基于敏捷合成孔径雷达卫星姿态机动的马赛克模式实现方法与流程

本发明涉及一种基于敏捷合成孔径雷达(以下简称为sar)卫星姿态机动的马赛克模式实现方法，尤其适用于采用集中馈电的反射面体制敏捷sar卫星实现马赛克模式.
背景技术：
：马赛克模式是一种新兴的sar工作体制，它距离向通过天线波束在不同子测绘带之间切换实现宽测绘带成像，方位向通过波束反向扫描实现高分辨率成像，它的工作原理如图1所示.马赛克模式结合了scansar模式宽测绘带和聚束模式高分辨率的特点，所以马赛克模式也被称为聚束版的scansar。敏捷sar卫星依靠姿态控制系统控制卫星整体绕俯仰、横滚、偏航3个轴向摆动，实现马赛克模式成像所需的方位向波束扫描，而马赛克模式成像所需的距离向波束快速切换由天线系统有限的电扫描能力实现。urynaftaly和ronitlevy-nathansohn在ieeegeoscienceandremotesensingletters上发表了《overviewofthetecsarsatellitehardwareandmosaicmode》一文，对马赛克模式的原理进行了介绍，同时给出了马赛克模式子测绘带全分辨率图像连续的基本条件。刘光炎和孟喆在微波学报上发表了《合成孔径雷达mosaic模式系统性能分析》一文，对马赛克模式的基本原理和频谱特性进行了一定的分析.韩晓磊、李世强等在宇航学报上发表的《基于敏捷卫星平台的星载sarmosaic模式研究》一文，对基于敏捷卫星平台的星载sar马赛克模式系统设计方法和性能进行了分析。但上述分析均是在小扫描角基础上进行的，没有充分考虑精确的轨道和地球模型，并且未在马赛克模式的系统需求与卫星的姿态角之间建立直接的联系，更为重要的是完全没有考虑轨道弯曲和姿态机动造成的波束足印旋转对拼接的影响，不适用于需要大扫描范围的高分宽幅马赛克模式.通过敏捷sar卫星实现高性能指标的马赛克模式时，需要较长的成像时间，期间卫星的运动轨迹不能简化为直线，存在弯曲，导致波束地面足印发生旋转。此外，该模式还需要较大的整星姿态机动范围，同样导致波束地面足印发生大角度旋转。马赛克模式不同子测绘带之间的切换通过电扫描实现，而这种扫描一般仅能在波束地面足印方向进行(如图2所示)。这时波束地面足印的旋转导致子测绘带间切换仅能沿不同的倾斜方向进行，最终导致马赛克模式整体图像呈现倒梯形，且方位向存在间隙，不能实现无缝拼接(如图3所示)。因此，需要在高精度卫星轨道和地球模型的基础上，充分考虑波束指向和地面足印的旋 转问题，通过控制卫星的姿态使马赛克模式不同子成像块沿相同的方向排布和切换，实现马赛克模式成像区域无缝拼接，得到高分辨率宽测绘带星载sar图像.技术实现要素：为了解决现有技术中存在的问题以及克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于敏捷sar卫星姿态机动的马赛克模式实现方法，该方法依靠敏捷sar卫星姿态控制系统控制卫星整体绕俯仰、横滚、偏航3个轴向摆动，实现马赛克模式成像所需的方位向波束扫描，并依靠天线系统有限的电扫描能力实现马赛克模式成像所需的距离向波束快速切换.该方法充分考虑精确的轨道和地球模型，根据马赛克模式需求性能指标和成像几何设计敏捷sar卫星的瞄准点和工作时序，通过整星的横滚和俯仰机动得到成像所需的波束指向，通过整星的偏航机动控制雷达波束地面足印方向，通过电扫描实现距离向波束快速切换。保证了马赛克模式不同子成像块之间的无缝拼接，为基于卫星平台姿态机动实现高分辨率宽测绘带星载sar马赛克模式成像提供一种经济、高效的实现途径。本发明提出的基于敏捷sar卫星姿态机动的马赛克模式实现方法包含三个主要步骤，分别为总体参数计算、中间子成像块参数计算、其他子成像块参数递推计算.