反射面天線體制SAR衛(wèi)星多角度成像姿態(tài)控制策略

程曉 于海鋒 王曉蕾 馮帆 王志斌 張潤寧 劉書豪 劉磊

(1 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部,北京 100094)(2 西安空間無線電技術(shù)研究所,西安 710071)

近年來,星載合成孔徑雷達(dá)(spaceborne SAR)多方位角成像獲得較多的研究[1-2]。相較于傳統(tǒng)單一角度的SAR成像,多方位角觀測可獲取同一區(qū)域的多幅SAR圖像序列。通過對同一目標(biāo)或場景的多角度觀測,可以獲取不同視角下的SAR圖像,它們反映了目標(biāo)或場景中的散射單元在不同觀測方位角下的散射特性的變化。將多方位角SAR圖像進(jìn)行融合可以豐富目標(biāo)或場景的散射特性,達(dá)到增強目標(biāo)特征的效果,即更完整地觀測目標(biāo)[3-4]。

在技術(shù)實現(xiàn)上,一次航過的多方位角SAR衛(wèi)星成像,需要波束具有較大的掃描角度,實現(xiàn)對目標(biāo)的連續(xù)“凝視”。轉(zhuǎn)動波束角度有兩種體制,即機械掃描和電掃描?；诜瓷涿嫣炀€體制的SAR衛(wèi)星通過衛(wèi)星平臺帶動SAR天線在方位向上進(jìn)行連續(xù)姿態(tài)轉(zhuǎn)動,即屬于機械掃描;相控陣天線通過切換不同的發(fā)射接收波位,來實現(xiàn)波束掃描,即屬于電掃描。相對相控陣天線,反射面天線具備集中大功率發(fā)射帶來的效率高和方向圖旁瓣低的優(yōu)勢,是獲取目標(biāo)高分辨率、高質(zhì)量圖像的主要技術(shù)手段,被美國長曲棍球系列衛(wèi)星、以色列合成孔徑雷達(dá)技術(shù)試驗(TECSAR)衛(wèi)星等廣泛采用。本文重點給出了基于反射面天線體制的SAR衛(wèi)星各個弧段多方位角成像的姿態(tài)控制策略,并利用仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像驗證。

1 基于反射面天線的姿態(tài)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)多方位角觀測的工作模式

多角度觀測工作模式應(yīng)該盡量確保觀測視角的差異性,其觀測幾何如圖1所示。

圖1 單軌一次過頂多角度觀測幾何Fig.1 Multi-aspect imaging space geometry on once-over-the-top

多角度應(yīng)用模式是衛(wèi)星一次航過完成對目標(biāo)的多角度觀測,具體實現(xiàn)上主要是通過控制雷達(dá)波束指向?qū)崿F(xiàn)單航過內(nèi)對同一目標(biāo)的長時間照射或單次航過多次開機,獲取目標(biāo)從不同方位角觀測數(shù)據(jù)。

當(dāng)觀測弧段間隔大于20°時,最大可選弧段數(shù)小于5幅,數(shù)量相對較小,為了獲取更多的采樣,建議可選弧段數(shù)目大于5幅,即觀測弧段間隔小于20°。在弧段1中,星載SAR對場景開始進(jìn)行方位超大斜視角滑動聚束成像,完成這一階段的工作后,衛(wèi)星平臺開始快速機動,將波束指向再次調(diào)整到場景的起始位置,并開始第2弧段的滑動聚束成像。以此類推,直到整星完成全部n次滑動聚束成像,從而實現(xiàn)SAR載荷對該區(qū)域的多方位角重復(fù)觀測[5-6]。

2 多角度成像控制策略

方位角重復(fù)觀測新模式需要衛(wèi)星平臺在方位向±55°的范圍內(nèi)進(jìn)行機動,以實現(xiàn)對目標(biāo)的多次滑動聚束模式成像。在相鄰兩次滑動聚束成像之間,需對衛(wèi)星平臺快速機動,將波束指向再次調(diào)整至場景的起始位置,再開始下一次滑動聚束觀測成像。由于每次滑動聚束成像過程中的斜視角有所差異,因此衛(wèi)星相應(yīng)的機動角速度也會有所差異。

1)確定成像起始時刻的平臺位置、波束指向及整星姿態(tài)

在針對某一場景進(jìn)行方位向多視角重復(fù)觀測時,首先需要給定該場景的場景中心位置SC、場景尺寸La×Lr以及天線波束的最大斜視角工作能力[-θsq_max,+θsq_max]。當(dāng)衛(wèi)星位于起始位置Pstart時,天線波束具有最大斜視角+θsq_max,且波束前邊緣剛好與場景邊緣相接,如圖2所示。

