采用波束指向控制的地球同步轨道圆迹sar成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合成孔径雷达技术领域，特别涉及一种采用波束指向控制的地球同步 轨道圆迹SAR成像方法。
【背景技术】
[0002] 合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar,SAR)是一种对地成像遥感观测的重 要手段，因具有"全天时、全天候"的特点、所以不受气象条件和夜晚的影响，从而得到了广 泛的应用。圆迹SAR利用雷达平台与被观测目标之间的相对运动，可以实现对目标的360° 全方位观测，具有分辨率高和三维成像等多种优点。目前，圆迹SAR常采用飞机或临近空间 飞艇作为雷达平台，通过飞机或飞艇对地面目标的圆周运动实现圆迹成像。在星载SAR方 面，常见的成像卫星的轨道较低，无法形成雷达与目标之间的360°相对运动，目前尚无在 轨运行的星载圆迹SAR系统。发明专利名称为"地球同步轨道圆迹合成孔径雷达三维微波 成像方法（专利号ZL200710176924. 7) "的专利提出了以地球同步轨道卫星为平台的星载 圆迹SAR成像技术，利用地球同步卫星轨道高、且公转与地球自转周期相同的特点，通过将 卫星轨道设计成圆形星下点轨迹，实现了星载圆迹SAR的成像工作模式。
[0003] 但是，上述地球同步轨道星载圆迹SAR成像技术存在以下几个主要的缺点：
[0004] 第一、具有圆形星下点轨迹的地球同步卫星，在环绕地球一周的同时也从目标上 空环绕目标相对运动了一个圆周。此时，SAR圆迹成像主要利用了卫星的轨道运动，且要求 卫星轨道的倾角弧度在数值上始终保持为偏心率的2倍。这一要求对卫星的轨道保持提出 了特殊要求，这些要求通常很难实现，或需要付出很高的轨道保持的代价。
[0005] 第二、为形成地面圆形星下点轨迹，卫星轨道需要较大的偏心率参数。虽然卫星在 地面的星下点投影轨迹为圆形，但卫星在空间上绕地球运行的轨道是椭圆形。偏心率越大， 卫星的空间轨道的形状越偏离圆形，而更接近椭圆形。卫星沿椭圆轨道运行时，卫星轨道的 高度和卫星相对于目标的运动速度都会发生剧烈变化，这些都增加了成像处理难度。
[0006] 第三、为了实现星载圆迹SAR对目标的成像，需要卫星绕地球运行一个完整的周 期，这使得圆迹SAR成像的周期长达24小时，因而降低了信息获取的时效性。
【发明内容】
[0007](一）要解决的技术问题
[0008] 为了解决上述问题，本发明提出了一种新的采用波束指向控制的地球同步轨道圆 迹SAR成像方法，降低了卫星沿轨运动时速度和高度的剧烈变化程度，减小了成像的处理 难度，缩短了成像周期，同时不对卫星的轨道保持提出特殊性的要求。
[0009](二）技术方案
[0010] 为了实现本发明的目的，本发明提供的采用波束指向控制的地球同步轨道圆迹 SAR成像方法，包括以下步骤：
[0011] 第一步，根据被观测成像的地面目标的位置，选定具有零偏心率、星下点轨迹为"8 字形"的地球同步卫星作为圆迹SAR的雷达平台；
[0012] 第二步，设计轨道参数，使星下点轨迹的某个半"8字形"覆盖地面预定被观测成像 的目标区域；
[0013] 第三步，以SAR天线波束中心线与星下点方向的夹角为距离指向角，以天线波束 中心线与卫星轨道运动方向的夹角为方位指向角，假定SAR天线波束始终指向目标，并以 波束距离指向角和波束方位指向角表示波束指向，计算出距离指向角和方位指向角随时间 的变化规律；
[0014] 第四步，根据所述计算出的距离指向角和方位指向角随时间的变化规律，在圆迹 SAR成像的观测周期之内采取步进法进行二维天线波束指向控制。
[0015](三）有益效果
[0016] 本发明通过采用轨道偏心率为零的地球同步卫星作为雷达平台，提出了一种新的 采用波束指向控制的地球同步轨道圆迹SAR成像方法。与已有的星载圆迹SAR成像方法相 比较，本发明所取得的有益效果为：
