本發(fā)明涉及一種敏捷合成孔徑雷達(以下簡稱為sar)衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動需求計算方法，尤其適用于天線相位中心偏離星本體，并采用集中饋電的反射面體制進行敏捷sar衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動需求計算.
背景技術(shù)：
：聚束模式是一種常用的高分辨率星載sar工作模式，通過雷達波束掃描使波束中心始終瞄準(zhǔn)地面固定點，從而使成像區(qū)域始終處于雷達波束的照射之下，延長了合成孔徑時間，實現(xiàn)了方位向高分辨率成像。敏捷sar衛(wèi)星有效載荷固定在衛(wèi)星上，依靠姿態(tài)控制系統(tǒng)控制衛(wèi)星整體繞俯仰、橫滾、偏航3個軸向擺動，實現(xiàn)sar成像所需的波束掃描。敏捷sar衛(wèi)星具有較高的靈活性和成像能力，能高效地實現(xiàn)高分辨率聚束模式成像。星載sar與光學(xué)成像機理不同，例如，sar需側(cè)視成像、sar天線具備波束掃描能力以及sar對相位誤差敏感等，導(dǎo)致光學(xué)遙感衛(wèi)星中的姿態(tài)機動指標(biāo)參數(shù)計算方法不適用于sar衛(wèi)星。上海航天控制技術(shù)研究所的汪禮成等人在2013年高分辨率對地觀測學(xué)術(shù)年會上發(fā)表了《對地聚束成像sar衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)研究》一文，對聚束模式下sar衛(wèi)星的姿態(tài)跟蹤機動規(guī)律進行了研究，但未考慮雷達天線相位中心偏離星本體坐標(biāo)系原點，和雷達天線波束指向偏離星本體坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的情況。題為“一種基于sar衛(wèi)星姿態(tài)控制實現(xiàn)滑動聚束模式的方法”的發(fā)明專利(北京航空航天大學(xué)，陳杰等，申請?zhí)枮閏n103076607)提出了一種基于sar衛(wèi)星姿態(tài)控制實現(xiàn)滑動聚束模式的方法，但這種方法是針對滑動聚束模式而非聚束模式設(shè)計的，同時它也不能適應(yīng)雷達天線相位中心偏離星本體坐標(biāo)系原點，和雷達天線波束指向偏離星本體坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的情況，不適用于高分辨率聚束模式敏捷sar衛(wèi)星。因而，敏捷sar衛(wèi)星聚束模式分辨率高，對雷達波束指向的精度要求提高，需要在高精度衛(wèi)星軌道和地球模型的基礎(chǔ)上，充分考慮雷達天線相位中心偏離星本體坐標(biāo)系原點，和雷達天線波束指向偏離星本體坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的影響，設(shè)計精確的敏捷sar衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)需求計算方案。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題以及克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于迭代 計算的敏捷sar衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動指標(biāo)參數(shù)計算方案，能適應(yīng)sar天線在星體上各種不同的安裝位置，并充分考慮可能存在的波束離軸角，得到準(zhǔn)確的敏捷sar衛(wèi)星聚束模式成像所需的姿態(tài)指標(biāo)參數(shù)，為基于衛(wèi)星平臺姿態(tài)機動實現(xiàn)高分辨率星載sar成像提供支撐.本發(fā)明提供了一種敏捷合成孔徑雷達衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動需求計算方法，包含以下三個主要步驟：瞄準(zhǔn)點和時序規(guī)劃、需求姿態(tài)角粗算和需求姿態(tài)角精算。