基于以上分析可得:在衛(wèi)星起始位置處,天線波束中心與地面的交點E與場景中心Sc在方位向的距離為

(1)

式中:La為場景的方位向長度;Rc為場景中心零多普勒時刻的正側(cè)視斜距;θaz為天線的方位向波束寬度;E與Sc位于同一距離門內(nèi)。

在確定交點E的位置之后,即可確定出其相應(yīng)的零多普勒時刻,以及該時刻衛(wèi)星的位置EO。這時就可在軌道上確定出衛(wèi)星的起始位置Pstart,連接Pstart與E兩點的矢量與連接EO與E兩點的矢量之間的夾角為θmax,θmax與θsq_max之間的關(guān)系為

(2)

式中:Vs為衛(wèi)星平臺飛行速度;Vg為載荷工作于條帶模式時的波束地面行進(jìn)速度。通過式(2)即可得出θmax以及衛(wèi)星的起始位置Pstart。

最后,由衛(wèi)星的起始位置Pstart以及波束中心與地面的交點E,即可確定出起始時刻天線波束中心的指向。由于天線與衛(wèi)星本體為固聯(lián)安裝,因此天線波束中心指向即為衛(wèi)星的Z軸指向Ez。衛(wèi)星的Y軸指向Ey垂直于Ez與衛(wèi)星速度Vs形成的斜距平面,衛(wèi)星的X軸指向Ex與Ey、Ez成右手法則。

這時,就得出了針對場景進(jìn)行方位向多視角觀測時的衛(wèi)星起始位置、起始時刻天線波束指向以及整星的姿態(tài)控制需求。

2)確定滑動聚束成像階段的旋轉(zhuǎn)中心位置

在滑動聚束成像期間,波束在地面的行進(jìn)距離Lb可表示為

(3)

因此平臺的飛行距離Ls1為

(4)

通過式(4)得出的Ls1,以及衛(wèi)星飛行速度Vs,就可得出第一次滑動聚束成像的工作時間Tacq。

(5)

在滑動聚束成像過程中,天線波束中心將始終指向某一旋轉(zhuǎn)中心上。因此,該旋轉(zhuǎn)點必然在步驟1)中得出的矢量Pstart→E上,且該旋轉(zhuǎn)中心O必然滿足以下關(guān)系

(6)

基于式(6),以及步驟1)所得出的Pstart→E矢量,就可確定出旋轉(zhuǎn)中心O的位置。

3)確定兩次滑聚成像之間機動過程的旋轉(zhuǎn)中心位置

設(shè)平臺在兩次相鄰滑動聚束成像之間的平臺機動允許時間為Tm,步驟3)將確定在Tm時間內(nèi)衛(wèi)星平臺姿態(tài)機動過程中的波束指向旋轉(zhuǎn)中心。圖3給出了衛(wèi)星平臺通過快速機動實現(xiàn)天線波束指向由場景終端回擺至始端的過程示意。

圖3 兩次相鄰成像之間平臺機動實現(xiàn)波束指向調(diào)整示意圖Fig.3 Beam steering adjustment based attitude maneuver between adjacent imaging

圖3中,P1E為第一次滑動聚束成像結(jié)束時刻的平臺位置,E1E為該時刻天線波束中心與地面的交點。P2S為機動過程完成后的平臺位置(即第二次滑動聚束成像的起始時刻平臺位置),E2S為該時刻天線波束中心指向與地面的交點。

P2S與P1E之間的關(guān)系可表示為

P2S=P1E+Vs·Tm

(7)

通過P1E與Vs即可得出機動過程結(jié)束時衛(wèi)星所在位置P2S。在得出P1E、E1E以及P2S三個位置矢量后,需要確定該時刻天線波束中心指向與地面的交點E2S,以保證第一次滑動聚束終止時刻與第二次滑動聚束起始時刻的波束中心矢量能夠具有交點(整個機動過程中天線波束中心需始終保持指向該點)。若兩個波束中心矢量存在交點,則P1E、E1E、P2S和E2S四個點必然在一個平面上。通過P1E、E1E、P2S就可以確定出E2S。

在E2S確定后,就可確定出第一次滑動聚束終止時刻波束中心矢量與第二次滑動聚束起始時刻的波束中心矢量交點Or。當(dāng)Or確定后,在整個平臺機動過程中,波束中心始終指向Or,因此平臺Z軸指向Ez即可得出,接下來根據(jù)步驟1)同樣的方法就可得出平臺Y軸與X軸的指向。

