卫星微波成像的星上实时自主控制方法与流程
本发明涉及航天微波遥感成像技术领域，尤其涉及一种卫星推扫微波成像的星上实时自主控制方法。具体是搭载了基于相控阵天线的微波成像装置的卫星，在轨获取地面目标坐标等特征信息后，自主求解成像开始时刻、成像波位等任务参数以及自主选择成像目标的一种控制方法，以确保卫星能够自主、实时、快速、精准的对目标进行微波成像。
背景技术：
基于相控阵的微波成像装置以相控阵天线作为发射和接受的前端传感器，通过向地面发射周期性脉冲信号然后接收回波信号，然后再采用回波压缩处理算法在星上或者地面完成成像处理。由于相控阵天线的窄波束视场角、星下点回波遮掩等限制，要对地面特定目标成像，根据星地相对关系，需要通过相扫实现对相控阵天线指向的调整，并采用合适的脉冲重复频率(PRF)等成像参数。完成调整后，随着卫星飞行，将在未来某时刻恰好能够对特定地面目标进行微波成像。
传统的对地微波遥感卫星要完成对特定区域成像，通常是通过星地联合控制完成的，在地面预先获取目标位置信息，并由地面解算成像任务参数后，如相控阵指向调整、卫星姿态、成像时刻等，生成程控作业，在卫星过境时上注星上。由于星地链路无法做到全时互通，因此传统做法无法实时应对新发现的目标。因此一种星上实时自主获知地面目标坐标，并能够在轨自主解算成像任务参数的卫星需求应运而生，本发明为这种需求提供了一种星载解决方法。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种卫星微波成像的星上实时自主控制方法，其为了解决目前星载相控阵微波成像装置不能实时响应在轨发现目标的问题，本发明能够使搭载了相控阵微波成像装置的卫星根据目标坐标快速求解成像参数，智能规划成像目标，确保卫星能够自主、实时、快速、精准的对目标成像。
根据本发明的一个方面，提供一种卫星微波成像的星上实时自主控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，在轨周期性获取目标特征信息；
步骤二，建立约束方程并求解成像任务参数；
步骤三，目标符合可成像条件，存储成像任务参数；
步骤四，若已存储一个成像目标，根据判决准则自主决定是否替换目标；
步骤五，对指定目标完成微波成像。
优选地，所述步骤一中，获取目标的周期是0.5秒，一个周期只获得一个目标的特征信息，特征信息中包括目标位置、目标优先级编号。
优选地，所述步骤二中，将卫星未来一段时间内的运行轨迹简化为近圆轨道，认为短时间内轨道角速度不变，且高度不变，无需进行复杂的轨道六根数递推，简化控制算法计算量。
优选地，所述步骤二中，根据获取的目标特征信息，首先自主计算得到卫星对目标的过顶时间和过顶视角；假定未来某时刻，随着卫星飞行，卫星微波成像相控阵的用于成像区域的天线波束中心在地面投影与目标点重合，是用于求解过顶时间和过顶视角的约束条件。
优选地，所述步骤二中，在微波成像自主控制装置内部预先存储成像波位数据库，将过顶视角自主映射到合适的波位，提取出对目标的成像波位。
优选地，所述步骤三中，需进行判断求得的成像任务参数是否满足可执行条件，如波位视角在微波成像的可视范围内，成像时刻前有足够的星上准备时间，不符合条件的目标被放弃成像。
优选地，所述步骤四中，将新目标的成像参数和优先级和已存储的目标成像参数和优先级进行比对，自主判决未来时间进行微波成像的目标。
优选地，所述步骤五中，卫星姿态将始终保持微波遥感成像装置的相控阵天线阵面法向指向地心。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明能够使搭载了相控阵微波成像装置的卫星根据目标坐标快速求解成像参数，智能规划成像目标，确保卫星能够自主、实时、快速、精准的对目标成像。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为卫星微波成像的星上实时自主控制算法的运行流程示意图；
