專利名稱:繞軌道運行的立體成象雷達(dá)的方法和系統(tǒng)的制作方法
在攝影行業(yè)中，人們早就知道獲得立體航空攝影照片的意義。這種立體照片提供了其中存在垂直高度信息的三維圖象。由觀察兩張重疊的照片就可得到三維圖象。人們還知道，通過觀察兩組重疊的雷達(dá)圖象也能夠獲得立體雷達(dá)圖象;然而，這是難于做到的。在立體攝影術(shù)中該對照片具有相同的照射角度，并因之具有相同的陰影，這是因為在照片之間太陽的角度不存在可鑒別的變化。在雷達(dá)中，通過發(fā)射電磁能脈沖來達(dá)到對目標(biāo)的照射。當(dāng)前，立體雷達(dá)系統(tǒng)需要兩個分開的、經(jīng)過圖象區(qū)域的通道，用以獲得兩組雷達(dá)圖象。在第一通道中，脈沖被發(fā)射到目標(biāo)表面，接著被接收機(jī)接收。對隨后的通道來說，以不同于第一通道的射角發(fā)射第二個脈沖。接著被在不同于第一次記錄的位置上的接收機(jī)接收。由于發(fā)射兩束不同的脈沖，兩組不同的陰影和(或)反向散射將會產(chǎn)生(這一點與攝影術(shù)不同)，這將阻止圖像的收斂，而導(dǎo)致不好的圖像質(zhì)量。如果采用陡的雷達(dá)照射俯角來避免這些陰影，那末，由于區(qū)域壓縮而損害了圖象的精度。為了回避這個問題，已經(jīng)采取了各種技術(shù)。
已被采用和(或)研究的、用于搜集立體雷達(dá)圖象的一些技術(shù)包含多個以不同的地面距離偏移經(jīng)過待成象表面的通道。這些偏移可能歸于從一個通道到另一通道的該行星的旋轉(zhuǎn)。這導(dǎo)致對重疊復(fù)蓋面的大小的不良的影響，因而角度視差隨著軌道的偏心，衛(wèi)星在該軌道中的位置以及該軌道的園度而強(qiáng)烈地變化。這樣，高程比例尺將是變化不定的;對于每項新的軌道條件，必須重新計算高程比例尺。另一種技術(shù)必須包括以下操作，即，在后面的軌道上改變天線方向，以改變觀察角度。又一種技術(shù)需要由第一通道發(fā)射和接收雷達(dá)信號，而由第二通道用雷達(dá)高度表收集垂直高度信息。所有這些技術(shù)都必須處理來自一個以上的軌道的數(shù)據(jù)，以便為精確地確定地形要素的地面位置提供完整的數(shù)據(jù)。大多數(shù)技術(shù)被限于某些軌道，并且對這些軌道的一些區(qū)段來說不能提供完整的數(shù)據(jù)。
接收機(jī)之間的最大角差被限于天線的波束垂直角度寬度。比較大的角差，由于軌道通道間的行星旋轉(zhuǎn)而消除了所有重疊復(fù)蓋面，并因此消除了立體圖象，而較小的位移給出比較大的重疊復(fù)蓋面，但具有逐漸小的角差。這樣，當(dāng)前所獲得的立體圖象僅限于那些非常小的軌道段，這些軌道段在天線的有限的復(fù)蓋角范圍內(nèi)提供了軌道通道間的位移。對于任何給定的行星軌道方位，大部分行星表面不能被形成立體像。在軌道通道之間將天線重新瞄準(zhǔn)，能夠增加角差，并且能夠?qū)壍赖哪承┎糠纸o出完全的重疊復(fù)蓋面;但是，這需要復(fù)雜的和精確的天線瞄準(zhǔn)控制系統(tǒng)，而只能對有限的緯度范圍提供立體圖象。
為了提供單一的航空立體雷達(dá)技術(shù)(包括用于飛機(jī)，但不包括用于宇宙飛船)已經(jīng)提出了幾種技術(shù)。此外，正如上面所討論的，這些技術(shù)具有許多相同的缺點。在這些技術(shù)中，使用單一的飛行器而發(fā)射兩種不同性能的雷達(dá)波束方向圖。這種技術(shù)需要采用兩種扇形波束方向圖，用以產(chǎn)生圖象上的視差(見G.E.卡爾森(Carlson)寫的“用于獲得立體雷達(dá)圖象的技術(shù)的性能比較”IEEE Transaction on Geoscience Electronics，VGE-12，P114-122，(1974))。