具体如下：步骤1——总体参数计算1.1计算使成像场景中心回波信号多普勒中心为零的中心时刻根据星历数据和场景中心坐标，计算星载sar场景中心回波信号的多普勒频率，再将多普勒中心为零的时刻确定为成像中心时刻。1.2计算中心时刻波束指向场景中心时的参考足印方向向量将中心时刻雷达波束指向场景中心时的波束地面足印方向矢量确定为其他所有子成像块的波束地面足印参考方向向量.1.3计算所需子测绘带数根据星历数据、成像场景位置确定成像几何关系，确定达到需求成像范围所需的子测绘带数.步骤2——中间子成像块参数计算2.1计算中间子成像块成像时间根据成像几何和需求分辨率，计算中间子成像块所需的成像时间。2.2计算中间子成像块波束地面足印移动距离根据成像拼接条件，确定中间子成像块波束地面足印移动距离。2.3确定中间子成像块瞄准点与瞄准时序规划根据中间子成像块场景中心位置，沿参考足印方位向平均分配足印移动距离.并按保证地面足印匀速运动的准则，为成像时间平均分配不同的瞄准点，使瞄准点和成像时间一一对应，完成中间子成像块瞄准点和时序规划.2.4计算实现波束指向所需的横滚角和俯仰角根据波束地面足印方向、成像瞄准点和时序，结合星历数据，计算满足指向需求的横滚角和俯仰角。2.5将参考足印方向向量变换到轨道坐标系下根据星历数据，将参考波束地面足印方向向量变换到轨道坐标系下。2.6利用得到的横滚角和俯仰角计算中间向量根据得到的横滚角和俯仰角，以及轨道坐标系下的波束地面足印方向向量，计算波束地面足印方向向量由轨道坐标系向星本体坐标系转化的中间向量。2.7利用中间向量计算需求偏航角通过控制后的波束地面足印方向向量与期望波束地面足印方向向量相等构建方程，计算需求偏航角。2.8计算方位向成像范围利用计算得到的姿态角信息、星历数据和地面足印移动距离等，计算得到的中间子成像块方位向有效长度。步骤3——其他子成像块参数递推计算本部分通过递推计算得到马赛克模式所有子成像块参数，其中前一个子成像块的计算结果将作为下一个子成像块计算的输入参数，直到方位向成像范围满足需求为止。3.1增加一组子成像块马赛克模式需要进行方位向拼接，因此，当中间子成像块参数计算完成后，增加一组子成像块，通过后续步骤计算相应参数。3.2计算边界位置波束瞄准点根据前一子成像块设计结果，计算该子成像块的起始时刻或结束时刻瞄准点。3.3计算子成像块成像时间根据成像几何和需求分辨率，计算本子成像块的成像时间。3.4计算子成像块波束地面足印移动距离根据成像拼接条件，计算本子成像块波束足印移动距离。3.5确定子成像块瞄准点与瞄准时序规划根据边界位置波束瞄准点和波束地面足印移动距离，完成本子成像块瞄准点和时序规划。3.6计算实现波束指向所需的横滚角和俯仰角与步骤2.4采用相同的方法，计算所需的横滚角和俯仰角。3.7将参考足印方向向量变换到轨道坐标系下与步骤2.5采用相同的方法，将参考足印方向向量变换到轨道坐标系下。3.8利用横滚角和俯仰角计算中间向量与步骤2.6采用相同的方法，利用横滚角和俯仰角计算中间向量。3.9利用中间向量计算需求偏航角与步骤2.7采用相同的方法，利用中间向量计算需求偏航角.3.10计算方位向成像范围利用得到的姿态角信息、星历数据和地面足印移动距离等，计算该子成像块方位向有效长度。再通过累加计算得到方位向总长度。3.11判断是否满足成像范围需求判断方位向总长度是否满足需求，如未达到需求，增加一组子成像块，重新执行步骤3，直到成像范围满足需求。