图2为卫星过顶目标时的侧视角度和过顶时刻示意图；
图3为瞬时惯性坐标系和轨道坐标系的矢量关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明卫星微波成像的星上实时自主控制方法包括以下步骤；
步骤一，在轨周期性获取目标特征信息；
步骤二，建立约束方程并求解成像任务参数；
步骤三，目标符合可成像条件，存储成像任务参数；
步骤四，若已存储一个成像目标，根据判决准则自主决定是否替换目标；
步骤五，对指定目标完成微波成像。
步骤一的特点如下：在该步骤中，实时自主控制算法以0.5秒一个周期从目标输出装置处获取目标特征信息，典型特征信息包含目标位置、目标优先级编号。由于目前星上处理资源的局限，控制算法设定一个周期仅获取一个目标的特征信息用于后续处理。
步骤二的特点如下：首先获取卫星在WGS84坐标系下的位置和速度以及当前系统时间TGPS等卫星参数，结合在步骤一中获取的目标位置信息作为算法输入，建立解算的约束方程，计算卫星对目标的过顶时刻(微波成像的中心时刻)和过顶的成像侧视角度。在此步骤中，以GPS测得的当前时刻的位置和速度，结合地球自转角速率，将短时间的卫星运动简化为等速圆周运动，得出瞬时惯性系、卫星轨道坐标系、卫星本体系的转换关系，简化了自主控制算法的计算量。另外，建立求解约束方程的约束条件是假定TGPS+t时刻，卫星微波成像装置的相控阵天线的波束中心在地面投影与目标点重合。其次进行波位映射，在波位数据库中获得合适的成像波位。在地面预先计算好包含波位角度、波位PRF的波位数据库，微波成像的视场范围以一个固定的角度间隔进行离散获得几千个波位角度，对每个波位角度通过仿真指定一个合适的PRF。计算好的波位数据库在微波成像实时自主控制装置中存储。根据过顶时成像侧视角度计算得到合适的波位角度，然后在波位数据库中搜索到对应条目。因为需要在过目标前提前成像，同时对目标区域持续成像一段时间，过顶时刻减去一个固定时间间隔就得到成像时刻。
步骤三的特点如下：需要判断求得的成像波位参数是否满足可执行条件。基于相控阵的微波成像装置在星下点±15°内和±45°以外的角度无法成像，另外成像时刻前需要有足够的星上准备时间，星下点后方的目标是无法成像的。根据获得的成像波位和成像时刻进行判断，符合执行条件将此目标的成像参数进行存储。
步骤四的特点如下：首先判断是否存在一个未完成成像的目标，如果没有，将此目标作为当前成像目标；如果有，进行综合判断是否替换待成像目标。在该步骤中，实际上是根据目标优先级和成像时刻进行判断。如果新目标的优先级编号比旧目标的编号高出一个固定门限，则新目标的成像参数替换旧目标的成像参数；如果新目标的优先级编号比旧目标的编号低于一个固定门限，则保留旧目标的成像参数。如果目标编号差接近，则进一步比较新旧目标的成像时刻。如果新目标的成像时刻比旧目标的成像时刻提前，则新目标的成像参数替换旧目标的成像参数；如果不是，则保留旧目标的成像参数。根据最终判断结果进一步修改微波成像装置中的成像参数。
步骤五的特点如下：微波成像装置按照波位视角和PRF等成像参数完成系统设置，当到达成像时刻时，微波成像装置向外发射脉冲信号并开始接收回波信号。由于星上存储器容量限制，成像持续时间设定为10秒。完成本次微波成像后回到步骤一，自主控制装置重新开始获取目标。