步驟1——瞄準(zhǔn)點和時序規(guī)劃1.1)聚束模式工作時雷達波束中心始終瞄準(zhǔn)地面待觀測場景的幾何中心，選擇該幾何中心作為地面瞄準(zhǔn)點.1.2)根據(jù)瞄準(zhǔn)點坐標(biāo)以及星歷數(shù)據(jù)，尋找瞄準(zhǔn)點回波多普勒中心為零的星歷時刻，將其作為成像時序的中心。根據(jù)需求方位向分辨率和多普勒調(diào)頻率計算完整的成像時間，并平均分布于時序中心兩側(cè).1.3)將地面瞄準(zhǔn)點和地心坐標(biāo)變換到軌道坐標(biāo)系，為后續(xù)姿態(tài)角計算提供輸入.步驟2——需求姿態(tài)角粗算2.1)根據(jù)天線相位中心和地面瞄準(zhǔn)點在軌道系下的坐標(biāo)，計算期望的波束中心指向向量；2.2)根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)心和地心在軌道系下的坐標(biāo)，計算起始z軸指向向量；2.3)由于雷達波束可能存在離軸角，根據(jù)旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系，計算波束起始指向向量；2.4)根據(jù)歐拉定理，計算以歐拉軸/角參數(shù)式表示的需求姿態(tài)；2.5)根據(jù)歐拉四元數(shù)式與歐拉軸/角參數(shù)式的轉(zhuǎn)換關(guān)系計算需求的歐拉四元數(shù)；2.6)根據(jù)歐拉角式與歐拉四元數(shù)式的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以計算得到初始歐拉角。步驟3——需求姿態(tài)角精算3.1)利用上一步得到的初始歐拉角，計算星本體坐標(biāo)系到軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，并將天線相位中心星本體坐標(biāo)系坐標(biāo)變換成軌道坐標(biāo)系坐標(biāo)；3.2)以此坐標(biāo)為輸入，重復(fù)步驟二的計算過程，得到新的歐拉角；3.3)比較新歐拉角與初始歐拉角之間的差值，如大于預(yù)先設(shè)定的門限值，則用新歐拉角代替初始歐拉角，重復(fù)上述過程，直到新歐拉角與初始歐拉角之間的差值小于預(yù)先設(shè)定的門限值，完成姿態(tài)機動需求計算.因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以實現(xiàn)以下的有益效果：1)充分考慮了衛(wèi)星軌道和地球表面的彎曲特性影響，以及聚束模式星載sar工作特點，為高分辨率星載sar成像提供了一種經(jīng)濟、高效的實現(xiàn)方式；2)充分考慮了可能存在的波束指向偏離星本體坐標(biāo)系z軸的離軸角，適用于同時存在電 掃描和整星姿態(tài)機動的情況，具備更高的普適性，且為機電聯(lián)合掃描實現(xiàn)聚束模式星載sar成像提供技術(shù)基礎(chǔ)；3)能適應(yīng)sar天線在星體上各種不同的安裝位置，將天線相位中心與衛(wèi)星質(zhì)心偏差的影響降低到可以忽略的程度.附圖說明圖1是本發(fā)明的敏捷合成孔徑雷達衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動需求計算方法的流程圖；圖2是本發(fā)明的敏捷合成孔徑雷達衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動需求計算方法的計算原理示意圖；圖3是本發(fā)明的敏捷合成孔徑雷達衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動需求計算方法的實施驗證流程圖；圖4示出了本發(fā)明實施例所涉及的以衛(wèi)星軌道系為參考系312轉(zhuǎn)序下的需求歐拉角；圖5示出了本發(fā)明實施例的stk軟件中虛擬sar衛(wèi)星的起始時刻波束指向；圖6示出了本發(fā)明實施例的stk軟件中虛擬sar衛(wèi)星的中間時刻波束指向；圖7示出了本發(fā)明實施例的stk軟件中虛擬sar衛(wèi)星的結(jié)束時刻波束指向；圖8示出了本發(fā)明實施例的地面瞄準(zhǔn)誤差.具體實施方式下面結(jié)合附圖1-8及具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明.