一种基于星载AIS实时信息引导的星上自主成像方法与流程

本发明涉及一种基于星载ais实时信息引导的星上自主成像方法，基于星上ais系统的实时解析信息计算成像区域和成像目标，自主控制sar成像功能，实时生成卫星姿态调整指令及sar载荷开机成像指令，完成对选定区域和选定目标的成像任务。该设计可应用于海洋态势感知、海面紧急搜救等领域。

背景技术：

传统sar卫星的成像都是针对某一特定场景或者固定目标(建筑)而设计的，成像指令都是地面事先设计好的或者由地面上注指令，由于海面舰船位置事先不确定，尤其是众多的非合作海面舰船，对其进行sar成像任务时随机性较大，因此，对海上舰船的成像任务没有办法灵活设计。按照传统的星载sar系统，对舰船成像时，舰船位置信息由其他卫星的成像结果或者电子侦察的信息来指引，从获取舰船位置信息到sar卫星过境的时间间隔较长，在sar卫星具备成像条件时舰船可能已经驶离原来的位置，这时sar卫星要完成对海面舰船目标的成像任务规划的难度较大。这时，急需一种星上自主成像任务规划的方法，能够星上实时捕获舰船信息并进行星上成像任务自主设计，完成星载sar对舰船的实时成像任务。

船舶自动识别系统(ais)是一种海上无线电通信系统，该系统通过自动广播和接收船舶动态(位置、航速、航向等)和静态(船名、国籍、呼号、吃水等)信息，由于ais的强制加装和自报位特性，ais逐步推广应用于海域感知、海面监视等各个方面，其军用和民用价值日益突显。新一代星载船舶识别分系统(星载ais系统)，可在星上实时接收、处理、提取船舶ais设备发射的ais信息，实现远海船舶监视及目标属性识别、监控；实时解析ais报文，监测观测区域内是否有感兴趣目标。基于这一信息，可在星上实时完成自主成像任务规划，实现星上ais实时引导sar载荷对特定舰船目标的成像。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于星载ais实时信息引导的星上sar自主成像流程设计，利用星载ais信息实时对感兴趣的目标进行匹配筛选，并确定目标所在的区域，实现sar载荷成像所需要时间、姿态、成像参数等数据的实时解算，自动生成卫星姿态调整指令及sar载荷开机成像指令，完成对选定区域和选定目标的成像任务。ais信息和sar成像信息的综合利用，提高了海上舰船目标的识别确认效率，提高了舰船目标的成像准确率，提高了系统的观测效能。

本发明的技术方案予以实现：一种基于星载ais实时信息引导的星上自主成像方法，包括如下步骤：

(1)捕获并确认需观测的舰船目标；

(2)确定卫星观测时刻和观测区域；

(3)计算卫星对船只的观测姿态；

(4)调整卫星姿态，确定sar载荷可进行成像工作。

所述步骤(1)的具体过程为：星载ais接收系统接收舰船的ais实时信息，实时提取ais报文数据里的舰船信息，包括舰船身份、舰船位置、舰船航向航速信息，利用舰船身份完成目标识别，识别完成时刻记为初始时刻t0。

所述步骤(2)的具体过程为：

由舰船当前位置坐标和卫星当前位置坐标，确定舰船目标相对于卫星的相对空间位置，同时结合卫星速度和舰船的速度，初步计算卫星飞临目标上空的时刻，该时刻记为t1；sar载荷在飞临目标之前的就进入观测区域开始工作，进入观测区域的时刻记为t2。

所述t1的计算方法如下：

卫星捕获识别舰船目标的t0时刻，此时舰船在地固系下的位置为(p0船)ecf，速度为(v0船)ecf；记卫星在地固系下的位置为(p0星)ecf，速度为(v0星)ecf；

41)选择[t0,t0+δ]作为数值预报时段，δ表示增量值，根据轨道特性选取；

42)选取足够小步长step，并将时段[t0,t0+δ]离散为时间点集，记为t＝{ti|i＝1,…，n}，其中n＝floor(δ/step)，floor(*)为实数取整运算；

43)根据t0时刻的卫星位置与速度，预报各时刻卫星位置与速度{(pi星)ecf|i＝1,…，n}；

44)根据t0时刻的船只位置与速度，预报各时刻船只的位置与速度{(pi船)ecf|i＝1,…，n}；船只按匀速运动处理，即

(pi船)ecf＝(p0船)ecf+(v0船)ecf(ti-t0)

45)计算各时刻卫星与船只的相对距离，记为{di星船|i＝1,…，n}，di星船为ti时刻卫星与船只的距离，公式为

di星船＝||(pi星)ecf-(pi船)ecf||

其中||*||为范数运算；

46)取{di星船|i＝1,…，n}中的最小值，该最小值对应的时刻点即为t1。

所述t2的计算方法如下：t1时刻后舰船的位置即确定为观测场景的中心，目标沿x轴的前后20公里可确认为观测区域，即为观测区域s，由成像模式确定观测起始时刻，记为t2。

所述步骤(3)的具体过程为：根据卫星和目标的位置及速度信息，计算sar载荷成像姿态信息，获得卫星成像时的波束指向，并确定卫星的横滚、偏航、俯仰三轴观测姿态。

确定卫星的横滚、偏航、俯仰三轴观测姿态时，卫星相对轨道坐标系的姿态欧拉角的计算方法为：欧拉角按123转序定义；

31)计算船只相对卫星的矢量方向，并在地固系下表示，记为(r)ecf：

32)将(r)ecf转换到卫星轨道坐标系下，得到(r)orbit：

其中为惯性系至轨道系的坐标转换矩阵；为地固系至惯性系的坐标转换矩阵。

33)记(r)orbit的三个坐标分量分别为rx、ry、rz，则可计算卫星所需的姿态欧拉角为

β＝arcsin(rx)

