专利名称：天基相控阵雷达空间多目标定轨方法
技术领域：
本发明涉及信号处理技术领域，涉及卫星定轨，特別是基于天基相控阵雷达对空间远近不同目标定轨方法，可用于空间多目标的检测、跟踪和定轨。
背景技术：
对空间目标进行定轨，所获取的目标轨道信息能够为轨道数据库建立提供数据支持，也可以为空间目标识别提供先验信息，对于空间态势感知、轨道资源管理和保障在轨飞行器安全具有重要意义。美国目前的空间监视网(SSN :Space Surveillance Network)主要由3类系统組成(1)地基雷达监视系统，主要包括FPS-85雷达、铺路爪(Pave Paws)雷达、海军空间监视系统的雷达等；(2)地基光电系统，主要由“地基光电深空监视系统”(GE0DSS ground-based electro-optical deep space surveillance)组成；、J) 基监视统，包括2011年春季投入运行的“天基空间监视系统”(SBSS :Space-based Space Surveillance System)、计划2015年投入运行的“轨道深空成像仪” (ODSI =Orbit Deep Space Imager)和其他天基计划。SBSS部署在低地球轨道(IlOOKm)，携帯高灵敏度的天基可视传感器(SBV Space Based Visible)和1部可探測地球静止軌道(36000Km)卫星的光学望远镜，其目的是研制和部署能用于深空和近地空间目标的发现、跟踪和定轨；ODSI系统由运行在地球静止轨道的成像卫星组成的卫星星座組成，其主要功能是提供地球静止軌道上三轴稳定卫星的图像，即获取空间目标的特征信息，进行空间目标识别；其他天基计划如为导弹防御系统研制的“天基红外系统”(SBIRS =Space Based Infrared System)和“空间跟踪与监视系统 (STSS =Space Track and Surveillance System) ”也具有很强的天基空间监视能力。俄罗斯的空间目标监视系统(SSS =Space Surveillance System)由用于监视低空目标的地基雷达和探測中低轨目标的光电望远镜组成，如天窗0系统。除美国外，加拿大、英国、日本、 德国等国家也开展了天基空间监视的相关研究加拿大2003年发射了空间探测小卫星，在此基础上启动了空间目标监视(SOS=Surveillance of Space)计划，主要用于跟踪地球同步轨道上通信卫星和其他高轨卫星；英国SURRY大学于2000年发射了实验小卫星，获得了目标空间光学图像；日本于2003年曾发射了空间垃圾回收卫星，具备天基空间目标监视能力；德国波恩大学开展了天基空间目标监视有效载荷技术研究。我国目前的空间目标监视系统主要由地基系统组成，对空间目标的探測和定轨能力有限。可见，目前天基监视系统国内外主要以光电系统为主，天基相控阵雷达系统鲜见报导。地基系统相比干天基系统虽具有技术成熟、成本低、好维护等优点，但受到诸多条件的限制(1)观测时间受限地基系统受地域限制严重，难以实现对天基目标的连续监视与跟踪；( 探测距离有限地基系统无论是光电或是雷达，探测目标经过大气衰减导致信噪比降低从而影响远距离高轨目标的探測。雷达相比光电系统，具有如下的优点(1)全天吋、全天候工作，雷达可M小时不间断工作，而光电系统只能在目标被照亮的情况下才能工作；( 雷达能够快速检测、跟踪和定轨目标，由于主动探測可提供目标多维信息方位角、俯仰角、距离和速度等，能够实时对目标定轨，而光学传感器是被动仅测角形式，只能测量目标的赤经和赤纬，无先验信息的条件下往往需要数小时或数天才能对空间目标定轨。将相控阵雷达安置干天基平台，除具有波束控制灵活的优点外，还具备空间多目标同时观测的优点，因此，研究天基相控阵雷达空间多目标定轨方法具有十分重要的意义。