在F.W.利泊爾(Leberl)寫的“衛(wèi)星雷達(dá)通信學(xué)”第一篇(Satellite Radargrammetry-Phase Ⅰ)中(工科大學(xué)和格拉茨研究中心(Technical University and Graz Research Center)，1982年)，敘述了上述各種方法的清楚詳盡的討論。
本發(fā)明提供一種采用陡的視角而消除了大部分變量、具有與軌道無關(guān)的定值的單通道雷達(dá)系統(tǒng)。高程比例尺將是固定的，并且僅僅是復(fù)蓋面范圍和軌道高度的函數(shù)。因為所需要的角差是自動產(chǎn)生的而與行星的旋轉(zhuǎn)運動無關(guān)，所以本系統(tǒng)能夠從任何給定的成象軌道、對任何表面位置產(chǎn)生整個待成象的衛(wèi)星掃描帶寬度的立體圖象。這樣一種雷達(dá)系統(tǒng)對于將來的地球資源勘探，地球資源的連續(xù)監(jiān)視和軍事上的全天候瞄準(zhǔn)任務(wù)是非常有用的。
本發(fā)明使得以單一通道同時從兩個不同觀察角收集完整的立體照片的數(shù)據(jù)成為可能。發(fā)射機(jī)將信號發(fā)射到行星，此信號被反射回來，并且被兩個隔開的接收機(jī)所接收。每個接收機(jī)記錄完整的表面圖象，但是兩個接收機(jī)從不同的角度記錄，這很象人的眼睛一樣。在綜合信息時，這兩幅圖象的不同的復(fù)蓋產(chǎn)生一幅三維的圖象，從中可以確定垂直高度信息。可以通過使用衛(wèi)星、航天飛機(jī)、飛機(jī)等等來實施這項技術(shù)。
該雷達(dá)系統(tǒng)是一種收發(fā)分置雷達(dá)系統(tǒng)，并提供給若干在互相平行的同步軌道中的宇宙飛船。在最佳實施例中，每艘宇宙飛船還沿共同的飛行路徑，或者航跡的地面投影而過。這些宇宙飛船相互隔開一個不變的距離。在最佳實施例中，這些宇宙飛船彼此線性排列成行，并且至少一艘飛船的高度低于其他飛船。可以通過系繩來保持宇宙飛船之間的間隔，這種系繩可以是可伸縮的，這樣就可構(gòu)成一個繞軌道飛行的重力穩(wěn)定系統(tǒng)。一臺發(fā)射裝置用一艘宇宙飛船攜帶，用于發(fā)射相干的雷達(dá)脈沖信號，以照射行星表面，并反射離開行星表面;而兩個接收裝置各自由一艘宇宙飛船攜帶，用于接收從相對于待成象表面的不同的垂直角度所收集到的數(shù)據(jù)。
可以利用系繩，或者以外場(表面波傳輸線，G-line)能量的形式，或者按照需要使用中繼站以作為內(nèi)場(光波導(dǎo)纖維)能量的形式來進(jìn)行從一艘飛船到另一艘飛船的數(shù)據(jù)傳輸。另一種方法是可以通過微波天線間的數(shù)據(jù)鏈路來傳輸這種數(shù)據(jù)。可以通過將數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€衛(wèi)星或者傳輸?shù)竭b控地面站來還原來自這個系統(tǒng)的信息。
在上述配置中，不需要測量行星表面上方的高度。借助從發(fā)送信號到接收信號所經(jīng)過的時間長度，可以確定離被成象的表面的線性距離。此外，對于給定的園形軌道，接收角差和間隔是不變的;這種園形軌道考慮到選擇這些參數(shù)以使性能最佳化。
部署這種雷達(dá)系統(tǒng)的方法包括使至少一艘宇宙飛船(這艘宇宙飛船攜帶至少一艘其他的宇宙飛船)進(jìn)入繞行星的軌道中運行。通過利用連接在它們之間的系繩，使所攜帶的飛船(或幾艘飛船)或者上升，或者下降。由第一艘宇宙飛船所攜帶的宇宙飛船能再攜帶一艘飛船，通過連接在它們之間的系繩可使這再攜帶上的宇宙飛船或者上升，或者下降。