在步驟3)所列的平臺機動過程完成后,就可確定在第二次滑動聚束成像起始時刻的波束中心斜視角。這時再次進(jìn)入步驟2),按照同樣的步驟流程,確定出第二次滑動聚束成像過程中的衛(wèi)星平臺的姿態(tài)變化過程。接下來就開始步驟3)與步驟2)的循環(huán)推進(jìn),直到天線波束的斜視角超過了工作范圍即結(jié)束。

4)首次成像波束中心旋轉(zhuǎn)角速度的確定

結(jié)合正側(cè)視的場景中心斜距Rc,可得出滑動聚束旋轉(zhuǎn)中心斜距Rtot為[7-8]

(8)

當(dāng)天線波束中心的方位向斜視角為θ1s時,結(jié)合滑動聚束分辨率改善因子A,就可得出衛(wèi)星平臺的飛行距離Ls1為

(9)

式中:L1為方位向波束地面足跡寬度。

通過衛(wèi)星平臺的飛行距離Ls1,天線的波束中心起始斜視角θ1s,以及滑動聚束的旋轉(zhuǎn)中心斜距Rtot,可得出滑動聚束終止時刻的波束中心斜視角θ1e為

(10)

在滑動聚束階段1的結(jié)束時刻,對應(yīng)的波束中心旋轉(zhuǎn)角速度ω1e為

(11)

在階段1的成像結(jié)束后,衛(wèi)星平臺即將開始快速機動,將波束指向調(diào)整到場景的方位向起始位置。以此類推,得到各個角度成像的波束中心旋轉(zhuǎn)角速度。

3 仿真驗證

根據(jù)上述確定的首景成像姿態(tài)需求、成像角度機動切換策略、第二景成像姿態(tài)的計算方法等,仿真了600km軌道高度X頻段星載SAR的成像姿態(tài)機動過程,并基于實測的場景圖像仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像處理,獲得了典型方位角的SAR仿真成像(見圖4)。仿真多方位角成像設(shè)置如下。

圖4 多角度SAR圖像序列Fig.4 Multi-aspect SAR imaging sequence

(1)單次觀測方位角跨度:6°;

(2)單軌觀測次數(shù):9;總觀測方位角-50°～+50°;

(3)場景幅寬為5km×5km(距離×方位)。

由圖4可知:即便同一地形,在不同觀測方位角時獲取的SAR圖像差異明顯。主要體現(xiàn)在SAR圖像中的疊掩方向和陰影區(qū)域的差異。圖4中紅色圈內(nèi)為同一地物對應(yīng)的區(qū)域,主要地物為山脈,在觀測方位角為-50°時,其陰影區(qū)域在山體右上方;在觀測方位角為+50°時,陰影區(qū)域出現(xiàn)在下方。上述現(xiàn)象真實地體現(xiàn)了多方位角觀測的差異。

在整個多方位角重復(fù)觀測成像過程中,圖5為衛(wèi)星波束轉(zhuǎn)動角速度的變化方式,藍(lán)色線為滑動聚束成像期間的波束轉(zhuǎn)動角速度,紅色線為兩次滑動聚束成像之間平臺快速機動過程的波束轉(zhuǎn)動角速度。

圖5 多方位角觀測成像過程的衛(wèi)星天線波束轉(zhuǎn)動角速度Fig.5 Satellite antenna beam rotational speed during multi-aspect imaging

從波束轉(zhuǎn)動角速度變化的仿真結(jié)果可看出:在成像期間平臺的轉(zhuǎn)動角速度較為穩(wěn)定,即使在兩側(cè)斜視角較大的情況下,轉(zhuǎn)動速度會有一定的變化,但變化量也相對較小;然而在姿態(tài)機動過程中,為了能夠使波束快速調(diào)整到場景起始位置,并且在機動終止時刻轉(zhuǎn)動速度能夠恰好與之后的滑動聚束成像所需的速度相吻合,平臺的轉(zhuǎn)動速度是一個先加速、再減速的過程。在對姿態(tài)快速機動過程的設(shè)計中,盡量使加速過程與減速過程的加速度幅度一致(表現(xiàn)為三角形兩個邊的斜率基本相同)。

4 結(jié)束語

本文從理論角度分析了反射面天線體制SAR衛(wèi)星多方位角重復(fù)觀測新模式中每次滑動聚束觀測,以及兩次成像觀測間平臺快速機動的時間、轉(zhuǎn)動角度以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)動角速度?；谶@一分析,給出每段成像及快速機動過程中天線波束中心指向虛擬旋轉(zhuǎn)點的確定步驟,以此來確定每一時刻的平臺三軸指向,以提供給衛(wèi)星進(jìn)行精準(zhǔn)的姿態(tài)控制,可以作為星載SAR系統(tǒng)設(shè)計和成像姿態(tài)控制策略的參考。