一种基于isar图像的空间目标姿态反演方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信号特征控制技术领域，特别涉及一种基于ISAR图像的空间目标姿 态反演方法。
【背景技术】
[0002] 以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有 技术。
[0003] 航天技术广泛应用于军事领域后，太空的军事斗争愈演愈烈，夺取太空权是赢得 信息化战争胜利的前提条件，于是世界各军事大国纷纷开展空间武器的研究。为了实现对 敌方目标的打击，急需研究敌方目标的雷达散射特性。空间探测与识别成为世界各国竞相 发展的热点研究方向。
[0004] 空间目标监视过程中需要确定卫星及大量空间碎片的轨道和分类识别特征参数， 如质量、结构、姿态、功能等，以便进一步对目标的国别、工作状态、空中动作、使命进行辨 另IJ。因此迫切需要发展空间目标雷达识别技术，根据雷达获取的各种特征信息，提取特征参 数，结合已建立的特征样本库对目标进行判别。
[0005] 卫星在正常运行过程中会有不同的动作，例如调整其太阳能电池板、天线、遥感 器、星体的指向等，同时还会进行一定的轨道调整，这些动作都将引起卫星姿态和雷达观测 视角的变化，给目标识别造成很大的困难，因此首先应该根据先验信息和雷达ISAR图像将 目标的姿态识别出来，为目标结构类型等识别提供支撑。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提出一种利用ISAR图像中主体轴和太阳板轴的尺寸信息对目 标姿态角进行反演的算法，可以比较准确地反演出目标在三个轴向上的姿态角，为空间目 标姿态、结构、类型识别等提供技术支撑。
[0007] 根据本发明的基于ISAR图像的空间目标姿态反演方法，包括：
[0008] S1、基于目标的观测时刻ISAR图像获取目标的轴向特征值，所述轴向特征值包 括：太阳板轴长度1TC；、主体轴长度和主体轴方向；
[0009] S2、在偏航角Φ、俯仰角Θ和滚动角炉均为0°条件下获取目标的第一仿真ISAR 图像，确定第一仿真ISAR图像中目标的第一仿真主体轴方向；根据所述主体轴方向和第一 仿真主体轴方向之间的夹角确定目标的观测时刻偏航角φ t;
[0010] S3、在Φ = 、沒= 0=()°条件下获取目标的第二仿真ISAR图像，确定第二仿真 ISAR图像中目标的第二仿真主体轴长度；根据所述主体轴长度和第二仿真主体轴长度确 定目标的观测时刻俯仰角Θ t;
[0011] S4、在Φ = ι^、Θ = 条件下获取目标的第三仿真ISAR图像，确定第 三仿真ISAR图像中目标的第三仿真太阳板轴长度；根据所述太阳板轴长度和第三仿真太 阳板轴长度确定目标的观测时刻滚动角；
[0012] 其中，所述观测时刻ISAR图像、第一仿真ISAR图像、第二仿真ISAR图像以及第三 仿真ISAR图像均为目标在雷达观测坐标系中的图像。
[0013] 优选地，步骤S1中所述获取目标的轴向特征值具体为：
[0014] 选取目标在[t-At, t+At]时间范围内的至少两幅ISAR图像；
[0015] 针对所述至少两幅ISAR图像中的每一幅，获取目标的轴向特征信息；
[0016] 以所述至少两幅ISAR图像的轴向特征信息的平均值作为目标的轴向特征值； [0017] 其中，t为观测时刻，△ t为预设的时间范围；所述轴向特征信息是指目标的太阳 板轴长度值、主体轴长度值和主体轴指向。
[0018] 优选地，步骤S1之前进一步包括：
[0019] 建立地心坐标系、轨道坐标系和目标本体坐标系，通过轨道坐标系将目标主体轴 和太阳板轴在目标本体坐标系中的坐标转换到地心坐标系中；
[0020] 建立雷达坐标系和雷达观测坐标系，通过雷达坐标系将目标主体轴和太阳板轴在 地心坐标系中的坐标转到雷达观测坐标系中。
[0021] 优选地，基于Randon变换原理获取目标的主体轴和太阳板轴在地心坐标系和雷 达观测坐标系中的坐标。
[0022] 优选地，地心坐标系、轨道坐标系、目标本体坐标系、雷达坐标系和雷达观测坐标 系之间满足：
[0027] 式中，R。,为轨道坐标系到目标本体坐标系的转换矩阵，R d。为地心坐标系到轨道坐 标系的转换矩阵，RdR为地心坐标系到雷达坐标系的转换矩阵，RRe为雷达坐标系到雷达观测 坐标系的转换矩阵；l〇ng、lati分别为雷达观测站位置的经度和炜度，ω、f、i、Ω、u分别为 目标在观测时刻的轨道根数中近地点幅角、真近点角、轨道倾角、升交点赤经和轨道角，且u =ω +f 〇
[0028] 优选地，太阳板轴长度、第一仿真太阳板轴长度、第二仿真太阳板轴长度以及第三 仿真太阳板轴长度中提及的太阳板轴长度的确定方法为：
[0029] 获取太阳板轴两个端点在目标本体坐标系中的第一坐标值；将第一坐标值转化成 雷达观测坐标系中的第二坐标值；依据第二坐标值确定太阳板轴长度；
[0030] 主体轴长度、第一仿真主体轴长度、第二仿真主体轴长度以及第三仿真主体轴长 度中提及的主体轴长度的确定方法为：