因此，本發(fā)明的一個目的是通過以下方法提供一種改進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)，即，使相對觀察角最佳化并保持不變，而以單一通道收集全部為產(chǎn)生行星表面的整個被照射的掃描帶的立體圖象所需要的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種通過把相干的、收發(fā)分置雷達(dá)部署在環(huán)繞行星的軌道的來產(chǎn)生行星表面的立體圖象的方法。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種在觀察角之間具有明顯的角差的立體雷達(dá)系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種重力穩(wěn)定裝置，用于產(chǎn)生行星表面區(qū)域的立體圖象。
下文是附圖的簡要的說明，附圖中相同的部分帶有相同的標(biāo)號;其中圖1是使用兩艘宇宙飛船的、沿軌道運行的、立體的、側(cè)視的綜合孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的示意圖。
圖2是從一個衛(wèi)星到另一個衛(wèi)星傳遞信號的示意的方法。
圖3是使用三艘宇宙飛船的、沿軌道運行的、立體的、側(cè)視的綜合孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的示意圖。
圖4是使用一艘載人宇宙飛船和一艘不載人的宇宙飛船的雷達(dá)系統(tǒng)的示意圖。
圖5是用于構(gòu)成重力穩(wěn)定雷達(dá)系統(tǒng)的裝置的示意圖。
圖6是用于構(gòu)成重力穩(wěn)定雷達(dá)系統(tǒng)的裝置的另一個示意圖。
這個雷達(dá)系統(tǒng)使得有可能通過使用一種沿軌道運行的、側(cè)視的綜合孔徑雷達(dá)(SAR)而以單通道收集立體圖象。在SAR系統(tǒng)中，相干的電磁脈沖信號被發(fā)射到行星的表面，并在那里被反射。反射脈沖在同與原先的發(fā)射脈沖相同的相干參考頻率相加之后，被接受和記錄下來。被記錄的數(shù)據(jù)是一種全息圖，必須將它們相互關(guān)聯(lián)，以便正確地觀察圖象?？梢杂霉鈱W(xué)方法，或者用數(shù)字方法來進(jìn)行這種關(guān)聯(lián)。
為了構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的地面成象雷達(dá)系統(tǒng)，把一種至少具有一臺發(fā)射機(jī)和兩臺接收機(jī)的綜合孔徑雷達(dá)設(shè)置在環(huán)繞行星的軌道上。可以通過將一臺發(fā)射機(jī)設(shè)置在一艘宇宙飛船上并將接收機(jī)中的至少一臺設(shè)置在不同的宇宙飛船上來達(dá)到以上目的。當(dāng)發(fā)射和接收信號時，宇宙飛船的間隔是不變的，用以使這種間隔保持不變的一種方法是提供一種重力穩(wěn)定系統(tǒng);在這種系統(tǒng)中，通過系繩或者纜索將宇宙飛船彼此連接并使一艘宇宙飛船的位置低于其余的飛船。每一艘宇宙飛船沿著位于待成象區(qū)域的相同一側(cè)的飛行路徑運行。這些飛行路徑不跨越待成象的區(qū)域，而是位于其一個側(cè)邊。這就構(gòu)成一種單一的側(cè)視雷達(dá)系統(tǒng)。
立體圖象中所需要的垂直放大量確定了飛船之間的間隔。如果增加飛船和待成象表面之間的垂直角的差別，那末，垂直放大量和間隔也將增加，導(dǎo)致系繩的長度和加在系繩上的力都增加了。這樣，因為系繩的長度和直徑(對于給定的系繩材料)兩者都增加了，所以系繩所包含的體積和質(zhì)量增加了。在某些情況下，這可能是一種限制因素。在重力穩(wěn)定系統(tǒng)中，由于較低的宇宙飛船進(jìn)入行星的上部大氣層而足以牽引它離開所希望的相對于較高的宇宙飛船的垂直位移，所以宇宙飛船間的間隔也可能受到限制。
