一种实现星载SAR超高分辨率滑动聚束模式的卫星平台姿态机动方法与流程

技术特征：

1.一种实现星载SAR超高分辨率滑动聚束模式的卫星平台姿态机动方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据观测场景位置以及卫星平台轨道信息，确定出整个滑动聚束成像的时间范围，即卫星平台姿态机动的时间范围；

(2)利用SAR天线参数、分辨率指标、以及场景中心的星下点视角，确定出整个卫星平台姿态机动期间的中心旋转点；

(3)根据步骤(2)的中心旋转点以及步骤(1)卫星平台姿态机动的时间范围，确定出机动期间卫星平台的三轴指向单位矢量，从而得到整个滑动聚束成像期间卫星平台精确的姿态机动方式。

2.根据权利要求1所述的一种实现星载SAR超高分辨率滑动聚束模式的卫星平台姿态机动方法，其特征在于：所述根据观测场景位置以及卫星平台轨道信息，确定出整个滑动聚束成像的时间范围[T_start,T_end]，即卫星平台姿态机动的时间范围，步骤如下：

设观测场景的距离向宽度为W，方位向长度为L，场景中心在ECF坐标系下的三维坐标为(X_c，Y_c，Z_c)，地心在ECF坐标系下的三维坐标为(X_o，Y_o，Z_o)，经过场景中心点做垂直于轨道面Δ_orbit的直线，并与轨道面交于点，利用以及确定出经过且与轨道面垂直的平面ΔP_scene,cO_earthP_proj；

平面ΔP_scene,cO_earthP_proj与卫星轨道将有两个交点，其中与距离较近的一个点为则即为整个滑动聚束成像中心时刻T_c卫星平台所在位置，其满足约束条件

$({\stackrel{\→}{P}}_{scene,c}-{\stackrel{\→}{P}}_{sat,c})\·{\stackrel{\→}{V}}_{sat,c}=0---\left(1\right)$

即与场景中心的联接矢量与该位置卫星平台的速度矢量恰好垂直，式中为卫星平台的速度矢量；

根据与的位置，得出天线波束正侧视时卫星平台与场景中心之间的距离再通过余弦定理，得出场景中心位置所对应的地心角β_c为

${\mathrm{\β}}_c=acos\[\frac{{(R_e+H)}^2+R_e^2-R_c^2}{2(R_e+H)R_e}\]---\left(2\right)$

式中，R_e为地球半径，H为卫星轨道高度，由地球半径R_e及场景中心的地心角β_c，得出场景中心的星下点地距G_c为

G_c＝R_e·β_c (3)

根据观测场景的幅宽W，以及场景中心的星下点地距G_c，确定出场景近端与远端的星下点地距G_n与G_f分别为

$G_n=G_c-\frac{W}{2}---\left(4\right)$

$G_f=G_c+\frac{W}{2}---\left(5\right)$

利用G_n与G_f，得出场景近端与远端的地心角β_n与β_f分别为

${\mathrm{\β}}_n=\frac{G_n}{R_e}---\left(6\right)$

${\mathrm{\β}}_f=\frac{G_f}{R_e}---\left(7\right)$

基于星载SAR对场景成像时的星地几何关系，通过β_n与β_f、地球半径R_e、以及卫星轨道高度H，利用余弦定理得出场景近端与远端的正侧视斜距R_n与R_f分别为

$R_n=\sqrt{{(R_e+H)}^2+R_e^2-2(R_e+H)R_{e}cos\left({\mathrm{\β}}_n\right)}---\left(8.1\right)$

$R_f=\sqrt{{(R_e+H)}^2+R_e^2-2(R_e+H)R_{e}cos\left({\mathrm{\β}}_f\right)}---\left(8.2\right)$

以及条带成像模式下测绘带近端及远端位置的波束地面行进速度V_gn与V_gf分别为

$V_{gn}=\frac{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{sat,c}\right|\·R_e}{R_e+H}\·cos\left({\mathrm{\β}}_n\right)---\left(9.1\right)$

$V_{gf}=\frac{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{sat,c}\right|\·R_e}{R_e+H}\·cos\left({\mathrm{\β}}_f\right)---\left(9.2\right)$

将卫星轨道的曲线模型转换为直线模型，则测绘带近端与远端位置所对应的等效速度V_en与V_ef分别为

$V_{en}=\sqrt{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{sat,c}\right|\·V_{gn}}---\left(10.1\right)$

$V_{ef}=\sqrt{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{sat,c}\right|\·V_{gf}}---\left(10.2\right)$

由测绘带远端正侧视斜距R_f、天线方位向波束宽度θ_az、条带模式下的远端等效速度V_ef、滑动聚束模式所需达到的方位向分辨率ρ_{a_slip}、以及系统工作波长λ，得出滑动聚束模式的合成孔径时间T_syn为

$T_{syn}=\frac{\mathrm{\λ}\·R_c}{2V_{ef}\·{\mathrm{\ρ}}_{a\_slip}}---\left(11\right)$

以及天线波束足迹在远端位置的方位向覆盖宽度L_a为

L_a＝R_f·θ_az (12)