γ＝0

其中α为滚动角，β为俯仰角，γ为偏航角。

所述步骤(4)的具体过程为：

按照α、β和γ三个姿态参数进行卫星姿态的调整，具备sar成像波束指向能力，确定sar载荷根据预先设计的成像程序进入sar成像工作模式。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明提供了一种星载ais实时信息引导星上sar自主成像流程设计的方法，与现有方法相比，解决了星载sar系统对海上舰船目标成像任务规划的时效性，从发现目标进行成像任务规划到得到sar图像在星上全自主实现，大大提高了星载sar系统对特定舰船目标的sar成像识别确认效率；

(2)本发明的星载ais子系统，星上实时获取装载了船舶ais信息，并实时解析获取精确的舰船大小、位置、航速航向等信息；星载sar系统对ais确认的目标进行精确成像，有效提高了对海面舰船目标识别的正确性。

附图说明

图1是ais引导sar成像的工作流程。

图2是星载ais捕获船舶信号示意图。

图3是坐标系定义示意图。

图4是星载sar船舶成像示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-4和具体实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

文中使用的坐标系：地心惯性坐标系oe-xiyizi，地心固连坐标系oe-xfyfzf，卫星轨道坐标系os-xoyozo，卫星本体坐标系os-xbybzb以及天线坐标系oa-xayaza，如图3所示。

本文中天线固定在卫星本体正下方，oa-xayaza三轴与os-xbybzb对应坐标轴平行。由于天线质心oa与卫星质心os间距很短，因此后文使用卫星质心替代天线相位中心，卫星本体坐标系代替天线坐标系，其对波束投在地面的误差通常在米级，对20km以上的测绘带而言可以忽略不计。

卫星进入ais引导sar成像模式工作后，其工作流程为：

(1)捕获并确认需观测的舰船目标

星载ais接收系统接收舰船的ais实时信息，实时提取ais报文数据里的舰船信息，包括舰船身份、舰船位置、舰船航向航速信息，利用舰船身份完成目标识别，识别完成时刻记为初始时刻t0；

(2)确定卫星观测时刻和观测区域

由舰船当前位置坐标和卫星当前位置坐标，确定舰船目标相对于卫星的相对空间位置，同时结合卫星速度和舰船的速度，初步计算卫星飞临目标上空的时刻，该时刻记为t1，sar载荷在飞临目标之前的就进入观测区域开始工作，进入观测区域的时刻记为t2。

卫星捕获识别舰船目标的t0时刻，此时舰船在地固系下的位置为(p0船)ecf，速度为(v0船)ecf；记卫星在地固系下的位置为(p0星)ecf，速度为(v0星)ecf。卫星拟在t1时刻飞临舰船上空进行一次成像观测。

t1的计算方法如下：

1)选择[t0,t0+δ]作为数值预报时段，δ可根据轨道特性，选择一个足够大的数值；

2)选取足够小步长step，并将时段[t0,t0+δ]离散为时间点集，记为t＝{ti|i＝1,…，n}，其中n＝floor(δ/step)，floor(*)为实数取整运算。

3)根据t0时刻的卫星位置与速度，预报各时刻卫星位置与速度{(pi星)ecf|i＝1,…，n}；预报算法为轨道动力学积分，可参考轨道动力学相关专著，不再赘述。

4)根据t0时刻的船只位置与速度，预报各时刻船只的位置与速度{(pi船)ecf|i＝1,…，n}；船只按匀速运动处理，即

(pi船)ecf＝(p0船)ecf+(v0船)ecf(ti-t0)(1)

5)计算各时刻卫星与船只的相对距离，记为{di星船|i＝1,…，n}，di星船为ti时刻卫星与船只的距离，公式为

di星船＝||(pi星)ecf-(pi船)ecf||(2)

其中||*||为范数运算。

6)取{di星船|i＝1,…，n}中的最小值，该最小值对应的时刻点即为t1。此时，进一步可确认该时刻卫星与船只的位置，分别记为(p1星)ecf、(p1船)ecf。

7)t1时刻后舰船的位置即可确定为观测场景的中心，目标沿x轴的前后20公里可确认为观测区域，即为观测区域s，由成像模式确定观测起始时刻，记为t2，如图4所示。

(3)计算卫星对船只的观测姿态

根据卫星和目标的位置及速度信息，计算sar载荷成像姿态信息，获得卫星成像时的波束指向，由此确定卫星的横滚、偏航、俯仰三轴观测姿态。

以下给出的算法给出了卫星相对轨道坐标系的姿态欧拉角，欧拉角按123转序定义。

1)计算船只相对卫星的矢量方向，并在地固系下表示，记为(r)ecf：

2)将(r)ecf转换到卫星轨道坐标系下，得到(r)orbit：

其中为惯性系至轨道系的坐标转换矩阵，可根据卫星位置与速度计算；为地固系至惯性系的坐标转换矩阵，可根据成像时刻t1根据星历计算。相关算法可参见轨道动力学专著。

3)记(r)orbit的三个坐标分量分别为rx、ry、rz，则可计算卫星所需的姿态欧拉角为

其中α为滚动角，β为俯仰角，γ为偏航角。

(4)调整卫星姿态，确定sar载荷可进行成像工作

按照α、β和γ三个姿态参数进行卫星姿态的调整，具备sar成像波束指向能力，确定sar载荷根据预先设计的成像程序进入sar成像工作模式。

经过上述(1)、(2)、(3)、(4)步即可完成星上ais引导sar自主成像设计。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。