本發(fā)明通過迭代計算得到敏捷sar衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動需求指標(biāo)參數(shù)，具體的方法流程圖如圖1所示，包含以下步驟：步驟一，瞄準(zhǔn)點和時序規(guī)劃1.1確定瞄準(zhǔn)點為計算姿態(tài)機動需求指標(biāo)參數(shù)，需要明確不同時刻雷達波束需要指向的位置信息。聚束模式工作時雷達波束中心始終瞄準(zhǔn)地面待觀測場景的幾何中心，因此，選擇該幾何中心作為整個成像時間內(nèi)的地面瞄準(zhǔn)點。該瞄準(zhǔn)點的具體坐標(biāo)由任務(wù)規(guī)劃和系統(tǒng)波位設(shè)計結(jié)果決定，觀測任務(wù)確定后可以計算得到。1.2時序規(guī)劃接下來需要確定成像時間序列，為保證回波信號多普勒中心為零，降低數(shù)據(jù)處理難度，需要以回波多普勒中心為零的星歷時刻作為成像時序中心，再根據(jù)分辨率需求計算成像總時間，并將其對稱分布于成像時序中心兩側(cè)，完成時序規(guī)劃。為尋找瞄準(zhǔn)點回波多普勒中心為零的星歷時刻，首先需要計算各個星歷時刻的回波多普勒中心，計算方法如下：其中，為地心慣性坐標(biāo)系下衛(wèi)星的位置矢量，為地心慣性坐標(biāo)系下瞄準(zhǔn)點的位置矢量，為地心慣性坐標(biāo)系下衛(wèi)星的速度矢量，為地心慣性坐標(biāo)系下瞄準(zhǔn)點的速度矢量，λ為載波波長，rst為衛(wèi)星與瞄準(zhǔn)點之間的距離。根據(jù)上式可以得到所有星歷時刻的瞄準(zhǔn)點回波多普勒中心值，進而得到中心值為零的星歷時刻.接下來根據(jù)需求方位向分辨率ρa和多普勒調(diào)頻率fa計算成像時間，計算公式如下：其中，vg為零多普勒線掃過地面的速度，kwa為多普勒信號處理加權(quán)擴展因子，fa為多普勒調(diào)頻率，由下式計算得到其中，為地心慣性坐標(biāo)系下衛(wèi)星的加速度矢量，為地心慣性坐標(biāo)系下瞄準(zhǔn)點的加速度矢量。將成像時間長度ts對稱分布于成像時序中心t0兩側(cè)，成像時間范圍為完成了時序規(guī)劃。本發(fā)明中涉及的坐標(biāo)系變換方法可查閱衛(wèi)星控制經(jīng)典教材，這里不再累述.1.3計算瞄準(zhǔn)點和地心軌道坐標(biāo)系坐標(biāo)將地面瞄準(zhǔn)點和地心坐標(biāo)變換到軌道坐標(biāo)系，為后續(xù)姿態(tài)角計算提供輸入。應(yīng)了解，這個步驟是為了將相關(guān)點的坐標(biāo)變換到同一坐標(biāo)系下，以便于后續(xù)計算.步驟二，需求姿態(tài)角粗算計算需求姿態(tài)角時，應(yīng)根據(jù)時序規(guī)劃得到的成像星歷時刻逐點進行計算。計算的基本思路是將起始指向向量和期望指向向量變換到同一坐標(biāo)系下，再利用最短旋轉(zhuǎn)路徑準(zhǔn)則，計算實現(xiàn)天線波束期望指向的旋轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)動角，進而得到所有需求姿態(tài)信息。衛(wèi)星整星構(gòu)型確定后，可以準(zhǔn)確測得天線相位中心在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，但因姿態(tài)角未知，不能得到天線相位中心在軌道坐標(biāo)系下的精確坐標(biāo)。粗算階段，以其在衛(wèi)星本體 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)代替軌道坐標(biāo)系坐標(biāo)，由于上述兩個坐標(biāo)系原點同為衛(wèi)星質(zhì)心，且星體尺寸一般較小，兩坐標(biāo)系下的相位中心坐標(biāo)值差一般為米級，可以用于姿態(tài)角粗算，這種近似引入的誤差將在精算階段予以消除。2.1計算期望指向向量依據(jù)上述姿態(tài)角計算思路，首先需要計算期望指向向量。根據(jù)天線相位中心op和地面瞄準(zhǔn)點t在軌道系下的坐標(biāo)，可得到期望的波束中心指向向量，以表示。根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)心os和天線相位中心op在軌道系下的坐標(biāo)，可得到衛(wèi)星質(zhì)心到相位中心的向量，以表示.