基于喇叭天线的传统和差测角虽具有实现简单、测向精度高的优点，但只能针对单个目标；基于子空间的超分辨测向方法，如多重信号分类(MUSIC =Multiple Signal Classsification)法、信号參数旋转不变估计(ESPRIT Estimation of signal parameters via rotational invariance techniquesノ法‘，虽能够实现IHI时多目标测 1 ， 但实际应用中存在运算量大的难题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于天基相控阵雷达的空间多目标定轨方法， 以克服空间多目标的远近效应，解决远距离目标由于信噪比低而导致的测角精度差的问题，提高轨道估计精度。实现本发明目的的技术思路是采用调零保形对多目标进行空分，通过距离脉压估计目标距离信息，由距离分段克服“远近”目标效应；由和差多波束测角估计多空间目标的方位和俯仰信息；根据空间目标距离和角度信息，采用Laplace型迭代的最小ニ乘方法实现对空间目标的定轨。其具体步骤包括如下(1)将相控阵雷达布置在卫星平台上，按脉冲体制发射信号Se (t)，并接收回波数据，运用展宽调零保形算法，计算第k个目标的最优波束权值wk，k = 1，. . .，P，P为目标数；(2)用第k个目标的最优波束权值Wk乘以回波数据得到波束输出数据yk，并对该波束输出数据yk进行脉冲压缩处理，得到第k个目标的距离时延τ k，k = 1，. . .，P，P为目标数；(3)按阵元位置将相控阵分为左上、左下、右上和右下四个象限，把第k个目标的普通波束权值k划分为左上、左下、右上和右下权值，分别为、wニ、wニ和评ニ，用 Wじ、Wじ、W二和W二分别乘以对应象限的回波数据后，得到左上、左下、右上和右下象限t 时刻的波束输出分别为ズ—ンりyqDk(t)、_cぶ)和·Cぶ)，由左上、左下、右上和右下的波束输出构造和波束输出り，方位差波束输出·)(り和俯仰差波束输出ズ州-ズ—k(t)=yLquk-myLqDk.(CmyZ\(り，
ズ—k(t)=y:u—k(t)+yRqDk.(t)-/qu—k(t)-ylW)，
y:k(t)=(り+·C.(り-·CK(4)以步骤⑵中的第k个目标的距离时延、为中心，从和波束输出えり、方位差波束输出り和俯仰差波束输出り中均截取2TP范围数据，Tp为发射脉冲宽度，对所截取的数据分别作距离脉压，得到和距离脉压数据り，方位差距离脉压数据(り， 俯仰差距离脉压数据<—JO， k(τ) = l_T'yl_k(t)sl(r-t)dt
权利要求
1. 一种天基相控阵雷达空间多目标定轨方法，包括如下步骤(1)将相控阵雷达布置在卫星平台上，按脉冲体制发射信号Se(t)，并接收回波数据，运用展宽调零保形算法，计算第k个目标的最优波束权值wk，k = 1，. . .，P，P为目标数；(2)用第k个目标的最优波束权值Wk乘以回波数据得到波束输出数据yk，并对该波束输出数据yk进行脉冲压缩处理，得到第k个目标的距离时延xk，k= 1，...，P，P为目标数；(3)按阵元位置将相控阵分为左上、左下、右上和右下四个象限，把第k个目标的普通波束权值W(Lk划分为左上、左下、右上和右下权值，分别为、wニ、wニ和评ニ，用、 wじ、W=和W=分别乘以对应象限的回波数据后，得到左上、左下、右上和右下象限セ时刻的波束输出分别为
2.根据权利要求1所述的天基相控阵雷达空间多目标定轨方法，其特征在于步骤(1) 所述的计算第k个目标的最优波束权值wk，k = 1，. . .，P，P为目标数，按如下公式计算式中，Wo=hoa(《,<^)表示第k个普通波束权矢量，h表示加窗函数， 表示波束指向的导向矢量，(《,<)表示第k个波束指向，f= W 0 0]τ表示约束向量， ...... Fa(《パ)]表示第 k 个约束矩阵，k =1，...，P，P为目标数，H表示共轭转置，F= [IN Dx Dy]表示系数矩阵，In表示N维单位矩阵，N为阵元数，Dx = diag(Xl x2. . . xN)表示由阵元位置χ方向坐标(X1 X2. . . xN)构成的对角矩阵，Dy = diag(yi y2. . . yN)表示由阵元位置y方向坐标(yi y2. . . yN)构成的对角矩阵， Dx和Dy用于展宽零陷。