通过滑动聚束模式下的合成孔径时间T_syn以及波束足迹在远端的覆盖宽度L_a，就可得出滑动聚束模式下的波束地面足迹行进速度V_slip为

$V_{slip}=\frac{L_a}{T_{syn}}---\left(13\right)$

再结合场景的方位向长度L，得出滑动聚束模式成像总时间T_acq为

$T_{acq}=\frac{L}{V_{slip}}+T_{syn}---\left(14\right)$

通过整个滑动聚束成像期间的中心时刻T_c以及成像总时间T_acq，得出滑动聚束成像的起始时刻T_start与终止时刻T_end分别为

$T_{start}=T_c-\frac{T_{acq}}{2}---\left(15.1\right)$

$T_{end}=T_c+\frac{T_{acq}}{2}---\left(15.2\right)$

由起始时刻T_start与终止时刻T_end即确定了滑动聚束成像时间范围[T_start,T_end]。

3.根据权利要求1所述的一种实现星载SAR超高分辨率滑动聚束模式的卫星平台姿态机动方法，其特征在于：所述利用SAR天线参数、分辨率指标、以及场景星下点视角，确定出整个姿态机动期间的中心旋转点，步骤如下：

由条带模式下测绘带近端的波束行进速度V_gn、卫星平台飞行速度以及天线的方位向波束宽度θ_az，得出在条带模式下测绘带近端所能达到的方位向分辨率ρ_{a_strip}为

${\mathrm{\ρ}}_{a\_strip}=\frac{V_{gn}}{2\left|{\stackrel{\→}{V}}_{sat,c}\right|{\mathrm{\θ}}_{az}/\mathrm{\λ}}---\left(16\right)$

通过条带模式下的方位向分辨率ρ_{a_strip}、以及滑动聚束模式下最终实现的方位向分辨率ρ_{a_slip}，得出滑动聚束模式的方位向分辨率改善因子A

$A=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{a\_slip}}{{\mathrm{\ρ}}_{a\_strip}}---\left(17\right)$

再利用场景近端正侧视斜距R_n，得出滑动聚束模式旋转中心的正侧视斜距R_rot为

$R_{rot}=\frac{R_n}{1-A}---\left(18\right)$

最后，利用滑动聚束成像中心时刻T_c的卫星平台位置卫星与场景中心的联接矢量以及R_rot就可得出相应的位置坐标，即确定出整个姿态机动期间的中心旋转点：

${\stackrel{\→}{O}}_{rot}={\stackrel{\→}{P}}_{sat,c}+\frac{({\stackrel{\→}{P}}_{scene,c}-{\stackrel{\→}{P}}_{sat,c})}{\left|{\stackrel{\→}{P}}_{scene,c}-{\stackrel{\→}{P}}_{sat,c}\right|}{R}_{rot}---\left(19\right).$

4.根据权利要求1所述的一种实现星载SAR超高分辨率滑动聚束模式的卫星平台姿态机动方法，其特征在于：所述根据步骤(2)的中心旋转点以及步骤(1)的机动的时间范围，确定出机动期间卫星平台的三轴指向单位矢量，从而得到整个滑动聚束成像期间卫星平台精确的姿态机动方式，步骤如下：

针对步骤(1)中所得出的滑动聚束成像时间范围[T_start,T_end]，按照一定的时间单元ΔT来对其进行划分，在每一时刻t，卫星平台所在位置由滑动聚束成像中心时刻T_c的平台位置t时刻与T_c时刻的时间间隔、以及卫星平台速度矢量所共同确定：

${\stackrel{\→}{P}}_{sat}\left(t\right)={\stackrel{\→}{P}}_{sat,c}+{\∫}_{T_c}^{t-T_c}{\stackrel{\→}{V}}_{sat}dt---\left(20\right)$

式中t∈[T_start,T_end]，表示t时刻的卫星平台所在位置；

当卫星平台位置信息确定后，其Z轴指向单位矢量由和滑动聚束旋转中心所共同决定，如下：

${\stackrel{\→}{E}}_z\left(t\right)=\frac{({\stackrel{\→}{O}}_{rot}-{\stackrel{\→}{P}}_{sat}(t\left)\right)}{|{\stackrel{\→}{O}}_{rot}-{\stackrel{\→}{P}}_{sat}\left(t\right)|}---\left(21\right)$

Y轴指向单位矢量将垂直于该时刻卫星飞行速度矢量与所形成的平面：

${\stackrel{\→}{E}}_y\left(t\right)=\frac{{\stackrel{\→}{E}}_z\left(t\right)\×{\stackrel{\→}{V}}_{sat}\left(t\right)}{|{\stackrel{\→}{E}}_z\left(t\right)\×{\stackrel{\→}{V}}_{sat}\left(t\right)|}---\left(22\right)$

最后，由确定出的卫星Z轴指向单位矢量与Y轴指向单位矢量利用右手定则得出其X轴的指向单位矢量为

${\stackrel{\→}{E}}_x\left(t\right)={\stackrel{\→}{E}}_y\left(t\right)\×{\stackrel{\→}{E}}_z\left(t\right)---\left(23\right)$

根据整个成像期间卫星平台的三轴指向单位矢量以及得到整个滑动聚束成像期间卫星平台精确的姿态机动方式，即得到了滑动聚束成像模式对卫星平台的姿态需求。