反射面天线体制SAR卫星多角度成像姿态控制策略.pdf
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1、V o l N o 航天器工程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G第 卷第期 年月反射面天线体制S A R卫星多角度成像姿态控制策略程晓于海锋王晓蕾冯帆王志斌张润宁刘书豪刘磊(中国空间技术研究院遥感卫星总体部,北京 )(西安空间无线电技术研究所,西安 )摘要针对反射面天线体制星载合成孔径雷达(s p a c e b o r n eS A R)的多角度成像姿态控制问题,文章提出了成像弧段划分规则、首景成像姿态策略、成像角度机动切换策略、第二景成像姿态的计算方法,并基于实测的场景图像仿真数据进行了姿态策略验证,结果表明:提出的姿态控制策略可以实现不同方位
2、角的S A R成像.关键词星载合成孔径雷达;多方位角观测;姿态控制中图分类号:T N 文献标志码:AD O I:/j i s s n A t t i t u d eC o n t r o l S t r a t e g yf o rM u l t i a s p e c t I m a g i n go fS A RS a t e l l i t ew i t hR e f l e c t o rA n t e n n aS y s t e mCHE NGX i a oYU H a i f e n gWANGX i a o l e iF E NGF a nWANGZ h i b i nZ HA
3、NGR u n n i n gL I US h u h a oL I UL e i(I n s t i t u t eo fR e m o t eS e n s i n gS a t e l l i t e,C h i n aA c a d e m yo fS p a c eT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a)(X ia nI n s t i t u t eo fS p a c eR a d i oT e c h n o l o g y,X ia n ,C h i n a)A b s t r a c t:I nr e s p o n s e
4、 t o t h ep r o b l e mo fm u l t i a s p e c t i m a g i n ga t t i t u d e c o n t r o l f o r s p a c e b o r n e s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r(S A R)w i t hr e f l e c t o ra n t e n n as y s t e m,t h ei m a g i n ga r cd i v i s i o nr u l e,f i r s ts c e n ea t t i t u d ec o n t
5、 r o ls t r a t e g y,i m a g i n ga n g l em a n e u v e r i n gs w i t c h i n gs t r a t e g ya n dc a l c u l a t i o nm e t h o df o r t h e s e c o n d s c e n e i m a g i n ga t t i t u d e a r ep r o p o s e d T h e a t t i t u d e c o n t r o l s t r a t e g yh a sb e e nv e r i f i e db a
6、s e do na c t u a l s c e n e i m a g i n gd a t a,a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e da t t i t u d ec o n t r o l s t r a t e g yc a na c h i e v eS A Ri m a g i n ga td i f f e r e n t a z i m u t ha n g l e K e yw o r d s:s p a c e b o r n eS A R;m u l t i a s p e c to b s
7、 e r v a t i o n;a t t i t u d ec o n t r o l收稿日期:;修回日期:作者简介:程晓,男,硕士,高级工程师,从事航天器总体设计工作.近年来,星载合成孔径雷达(s p a c e b o r n eS A R)多方位角成像获得较多的研究 .相较于传统单一角度的S A R成像,多方位角观测可获取同一区域的多幅S A R图像序列.通过对同一目标或场景的多角度观测,可以获取不同视角下的S A R图像,它们反映了目标或场景中的散射单元在不同观测方位角下的散射特性的变化.将多方位角S A R图像进行融合可以丰富目标或场景的散射特性,达到增强目标特征的效果,即更完整
