合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法及系统与流程

本申请涉及海洋遥感卫星观测，特别是涉及合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法及系统。

背景技术：

1、目前，在人类海洋活动日益频繁、空间技术飞速发展、信息技术突飞猛进的全球背景下，海洋卫星领域正处于深刻变革的关键时期，卫星遥感技术的发展正逐步由关注载荷指标的先进性转向为追求解决科学问题的有效性。面向当前海洋科学迫切需求，世界海洋强国纷纷谋划发展以高分辨率动力观测为代表的新型海洋高分遥感技术，以实现全海域、全天候、高时空分辨的遥感探测目标。

2、以海洋动力过程遥感观测为目标的海洋雷达高度计经过40多年的发展目前已历经三代。第1代是以jason3/hy2卫星为代表的传统底视雷达高度计，采用脉冲有限体制实现对海面高度的高精度测量；第2代是以哨兵3/6卫星为代表的底视合成孔径雷达高度计，在第1代的基础上利用沿轨合成孔径技术增加波束内的有效视数，从而达到抑制海面斑点噪声的目的，进一步提升的测高精度；第3代是以swot卫星为代表侧视干涉成像雷达高度计，沿轨采用合成孔径技术、交轨采用干涉测量技术，不仅进一步提升测高精度，而且有效增大观测幅宽至百公里以上。

3、然而，第1、2代雷达高度计只能对海面进行沿轨采样，交轨刈幅只有几公里，不具备宽刈幅和亚中尺度观测能力，第3代雷达高度计虽然具备宽刈幅和亚中尺度观测能力，但干涉测量技术体制较复杂、误差源较多，误差修正和工程研制风险较大、成本较高。

4、因而，如何在低成本、低风险的前提下，实现对海洋的宽刈幅和亚中尺度观测，是当前急需解决的一项技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法及系统，以弥补现有技术的不足。

2、为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：

3、一种合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法，该方法包括以下步骤：

4、（1）设计卫星轨道：将多颗合成孔径高度计小卫星设计为同一工作轨道，轨道设计为工作轨道和定标轨道两种；在轨调整相邻卫星之间的飞行时间间隔，以实现同一区域敏捷可变分辨观测；

5、（2）卫星功能设计：每颗卫星均搭载ku/ka双频合成孔径高度计，该高度计发射ku波段和ka波段电磁波，接收并采集所述ku波段和ka波段电磁波经大气传输后被海面反射的回波信号，以获得海洋观测数据；

6、（3）地面站获取数据：每一颗卫星采集的海洋观测数据各自分别发送至地面站，该地面站分别对获取的海洋观测数据进行处理，对应得到海面高度、有效波高、海面风场观测结果数据；

7、（4）多星数据融合处理：步骤（3）得到每颗卫星的观测结果数据，相邻卫星同纬度观测值进行差分处理，最终得到海面宽刈幅高精度相对测高结果。

8、进一步的，所述步骤（1）中，考虑海洋亚中尺度定标和真实性检验需求，设计卫星轨道需覆盖太平洋、大西洋、印度洋的指定区；所述多颗合成孔径高度计小卫星的数量为10颗，当然具体数量不限于此，能达到本发明的技术目的即可；所述工作轨道为太阳同步轨道，轨道高度为550-600km；该设计能够调整所述多颗合成孔径高度计小卫星之间的飞行时间间隔，来获取更全面的海洋观测数据。

9、进一步的，所述步骤（2）中，所述ku/ka双频合成孔径高度计采用沿轨合成孔径体制和双频融合技术，通过天线发射ku波段和ka波段电磁波，通过天线接收并采集ku波段和ka波段电磁波经大气传输后被海面反射的回波信号，以获得海面高度观测数据；所述天线为ku/ka双频共口面平板天线。

10、更进一步的，所述ku/ka双频合成孔径高度计包括天线子单元和电子设备子单元；所述天线子单元为ku/ka双频共口面平板天线，位于卫星本体对地面

11、，其作用是对频综激励信号进行放大后向指定方向辐射微波信号，再接收地面或目标的回波信号，对回波信号进行放大并送至接收机进行处理；所述电子设备子单元包括固态功放单元、微波前端单元、接收单元、数控采集单元、频综与波形产生单元，固态功放单元的输出是微波前端单元的输入，微波前端单元的输出是接收单元的输入，频综综合器与波形产生单元的输出是固态功放单元的输入，接收单元的输出是数控采集单元的输入。

12、另，所述固态功放单元包括ka波段功率放大器和ku波段功率放大器两个单机，采用脉冲固态功放；所述微波前端单元包括ka波段微波前端和ku波段微波前端，整个微波前端受指令控制，实现发射、接收和内校准开关控制；所述频综综合器与波形产生单元生成两路c波段中频发射信号，经上变频到ka/ku波段后，传给固态功放单元作为激励信号，同时生成c波段去斜本振信号，作为接收回波的参考信号；所述接收单元接收ka波段和ku波段，生成中频回波信号；所述数控采集单元完成对中频回波信号的处理，通过卫星总线获取飞行轨道、姿态的信息，并采集和发送各通道遥测数据，同时将产生的观测数据发送到卫星数传分系统。