由于姿態(tài)機動時圍繞衛(wèi)星質(zhì)心os轉(zhuǎn)動，應(yīng)以衛(wèi)星質(zhì)心為起點計算期望指向向量，以表示，根據(jù)向量關(guān)系得到：如圖2所示，示出了上述的計算原理。2.2計算z軸指向向量接下來需要計算波束起始指向向量，首先計算星本體坐標(biāo)系z軸指向向量，隨后根據(jù)該向量和離軸角，通過旋轉(zhuǎn)變換得到波束起始指向向量。根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)心os和地心oe在軌道系下的坐標(biāo)，可得到起始z軸指向向量，以表示。2.3計算波束起始指向向量由于雷達波束可能存在離軸角，根據(jù)旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系，可得到如下波束起始指向向量：其中，c(θ)為由波束離軸角決定的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣，θ為離軸角，是天線雷達波束中心偏離衛(wèi)星本體坐標(biāo)系z軸的角度，包含天線安裝時的斜裝角，天線自身的電掃描角等.2.4計算以歐拉軸/角參數(shù)式表示的需求姿態(tài)首先，計算以歐拉軸/角參數(shù)式表示的需求姿態(tài)信息，根據(jù)歐拉定理，衛(wèi)星繞質(zhì)心的姿態(tài)機動可以由繞通過質(zhì)心的某一固定軸轉(zhuǎn)動一定角度得到。該轉(zhuǎn)軸方向矢量用表示，轉(zhuǎn)動角度用φ表示，這即是歐拉軸/角參數(shù)式.根據(jù)最短路徑旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)則，和φ可由知通過下兩式計算得到：其中，×為向量積，·為標(biāo)量積，|·|為向量長度。2.5計算以歐拉四元數(shù)式表示的需求姿態(tài)根據(jù)歐拉四元數(shù)式與歐拉軸/角參數(shù)式的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以計算得到以歐拉四元數(shù)表示的需求姿態(tài)信息.2.6計算以歐拉角式表示的需求姿態(tài)根據(jù)歐拉角式與歐拉四元數(shù)式的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以計算得到初始歐拉角.由于在本階段的計算過程中，使用天線相位中心衛(wèi)星本體坐標(biāo)系坐標(biāo)代替軌道坐標(biāo)系坐標(biāo)，所以初始歐拉角中包含一定的誤差，下一步將重點剔除該誤差。本步驟所涉及的歐拉軸/角參數(shù)式、歐拉四元數(shù)式、歐拉角式等姿態(tài)表示方法之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可查閱衛(wèi)星控制經(jīng)典教材，在本說明書中不再累述。步驟三，需求姿態(tài)角精算將步驟二中得到的歐拉角作為初始姿態(tài)角，利用初始姿態(tài)角計算天線相位中心在軌道系下的坐標(biāo)，重復(fù)步驟二，得到新的歐拉角，再將新的歐拉角作為初始姿態(tài)角，循環(huán)迭代計算，直到新舊歐拉角之間誤差滿足需求精度。由于計算新歐拉角所用的轉(zhuǎn)換矩陣總是比計算初始歐拉角時的轉(zhuǎn)換矩陣更精確，因此，新歐拉角逐漸向準(zhǔn)確的需求姿態(tài)角逼近，而新歐拉角與初始歐拉角之差逐漸向零收斂。通過選擇合適的門限值，能得到滿足精度需求的姿態(tài)角。這個迭代計算有效剔除了天線相位中心與質(zhì)心不重合導(dǎo)致的指向誤差，得到滿足精度要求的姿態(tài)角，本步驟具體包含如下過程.3.1計算軌道系天線相位中心坐標(biāo)利用上一步得到的初始歐拉角，計算星本體坐標(biāo)系到軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，并將天線相位中心星本體坐標(biāo)系坐標(biāo)變換成軌道坐標(biāo)系坐標(biāo)。3.2重復(fù)步驟二計算歐拉角式表示的需求姿態(tài)然后以此坐標(biāo)為輸入，重復(fù)步驟二的計算過程，得到新的歐拉角.3.3判決計算結(jié)果是否達到判決門限比較新歐拉角與初始歐拉角之間的差值，如大于預(yù)先設(shè)定的門限值，則用新歐拉角代替初始歐拉角，重復(fù)上述過程，直到新歐拉角與初始歐拉角之間的差值小于預(yù)先設(shè)定的門限值?？