因此，与现有技术相比，采用本发明可以实现以下的有益效果：1)充分考虑了卫星轨道和地球表面的弯曲特性影响，以及马赛克模式星载sar工作特点，为高分辨率宽覆盖星载sar成像提供了一种经济、高效的实现方式；2)充分考虑波束指向和波束地面足印的旋转问题，通过控制敏捷sar卫星的姿态使马赛克模式不同子成像块沿相同的方向排布，再通过小范围电扫描使波束在不同子测绘带间切换，实现马赛克模式成像区域无缝拼接；3)通过瞄准点和时序规划设计，将场景中心点回波多普勒信号为零的时刻设为整个成像时间的中心，保证了回波信号多普勒中心变化范围最小，降低了数据处理难度，因此无需再单独进行姿态导引；4)从马赛克模式中心子成像块的中心位置开始，向两边递推计算，前一个子成像块的计算结果作为下一个子成像块的计算输入，直到满足方位向成像覆盖需求，这样的计算过程充分考虑了不同子成像块的几何变化，既保证了成像区域的无缝拼接，又降低了不同子成像块之间的冗余，实现了成像效率的最大化；5)通过控制距离向子测绘带数得到满足需求的测绘带宽，通过迭代计算得到满足需求的方位向成像范围，通过控制子成像块的驻留时间得到满足需求的方位向分辨率。附图说明图1是马赛克模式的工作原理示意图；图2是马赛克模式下的波束地面足印切换方向的示意图；图3是马赛克模式下的波束地面足印控制必要性的说明图；图4是本发明的基于敏捷sar卫星姿态机动的马赛克模式实现方法的流程图；图5是本发明的基于敏捷sar卫星姿态机动的马赛克模式实现方法的实施验证的流程图；图6示出了本发明实施例的马赛克模式需求姿态角的计算结果；图7是未进行足印方向控制的马赛克模式地面波束覆盖结果的示意图；以及图8采用足印方向控制后的马赛克模式地面波束覆盖结果的示意图。具体实施方式应了解，本发明方法通过控制距离向子测绘带数得到满足需求的测绘带宽度；通过整星姿态机动实现马赛克模式成像所需的方位向波束扫描，和图像拼接所需的波束地面足印方向；通过天线系统有限电扫描能力实现马赛克模式成像所需的距离向波束快速切换；通过递推计算得到满足需求的方位向成像范围；通过控制子成像块的驻留时间得到满足需求的方位向分辨率。下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。具体地，本发明的基于敏捷sar卫星姿态机动的马赛克模式实现方法的流程如图4所示，具体包含以下步骤。步骤1——总体参数计算1.1计算使成像场景中心回波信号多普勒中心为零的中心时刻为了保证整个成像过程中回波信号多普勒中心为零，降低数据处理难度，提高成像质量，需要根据星历数据和场景中心坐标，计算场景中心回波信号的多普勒频率，再将多普勒中心为零的时刻确定为成像中心时刻。sar场景中心回波信号的多普勒频率可通过下式计算得到：其中，为地心惯性坐标系下卫星的位置矢量，为地心惯性坐标系下瞄准点的位置 矢量，为地心惯性坐标系下卫星的速度矢量，为地心惯性坐标系下瞄准点的速度矢量，λ为载波波长，rst为卫星与瞄准点之间的距离。根据上式可以得到场景中心回波多普勒中心值，进而得到中心值为零的星历时刻。本步骤保证了回波信号多普勒中心变化范围最小，因此后续无需再单独进行姿态导引。1.2计算中心时刻波束指向场景中心时的参考足印方向向量为了保证马赛克模式所有子成像块能够无缝拼接，得到连续的整体图像，需要所有子成像块沿相同方向排布(如图3所示)。同时为了保证后续校正波束地面足印方向所需的偏航角对称分布且其值最小，将中心时刻雷达波束指向场景中心时的波束地面足印方向向量确定为其他所有子成像块的波束地面足印参考方向向量.根据场景中心点坐标和成像中心时刻星历数据，计算得到波束在中心时刻指向场景中心所需的横滚角和俯仰角，并将偏航角设置为零.设天线的电扫描角分别为正/负半波束宽度，在stk软件中可以得到远/近两个地面瞄准点在地球固连坐标系下的坐标，根据这两个瞄准点可以计算波束地面足印方向向量，即，(vx，vy，vz)＝(t1_x，t1-y，t1-z)-(t2_x，t2-y，t2-z)(2)其中，(vx，vy，vz)为地球固连坐标系下波束地面足印方向向量，(t1_x，t1-y，t1-z)为瞄准点1在地球固连坐标系下坐标，(t2_x，t2-y，t2-z)为瞄准点2在地球固连坐标系下坐标。