CN112255606A - 基于单反射面天线的Geo-SAR卫星正侧视成像姿态角计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于单反射面天线的Geo‑SAR卫星正侧视成像姿态角计算方法，首先通过星地几何关系建模，明确了产生SAR卫星斜视角形成和偏移的机理，并仿真分析了典型轨道参数下地球同步轨道SAR的斜视角特性，然后基于SAR卫星零多普勒面矢量解析算法，计算二维俯仰滚动导引方法需要调整的俯仰角和滚动角，以及进行导引后的斜视角值；本方法提出的俯仰滚动二维姿态导引算法，可以精确计算卫星所需要调整的俯仰角和滚动角，所需要调整的姿态角度比二维偏航导引法降低至少1个量级，卫星机动速度至少提高1个量级。

Description

基于单反射面天线的Geo-SAR卫星正侧视成像姿态角计算 方法

技术领域

本发明属于地球同步轨道微波遥感卫星总体设计的技术领域，具体涉及一种基于单反射面天线的Geo-SAR卫星正侧视成像姿态角计算方法。

背景技术

当卫星运行在轨道六根数确定的地球同步轨道时，受地球自转影响会产生偏航角，进一步在轨道偏心率作用下产生俯仰角，在二者共同作用下，卫星波束会产生恒定周期的斜视角，该角度会随着卫星轨道位置不同而周期性变化。为了实现卫星正侧视，需要校正雷达波束中心使其恒垂直于卫星航向，减少接收数据中的距离/方位耦合，降低了数据处理难度。目前常规的方法是通过波束电切换指向或者卫星姿态控制的方法直接补偿偏离的偏航角和俯仰角。

目前公开文献可查阅到的星载SAR姿态导引方法，都是基于二体运动模型，通过矢量方程联立，计算卫星的偏航角和俯仰角偏移量，进而进行相应的二维偏航导引。如果是相控阵体制的SAR卫星，可通过相控阵天线波控***，直接调整波束指向，间接补偿偏航和俯仰偏移量；如果是反射面体制SAR卫星，一般通过卫星控制***，调整卫星偏航和俯仰姿态，直接补偿偏航和俯仰偏移量。目前在轨服役的低轨SAR卫星采用的都是以上方法。

目前，地球同步轨道SAR以其高机动、大幅宽、快重访的优势，成为国内外研究热点。该卫星同样面临由于地球自转和轨道偏心率导致的偏航角和俯仰角偏移问题，因此要达到正侧视成像的目的，同样需要通过姿态导引完成正侧视成像控制。常规低轨SAR卫星二维偏航导引技术，同样可以应用于地球同步轨道SAR，并达正侧视成像的效果。然而，由于地球同步轨道SAR的轨道特点，其偏航角通常比低轨SAR卫星大至少1个量级，且该角度变化速率极快，因此需要研究新的方法解决这一问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于单反射面天线的Geo-SAR卫星正侧视成像姿态角计算方法，能够精确计算卫星达到正侧视所需要调整的俯仰角和滚动角。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于单反射面天线的Geo-SAR卫星正侧视成像姿态角计算方法，卫星偏航、俯仰和滚动三轴需要调整的偏航角为0，需要调整的俯仰角为θ_pitch，需要调整的滚动角为θ_roll；

其中，H是卫星高度，P是斜视情况下波束中心地面落点，γ是下视角，θ_d是地斜角。

有益效果：

本发明提出的基于俯仰滚动二维姿态角导引的算法，可以将地球同步轨道SAR的姿态调整角度减小1个量级，极大缩短了卫星调姿时间，提高卫星的快速反应能力，降低卫星控制***研制难度，节省卫星研制成本，并进一步带来很好的社会经济效益和军事效益。

附图说明

图1为偏航角和俯仰角与斜视角的几何关系示意图。

图2为在3种典型轨道参数下，无姿态控制时地球同步轨道SAR的斜视角值。

图3为在3种典型轨道参数下，地球同步轨道SAR的偏航角和俯仰角计算结果，(a)为偏航角，(b)为俯仰角。

图4为在3种典型轨道参数下，二维偏航导引之后地球同步轨道SAR的斜视角值。

图5为在3种典型轨道参数下，二维俯仰滚动导引需要调整的俯仰角和滚动角，(a)为俯仰角，(b)为滚动角。

图6为在3种典型轨道参数下，二维俯仰滚动导引之后地球同步轨道SAR的斜视角值。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于单反射面天线的Geo-SAR卫星正侧视成像姿态角计算方法，可以有效解决具有一定轨道偏心率的地球同步轨道SAR恒正侧视成像的问题。本发明首先通过星地几何关系建模，明确了产生SAR卫星斜视角形成和偏移的机理，并仿真分析了典型轨道参数下地球同步轨道SAR的斜视角特性，其次仿真分析了基于传统的二维偏航导引算法，计算得到的偏航角与俯仰角，以及进行补偿后的斜视角，最后基于SAR卫星零多普勒面矢量解析算法，计算二维俯仰滚动导引方法需要调整的俯仰角和滚动角，以及进行导引后的斜视角值。本方法提出的俯仰滚动二维姿态导引算法，可以精确计算卫星所需要调整的俯仰角和滚动角，所需要调整的姿态角度比二维偏航导引法降低至少1个量级，卫星机动速度至少提高1个量级。