在這種應(yīng)用條件下，因為起穩(wěn)定作用的重力使系繩處于拉伸狀態(tài)并因此使它成一條直線，所以系繩不必是柔性的。但是，為了使系繩所包含的體積最小，系繩必需是柔性的。系繩的貯存卷盤的中心部分是未充分利用的空間，如果系繩是柔性的，足以把它繞在小直徑的卷盤上，那末，就可以使?jié)L筒的直徑減至最小值。系繩還必需具有高的強(qiáng)度對重量的比值，以便對給定的所需要的強(qiáng)度使其直徑減至最小值，從而使所包含的體積和質(zhì)量減至最小值。此外，因為穿過行星磁場的長導(dǎo)線會產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流在纜索的兩端產(chǎn)生很大的電位差，所以系繩還必需是非導(dǎo)電性的。需要一種多股纜繩以滿足飛行可靠性的要求。目前，最好的辦法是使用諸如芳香族尼龍，例如伍德伊爾輪胎和橡膠公司(The Good year Tire and Rubber Company)的有名的商品Flexten，來滿足這些所需要的材料特性(高的強(qiáng)度和重量的比值，柔軟性，非導(dǎo)電性)。
發(fā)射機(jī)在垂直于飛行路徑的方向上發(fā)射相干的雷達(dá)信號，用以照射待成象的區(qū)域。該信號從待成象的區(qū)域被反射并且沿著兩種不同的接收角度被接收機(jī)所接收。所接收的數(shù)據(jù)可以被發(fā)射到那些用以處理和記錄數(shù)據(jù)的人造衛(wèi)星中的一個?？梢酝ㄟ^使用數(shù)字鏈路或者利用系繩，按照需要或者以外場(表面波傳輸線)能量的形式，或者以內(nèi)場(光波導(dǎo)纖維)能量的形式(使用中繼站)來達(dá)到以上目的?？梢酝ㄟ^或者將數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€衛(wèi)星或者傳輸?shù)降孛嬲緛磉€原來自這個系統(tǒng)的信息。能夠檢測運動平衡中的差異，并把它轉(zhuǎn)播到低位衛(wèi)星，提供給姿態(tài)和運動校正助推器。這種校正的幅度應(yīng)當(dāng)不大，因為加在低位衛(wèi)星上的力是指向行星的，這樣，偏離正確位置的運動僅僅起因于外部的干擾，例如隕石微粒的碰撞，太陽風(fēng)壓力等。
可以通過把從后進(jìn)(最大航程)數(shù)據(jù)收集到的數(shù)據(jù)平均偏移出現(xiàn)率同先進(jìn)(最小航程)數(shù)據(jù)的平均偏移出現(xiàn)率作比較來確定運動中的差異。如果不存在旋轉(zhuǎn)和位移偏差，那未平均偏移出現(xiàn)率將是適當(dāng)?shù)?，并且對兩種航程是相同的。如果平均偏移出現(xiàn)率高于適當(dāng)值，那未宇宙飛船已經(jīng)旋轉(zhuǎn)，天線的指向超過了所要求的角度(垂直于軌道路徑)，或者宇宙飛船正在將對軌道路徑的垂線向著待成象的區(qū)域平移。如果平均偏移出現(xiàn)率較低，那末，天線已經(jīng)向后部旋轉(zhuǎn)，或者飛船向離開待成象區(qū)域的方向平移。因為對于旋轉(zhuǎn)位移和平移位移來說，平均偏移出現(xiàn)率、幅度和方向誤差以及近程和遠(yuǎn)程誤差的比值是不同的，所以，一個給出的被測得的誤差、幅度、方向和比值表示旋轉(zhuǎn)和平移位移的特殊組合。計算這種組合，實施適當(dāng)?shù)男Ｕ破鞯钠饎哟螖?shù)和持續(xù)時間，以便使宇宙飛船恢復(fù)正確的姿態(tài)和位置。