筛鶕?jù)指向精度的要求確定門限值，本發(fā)明方法收斂速度較快，3～4次迭代后新歐拉角與初 始歐拉角之間的差值將達到10-20弧度量級，故該門限值可以設(shè)置為10-20弧度。事實上，由于控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)精度有限，更高的計算精度并沒有實際價值.通過matlab和衛(wèi)星仿真工具包(satellitetoolkit，以下簡稱為stk)軟件聯(lián)合仿真，可以驗證本發(fā)明提出的方案的有效性，驗證流程如圖3所示。首先，根據(jù)輸入條件，在matlab軟件中計算姿態(tài)機動指標(biāo)參數(shù)，然后將姿態(tài)機動指標(biāo)參數(shù)計算結(jié)果導(dǎo)入stk軟件，顯示姿態(tài)機動和波束指向變化，并將地面瞄準(zhǔn)點位置信息輸回matlab軟件，分析stk軟件中得到的瞄準(zhǔn)點位置信息與期望的瞄準(zhǔn)點位置信息之間的誤差.由于stk軟件的正確性已經(jīng)經(jīng)過工程驗證，它的分析結(jié)果能準(zhǔn)確地反映衛(wèi)星運動規(guī)律，故上述仿真實驗具有較高的可信度。本次仿真實驗的sar衛(wèi)星聚束模式輸入?yún)?shù)如以下表1所示，根據(jù)本發(fā)明的方案，得到實現(xiàn)聚束模式的姿態(tài)機動需求指標(biāo)參數(shù).圖4為以軌道系為參考系，312轉(zhuǎn)序下的需求歐拉角.可見，聚束模式成像過程中俯仰機動范圍最大，達到1.8835°，偏航機動次之，達到0.4768°，橫滾機動最小，為0.0048°。表1參數(shù)數(shù)值軌道長半軸(km)7078.14軌道偏心率0.01軌道傾角(°)98.1928近地點幅角(°)0升交點赤經(jīng)(°)0天線離軸角(°)10星本體系下天線相位中心位置(m)[5，5，5]雷達載波波長(m)0.0311多普勒信號處理加權(quán)展寬因子1.1期望方位向分辨率(m)0.6期望場景中心經(jīng)度坐標(biāo)(°)169.9期望場景中心緯度坐標(biāo)(°)12.1將上述姿態(tài)角導(dǎo)入stk軟件，通過stk軟件中虛擬sar衛(wèi)星的雷達波束指向，驗證本發(fā)明提出方法的正確性和有效性。stk軟件中虛擬衛(wèi)星同樣采用表1中的輸入?yún)?shù)，在注入計算得到的姿態(tài)角后，得到成像起始、中間和結(jié)束時刻波束指向，以及地面瞄準(zhǔn)點位置(如圖5、6、7所示)。在附圖中，叉形區(qū)域為期望的成像場景中心(瞄準(zhǔn)點)，矩形區(qū)域為注入本發(fā)明方法計算得到的需求姿態(tài)角后，虛擬衛(wèi)星的雷達波束地面足印，可見雷達波束在成像起始、中間和結(jié)束時刻都準(zhǔn)確地指向了期望的場景中心，證明了上述姿態(tài)機動指標(biāo)參數(shù)計算結(jié)果的正確性。再將stk軟件中得到的實際瞄準(zhǔn)點位置信息導(dǎo)回到matlab軟件中進行分析，得到了詳細的瞄準(zhǔn)誤差.如圖8所示，瞄準(zhǔn)誤差在10-8米量級，可以忽略不計。綜上所述，本發(fā)明的敏捷sar衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動需求計算方法，考慮了雷達波束離軸角的影響，能夠適用于包含任意離軸角的敏捷sar衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動需求計算，也可應(yīng)用于機械掃描和電掃描聯(lián)合實現(xiàn)的sar衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動需求計算。另外，通過迭代計算剔除雷達天線相位中心偏離星本體坐標(biāo)系原點的影響，得到滿足精度要求的需求姿態(tài)，該算法能夠適用于天線安裝于星體任何位置的敏捷sar衛(wèi)星聚束模式姿態(tài)機動需求計算。本發(fā)明中未說明部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。當(dāng)前第1頁12