[0017] 1、由于偏心率为零的地球同步卫星在空中绕地球运行的轨道为圆轨道，所以卫星 距地面的高度变化小，同时卫星沿圆轨道运行的速度相等，更有利于SAR成像的处理。
[0018] 2、本发明采用波束控制的方式，从而可以在圆轨道地球同步卫星星下点轨迹的半 个"8字形"时段内完成整个圆迹周期的成像，将圆迹成像时间减小到12小时。
[0019] 3、本发明采用二维波束控制实现星载圆迹SAR成像，不再要求卫星轨道倾角的弧 度在数值上为偏心率的2倍，因而无需对卫星轨道的保持提出特殊要求，降低了卫星轨道 保持的难度。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明一实施例的采用波束指向控制的地球同步轨道圆迹SAR成像的观测 示意图；
[0021] 图2为本发明一实施例的采用波束指向控制的地球同步轨道圆迹SAR成像的天线 波束指向角的示意图；
[0022] 图3为本发明一实施例的采用波束指向控制的地球同步轨道圆迹SAR成像的波束 指向随时间变化的示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面将结合附图对本发明的实施例加以详细地说明。
[0024] 图1示出了根据本发明一实施例的采用波束指向控制的地球同步轨道圆迹SAR成 像的观测示意图。本实施例中，假定被成像观测的目标为中国广州地区，成像区域的中心坐 #*23·0962°Ν、113·2936Ε。。
[0025] 依据本发明一实施例的采用波束指向控制的地球同步轨道圆迹SAR成像方法包 括以下步骤：
[0026] 第一步，根据被观测成像的地面目标的位置，选定具有零偏心率、星下点轨迹为"8 字形"的地球同步卫星作为圆迹SAR的雷达平台第二步，设计轨道参数，使星下点轨迹的某 个半"8字形"覆盖地面预定被观测成像的目标区域。
[0027] 具体地，设计偏心率为零的地球同步卫星的轨道，使得该地球同步卫星处于北半 球星下点轨迹的半个"8字形"覆盖预定被观测成像的地面目标区域，其具体的轨道参数为： 轨道长半轴a= 42164. 17km、偏心率e= 0、轨道倾角i= 50°、升交点赤经Ω= 115°、 近地点幅角ω=0°和平近点角Μ= 0°。成像目标与地球同步卫星星下点轨迹的关系如 图1所示。
[0028] 第三步，以SAR天线波束中心线与星下点方向的夹角为距离指向角，以天线波束 中心线与卫星轨道运动方向的夹角为方位指向角，如图2所示。假定SAR天线波束始终指 向目标，并以波束距离指向角和波束方位指向角表示波束指向，计算出距离指向角和方位 指向角随时间的变化规律。。
[0029] 具体地，以北半球半个"8字形"的星下点轨迹所对应的卫星运行时段为圆迹SAR 成像的观测周期，设t为卫星运动的时间变量且以卫星过升交点时刻为成像起始零时刻。 在地球同步卫星绕地球运动的过程中，假定雷达天线波束始终指向观测成像的地面目标， 计算半个"8字形"所对应观测周期之内的任意时刻t波束指向随时间变化的距离指向角和 方位指向角。
[0030] 该计算步骤如下：
[0031] 1)计算t时刻星下点在地球地心固联坐标系中的经炜度
[0032]Φs (t) =arcsin(sinisinωst) (la)
[0033]λs (t) =arctan(cositanωst) -ωe ·t+Ω(lb)
[0034] 其中，As(t)是地球同步卫星星下点经度，（i>s(t)是地球同步卫星星下点经度，i、 Ω分别是卫星轨道倾角、升交点赤经，cos为卫星平均运动角速度、ωe为地球自转平均角速 度。
[0035] 2)计算t时刻卫星轨道在地球地心固联坐标系中的直角坐标位置
[0036] xs(t)=acosΦs (t)cosλs (t) (2a)