微波成像装置采用相控阵天线相扫来实现视场扩展，视场范围是卫星左侧15°～45°、右侧15°到45°。如附图2所示，在星上实时自主控制方法运行的过程中，卫星的姿轨控分系统确保卫星三轴姿态为0，相控天线阵面的法向始终指向地心。在对某个目标微波成像时，微波成像装置的条带推扫方向与卫星飞行方向相同。
在该步骤一中，实时自主控制算法以0.5秒一个周期从目标输出装置处获取目标特征信息。目标特征信息可以采用表1所示的数据格式，典型特征信息包含目标位置、目标优先级编号等信息。实时自主控制算法一个0.5秒读取一个目标的特征信息用于后续的自主成像引导计算。
表1目标特征信息数据格式表
步骤二的具体内容如下：如附图2所示，OXYZ为卫星轨道坐标系，标称状态下，卫星三轴姿态为0，相控天线阵面的法向正对地。在t0时刻，获知地面目标Target1的坐标，实时自主控制算法综合卫星当前位置速度参数、目标坐标等，解算出在Δt时间后，天线相扫波束的中心线与Z轴的夹角为φ时，天线相扫波束的中心线在地面投影恰好遇到地面点目标。t0+Δt即为目标的过顶时间(微波成像的中心时刻)，即为卫星过顶的成像侧视角度。
获取目标的过顶时间和侧视角度的流程又可细分为一系列的子步骤：
(1)建立所需的三个坐标系，各坐标系定义如下。
1.1瞬时惯性坐标系Oexiyizi
原点为地心Oe；OexI轴在地球赤道平面内，指向GPS时刻的地固系X轴方向；OezI轴垂直于地球真赤道平面，与地球自转角速度矢量方向一致；Oeyi与Oexi、Oezi轴垂直，且构成右手坐标系；简称i系。1.2卫星轨道坐标系Osxoyozo
原点为卫星质心Os；Osxo轴在卫星轨道平面内，指向卫星的运动方向；Oszo轴指向地心；Osyo与Osxo、Oszo轴垂直，且构成右手坐标系；简称o系。
1.3卫星本体坐标系Osxbybzb
原点为卫星质心Os；Osxb沿星体飞行方向，Oszb与Osyb、Osxb构成右手坐标系。在没有姿态运动时，Osxb、Osyb、Oszb轴分别与Osxo、Osyo、Oszo轴平行，且方向相同；简称b系。
地面目标T、卫星本体Os在空间中的位置与矢量关系如附图3所示：
Ret——描述地面目标，表示从I系原点指向目标T的矢量；
Res——描述卫星位置，表示从I系原点指向卫星质心Os的矢量；
Rst——描述目标相对卫星位置，表示从卫星质心Os指向目标T的矢量；
——为位置矢量Ret在地心惯性系I系中表示，其分量形式为
——为位置矢量Res在轨道系o系中表示，其分量形式是
(2)获取计算输入的信息
获取卫星在WGS84坐标系下的位置和速度目标在WGS84坐标系下的位置坐标系统时间等作为算法计算输入。
(3)给出卫星相关转换矩阵表达式
选用WGS84系下卫星位置速度信息，通常从星上GPS获取，以TGPS时刻(即t0)的WGS84系建立惯性参考系I，在此坐标系上描述卫星和目标的运动。
GPS测得的当前时刻的位置速度，如式(1)：
考虑地球自转引起的牵连速度，得到I系下的位置速度，如式(2)：
卫星轨道角动量，如式(3)：
I系下卫星的倾角i、升交点赤经Ω、轨道角速度ω，如式(4)：
xi＝[1 0 0]T,zi＝xi×N,
轨道节线单位矢量N，TGPS时刻的轨道幅角u0，轨道幅角u，如式(5)：
I系到卫星轨道系的转换矩阵及变化率，如式(6)：
卫星轨道系到本体系转换矩阵Abo(0姿态时，为单位阵)，如式(7)：
在该子步骤中，认为近圆轨道短时间内轨道角速度不变，且高度不变，把卫星运动简化为标准等角速率圆周运动，简化星上算法计算量。
(4)给出瞬时惯性系下目标坐标和变化率随时间变化的表达式
以卫星获取的执行任务的地面目标在WGS84坐标系下的坐标为输入，给出瞬时惯性系下目标坐标和变化率随时间变化的表达式。