8、地观测目标 .在技术实现上,一次航过的多方位角S A R卫星成像,需要波束具有较大的扫描角度,实现对目标的连续“凝视”.转动波束角度有两种体制,即机械扫描和电扫描.基于反射面天线体制的S A R卫星通过卫星平台带动S A R天线在方位向上进行连续姿态转动,即属于机械扫描;相控阵天线通过切换不同的发射接收波位,来实现波束扫描,即属于电扫描.相对相控阵天线,反射面天线具备集中大功率发射带来的效率高和方向图旁瓣低的优势,是获取目标高分辨率、高质量图像的主要技术手段,被美国长曲棍球系 列 卫 星、以 色 列 合 成 孔 径 雷 达 技 术 试 验(T E C S A R)卫星等广泛采用.本文重点给出了
9、基于反射面天线体制的S A R卫星各个弧段多方位角成像的姿态控制策略,并利用仿真数据进行了成像验证.基于反射面天线的姿态转动实现多方位角观测的工作模式多角度观测工作模式应该尽量确保观测视角的差异性,其观测几何如图所示.图单轨一次过顶多角度观测几何F i g M u l t i a s p e c t i m a g i n gs p a c eg e o m e t r yo no n c e o v e r t h e t o p多角度应用模式是卫星一次航过完成对目标的多角度观测,具体实现上主要是通过控制雷达波束指向实现单航过内对同一目标的长时间照射或单次航过多次开机,获取目标从不同方位角观
10、测数据.当观测弧段间隔大于 时,最大可选弧段数小于幅,数量相对较小,为了获取更多的采样,建议可选弧段数目大于幅,即观测弧段间隔小于 .在弧段中,星载S A R对场景开始进行方位超大斜视角滑动聚束成像,完成这一阶段的工作后,卫星平台开始快速机动,将波束指向再次调整到场景的起始位置,并开始第弧段的滑动聚束成像.以此类推,直到整星完成全部n次滑动聚束成像,从而实现S A R载荷对该区域的多方位角重复观测 .多角度成像控制策略方位角重复观测新模式需要卫星平台在方位向 的范围内进行机动,以实现对目标的多次滑动聚束模式成像.在相邻两次滑动聚束成像之间,需对卫星平台快速机动,将波束指向再次调整至场景的起始位
11、置,再开始下一次滑动聚束观测成像.由于每次滑动聚束成像过程中的斜视角有所差异,因此卫星相应的机动角速度也会有所差异.)确定成像起始时刻的平台位置、波束指向及整星姿态在针对某一场景进行方位向多视角重复观测时,首先需要给定该场景的场景中心位置SC、场景尺寸LaLr以及天线波束的最大斜视角工作能力s q_m a x,s q_m a x.当卫星位于起始位置Ps t a r t时,天线波束具有最大斜视角s q_m a x,且波束前边缘刚好与场景边缘相接,如图所示.图多方位角起始观测时刻空间几何场景F i g M u l t i a s p e c t i m a g i n gs p a c eg e
12、o m e t r ys c e n ea t s t a r t i n gm o m e n t基于以上分析可得:在卫星起始位置处,天线波束中心与地面的交点E与场景中心Sc在方位向的距离为ESc LaRca z c o s(s q_m a x)()式中:La为场景的方位向长度;Rc为场景中心零多普勒时刻的正侧视斜距;a z为天线的方位向波束宽度;E与Sc位于同一距离门内.在确定交点E的位置之后,即可确定出其相应的零多普勒时刻,以及该时刻卫星的位置E O.这时就可在轨道上确定出卫星的起始位置Ps t a r t,连接Ps t a r t与E两点的矢量与连接E O与E两点的矢量之第期程晓 等:
13、反射面天线体制S A R卫星多角度成像姿态控制策略间的夹角为m a x,m a x与s q_m a x之间的关系为m a xs q_m a xVsVg()式中:Vs为卫星平台飞行速度;Vg为载荷工作于条带模式时的波束地面行进速度.通过式()即可得出m a x以及卫星的起始位置Ps t a r t.最后,由卫星的起始位置Ps t a r t以及波束中心与地面的交点E,即可确定出起始时刻天线波束中心的指向.由于天线与卫星本体为固联安装,因此天线波束中心指向即为卫星的Z轴指向Ez.卫星的Y轴指向Ey垂直于Ez与卫星速度Vs形成的斜距平面,卫星的X轴指向Ex与Ey、Ez成右手法则.这时,就得出了针对场
14、景进行方位向多视角观测时的卫星起始位置、起始时刻天线波束指向以及整星的姿态控制需求.)确定滑动聚束成像阶段的旋转中心位置在滑动聚束成像期间,波束在地面的行进距离Lb可表示为LbLaRca zc o s(s q_m a x)()因此平台的飞行距离Ls 为Ls LbA()式中:A为滑动聚束分辨率改善因子,可表示为Aaa_s t r i p,a为滑动聚束分辨率,a_s t r i p为同一系统条带模式分辨率.通过式()得出的Ls,以及卫星飞行速度Vs,就可得出第一次滑动聚束成像的工作时间Ta c q.Ta c qLs Ve()式中:VeVsVg.再结合步骤)中得出的卫星起始位置,就可得出在滑动聚束成
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