一种干涉辐射计的定标测距系统、定标及星间测距方法与流程

本发明涉及干涉辐射计领域，特别涉及一种干涉辐射计的定标测距系统、定标及星间测距方法。

背景技术：

干涉式被动射电成像技术研究开始于1890年，michelson利用分离天线进行了微波干涉实验；1946年，ryle和vonberg利用二元射电干涉仪，进行了太阳观测；1962年，ryle进一步提出利用地球自转，实现更多基线覆盖，从而提高干涉成像质量的方法；1967年，地基甚长基线干涉仪(vlbi)投入使用；1986年美国利用静止轨道通讯卫星tdrss进行了星地射电干涉实验；1997年，日本发射halca卫星，在椭圆轨道上进行了星地干涉实验；2009年，欧空局发射了smos卫星，其主要载荷为y型阵列布局的干涉式微波辐射计。近年来，国内外学者纷纷提出基于卫星编队的空间分布式干涉辐射计，利用卫星编队实现三维阵列分布，提高最长基线进而提高空间分辨率。

干涉辐射计是一种被动式遥感器，主要应用于对地观测、宇宙背景、空间天文等技术领域。辐射计通过接收来自目标的自然辐射信号，从而实现对目标的物理特性进行识别。然而，由于自然辐射信号非常微弱，接收机本身噪声温度和增益的微小变化，就会严重影响辐射计的测量精度，因此几乎所有辐射计都需要设计专门的定标系统及定标方法，实现对接收机噪声温度及增益变化的标定。

与传统辐射计不同，干涉辐射计由多接收通道(1个接收通道＝1副观测天线+1套接收机)组成的系统，其利用互相关器对两个天线接收的信息进行复乘和积分，从而获得可见度函数的。不同于传统辐射计，干涉辐射计不仅需要关注接收通道的增益，还需了解接收通道的相位，另外通道间的一致性对干涉辐射计的测量精度也有很大的影响；因此，干涉辐射计不仅需要对接收通道的增益、相位进行标定，还需要对通道间的一致性及天线间的相对位置进行标定。

对于常规干涉辐射计，阵列天线间相对位置是固定，且天线间距通常为米级。因此，通常采用两点定标、非相关噪声注入、相关噪声注入等方法对增益误差、相位误差及通道间不一致性进行校正；另外，由于天线相对位置是固定的，安装误差可以通过实测数据进行补偿，剩下老化引起的位置误差通常非常小，不会对测量结果产生明显影响。

而对于分布式干涉辐射计，每个接收通道置于一个微小卫星上，星间距离通常为千米量级；星间互耦可以忽略，然而，传统的噪声注入方法也不再可行。另外，为了获取更多的基线覆盖，需要靠外力来改变星间距离；星间距离的测量精度与星间时间同步息息相关，星间距离测不准会引入基线长度误差，从而影响干涉辐射计成像结果和/或定位精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服目前干涉辐射计存在的上述问题，提出了一种干涉辐射计的定标测距系统、定标及星间测距方法，能够对干涉辐射计进行定标，并完成星间距离的测量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种干涉辐射计的定标测距系统，所述系统包括n个子系统，分别放置于n颗卫星上，每个子系统包括：天线单元、接收机单元、信号发生器、信号处理与控制单元和切换开关；所述天线单元用于接收/发射定标信号和星间测距信号；所述接收机单元用于接收定标信号和星间测距信号；所述信号发生器用于产生定标信号和星间测距信号；所述信号处理与控制单元用于对信号发生器产生的信号进行控制，并对接收到的定标/星间测距信号进行处理；所述切换开关用于实现系统在正常观测模式、信号定标模式和星间测距模式之间进行切换。

上述技术方案中，当子系统处于正常观测模式时，天线单元、接收机单元和信号处理与控制单元依次相连；当子系统处于信号定标模式时，信号处理与控制单元、信号发生器、接收机单元和信号处理与控制单元依次相连；当子系统处于星间测距模式时，如果该子系统为信号发射方，则信号处理与控制单元、信号发生器和天线单元依次相连；如果该子系统为信号接收方，则天线单元、接收机单元和信号处理与控制单元依次相连。

基于上述系统，本发明还提供了一种干涉辐射计的定标方法，所述方法包括：

步骤s1)各卫星上的子系统的信号发生器生成用于实现通道间一致性校正的定标信号；

步骤s2)各卫星上的定标信号经过接收机单元后到达信号处理与控制单元，信号处理与控制单元对定标信号进行采样、变频、i/q检波和数字滤波处理，获得定标数据；

步骤s3)将步骤s2)处理得到的子系统的定标数据传回地面，进行通道间幅相不一致性比较，获取各子系统的定标数据的幅度因子和相位因子，用于对正常观测模式下接收到的数据进行校正，完成定标。