目标在I系的位置及变化率，ωe为地球自转角速率，如式(8)：
(5)给出本体系下的目标矢量和变化率表达式
给出本体系下的目标矢量，其中Aoi是随时间变化量，如式(9)、(10)：
(6)建立约束方程并求解成像任务参数
卫星过顶时，满足方程：X(t)＝0
转换为F(t)＝0的函数：
利用牛顿迭代求解法计算时间变量t，即一般迭代3次即可获得较高精度。
迭代初值的选取：取上注值(默认为40s，可人为修改)
在计算得到过顶时刻t后，代入以上公式，可得到
计算得到卫星过顶时的侧视角度，
因为需要在过目标前提前成像，设计提前5秒成像，则成像时刻TShoot＝TGPS+t-5。然后对卫星过顶时的侧视角度进行波位映射，在波位数据库中获得合适的成像波位。在地面预先计算好包含波位角度、波位PRF的波位数据库。微波成像的视场范围为左侧15°～45°、右侧15°到45°，总计一侧有30°的范围。以0.01°进行离散总共获得3000个波位角度，对每个波位角度通过仿真指定一个合适的PRF。计算好的波位数据库提前上注至微波成像实时自主控制装置中存储。在计算得到侧视角度后，映射方法为后四舍五入得到成像波位的波位视角根据此波位角度在波位数据库中搜索到对应的PRF。
在步骤三中，需要判断求得的成像波位参数是否满足可执行条件。在可成像的视场范围内，且成像时刻TShoot大于星上成像前的最小准备时间(根据相控阵微波成像装置的具体能力可定为3～5秒)，则进入下一步，否则退出。
在步骤四中，通过以上计算得到满足成像条件的成像任务参数(TShoot和PRF)，也表明该目标是具备成像条件的。但获取目标的周期是0.5秒且持续不断刷新中，星上实时自主控制算法为了能够响应更高优先级或者响应成像时刻更近的目标，设计了对成像目标的动态调整机制。该机制采用堆栈结构，存储空间为1个目标的成像任务参数所需的容量。当第一个目标符合成像条件时，将此目标的成像任务参数压入该堆栈。当后续再发现一个新的且具备成像条件的目标时，通过对比两个目标的成像特征参数和优先级来决定是否调整。目标是否调整的综合决策过程如附图1所示，定义新目标的优先级编号为Y2，旧目标的编号为Y1，当Y2-Y1≥2，则将堆栈内的旧目标的成像参数替换为新目标的成像参数；当Y1-Y2≥2时，则堆栈内存储的成像参数不变。如果|Y2-Y1|＜2，则进一步比较新旧目标的成像时刻TShoot。如果新目标的成像时刻比旧目标的成像时刻提前，则新目标的成像参数替换旧目标的成像参数；如果不是，则保留旧目标的成像参数。根据最终判断结果进一步修改微波成像装置中的成像参数。
在步骤五中，微波成像装置按照波位视角和PRF等成像参数进一步完成系统内的设置，当到达成像时刻TShoot时，微波成像装置向外发射脉冲信号并开始接收回波信号。由于星上存储器容量限制，成像持续时间设定为10秒。完成本次微波成像后回到步骤A，自主控制装置重新开始获取目标。
本发明主要涉及卫星内部的目标输出装置、微波成像实时自主控制装置、微波成像装置。目标输出装置为星上实时自主控制方法提出引导数据，实时自主控制装置是星上实时自主控制方法的运行硬件载体，微波成像装置接收星上实时自主控制方法的输出控制数据并完成最终的目标成像。微波成像装置采用相控阵天线相扫来实现视场扩展，其条带推扫方向与卫星飞行方向相同。在星上实时自主控制方法运行的过程中，卫星的姿轨控分系统确保卫星三轴姿态为0，相控阵天线的法向始终指向地心。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
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