1)地球同步轨道SAR无姿态控制情况下斜视角变化规律

地球同步轨道SAR的斜视角是指斜距矢量与零多普勒平面之间的夹角，是描述波束指向的重要参数，是在斜距平面内测量的，如果投影到地表，则与偏航角一致。事实上，卫星的偏航角和俯仰角都是产生斜视角的因素，如附图1所示，图1中S表示卫星位置，H是卫星高度，R₀是零多普勒面内斜距，R_s表示斜距，P₀是零多普勒面内波束中心地面落点，P是斜视情况下波束中心地面落点，θ_y是偏航角，θ_p是俯仰角，γ是下视角，θ_r是斜视角，θ_dr是地斜角；可见，偏航角使波束中心线绕X轴旋转，进而偏离零多普勒面；俯仰角使波束中心线绕Z轴旋转，进而偏离零多普勒面，二者共同导致斜视角。如果无姿态导引，会有周期性的固有斜视角。根据附图1所示几何关系，该斜视角可以表示为：

式中，Y₀是P₀和P两点之间的直线距离。可以通过求得P₀和P两点的空间坐标，进一步可求得Y₀，R₀是雷达的中心斜距，R_s是卫星和地心之间的距离。

2)传统二维偏航导引方法

根据“星-地”几何关系，对运行于椭圆轨道的星载SAR，利用矢量分析的方法，经过复杂公式推导，可以计算得到在全轨道周期以及全测绘带内实现正侧视的偏航角θ_y和俯仰角θ_p。其计算解析表达式如下所示：

式中：

其中，μ＝3.98696×10¹⁴m³/s²是地球引力常数，θ_i是轨道倾角，f是真近心角，ω是近地点幅角，ω_e是地球自转角速度，a是轨道半长轴，e是轨道偏心率。

该方法的计算结果同样适用于地球同步轨道SAR，附图2仿真了3种典型轨道参数下，地球同步轨道SAR在无姿态控制下的斜视角值，轨道参数如表1所示。利用二维偏航导引技术，补偿相应的偏航角和俯仰角，可以使卫星斜视角为零。附图3(a)和(b)仿真了3种典型轨道参数下，地球同步轨道SAR需要补偿的偏航角和俯仰角，轨道参数如表1所示。附图4仿真了3种典型轨道参数下，二维偏航导引之后地球同步轨道SAR的斜视角值，轨道参数如表1所示。

表1地球同步轨道SAR卫星轨道参数

3)快速二维俯仰滚动导引方法

根据星载SAR成像机理，多普勒中心值不为零则必定意味着波束指向不在零多普勒面，亦即雷达存在一定的斜视角。SAR卫星的斜视角是指斜距矢量与零多普勒平面之间的夹角，是在斜距平面内定义测量的。斜视角如果投影到地表，得到的角度定义为地斜角。卫星的偏航角和俯仰角都是产生斜视角的因素，附图1示意了偏航角和俯仰角与斜视角的几何关系，因此可以根据几何关系，由偏航角和俯仰角的偏移量计算出斜视角。同时，如果只调整俯仰角和滚动角，可以代替精确补偿由偏航角和俯仰角的偏移量导致的斜视角，使斜视角归零，达到正侧视。这即是二维俯仰滚动姿态导引的核心思想。

利用本方法，卫星三轴需要调整的角度分别如下：

1.偏航角始终为0，不做调整。

2.俯仰导引角计算方法：

3.滚动导引角计算方法：

其中，γ是下视角，θ_d是地斜角，H是卫星高度，P是斜视情况下波束中心地面落点。

基于本发明提出的二维俯仰滚动导引算法，计算在3种典型轨道参数下，二维俯仰滚动导引需要调整的俯仰角和滚动角，轨道参数如表1所示，结果如附图5(a)和(b)所示。进一步计算二维俯仰滚动导引之后地球同步轨道SAR的斜视角值，轨道参数如表1所示，结果如附图6所示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于单反射面天线的Geo-SAR卫星正侧视成像姿态角计算方法，其特征在于，卫星偏航、俯仰和滚动三轴需要调整的偏航角为0，需要调整的俯仰角为θ_pitch，需要调整的滚动角为θ_roll；

其中，H是卫星高度，P是斜视情况下波束中心地面落点，γ是下视角，θ_d是地斜角。

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