1.3计算所需子测绘带数为了达到需求的测绘带宽度，需要根据星历数据、成像场景位置确定成像几何关系，进而结合天线参数，确定达到需求成像范围所需的子测绘带数.根据星地几何关系、天线波束宽度和子测绘带间的重叠度，可以计算得到不同子测绘带数对应的总测绘带宽度，计算公式如下：其中，θr_1为天线第i个波位的距离向波束宽度，rm_i为第i个子测绘带的中心斜距，αr为子测绘带间重叠度，nr为子测绘带数。再根据需求的总测绘带宽度，可以得到最终的距离向子测绘带数nr。步骤2——中间子成像块参数计算2.1计算中间子成像块成像时间合成孔径雷达方位向分辨率由成像几何及成像时间确定，为了获得需求的分辨率指标，需要根据成像几何和需求分辨率计算所需的成像时间，计算公式如下其中，vg为零多普勒线扫过地面的速度，kwa为多普勒信号处理加权扩展因子，fa为多普勒调频率，由以下公式(5)计算得到：其中，为地心惯性坐标系下卫星的加速度矢量，为地心惯性坐标系下瞄准点的加速度矢量.将成像时间长度ts对称分布于成像中心时刻t0两侧，成像时间范围为2.2计算中间子成像块波束地面足印移动距离马赛克模式通过波束地面足印连续移动扩展方位向成像范围，实现方位向拼接，同时避免了波束指向跳变，使通过机械扫描实现马赛克模式成为可能。对于中间子成像块，可根据成像拼接条件确定波束足印移动距离，具体如下：其中αa为方位向相邻子成像块之间的重叠度，lf波束地面足印长度，tt为波束在两个子测绘带间切换所需的时间。2.3确定中间子成像块瞄准点与瞄准时序规划根据中间子成像块场景中心位置，沿参考足印方位向平均分配足印移动距离。并按保证地面足印匀速运动的准则，为成像时间平均分配不同的瞄准点，使瞄准点和成像时间一一对应，完成中间子成像块瞄准点和时序规划。需要注意，后续自步骤2.4至步骤2.7，需要按瞄准点和时序规划结果，逐点进行计算。2.4计算实现波束指向所需的横滚角和俯仰角根据波束地面足印参考方向向量和成像瞄准点及时序规划结果，结合星历数据，可以计算得到满足需求的姿态角信息。首先根据星历数据和需求瞄准点，计算得到1-2-3转序下需要的横滚角θroll和俯仰角θpitch。需要注意的是，对于机械扫描的敏捷sar卫星而言，1-2-3转 序下，横滚角θroll和俯仰角θpitch可以通过波束指向需求完全确定.2.5将参考足印方向向量变换到轨道坐标系下地球固连坐标系下的参考波束地面足印方向向量(vx，vy，vz)已由步骤1计算得到.根据星历数据可以将其变换到轨道坐标系下为(vx_vvlh，vy_vvlh，vz_vvlh)，为后续步骤提供输入。2.6利用得到的横滚角和俯仰角计算中间向量根据计算得到的横滚角θroll和俯仰角θpitch，以及轨道坐标系下的波束地面足印方向向量(vx_vvlh，vy_vvlh，vz_vvlh)，可以计算波束地面足印方向向量由轨道坐标系向星本体坐标系转化的中间向量(vx_m，vy_m，vz_m)，即轨道坐标系下波束地面足印方向向量经过横滚坐标转移和俯仰坐标转移后得到的向量，由下式得到：2.7利用中间向量计算需求偏航角为了控制雷达波束地面足印沿参考足印方向排布，需要控制卫星偏航机动，以此实现波束地面足印方向控制。通过控制后的波束地面足印方向矢量与期望波束地面足印方向矢量相等构建方程，如下：其中θyaw为偏航角，cy、cz为未知常数，与计算结果无关。根据向量首项为零，可得如下方程：vx_mcos(θyaw)+vy_msin(θyaw)＝0(9)解方程可以得到需求偏航角，具体如下：至此，完成了波束地面足印方向控制所需姿态角的计算，得到了满足需求的偏航角θyaw。