道衛(wèi)星為平臺(tái)的星載 圓跡SAR成像技術(shù)，利用地球同步衛(wèi)星軌道高、且公轉(zhuǎn)與地球自轉(zhuǎn)周期相同的特點(diǎn)，通過(guò)將 衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)成圓形星下點(diǎn)軌跡，實(shí)現(xiàn)了星載圓跡SAR的成像工作模式。
[0003] 但是，上述地球同步軌道星載圓跡SAR成像技術(shù)存在以下幾個(gè)主要的缺點(diǎn)：
[0004] 第一、具有圓形星下點(diǎn)軌跡的地球同步衛(wèi)星，在環(huán)繞地球一周的同時(shí)也從目標(biāo)上 空環(huán)繞目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)了一個(gè)圓周。此時(shí)，SAR圓跡成像主要利用了衛(wèi)星的軌道運(yùn)動(dòng)，且要求 衛(wèi)星軌道的傾角弧度在數(shù)值上始終保持為偏心率的2倍。這一要求對(duì)衛(wèi)星的軌道保持提出 了特殊要求，這些要求通常很難實(shí)現(xiàn)，或需要付出很高的軌道保持的代價(jià)。
[0005] 第二、為形成地面圓形星下點(diǎn)軌跡，衛(wèi)星軌道需要較大的偏心率參數(shù)。雖然衛(wèi)星在 地面的星下點(diǎn)投影軌跡為圓形，但衛(wèi)星在空間上繞地球運(yùn)行的軌道是橢圓形。偏心率越大， 衛(wèi)星的空間軌道的形狀越偏離圓形，而更接近橢圓形。衛(wèi)星沿橢圓軌道運(yùn)行時(shí)，衛(wèi)星軌道的 高度和衛(wèi)星相對(duì)于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度都會(huì)發(fā)生劇烈變化，這些都增加了成像處理難度。
[0006] 第三、為了實(shí)現(xiàn)星載圓跡SAR對(duì)目標(biāo)的成像，需要衛(wèi)星繞地球運(yùn)行一個(gè)完整的周 期，這使得圓跡SAR成像的周期長(zhǎng)達(dá)24小時(shí)，因而降低了信息獲取的時(shí)效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一）要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0008] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種新的采用波束指向控制的地球同步軌道圓 跡SAR成像方法，降低了衛(wèi)星沿軌運(yùn)動(dòng)時(shí)速度和高度的劇烈變化程度，減小了成像的處理 難度，縮短了成像周期，同時(shí)不對(duì)衛(wèi)星的軌道保持提出特殊性的要求。
[0009](二）技術(shù)方案
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供的采用波束指向控制的地球同步軌道圓跡 SAR成像方法，包括以下步驟：
[0011] 第一步，根據(jù)被觀測(cè)成像的地面目標(biāo)的位置，選定具有零偏心率、星下點(diǎn)軌跡為"8 字形"的地球同步衛(wèi)星作為圓跡SAR的雷達(dá)平臺(tái)；
[0012] 第二步，設(shè)計(jì)軌道參數(shù)，使星下點(diǎn)軌跡的某個(gè)半"8字形"覆蓋地面預(yù)定被觀測(cè)成像 的目標(biāo)區(qū)域；
[0013] 第三步，以SAR天線波束中心線與星下點(diǎn)方向的夾角為距離指向角，以天線波束 中心線與衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)方向的夾角為方位指向角，假定SAR天線波束始終指向目標(biāo)，并以 波束距離指向角和波束方位指向角表示波束指向，計(jì)算出距離指向角和方位指向角隨時(shí)間 的變化規(guī)律；
[0014] 第四步，根據(jù)所述計(jì)算出的距離指向角和方位指向角隨時(shí)間的變化規(guī)律，在圓跡 SAR成像的觀測(cè)周期之內(nèi)采取步進(jìn)法進(jìn)行二維天線波束指向控制。
[0015](三）有益效果
[0016] 本發(fā)明通過(guò)采用軌道偏心率為零的地球同步衛(wèi)星作為雷達(dá)平臺(tái)，提出了一種新的 采用波束指向控制的地球同步軌道圓跡SAR成像方法。與已有的星載圓跡SAR成像方法相 比較，本發(fā)明所取得的有益效果為：
[0017] 1、由于偏心率為零的地球同步衛(wèi)星在空中繞地球運(yùn)行的軌道為圓軌道，所以衛(wèi)星 距地面的高度變化小，同時(shí)衛(wèi)星沿圓軌道運(yùn)行的速度相等，更有利于SAR成像的處理。
[0018] 2、本發(fā)明采用波束控制的方式，從而可以在圓軌道地球同步衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡的半 個(gè)"8字形"時(shí)段內(nèi)完成整個(gè)圓跡周期的成像，將圓跡成像時(shí)間減小到12小時(shí)。