上述技术方案中，所述步骤s1)的具体实现过程为：

对于单频干涉辐射计，其定标信号为单频；假设单频干涉辐射计的工作频率为f，进行信号定标时，各卫星上定标测距系统中信号发生器产生的定标信号vcal均为：

其中，acal为定标信号的幅度，为定标信号的初始相位；

假定多频干涉辐射计的工作频率为fi，i＝1，2，…m，m为频率的个数，需对m个频率的通道间不一致性分别进行标定，各卫星上子系统中信号发生器产生均需分别产生不同频点的定标信号，具体如下：

式中：vcal，i表示频率fi的定标信号，acal，i为频率fi的定标信号的幅度，为频率fi的定标信号的初始相位，定标信号频率的切换控制由子系统的信号处理与控制单元来实现。

上述技术方案中，所述步骤s3)具体包括：

步骤s3-1)获取定标测距系统中各子系统回传的定标数据，提取各子系统的定标数据的幅度信息和相位信息，幅度和相位分别为ak和k＝1…n；

由于通道的幅相特性存在差异，因此，相同的定标信号输入后，各通道输出定标信号会有所不同：

式中：vk为第k个通道输出的定标信号；

步骤s3-2)以第一个子系统为基准，获得各子系统的幅度因子和相位因子：

步骤s3-3)利用得到的幅度因子和相位因子对正常观测模式下各子系统接收到的信号进行幅度校正和相位校正：

在正常观测模式下，假定子系统k接收到的信号为其中ar,k和分别为接收到信号的幅度和相位；校正后的接收信号变为：

基于上述系统，本发明还提供了一种星间测距方法，所述方法包括：

步骤t1)卫星a上的定标测距系统的信号发生器生成星间测距信号；

测距信号设计为双频信号：

wk＝ak[cos(2πf1t)+cos(2πf2t)](7)

式中：wk为星间测距信号，ak为星间测距信号的幅度，f1和f2为双频测距信号的两个频率，频率f1和f2不能为倍数关系；双频测距信号的初始相位设计为0；

步骤t2)卫星a上的定标测距系统的天线单元发送星间测距信号，卫星b上的定标测距系统的接收机单元接收星间测距信号；

步骤t3)卫星b上的定标测距系统的信号处理与控制单元对星间测距信号进行处理，完成星间测距。

上述技术方案中，所述步骤t3)的具体实现过程为：

假定卫星a和卫星b的星间距离的初始值为r，误差为δr，卫星b接收到的两个不同频率信号的相位分别为则有：

其中，c为光速；联合(8)式和(9)式可计算得到δr，从而获得卫星a和b的星间距离为r+δr。

本发明的优势在于：

本发明提供的干涉辐射计的定标测距系统、定标及星间测距方法，能够实现分布式干涉辐射计的通道间一致性校正，同时提高星间测距精度，提高分布式干涉辐射计的性能。

附图说明

图1本发明的干涉辐射计的定标测距系统的子系统的示意图；

图2为本发明的干涉辐射计的定标方法的流程图；

图3为本发明的定标数据处理的流程图；

图4为本发明的各通道幅度不一致性和相位不一致性校正的流程图；

图5为本发明的星间测距方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

一种干涉辐射计的定标测距系统，所述系统包括n个子系统，分别放置于n颗卫星上；如图1所示，每个子系统包括：天线单元、接收机单元、信号发生器、信号处理与控制单元和切换开关；所述天线单元用于接收/发射定标信号和星间测距信号；所述接收机单元用于接收定标信号和星间测距信号；所述信号发生器用于产生定标信号和星间测距信号；所述信号处理与控制单元用于对信号发生器产生的信号进行控制，并对接收到的定标/星间测距信号进行处理；所述切换开关用于实现系统在正常观测模式、信号定标模式和星间测距模式之间进行切换。

当子系统处于正常观测模式时，天线单元、接收机单元和信号处理与控制单元依次相连；当子系统处于信号定标模式时，信号处理与控制单元、信号发生器、接收机单元和信号处理与控制单元依次相连；当子系统处于星间测距模式时，如果该子系统为信号发射方，则信号处理与控制单元、信号发生器和天线单元依次相连；如果该子系统为信号接收方，则天线单元、接收机单元和信号处理与控制单元依次相连。

如图2所示，基于上述系统，本发明还提供了一种干涉辐射计的定标方法，所述方法包括：

步骤s1)各卫星上的子系统的信号发生器生成用于实现通道间一致性校正的定标信号；

天线单元的每个天线对应一个通道，进行通道间一致性校正时，要求各个通道的定标信号设计保持一致：相同的频率、相同的信号形式(包括幅度及相位)。

不同频率通道的幅相特性会有所不同，因此，定标信号的频率需要根据分布式干涉辐射计系统的工作频率来进行设置。对于单频干涉辐射计，其定标信号为单频；假设单频干涉辐射计的工作频率为f，则定标信号vcal为：