实际应用中，仅需要按照1-2-3转序，分别旋转横滚角θroll、俯仰角θpitch、偏航角θyaw，既可以得到满足需求的波束指向和地面足印方向.2.8计算方位向成像范围利用计算得到的姿态角信息、星历数据和地面足印移动距离等，可以计算中间子成像块方位向有效长度，如下：le＝lf-lm(11)步骤3——其他子成像块参数递推计算本部分通过递推计算得到马赛克模式所有子成像块参数，其中前一个子成像块的计算结果将作为下一个子成像块计算的输入参数，直到方位向成像范围满足需求为止.3.1增加一组子成像块马赛克模式需要进行方位向拼接，因此，当中间子成像块参数计算完成后，增加一组子成像块，通过后续步骤计算相应参数。如增加后得到的方位向成像范围仍未满足设计需求，则需要再增加一组子成像块，重复本步骤，直到满足需求。需要注意的是，增加的子成像块需要以中间子成像块为中心对称分布，以此保证所得图像对称，成像效率最高。3.2计算边界位置波束瞄准点对于中间位置以前的子成像块，以它后一个已经设计完成的子成像块起始位置姿态角和姿态角速度参数为输入(此处计算时可假设波束切换时间内姿态角速度为常数，简化计算)，计算该子成像块的结束时刻和结束时刻瞄准点(可通过卫星仿真工具包(satellitetoolkit，以下简称为stk)软件得到)。对于中间位置以后的子成像块，以它前一个已经设计完成的子成像块结束位置姿态角和姿态角速度参数为输入，计算该子成像块的起始时刻和起始时刻瞄准点。值得注意的是，为了保证需求姿态角曲线在整个成像过程中保持平滑，利于工程实现，在计算瞄准点时没有考虑距离向电扫描角的影响，均以中心波束指向为准进行计算。3.3计算子成像块成像时间根据公式(4)、(5)可以计算本子成像块的成像时间，需要注意的是，公式(5)中的rst应采用本子成像块内卫星与瞄准点之间的距离。3.4计算子成像块波束地面足印移动距离按照公式(6)可以计算本子成像块波束地面足印移动距离.3.5确定子成像块瞄准点与瞄准时序规划对于中间位置以前的子成像块，需从结束时刻和瞄准点向前分布瞄准位置和成像时间，而对于中间位置以后的子成像块，需从起始时刻和瞄准点向后分布瞄准位置和成像时间，进而完成本子成像块瞄准点和时序规划。同样需要注意，后续自步骤3.6至步骤3.9，需要按瞄准点和时序规划结果，逐点进行计算。3.6计算实现波束指向所需的横滚角和俯仰角与步骤2.4采用相同的方法，可以计算所需的横滚角和俯仰角.3.7将参考足印方向向量变换到轨道坐标系下与步骤2.5采用相同的方法，可以将参考足印方向向量变换到轨道坐标系下.3.8利用横滚角和俯仰角计算中间向量与步骤2.6采用相同的方法，可以利用横滚角和俯仰角计算中间向量.3.9利用中间向量计算需求偏航角与步骤2.7采用相同的方法，利用中间向量计算需求偏航角.3.10计算方位向成像范围利用得到的姿态角信息、星历数据和地面足印移动距离等，可以根据公式(11)计算该子成像块方位向有效长度。再通过累加计算得到方位向总长度，计算公式如下：其中，na为方位向子成像块数，le_i为第i组子成像块的有效成像长度。本部分计算应在所有子测绘带同时进行，所有子测绘带中方位向总长度最短的长度作为最终的方位向总长度。3.11判断是否满足成像范围需求判断方位向总长度是否满足需求，如未达到需求，增加一组子成像块，重新执行步骤3，直到成像范围满足需求。注意，可以通过matlab和stk软件联合仿真，验证本发明提出方法的有效性，验证流程如图5所示。首先，根据输入参数表，按本发明提出的方法，在matlab软件中计算实现需求指标的马赛克模式所需的波束地面足印方向、子测绘带数和姿态角等参数。