現(xiàn)在參考圖1，其中用圖說明了一種使用兩顆人造衛(wèi)星(用標(biāo)號10和12標(biāo)明)的雷達(dá)系統(tǒng)。這些衛(wèi)星可以具有相同或者不同的質(zhì)量，但是，最好使靠近行星表面的衛(wèi)星裝載發(fā)射機(jī)。通過使用連接到每個衛(wèi)星的系繩14來維持衛(wèi)星10和12之間的間隔SP。較低的衛(wèi)星12包含外殼16，發(fā)射機(jī)18、接收機(jī)22以及發(fā)射和接收天線20。較高的衛(wèi)星10包含外殼16接收機(jī)22和接收天線24。人們相信，通過把發(fā)射機(jī)安置在至少一臺接收機(jī)的下方的方法，將減少由于雷達(dá)盲區(qū)造成的立體圖象的退化，從而提供改進(jìn)的立體圖象的質(zhì)量。這是由于使所接收的兩組數(shù)據(jù)中的陰影(Shadow)成為相同的原因。然而，衛(wèi)星10也可能位于衛(wèi)星12的下方，如位置10A的影象所示。
衛(wèi)星10和12都被安置在位于待成象表面的相同一側(cè)的飛行路徑上。發(fā)射機(jī)18將相干的電磁能脈沖26通過天線20發(fā)射到待成象的表面。沿著發(fā)射角θT，在垂直于飛行路徑的方向上發(fā)射這種脈沖。該脈沖在照射角θL的范圍內(nèi)以扇形束或者筆形束從天線傳播到待成象的表面。
被發(fā)射的脈沖26照射待成象的表面，并且在那里被地面物體散射和反射。部分反射脈沖28沿著角度θ1返向天線20，而另一部分反射脈沖30沿著另一個角度θ2返向天線24和另一個接收機(jī)22。反射脈沖28和30分別由天線20和24接收。衛(wèi)星12的接收機(jī)22接收來自天線20的數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星10的接收機(jī)22接收來自天線24的數(shù)據(jù)。
可以將在每臺接收機(jī)上接收的數(shù)據(jù)分開或者合在一起處理和記錄。最好將接收到的數(shù)據(jù)在一個地方處理和記錄?？梢酝ㄟ^采用數(shù)據(jù)鏈路(概括地用標(biāo)號32表示)的方法來達(dá)到上述目的。該數(shù)據(jù)鏈路32包括接收機(jī)及其天線34以及接收機(jī)及其天線36。把由接收機(jī)22接收到的數(shù)據(jù)用電信號的形式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)鏈路的發(fā)射機(jī)及其天線34，在這里，如所示的那樣通過線路37將這些數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)鏈路的接收機(jī)及其天線36。經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈路32以及由衛(wèi)星12的接收機(jī)22所接收到的數(shù)據(jù)以電信號的形式被傳送到處理機(jī)38進(jìn)行處理，然后傳送到記錄器40?？梢酝ㄟ^其他數(shù)據(jù)鏈路(未示出)把已處理的數(shù)據(jù)輸送到地球或其他衛(wèi)星。如圖2中所示，另一種方法是，把來自接收機(jī)22的數(shù)據(jù)以電信號的形式輸送到與系繩14連接的發(fā)射機(jī)42，以便通過系繩輸送一種被導(dǎo)的光波信號，這種信號被接收機(jī)44接收并反向地變換成電信號，被輸送到數(shù)據(jù)處理機(jī)38。