13、一种合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测系统，该系统用于所述合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法，具体包括：

14、多颗卫星，基于所述多颗卫星进行卫星轨道设计，且每颗卫星通过搭载ku/ka双频合成孔径高度计进行海面高度观测以获得海面高度观测数据；

15、地面站，所述卫星将接收到海洋观测数据下传至地面站，所述地面站对所述海洋观测数据进行处理，对应得到海面高度、有效波高、海面风场观测结果；

16、且所述地面站处理得到每颗星的海面高度观测结果，进一步进行差分处理，得到海面宽刈幅高精度相对测高结果。

17、本发明的优点和有益效果：

18、本发明采取ku/ka双频合成孔径高度计和小卫星敏捷编队体制，实现了半中尺度到亚中尺度海洋动力高度观测，且观测成本低、风险低；通过控制卫星之间的飞行时间间隔，可实现同一区域敏捷可变分辨观测，为研究多时空尺度的海洋现象提供了一种灵活、高效的观测手段。

19、本发明中卫星载荷的主要特点为：采用ku+ka双频段；采用ku/ka共口面平板天线；采用ku/ka双频融合，且ku/ka双频合成孔径高度计具备测距噪底极低、ku/ka双频数据融合的技术特点。

20、本发明解决了在低成本、低风险的前提下，实现海洋宽刈幅、亚中尺度观测的问题。

技术特征：

1.一种合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法，其特征在于，所述步骤（1）中，依据海洋观测需求，考虑到海平面和海面温度无变点观测与定标检验需求，设计卫星轨道需覆盖太平洋、大西洋、印度洋的指定区。

3.如权利要求1所述的合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法，其特征在于，所述工作轨道为太阳同步轨道，轨道高度为550-600km。

4.如权利要求1所述的合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述ku/ka双频合成孔径高度计采用沿轨合成孔径体制和双频融合技术，通过天线发射ku波段和ka波段电磁波，通过天线接收并采集ku波段和ka波段电磁波经大气传输后被海面反射的回波信号，以获得海面高度观测数据；所述天线为ku/ka双频共口面平板天线。

5.如权利要求1所述的合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法，其特征在于，所述ku/ka双频合成孔径高度计包括天线子单元和电子设备子单元；所述天线子单元为ku/ka双频共口面平板天线，位于卫星本体对地面，其作用是对频综激励信号进行放大后向指定方向辐射微波信号，再接收地面或目标的回波信号，对回波信号进行放大并送至接收机进行处理；所述电子设备子单元包括固态功放单元、微波前端单元、接收单元、数控采集单元、频综综合器与波形产生单元；所述固态功放单元的输出是微波前端单元的输入，微波前端单元的输出是接收单元的输入，频综综合器与波形产生单元的输出是固态功放单元的输入，接收单元的输出是数控采集单元的输入。

6.如权利要求5所述的合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法，其特征在于，所述固态功放单元包括ka波段功率放大器和ku波段功率放大器两个单机，采用脉冲固态功放；所述微波前端单元包括ka波段微波前端和ku波段微波前端，整个微波前端受指令控制，实现发射、接收和内校准开关控制；所述频综综合器与波形产生单元生成两路c波段中频发射信号，经上变频到ka/ku波段后，传给固态功放单元作为激励信号，同时生成c波段去斜本振信号，作为接收回波的参考信号；所述接收单元接收ka波段和ku波段，生成中频回波信号；所述数控采集单元完成对中频回波信号的处理，通过卫星总线获取飞行轨道、姿态的信息，并采集和发送各通道遥测数据，同时将产生的观测数据发送到卫星数传分系统。

7.一种合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测系统，其特征在于，该系统用于权利要求1所述的合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法，该观测系统包括：

技术总结
本申请涉及一种合成孔径高度计小卫星敏捷编队海洋观测方法及系统，属于海洋遥感卫星观测技术领域。该方法包括：将多颗合成孔径高度计小卫星设计为同一工作轨道，轨道设计为工作轨道和定标轨道两种；每颗卫星均搭载Ku/Ka双频合成孔径高度计；每一颗卫星采集的海洋观测数据各自分别发送至地面站，该地面站分别对获取的海洋观测数据进行处理，对应得到海面高度、有效波高、海面风场观测结果数据；多星数据融合处理：将观测结果数据，再进行差分处理，最终得到海面宽刈幅高精度相对测高结果。本发明解决了在低成本、低风险的前提下，实现海洋宽刈幅、半中尺度到亚中尺度海洋动力高度的遥感探测问题。

技术研发人员：陈戈,赵朝方,孙晗伟,唐军武,马纯永,孔维亚,张本涛,张成峰,王昆
受保护的技术使用者：崂山国家实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13