地球同步轨道SAR卫星猝发成像工作的方法与流程

本发明涉及一种猝发成像工作的方法，具体地，涉及一种地球同步轨道SAR卫星猝发成像工作的方法。

背景技术：

地球同步轨道SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)卫星的最大特点在于其具备较高的时间分辨率，具有对重点区域的准实时观测能力，这就要求SAR系统具备连续工作的能力。然而，受星载电源技术与能力限制，如果按照传统的星载SAR工作体制，无法满足SAR系统大功率、长时间工作的能源需求。因此，需要根据地球同步轨道SAR卫星的任务需求和技术特点，开展新体制、新技术研究，突破传统的工作体制，在保证能量需求平衡和技术指标要求的前提下，又能实现全测绘带连续观测。

地球同步轨道SAR卫星近似六倍于地球半径的轨道高度导致了地球自转成为不可忽略的因素，从而引起了波束地面速度和目标多普勒历程的不规则性，最终导致在卫星运行的不同位置上全孔径方位分辨率也不相同，不宜采用传统的星地等效模型，需利用精确的卫星轨道模型和地球椭球模型分析目标多普勒特性，进行全轨的方位分辨率分析。另外，全孔径观测虽然可达到高分辨率，但是其数据率过高，距离徙动量过大，使得成像难以实现。为了保证观测带内的分辨率的一致性和简化成像处理的难度，也需要研究和设计新的工作体制。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

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地球同步轨道SAR卫星猝发成像工作的方法，解决上述技术问题，且适应地球同步轨道连续监测需求，时序合理，满足技术指标和能源需求。

根据本发明的一个方面，提供一种地球同步轨道SAR卫星猝发成像工作的方法，其特征在于，所述地球同步轨道SAR卫星猝发成像工作的方法包括以下步骤：

步骤一，根据系统任务需求设计地球同步轨道SAR卫星的轨道；

步骤二，根据轨道参数，仿真分析得到地球同步轨道SAR卫星波束地面速度变化规律和SAR卫星多普勒带宽变化规律，并得到地球同步轨道SAR卫星方位分辨率变化规律；

步骤三，依据地球同步轨道SAR卫星波束地面速度变化规律并根据地球同步轨道SAR卫星猝发成像工作模式，设计工作子孔径时序，最终得到地球同步轨道SAR卫星全轨工作时序，实现全测绘带连续观测。

优选地，所述地球同步轨道SAR卫星猝发成像工作的方法采用猝发成像工作体制。

优选地，所述地球同步轨道SAR卫星猝发成像工作的方法采用子孔径工作体制。

优选地，所述地球同步轨道SAR卫星的轨道根据覆盖区域、覆盖范围、重访时间要求，主要对卫星轨道的定点位置、轨道倾角和轨道偏心率进行设计；然后根据设计的轨道，结合载荷参数分析覆盖性能。

优选地，所述步骤三基于地球模型和轨道模型，分析地球同步轨道SAR系统全孔径分辨率变化情况；并针对指标要求的条带成像和扫描成像两种工作模式计算特定分辨率条件下的工作子孔径时序，设计满足观测带内分辨率一致的地球同步轨道SAR卫星工作体制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明首先解决了由于合成孔径时间长而带来的成像处理面临的弱相干、轨道弯曲等难题，从而使得现有的成像算法通过适当的修改即可适用于地球同步轨道SAR的成像，大大降低了地球同步轨道SAR成像处理开发研究的难度，促进了地球同步轨道SAR的工程应用进程。其次本发明降低了地球同步轨道SAR卫星的合成孔径成像工作时间，使其降低到了卫星电源可实现的工程范围内，从而解决了地球同步轨道SAR连续工作的问题，实现了对重点地区持续观测成像的工程问题，提升了地球同步轨道SAR卫星的应用效能，扩展了地球同步轨道SAR卫星的应用前景。

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为地球同步轨道SAR卫星猝发成像工作示意图。

图2为地球同步轨道SAR卫星波束地面速度变化规律的示意图。

图3为SAR卫星多普勒带宽变化规律的示意图。

图4为地球同步轨道SAR卫星方位分辨率变化规律的示意图。

图5为地球同步轨道SAR卫星全孔径时间变化规律的示意图。

图6为地球同步轨道SAR卫星全孔径时间变化规律的示意图。

图7为子孔径模式对距离徙动的改善的示意图。

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。

本发明地球同步轨道SAR卫星猝发成像工作的方法包括以下步骤：

步骤一，根据系统任务需求设计地球同步轨道SAR卫星的轨道，轨道主要包括轨道的定点位置、轨道倾角和轨道偏心率；

具体的地球同步轨道SAR卫星的轨道设计可根据覆盖区域、覆盖范围、重访时间要求等系统要求，主要对卫星轨道的定点位置、轨道倾角和轨道偏心率等三个关键参数进行设计；然后根据设计的轨道，结合载荷参数(视角、扫描范围)分析覆盖性能。