3.根据权利要求1所述的天基相控阵雷达空间多目标定轨方法，其特征在于步骤(8) 所述的运用最小ニ乘原理估计目标星的轨道參数，其过程如下8a)基于Laplace迭代算法进行迭代，计算第k个目标、时刻的速度矢量Vktl的粗略估值Vm，k = 1，...，P。将第k个目标在J2000坐标系下的坐标rk在、时刻进行泰勒展开得= r,o + ν,ο^· + -^2 + y^f τ3+0(τ4),. t=t0其中τ = t-t(i表示时间间隔，rk(i= [xk0 yk0 表示、时刻第k个目标在J2000坐标系下的坐标，xk0> yk0> zk0为ι·Μ的三个分量，、。=f 为tQ时刻第k个目标在J2000坐t=to标系下的速度矢量，ち。=jf 为、时刻第k个目标在J2000坐标系下的加速度矢量。 = 0rk的泰勒展开式整理后，可写成 rk = Frk0+Gvk0,其中トト^T ++ )为 的系数，G =ト^T +外4)为Vko的系数，μ表示中心天体的质心引力常数，IrkcJ为、时刻空间目标的距离。由rk= Pk+R_rk = Frk。+Gvk(^，·，.可按、。=Pk +R~Frk0进行迭代计算，迭代时令初值F(CI) = 1,G(0) = τ，其中Pk表示第k个目标相对于雷达的向量，R表示已知的探測星在J2000坐标系下的坐标。8b)利用最小二乘原理，计算精确的第k个目标在J2000坐标系下的坐标t' M和速度矢量 v' k0, k = 1, , P0由图2相控阵雷达工作场景图中的探测星、空间目标以及地球之间的几何关系式「芦⑷ fìh) f(tm)1 K v:。] g(ti) g(t2) g(tm) =[p,(^1)+ R(^1) p,(r2) + r(r2)…pk(rM)+ R(tm)]得到矩阵[r' k0 v' J =08^8811),这里矩阵DBYBBH)—1的第一列为r' k(l，矩阵 DBH(BBh)-1 的第二列为 v' k0,其中 D = [pk(x1)+R(x1) pk(T2)+R(x2)... pk(xM)+R(tm)]表示目标星的位置矢量矩阵，B =G(.)…⑶表示系数矩阵，i^1表示时间间隔为Ti时的F值，G1^表示时间间隔为Ti时的G值，i = 1，2，...，M， 其中M为雷达测量次数，厂⑹和可由8a)中的^、目标角度距离信息及时间间隔h计 算得到，Pk(Ti)表示时间间隔为h时的Pk值，R(Ti)表示时间间隔为Ti时的R值，i =1,2, . . . , M；8c)根据步骤8b)得到的精确的第k个目标在J2000坐标系下的坐标r' k(l和速度矢 量V' M，k = 1，. . .，P，计算卫星轨道参数，即轨道半长轴a、轨道偏心率e、轨道倾角i、轨 道升交点赤经Q、轨道真近点角f、轨道近地点幅角w 轨道半长轴a=，式中，k。| 为r' k。的模值，
全文摘要
本发明公开了一种天基相控阵雷达空间多目标定轨方法，主要解决现有技术对空间弱目标不能有效估计和目标定轨精度低的问题。其过程为对目标回波数据采用调零保形算法进行处理，运用距离脉冲压缩原理得到距离先验信息，并据此对回波信号进行分段处理；根据目标数将回波信号分段，每段数据为目标信号及其临近单元信号；对各段数据运用和差多波束测角原理实现多目标二维角度估计；基于空间目标跟踪结果和探测星轨道信息，进行坐标转换；采用Laplace型迭代算法实现对空间远近不同目标定轨，并运用最小二乘算法提高定轨精度。本发明能够降低强信号对弱目标的影响，对弱目标参数进行准确估计，可用于空间态势感知、轨道资源管理等实际应用领域。
文档编号G01S13/58GK102540180SQ20121000046
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月2日 优先权日2012年1月2日
发明者刘志凌, 廖桂生, 曾操, 李军, 杨志伟, 杨绪, 谈维林, 陶海红 申请人:西安电子科技大学