其中，acal为定标信号的幅度，为定标信号的初始相位；

对于多频干涉辐射计，则需要利用扫频方式对各频点的通道一致性进行校正。假定多频干涉辐射计的工作频率为fi(i＝1，2，…m，m为频率的个数)，进行信号定标时，各通道的定标信号均为：

式中：vcal，i表示频率fi的定标信号，acal，i为频率fi的定标信号的幅度，为频率fi的定标信号的初始相位，定标信号频率的切换控制由系统的信号处理与控制单元来实现。

步骤s2)各卫星上的定标信号经过接收机单元后到达信号处理与控制单元，信号处理与控制单元对定标信号进行采样、变频、i/q检波和数字滤波处理，获得定标数据；

步骤s3)将步骤s2)处理得到的子系统的定标数据传回地面，进行通道间幅相不一致性比较，获取各子系统的定标数据的幅度因子和相位因子，用于对正常观测模式下接收到的数据进行校正，完成定标。

不管是单频干涉辐射计还是多频干涉辐射计，其定标数据处理方法是一样的，下面以单频干涉辐射计为例进行定标数据处理方法说明，如图3所示，所述步骤s3)具体包括：

步骤s3-1)获取定标测距系统中各子系统回传的定标数据，提取各子系统的定标数据的幅度信息和相位信息，幅度和相位分别为ak和k＝1…n；

由于通道的幅相特性存在差异，因此，相同的定标信号输入后，各通道输出定标信号会有所不同：

式中：vk为第k个通道输出的定标信号；

步骤s3-2)以第一个子系统为基准，获得各子系统的幅度因子和相位因子：

步骤s3-3)利用得到的幅度因子和相位因子对正常观测模式下各子系统接收到的信号进行幅度校正和相位校正：

如图4所示，在正常观测模式下，假定子系统k接收到的信号为其中ar,k和分别为接收到信号的幅度和相位；令接收信号的幅度除以幅度因子δak，实现幅度不一致性校正；令其相位减去相位因子实现相位不一致性校正。利用幅度因子和相位因子进行校正后的接收信号变为：

基于上述系统，本发明还提供了一种星间测距方法，所述方法包括：

在星间测距过程中，采用“一发多收”的方式，即一星发射测距信号，其他多星接收测距信号。接收处理过程如图5所示。

步骤t1)卫星a上的子系统的信号发生器生成星间测距信号；

星间测距原理：利用构成基线的其中一个天线单元发射双频测距信号，另一天线单元进行接收，根据接收到的不同频率信号的相位来确定基线的长度。

此测距方法的应用前提是：通过其他手段对星间距离/基线长度进行初步测量，且测量误差不大于一个波长。对于测距误差大于一个波长的情况，星间测距精度会有所恶化。以下以两颗星为例对星间测距方法进行说明。假定在t0时刻星间链路测得星间距离为r(t0)，考虑时间同步误差δt的存在，测量距离r(t0)与真实距离r0之间的误差为δr，其中δr＝cδt，c为光速。

卫星a发射的星间测距信号频率为f1，卫星b的通道1接收到的星间测距信号相位为卫星a发射的星间测距信号频率为f2时，卫星b的通道2接收到信号的相位为另外，由于相位的2π周期性，测得的相位具有2π周期模糊，即测得的相位与距离之间的关系如下：

上式中，c为光速，n1和n2分别为相位和的整周模糊度。假定测距误差不大于一个波长，则有

从原理上，利用(5)和(6)式可以精确得到相位及整周模糊度n1、n2，从而获得准确的星间距离。

基于星间测距原理，为了避免通道间时钟同步误差的影响，将测距信号设计为双频信号：

wk＝ak[cos(2πf1t)+cos(2πf2t)](7)

式中：wk为星间测距信号，ak为星间测距信号的幅度，f1和f2为双频测距信号的两个频率，频率f1和f2不能为倍数关系。另外，为了避免两个单频频率信号的初始相位的不确定性，双频测距信号的初始相位设计为0。

步骤t2)卫星a上的子系统的天线单元发送星间测距信号，卫星b上的定标测距系统的接收机单元接收星间测距信号；

步骤t3)卫星b上的子系统的信号处理与控制单元对星间测距信号进行处理，完成星间测距；

假定卫星a和卫星b的星间距离的初始值为r，误差为δr，卫星b接收到的两个不同频率信号的相位分别为则(5)式和(6)式变为：

其中，c为光速；联合(8)式和(9)式可计算得到δr，从而获得卫星a和b的星间距离为r+δr。