步骤二，根据上述设计的地球同步轨道SAR卫星的轨道参数，仿真分析得到地球同步轨道SAR卫星波束地面速度变化规律和SAR卫星多普勒带宽变化规律，如图2和图3所示，并得到地球同步轨道SAR卫星方位分辨率变化规律，如图4所示。

通过分析，可见和低轨道SAR卫星不同，地球同步轨道SAR卫星的波束地面速度和SAR卫星多普勒带宽随着轨道幅角(即卫星位置)的变化而变化，而且变化范围比较大，从而导致地球同步轨道SAR卫星方位分辨率也随着轨道幅角(即卫星位置)的变化而变化。

从该变化规律可知，有的轨道位置的方位分辨率达到了1-2米范围，远远高于系统10米分辨率的要求，因此，在该位置可减小合成孔径时间，从而降低分辨率，即可满足全轨10米分辨率的要求。

步骤三，依据地球同步轨道SAR卫星波束地面速度、多普勒带宽和方位分辨率变化规律，并根据地球同步轨道SAR卫星猝发成像工作模式(如图1所示，A代表“部分孔径”，B代表“全孔径”，C代表“无效图像”，D代表“有效成像区域”)，设计工作子孔径时序(如图6所示)，最终得到地球同步轨道SAR卫星全轨工作时序，通过该时序规律，提出系统电源设计需求，从而实现全测绘带连续观测。

基于地球模型和轨道模型，分析地球同步轨道SAR系统全孔径分辨率变化情况；并针对指标要求的条带成像和扫描成像两种工作模式计算特定分辨率条件下的工作子孔径时序，设计满足观测带内分辨率一致的地球同步轨道SAR卫星工作体制。

SAR卫星的空间方位分辨率ρ_a为下式(1)：

其中，B_a为多普勒带宽，为波束地面速度。若轨道半长轴为a，卫星速度为地球自转角速度为波束指向与地表交点的位置为并且该交点与卫星位置矢量夹角为θ，则可表示为下式(2)：

对于地球同步轨道卫星，卫星运动速度约为3000m/s，上式第一项即不会超过500m/s，与地球自转线速度相当，这意味着地球自转对地球同步轨道SAR卫星的系统性能与成像处理的影响更为明显。是与轨道倾角和观测视角密切相关的量，表示如下式(3)：

其中，为纬度幅角，i为轨道倾角，ψ为卫星偏航角，θ_L为天线视角，R_e为地球平均半径。

仿真分析得到不同视角下卫星地速随纬度幅角变化规律。由于地球同步轨道SAR卫星的多普勒历程复杂，不能简单的用二次多项式近似表达，可采用仿真分析的方法得到地球同步轨道SAR卫星波束地面速度变化规律和多普勒带宽变化规律。综合波束地面速度和多普勒带宽，根据公式(1)即可得到地球同步轨道SAR卫星方位分辨率变化规律。如图5所示，由于波束地面速度慢导致了地球同步轨道SAR卫星的孔径时间很长。地球同步轨道SAR卫星轨道高度高，其地面速度、卫星速度、等效速度对分辨率、多普勒带宽影响大。根据地球同步轨道SAR卫星的运行轨道特征和工作方式，充分分析并得到其地面速度变化规律。由于地球同步轨道SAR卫星地面运行轨迹复杂，其多普勒历程复杂，不能简单的用二次多项式近似表达，根据地球同步轨道SAR卫星的运行轨道特征和工作方式，充分分析并得到其多普勒带宽变化规律。由于地球同步轨道SAR卫星地面运行轨迹复杂，其方位分辨率随着卫星在轨的不同位置变化明显，综合波束地面速度和多普勒带宽，可得到地球同步轨道SAR卫星的全轨道方位分辨率的变化规律。

由上面的分析可以看出，地球同步轨道SAR卫星方位分辨率随轨道运行不断变化，由此导致方位分辨率在场景内不一致，传统的条带模式将不再适用，需要针对不同的分辨率要求重新设计工作体制。

分析得到一个全孔径时间和特定分辨率对应的孔径时间。由于地球同步轨道SAR卫星全孔径工作时大部分时间的分辨率较高，同时运动复杂，这都使得成像处理难度增加。因此，拟使用部分孔径数据成像，也就是猝发成像工作模式，示意图如图1所示。控制开关机时间，使得各子孔径时间满足方位分辨率的要求，并设计子孔径工作时序，满足相邻两次观测的方位子带可实现方位拼接。

采用猝发成像工作体制，即利用子孔径而不是全孔径工作体制，第一个优势是在卫星能源不需要连续供电的情况下也能满足全测绘带连续的成像观测，为保证卫星能量的平衡创造了条件。

采用猝发成像工作体制的另一优势在于，结合偏航控制，可以大大减小距离徙动量(如图7所示)，由上百公里减小至只有几十米，并减低了系统合成孔径时间，从而降低了成像处理难度。

子孔径工作体制设计重点需要解决问题是，波束指向轨迹的”拐点”区域，波束会重复观测同一区域，增加了子孔径工作时序设计难度。将针对”拐点”区域的观测特点，精确地分析目标多普勒频率变化规律，研究方位子带拼接技术，最终实现全轨的工作体制。

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。