反射面天线体制SAR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

(1 中国空间技术研究院遥感卫星总体部,北京 100094)(2 西安空间无线电技术研究所,西安 710071)

近年来,星载合成孔径雷达(spaceborne SAR)多方位角成像获得较多的研究[1-2]。相较于传统单一角度的SAR成像,多方位角观测可获取同一区域的多幅SAR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SAR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SAR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,即更完整地观测目标[3-4]。

在技术实现上,一次航过的多方位角SAR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SAR卫星通过卫星平台带动SAR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(TECSAR)卫星等广泛采用。本文重点给出了基于反射面天线体制的SAR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。

1 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1所示。

图1 单轨一次过顶多角度观测几何Fig.1 Multi-aspect imaging space geometry on once-over-the-top

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测数据。

当观测弧段间隔大于20°时,最大可选弧段数小于5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5幅,即观测弧段间隔小于20°。在弧段1中,星载SAR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2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SAR载荷对该区域的多方位角重复观测[5-6]。

2 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±55°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。

1)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La×Lr以及天线波束的最大斜视角工作能力[-θsq_max,+θsq_max]。当卫星位于起始位置Pstart时,天线波束具有最大斜视角+θsq_max,且波束前边缘刚好与场景边缘相接,如图2所示。

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

(1)

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;θaz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EO。这时就可在轨道上确定出卫星的起始位置Pstart,连接Pstart与E两点的矢量与连接EO与E两点的矢量之间的夹角为θmax,θmax与θsq_max之间的关系为

(2)

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(2)即可得出θmax以及卫星的起始位置Pstart。

最后,由卫星的起始位置Pstart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。

2)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

(3)

因此平台的飞行距离Ls1为

(4)

通过式(4)得出的Ls1,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Tacq。

(5)

在滑动聚束成像过程中,天线波束中心将始终指向某一旋转中心上。因此,该旋转点必然在步骤1)中得出的矢量Pstart→E上,且该旋转中心O必然满足以下关系

(6)

基于式(6),以及步骤1)所得出的Pstart→E矢量,就可确定出旋转中心O的位置。

3)确定两次滑聚成像之间机动过程的旋转中心位置

设平台在两次相邻滑动聚束成像之间的平台机动允许时间为Tm,步骤3)将确定在Tm时间内卫星平台姿态机动过程中的波束指向旋转中心。图3给出了卫星平台通过快速机动实现天线波束指向由场景终端回摆至始端的过程示意。

图3 两次相邻成像之间平台机动实现波束指向调整示意图Fig.3 Beam steering adjustment based attitude maneuver between adjacent imaging

图3中,P1E为第一次滑动聚束成像结束时刻的平台位置,E1E为该时刻天线波束中心与地面的交点。P2S为机动过程完成后的平台位置(即第二次滑动聚束成像的起始时刻平台位置),E2S为该时刻天线波束中心指向与地面的交点。

P2S与P1E之间的关系可表示为

P2S=P1E+Vs·Tm

(7)

通过P1E与Vs即可得出机动过程结束时卫星所在位置P2S。在得出P1E、E1E以及P2S三个位置矢量后,需要确定该时刻天线波束中心指向与地面的交点E2S,以保证第一次滑动聚束终止时刻与第二次滑动聚束起始时刻的波束中心矢量能够具有交点(整个机动过程中天线波束中心需始终保持指向该点)。若两个波束中心矢量存在交点,则P1E、E1E、P2S和E2S四个点必然在一个平面上。通过P1E、E1E、P2S就可以确定出E2S。

在E2S确定后,就可确定出第一次滑动聚束终止时刻波束中心矢量与第二次滑动聚束起始时刻的波束中心矢量交点Or。当Or确定后,在整个平台机动过程中,波束中心始终指向Or,因此平台Z轴指向Ez即可得出,接下来根据步骤1)同样的方法就可得出平台Y轴与X轴的指向。

在步骤3)所列的平台机动过程完成后,就可确定在第二次滑动聚束成像起始时刻的波束中心斜视角。这时再次进入步骤2),按照同样的步骤流程,确定出第二次滑动聚束成像过程中的卫星平台的姿态变化过程。接下来就开始步骤3)与步骤2)的循环推进,直到天线波束的斜视角超过了工作范围即结束。

4)首次成像波束中心旋转角速度的确定

结合正侧视的场景中心斜距Rc,可得出滑动聚束旋转中心斜距Rtot为[7-8]

(8)

当天线波束中心的方位向斜视角为θ1s时,结合滑动聚束分辨率改善因子A,就可得出卫星平台的飞行距离Ls1为

(9)

式中:L1为方位向波束地面足迹宽度。

通过卫星平台的飞行距离Ls1,天线的波束中心起始斜视角θ1s,以及滑动聚束的旋转中心斜距Rtot,可得出滑动聚束终止时刻的波束中心斜视角θ1e为

(10)

在滑动聚束阶段1的结束时刻,对应的波束中心旋转角速度ω1e为

(11)

在阶段1的成像结束后,卫星平台即将开始快速机动,将波束指向调整到场景的方位向起始位置。以此类推,得到各个角度成像的波束中心旋转角速度。

3 仿真验证

根据上述确定的首景成像姿态需求、成像角度机动切换策略、第二景成像姿态的计算方法等,仿真了600km轨道高度X频段星载SAR的成像姿态机动过程,并基于实测的场景图像仿真数据进行了成像处理,获得了典型方位角的SAR仿真成像(见图4)。仿真多方位角成像设置如下。

图4 多角度SAR图像序列Fig.4 Multi-aspect SAR imaging sequence

(1)单次观测方位角跨度:6°;

(2)单轨观测次数:9;总观测方位角-50°～+50°;

(3)场景幅宽为5km×5km(距离×方位)。

由图4可知:即便同一地形,在不同观测方位角时获取的SAR图像差异明显。主要体现在SAR图像中的叠掩方向和阴影区域的差异。图4中红色圈内为同一地物对应的区域,主要地物为山脉,在观测方位角为-50°时,其阴影区域在山体右上方;在观测方位角为+50°时,阴影区域出现在下方。上述现象真实地体现了多方位角观测的差异。

在整个多方位角重复观测成像过程中,图5为卫星波束转动角速度的变化方式,蓝色线为滑动聚束成像期间的波束转动角速度,红色线为两次滑动聚束成像之间平台快速机动过程的波束转动角速度。

图5 多方位角观测成像过程的卫星天线波束转动角速度Fig.5 Satellite antenna beam rotational speed during multi-aspect imaging

从波束转动角速度变化的仿真结果可看出:在成像期间平台的转动角速度较为稳定,即使在两侧斜视角较大的情况下,转动速度会有一定的变化,但变化量也相对较小;然而在姿态机动过程中,为了能够使波束快速调整到场景起始位置,并且在机动终止时刻转动速度能够恰好与之后的滑动聚束成像所需的速度相吻合,平台的转动速度是一个先加速、再减速的过程。在对姿态快速机动过程的设计中,尽量使加速过程与减速过程的加速度幅度一致(表现为三角形两个边的斜率基本相同)。

4 结束语

本文从理论角度分析了反射面天线体制SAR卫星多方位角重复观测新模式中每次滑动聚束观测,以及两次成像观测间平台快速机动的时间、转动角度以及相应的转动角速度。基于这一分析,给出每段成像及快速机动过程中天线波束中心指向虚拟旋转点的确定步骤,以此来确定每一时刻的平台三轴指向,以提供给卫星进行精准的姿态控制,可以作为星载SAR系统设计和成像姿态控制策略的参考。