[发明专利]空间目标回波动态观测的电磁仿真方法

摘要

一种空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其步骤为：建立空间目标观测坐标系；获得空间目标与观测站之间的相关位置信息；计算动态观测视角；获得最佳观测时间；用大面元物理光学法计算空间目标电磁散射，获得回波矩阵；获得仿真卫星的二维图像。本发明利用空间目标与地面观测站位置计算出空间目标动态观测视角及最佳观测时间，在最佳观测时间的动态观测视角处，用大面元物理光学法计算空间目标的电磁散射，得到空间目标的回波并成像，克服了现有技术仅能在固定观测视角处进行电磁仿真和成像，计算量过大的不足，实现了空间目标不同动态观测视角下的有效电磁仿真和成像，减小了时间成本。

主权项

1.一种空间目标回波动态观测的电磁仿真方法，其特征在于，利用空间目标与地面观测站位置计算出空间目标动态观测视角及最佳观测时间，在最佳观测时间的动态观测视角处，根据雷达参数，用大面元物理光学法计算空间目标的电磁散射，得到空间目标的二维回波矩阵并用距离‑多普勒算法成像；该方法的具体步骤包括如下：(1)建立空间目标观测坐标系：(1a)建立卫星本体坐标系Ob‑XbYbZb，其原点为卫星质心，Xb轴垂直于YbObZb平面，Yb轴平行于卫星帆板，Zb轴平行于卫星中心承力筒；(1b)建立卫星轨道坐标系Oo‑XoYoZo，其原点为卫星质心，Xo轴在轨道平面上与Zo轴垂直，其正向指向卫星运动方向，Yo轴垂直于XoOoZo平面，Zo轴正向由卫星质心指向地心；(1c)建立地心惯性坐标系Oe‑XeYeZe，其原点为地心，Xe轴在地球赤道平面内并指向春分点，Ye轴垂直于XeOeZe平面，Ze轴沿地球自转轴指向北极；(1d)建立地理坐标系Og‑XgYgZg，其原点为地面观测站，Xg轴与经线相切，向北为正向，Yg轴与纬线相切，向东为正向，Zg轴由地面观测站指向地心；(2)获得空间目标与观测站之间的相关信息：(2a)将地面观测站的经纬度、地面观测站的海拔高度、卫星轨道及卫星的运动姿态输入到卫星运动模拟软件中，得到仿真地面观测站与仿真卫星轨道；(2b)根据仿真卫星与仿真地面观测站的相对位置，获得卫星轨道坐标系中仿真地面观测站的球面坐标；(2c)根据仿真卫星的运动姿态，获得卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的欧拉角；(3)计算动态观测视角：(3a)利用坐标转换公式，将卫星轨道坐标系中仿真地面观测站的球面坐标转化为直角坐标；(3b)利用坐标旋转公式和卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的欧拉角，将仿真地面观测站在卫星轨道坐标系中的直角坐标转换为卫星本体坐标系中的直角坐标；(3c)利用坐标转换公式，将卫星本体坐标系中仿真地面观测站的直角坐标转化为球面坐标；(4)获得最佳观测时间：将仿真地面观测站与仿真卫星间距离最近时的仿真地面观测站在卫星本地坐标系中的方位角与时间呈线性变化的时间段，作为最佳观测时间；(5)设置相关参数：(5a)将空间目标CAD模型导入电磁仿真软件FEKO中，该模型在电磁仿真软件FEKO中的位置与空间目标在卫星本体坐标系中的位置一致；(5b)将仿真卫星的最佳观测时间与动态观测视角，输入电磁仿真软件FEKO中；(5c)在电磁仿真软件FEKO中设置雷达的工作频率范围；(5d)读取电磁仿真软件FEKO中的电磁仿真参数文件，用仿真卫星的最佳观测时间段的动态方位角与俯仰角替换电磁仿真参数文件中对应的角度参数；(5e)在Matlab软件中读取仿真卫星的动态观测视角处对应的电磁仿真参数文件；(6)用大面元物理光学法计算空间目标的电磁散射：(6a)用9λ/5的三角形面元，将仿真卫星表面进行网格剖分，其中，λ为电磁波波长；(6b)依据仿真卫星的入射波方向，将仿真卫星网格剖分后的表面划分为照亮区和阴影区；(6c)用下述的远场近似和切平面近似简化斯特拉顿‑朱兰成散射场积分方程，计算仿真卫星的散射场电场强度：其中，E^s表示仿真卫星的散射电场强度，j表示虚数单位符号，k表示玻尔兹曼常数，Z₀表示仿真卫星的阻抗，H₀表示磁场沿单位矢量方向的极化磁场强度，e表示自然常数为底的指数操作，π表示圆周率，R表示仿真卫星到仿真地面观测站之间的距离，∫表示积分操作，S₀表示仿真卫星表面照亮区，表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的散射方向单位矢量，×表示叉乘操作，表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的法线单位矢量，表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波磁场强度，r_p表示从局部源到仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的位置矢量，·表示点乘操作，表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波方向的单位矢量，dS_p表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元单元；(6f)按照下式，计算仿真卫星的雷达散射截面积：其中，σ表示仿真卫星的雷达散射截面积，表示开平方操作，表示接收机接收的散射波的极化方向，h_p表示仿真卫星网格剖分后的第p个三角形面元的入射波的极化方向；(6g)按照下式，计算仿真卫星的散射电场强度：其中，Ei表示仿真卫星的入射电场强度；(6h)将所有三角形面元的散射场相干叠加，得到仿真卫星的散射回波；(7)获得仿真卫星的二维图像：用距离‑多普勒算法，处理仿真卫星的散射回波，得到仿真卫星的二维图像。