如圖1中所示，可以由一艘宇宙飛船攜帶運動傳感裝置46?？梢杂脗鞲衅?6測定另一顆衛(wèi)星的波動平面，并控制小推力助推器48，以便把這種波動保持在允許的限度內(nèi)?？梢酝ㄟ^圖1的線路46A，經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈路32或者通過圖2的線路46B，經(jīng)由系繩14，把來自傳感器46的信號傳送到推力助推器。
觀在參考圖3，其中給出本發(fā)明的另一個實施例，它使用三顆分別用標(biāo)號50，52和54標(biāo)明的衛(wèi)星。在本實施例中，最好使中間的衛(wèi)星52包含總質(zhì)量的盡可能大的部分，并且較高的衛(wèi)星50和較低的衛(wèi)星54具有相同的質(zhì)量。如果這樣安排的話，那末，中間的衛(wèi)星52將是雷達(dá)系統(tǒng)的重心。通過使用兩根系繩14(一根連接衛(wèi)星50和52，另一根連接衛(wèi)星52和54)來維持間隔sp和sp′。在本實施例中，一個衛(wèi)星攜帶發(fā)射機(jī)18和只發(fā)射的天線56，而其余衛(wèi)星各自攜帶接收機(jī)22和只接收的天線24?？梢詫l(fā)射機(jī)18安置在三個衛(wèi)星中的任何一個，同時把接收機(jī)安置在其余兩個衛(wèi)星上;但是，通過把發(fā)射機(jī)18安置在中間的衛(wèi)星52上，可以使觀察角之間的差別(θ2-θ1)達(dá)到最大，從而可能提供最大的分辨率。如上所述可以使用經(jīng)由衛(wèi)星之間數(shù)據(jù)鏈路32(包含發(fā)射機(jī)及其天線34和接收機(jī)及其天線36)的傳送或者使用上述系繩的通信以便把所接收的數(shù)據(jù)傳送到處理機(jī)38，記錄機(jī)40和(或)以便提供衛(wèi)星之間的運動補(bǔ)償。
對本實施例的改進(jìn)可以是在每個衛(wèi)星上使用一臺接收機(jī)。附加的第三個接收機(jī)(未示出)以及附加的雷達(dá)接收天線或者以發(fā)射/接收天線代替中間的衛(wèi)星52的只發(fā)射的天線56，提供了有價值的多余信息而僅增加少量費用。當(dāng)有足夠的記錄或者地面數(shù)據(jù)鏈路能力可利用時，可以記錄和(或)傳送所有三組所接收的數(shù)據(jù);當(dāng)沒有這種條件時，如果由于任何原因，使得來自其他接收機(jī)中任何一個的數(shù)據(jù)不能利用，那未這第三組數(shù)據(jù)便可被用來代替不能用的數(shù)據(jù)。以上情況可能起因于雷達(dá)接收機(jī)、雷達(dá)接收天線、衛(wèi)星內(nèi)部數(shù)據(jù)鏈路或者甚至整個較高的或者較低的衛(wèi)星的損傷。
如果由于系繩的故障而失去較高的或者較低的衛(wèi)星，那末，通過操縱剩下的兩顆衛(wèi)星進(jìn)入具有它們之間的重心的穩(wěn)定的圓形軌道，本系統(tǒng)仍能提供完整的立體照片的數(shù)據(jù)。可以通過操縱助推器來達(dá)到以上目的。如果采用可變方向的天線，那末應(yīng)當(dāng)使天線改變方向，以便回到原來的地面掃描帶復(fù)蓋面，這將僅僅導(dǎo)致立體垂直放大量的減小(這是由于垂直角差的減小)。如果天線不能改變方向，那未應(yīng)當(dāng)操縱剩下的衛(wèi)星回到剩下的衛(wèi)星對的原來的軌道高度?？梢酝ㄟ^加大或者減小衛(wèi)星對的軌道速度來達(dá)到以上目的。