[0031 ] 获取主体轴两个端点在目标本体坐标系中的第三坐标值；将第三坐标值转化成雷 达观测坐标系中的第四坐标值；依据第四坐标值确定太阳板轴长度。
[0032] 优选地，步骤S2中所述目标的观测时刻偏航角Φ t满足如下关系：
[0034] 式中，Φ c是观测时刻ISAR图像中目标的主体轴与雷达观测坐标系Z轴之间的夹 角、是第一仿真ISAR图像中目标的主体轴与雷达观测坐标系Z轴之间的夹角；χα、ζα分 别为观测时刻ISAR图像中目标主体轴上任一点在X轴和Ζ轴的坐标值。
[0035] 优选地，步骤S3中所述目标的观测时刻俯仰角Θ t满足如下关系：
[0037] 式中，Γ zs是第二仿真ISAR图像中目标的主体轴长度。
[0038] 优选地，步骤S4中所述目标的观测时刻滚动角约满足如下关系：
[0040] 式中，1" TS是第三仿真ISAR图像中目标的太阳板轴长度。
[0041] 根据本发明的基于ISAR图像的空间目标姿态反演方法，包括：基于目标的观测时 亥|J ISAR图像获取目标的轴向特征值，所述轴向特征值包括：太阳板轴长度、主体轴长度和 主体轴方向；在偏航角Φ、俯仰角Θ和滚动角f均为〇°条件下获取目标的第一仿真ISAR 图像，确定第一仿真ISAR图像中目标的第一仿真主体轴方向；根据主体轴方向和第一仿真 主体轴方向之间的夹角确定目标的观测时刻偏航角$t;在Φ = Φ t、6* = p=〇°条件下获 取目标的第二仿真ISAR图像，确定第二仿真ISAR图像中目标的第二仿真主体轴长度；根据 主体轴长度和第二仿真主体轴长度确定目标的观测时刻俯仰角9t;在Φ = Φ t、Θ = 9t、 p=()°条件下获取目标的第三仿真ISAR图像，确定第三仿真ISAR图像中目标的第三仿真太 阳板轴长度；根据太阳板轴长度和第三仿真太阳板轴长度确定目标的观测时刻滚动角。本 发明不再局限于对空间目标姿态的定性分析判断，而是能够得到关于空间目标姿态的定量 值，可以比较准确的反演出目标在三个轴向上的偏航角、俯仰角和滚动角，从而能够更加直 接的了解目标在空中的运动规律。
【附图说明】
[0042] 通过以下参照附图而提供的【具体实施方式】部分，本发明的特征和优点将变得更加 容易理解，在附图中：
[0043] 图1是示出根据本发明的基于ISAR图像的空间目标姿态反演方法的流程示意 图；
[0044] 图2是示出根据本发明的基于ISAR图像的空间目标姿态反演方法的目标的观测 时刻ISAR图像的不意图；
[0045] 图3是示出根据本发明的基于ISAR图像的空间目标姿态反演方法的目标的第一 仿真ISAR图像的不意图。
【具体实施方式】
[0046] 下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描 述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。
[0047] 本发明中的ISAR是Inverse Synthetic Aperture Radar，即逆合成孔径雷达。偏 航角是指目标的主体轴在当地水平面的投影与目标的轨道坐标系的X轴的夹角；俯仰角是 指目标的主体轴与主体轴在当地水平面投影的夹角；滚动角是指目标的太阳板轴与太阳板 轴在当地水平面的夹角。
[0048] 图1示出了根据本发明的基于ISAR图像的空间目标姿态反演方法的流程示意图。 在步骤S1中，首先基于目标的观测时刻ISAR图像获取目标的轴向特征值。观测时刻ISAR 图像是指目标在雷达观测坐标系中的图像。本发明提及的轴向特征值包括：太阳板轴长度 1TC、主体轴长度lzc和主体轴方向。图2示出了根据本发明的目标的观测时刻ISAR图像的 示意图，图中，山、d2分别为目标主体轴的两个端点，d 3、d4分别为目标太阳板轴的两个端点， 点〇R为雷达观测坐标系的原点、0 Rxep为雷达观测坐标系的X轴、0 Rzep为雷达观测坐标系的 Z轴，目标的太阳板轴与主体轴之间的交点d。（图2中未示出）与点0R重合，Φ馮观测时 亥lj ISAR图像中目标的主体轴与雷达观测坐标系Z轴之间的夹角。
[0049] 考虑到从单幅观测时刻ISAR图像所提取的轴向特征值容易产生误差的情况，根 据本发明的优选实施例，步骤S1中获取目标的轴向特征值具体为：
[0050] 选取目标在[t- Δ t, t+ Δ t]时间范围内的至少两幅ISAR图像；
[0051] 针对该至少两幅ISAR图像中的每一幅，获取目标的轴向特征信息；
[0052] 以该至少两幅ISAR图像的轴向特征信息的平均值作为目标的轴向特征值；
[0053] 其中，t为观测时刻，At为预设的时间范围；轴向特征信息是指目标的太阳板轴 长度值、主体轴长度值和主体轴指向。
[0054] 为了获取目标在雷达观测坐标系中的坐标，进而根据坐标值确定目标太阳板轴和 主体轴的尺寸以及主体轴指向，步骤S1之前可以进一步包括：
[0055] 建立地心坐标系、轨道坐标系和目标本体坐标系，通过轨道坐标系将目标主体轴 和太阳板轴在目标本体坐标系中的坐标转换到地心坐标系中；
[0056] 建