然后，将这些参数计算结果导入stk软件，显示敏捷sar卫星马赛克模式实现情况，并将得到的马赛克模式指标信息输回matlab软件，进行性能分析。另外，由于stk软件的正确性已经经过工程验证，它的分析结果能准确地反映卫星运动规律，故上述仿真实验具有较高的可信度。以下的表1给出了输入参数表，以及表2给出了输出参数表.表1参数数值轨道长半轴(km)7078.14轨道偏心率0.01轨道倾角(°)98.19近地点幅角(°)0升交点赤经(°)0历元时刻19jan201904：00：00.000距离向波束宽度(°)0.35方位向波束宽度(°)0.2期望场景中心纬度(°)12.1期望场景中心经度(°)169.9期望分辨率(m)0.8期望方位向成像场景范围(km)50期望距离向成像场景范围(km)50表2参数数值成像起始星历时刻19jan201904：01：50.040成像结束星历时刻19jan201904：05：45.890期望波束地面足印方向向量(地球固连坐标系)(0.12，0.96，-0.24)距离向子测绘带数5方位向子成像块数13控制需要的横滚角(°)52.76～54.70控制需要的俯仰角(°)-31.78～31.93控制需要的偏航角(°)-45.59～45.27方位向成像范围(km)61距离向成像范围(km)54～67注意，仿真实验的敏捷sar卫星马赛克模式输入参数如表1所示，而根据本发明提出的方法，得到实现马赛克模式所需的指标参数，参见表2。其中，为实现50km×50km场景的0.8m分辨率成像，距离向需要5条子测绘带，方位向需要13个子成像块。图6为以轨道系为参考系，1-2-3转序下实现上述马赛克模式所需的姿态角。可以看到马赛克模式成像过程中，为了实现无缝拼接，偏航机动范围达到-45.59°～45.27°。为了实现方位向雷达波束扫描，俯仰机动范围达到-31.78°～31.93°，而横滚机动最小，机动范围为 52.76°～54.70°，仅需机动1.94°。将马赛克模式指标参数导入stk软件，通过stk软件中虚拟敏捷sar卫星实现马赛克模式，验证本发明提出方法的正确性和有效性。首先作为对比，采用传统设计方法，未进行波束地面足印方向控制，得到马赛克模式的地面波束足印覆盖结果，如图7所示。可见未进行波束地面足印方向控制，马赛克模式的地面波束足印覆盖区呈现严重的倒梯形，且在近端存在不连续区间，难于满足实际应用需求。再将通过本发明方法计算得到的指标参数导入stk软件，得到马赛克模式的地面波束足印覆盖结果，如图8所示。可见得到的马赛克模式地面波束足印覆盖区近似为矩形，实现了二维无缝拼接，它的方位向成像长度为61km，距离向成像宽度在54km～67km之间变化，其中场景中心位置成像宽度大于场景边缘，但都能满足覆盖需求，这证明了本发明方法的有效性。因此，本发明将场景中心点回波多普勒信号为零的时刻设为整个成像时间的中心，保证了回波信号多普勒中心变化范围最小，降低数据处理难度，因此无需再单独进行姿态导引.考虑了波束地面足印方向的影响，整个成像过程中，通过控制整星姿态，使所有子成像块具有相同的波束地面足印方向，保证了整个成像区域的无缝拼接.另外，通过控制整星的横滚机动和俯仰机动，实现马赛克模式成像所需的波束指向，并通过控制整星的偏航机动，得到马赛克模式图像拼接所需的波束地面足印方向。最后，本发明从中间子成像块开始，向两边递推计算，前一个子成像块的计算结果作为下一个子成像块的计算输入，直到满足方位向成像覆盖需求，这样的计算过程充分考虑了不同子成像块的几何变化，既保证了成像区域的无缝拼接，又降低了不同子成像块之间的冗余，实现了成像效率的最大化。本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。当前第1页12