[发明专利]星载SAR滑动聚束成像模式星体姿态设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及星载合成孔径雷达探测技术领域，特别涉及一种星载SAR滑动聚束成像模式星体姿态设计方法，适用于抛物面天线体制下雷达波束不能通过相位扫描完成波束方位向灵活控制的情况下，通过卫星三轴姿态控制完成雷达波束的方位向扫描。

背景技术

星载合成孔径雷达SAR是微波遥感设备中发展最迅速和最有效的传感器之一，并且作为主动式传感器能不受光照和气候条件的限制全天时、全天候对地观测；滑动聚束成像模式是一种新颖的合成孔径雷达成像模式，通过控制辐照地区在地面移动的速度来增加方位向相干累积时间，从而提高方位向的成像分辨率，并且滑动聚束成像模式在高分辨率和大面积成像中能做出很好的权衡，使其在国外先进的星载系统中得到了广泛应用。

对于滑动聚束模式，星载SAR方位向波束指向控制是数据录取过程中的关键步骤，波束指向控制方案不仅影响测绘场景的形状、位置和大小，还与星载SAR图像方位向分辨率有直接的关联；现有的星载合成孔径雷达天线通常采用相控阵体制的平板天线，通过数字波束赋形技术控制星载SAR波束的形状和指向，这种控制方式虽然灵活迅速。然而，由于星载SAR波束馈源数量多，导致星载合成孔径雷达天线整体质量大，对于星载SAR系统来说发射成本高；其次，在控制星载SAR波束过程中，不同方位角度的天线方向图通过设置不同延迟相位获得，因此其天线方向图在不同方位角增益和形状不同，必须分别对不同方位角的天线方向图进行辐射外定标，导致其定标工作量巨大。相比之下，抛物面天线不仅质量轻，而且通过机械控制或姿态控制完成波束扫描，其天线方向图并不随姿态发生变化，因此定标工作简单且辐射特性稳定。

陈杰在专利“一种基于SAR卫星姿态控制实现滑动聚束模式的方法”(专利号：CN 103076607 B)中利用等效旋转中心确定卫星某一轴的实时指向，然后假设卫星仅存在俯仰角和偏航角的变化，最后求出卫星姿态角；该方法能够有效计算天线指向矢量，并通过设定姿态转序，计算卫星俯仰角和偏航角，然而不足之处是只对天线指向进行约束，并且假设仅通过俯仰角和偏航角进行控制，在姿态角变化量较小时计算较为简单；当姿态角变化较大时，其方法对场景形状约束不足，可能导致其最后求出的场景形状不规则，且其仅通过两次转动对卫星姿态的控制的假设限制其解的空间的大小，不仅有可能导致其解并非最优，还可能使最终求出的姿态控制方案难以满足更严格的系统要求。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于针对安装反射面天线的星载合成孔径雷达系统无法通过相位扫描完成方位向波束控制的问题，提出一种星载SAR滑动聚束成像模式星体姿态设计方法，该种星载SAR滑动聚束成像模式星体姿态设计方法是一种通过卫星三轴姿态联合转动完成波束指向控制的方法，并且能够在已知天线坐标系与卫星本体坐标系几何关系的情况下，根据滑动聚束模式的成像机理以及成像任务需求，计算卫星本体三轴在不同方位时刻的指向，最终计算出卫星三轴姿态角(俯仰角、横滚角和偏航角)在不同方位采样时刻的数值；本发明方法以成像需求(如星载SAR方位向场景宽度、大小和方位向分辨率)为导向，能够根据不同指标输入获得不同的姿态角变化曲线。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种星载SAR滑动聚束成像模式星体姿态设计方法，包括以下步骤：

步骤1，确定星载SAR和卫星，星载SAR置于卫星上，卫星包含卫星本体和卫星头部，并确定星载SAR的方位向分辨率指标，然后根据星载SAR的方位向分辨率指标，计算得到星载SAR分辨率改善因子，进而计算得到星载SAR等效旋转中心的位置；

步骤2，建立卫星本体三维坐标系XYZ，然后根据星载SAR等效旋转中心的位置，得到t时刻卫星本体三维坐标系XYZ中Z轴指向矢量；卫星本体三维坐标系XYZ中X轴与卫星头部朝向平行，Z轴与X轴垂直，且Z轴指向卫星本体底部，Y轴由X轴和Z轴通过右手定则确定；

步骤3，计算得到t时刻卫星本体坐标系中Y轴指向矢量；

步骤4，根据t时刻卫星本体三维坐标系XYZ中Z轴指向矢量和t时刻卫星本体坐标系中Y轴指向矢量，计算得到t时刻卫星本体坐标系中X轴指向矢量；

步骤5，根据t时刻卫星本体坐标系中Y轴指向矢量和t时刻卫星本体坐标系中Z轴指向矢量，以及t时刻卫星本体坐标系中X轴指向矢量，计算得到卫星的横滚角、卫星的俯仰角和卫星的偏航角；其中所述卫星的横滚角、卫星的俯仰角和卫星的偏航角为星载SAR滑动聚束成像模式星体姿态设计结果。