[0019] 3、本發(fā)明采用二維波束控制實(shí)現(xiàn)星載圓跡SAR成像，不再要求衛(wèi)星軌道傾角的弧 度在數(shù)值上為偏心率的2倍，因而無(wú)需對(duì)衛(wèi)星軌道的保持提出特殊要求，降低了衛(wèi)星軌道 保持的難度。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的采用波束指向控制的地球同步軌道圓跡SAR成像的觀測(cè) 示意圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的采用波束指向控制的地球同步軌道圓跡SAR成像的天線 波束指向角的示意圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的采用波束指向控制的地球同步軌道圓跡SAR成像的波束 指向隨時(shí)間變化的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例加以詳細(xì)地說(shuō)明。
[0024] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的采用波束指向控制的地球同步軌道圓跡SAR成 像的觀測(cè)示意圖。本實(shí)施例中，假定被成像觀測(cè)的目標(biāo)為中國(guó)廣州地區(qū)，成像區(qū)域的中心坐 #*23·0962°Ν、113·2936Ε。。
[0025] 依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的采用波束指向控制的地球同步軌道圓跡SAR成像方法包 括以下步驟：
[0026] 第一步，根據(jù)被觀測(cè)成像的地面目標(biāo)的位置，選定具有零偏心率、星下點(diǎn)軌跡為"8 字形"的地球同步衛(wèi)星作為圓跡SAR的雷達(dá)平臺(tái)第二步，設(shè)計(jì)軌道參數(shù)，使星下點(diǎn)軌跡的某 個(gè)半"8字形"覆蓋地面預(yù)定被觀測(cè)成像的目標(biāo)區(qū)域。
[0027] 具體地，設(shè)計(jì)偏心率為零的地球同步衛(wèi)星的軌道，使得該地球同步衛(wèi)星處于北半 球星下點(diǎn)軌跡的半個(gè)"8字形"覆蓋預(yù)定被觀測(cè)成像的地面目標(biāo)區(qū)域，其具體的軌道參數(shù)為： 軌道長(zhǎng)半軸a= 42164. 17km、偏心率e= 0、軌道傾角i= 50°、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω= 115°、 近地點(diǎn)幅角ω=0°和平近點(diǎn)角Μ= 0°。成像目標(biāo)與地球同步衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡的關(guān)系如 圖1所示。
[0028] 第三步，以SAR天線波束中心線與星下點(diǎn)方向的夾角為距離指向角，以天線波束 中心線與衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)方向的夾角為方位指向角，如圖2所示。假定SAR天線波束始終指 向目標(biāo)，并以波束距離指向角和波束方位指向角表示波束指向，計(jì)算出距離指向角和方位 指向角隨時(shí)間的變化規(guī)律。。
[0029] 具體地，以北半球半個(gè)"8字形"的星下點(diǎn)軌跡所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)段為圓跡SAR 成像的觀測(cè)周期，設(shè)t為衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的時(shí)間變量且以衛(wèi)星過(guò)升交點(diǎn)時(shí)刻為成像起始零時(shí)刻。 在地球同步衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，假定雷達(dá)天線波束始終指向觀測(cè)成像的地面目標(biāo)， 計(jì)算半個(gè)"8字形"所對(duì)應(yīng)觀測(cè)周期之內(nèi)的任意時(shí)刻t波束指向隨時(shí)間變化的距離指向角和 方位指向角。
[0030] 該計(jì)算步驟如下：
[0031] 1)計(jì)算t時(shí)刻星下點(diǎn)在地球地心固聯(lián)坐標(biāo)系中的經(jīng)煒度
[0032]Φs (t) =arcsin(sinisinωst) (la)
[0033]λs (t) =arctan(cositanωst) -ωe ·t+Ω(lb)
[0034] 其中，As(t)是地球同步衛(wèi)星星下點(diǎn)經(jīng)度，（i>s(t)是地球同步衛(wèi)星星下點(diǎn)經(jīng)度，i、 Ω分別是衛(wèi)星軌道傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)，cos為衛(wèi)星平均運(yùn)動(dòng)角速度、ωe為地球自轉(zhuǎn)平均角速 度。
[0035] 2)計(jì)算t時(shí)刻衛(wèi)星軌道在地球地心固聯(lián)坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)位置
[0036] xs(t)=acosΦs (t)cosλs (t) (2a)