圖4說明本發(fā)明的一個實施例，它使用載人宇宙飛船，例如美國國家航空和航天管理局(NASA)的航天飛機(jī)(概括地用標(biāo)號58標(biāo)明)，以及一顆輔助衛(wèi)星60。航天飛機(jī)58可以裝有接收機(jī)22以及接收獨有的天線24，而輔助衛(wèi)星60可以裝有發(fā)射機(jī)18，接收機(jī)22以及發(fā)射/接收天線20?？梢园呀邮盏降臄?shù)據(jù)如上述的那樣發(fā)送回到航天飛機(jī)58或者分開加以記錄。航天飛機(jī)58裝有能夠收藏系繩14的絞盤或者卷盤62，用于當(dāng)進(jìn)入軌道時放開衛(wèi)星60，而在重入大氣層前又把衛(wèi)星收回。采用這種方案時，裝在航天飛機(jī)58中的接收機(jī)22(航天飛機(jī)58處在地球上空150英里的圓形軌道中)和裝在位于航天飛機(jī)下方的衛(wèi)星60中的接收機(jī)22之間的垂直間隔SH可以是50英里，這將給出等于2的垂直放大量，這被認(rèn)為接近立體觀察的理想值。如果待成象的區(qū)域的中心離開天底點(在航天飛機(jī)的正下方)65英里，那末將能夠達(dá)到以上的垂直放大量。如果待成象區(qū)域進(jìn)一步離開天底點，那末垂直放大量將減小;如果兩者靠近，那末垂直放大量將加大。對于這種軌道結(jié)構(gòu)，θ1將近似等于57度，而θ將近似等于67度。這是足夠徒的照射角度，以致為了方便起見，可以將發(fā)射機(jī)在航天飛機(jī)中保持不動，此時由于陰影所造成的立體圖象的損害是可以接受的。例如，從機(jī)艙向下調(diào)度拴著系繩的衛(wèi)星的便利(與此相反的是圍繞機(jī)翼向上或通過宇宙飛船的熱屏蔽底部向上)，以及希望在巨大的飛船中保留發(fā)射機(jī)的質(zhì)量，這兩者可能勝過從較低的飛船照射，以獲得小的陰影的選擇。采用以上間隔SH和一顆1，000磅重的衛(wèi)星60，使用目前已有的材料，例如FlextenTM，可以將系繩或者纜繩14收藏在一個近似地僅有24英寸長和24英寸直徑的卷盤62上。系繩應(yīng)當(dāng)包含四股的4倍剩余度，其中任一股都能承受全部負(fù)載(盡管降低了安全系數(shù))。
載人宇宙飛船58也能夠被用來與圖1或者圖3中所示的雷達(dá)系統(tǒng)相連接。圖1的雷達(dá)系統(tǒng)能夠同航天飛機(jī)58一起使用，此時利用卷盤62使兩顆衛(wèi)星10和12的位置降低。同樣可以使用圖3的衛(wèi)星50、52和54。在每一種情況下，航天飛機(jī)能夠象諸衛(wèi)星中的一顆衛(wèi)星那樣裝有處理機(jī)38和記錄裝置40。
現(xiàn)在參考圖5，其中說明一種用圖1或圖3的實施例來形成立體圖象的重力穩(wěn)定裝置(用標(biāo)號64標(biāo)明)。裝置64具有一個調(diào)度裝置，這個調(diào)度裝置包含安裝在一艘宇宙飛船66的外殼16中的絞盤或者卷盤62。系繩14的一端同卷盤連接，而另一端14a同飛船68的外殼16連接?？梢杂民R達(dá)驅(qū)動卷盤或者絞盤62，用于放出系繩14，以便形成外殼之間的必要的間隔。也可以使用卷盤62來收回系繩14，從而根據(jù)需要改變間隔距離。該調(diào)度裝置還需要一個推進(jìn)裝置70，以便提供使衛(wèi)星開始運動的起始動力。該推進(jìn)裝置可以是一個盤繞的彈簧或者小型推進(jìn)器。放出系繩的速率的確定與推進(jìn)裝置70提供的起始動力有關(guān)。同樣，如果需要，也可以通過使用飛船66中的另一個卷盤62A以及另一個推進(jìn)裝置70A，對第三艘飛船72進(jìn)行調(diào)度。
現(xiàn)在參考圖6，其中說明了另一種用于形成重力穩(wěn)定立體成象雷達(dá)的裝置(用標(biāo)號74標(biāo)明)。第一艘飛船76具有外殼16，外殼16具有由活動部分16A構(gòu)成的開口。飛船76在其內(nèi)部攜帶另一艘具有外殼16B的飛船78;如果飛船78在其內(nèi)部攜帶另一艘飛船80，那末，外殼16B也可以具有由外殼的活動部分16C構(gòu)成的開口。打開活動部分16A，通過調(diào)度裝置(它包括卷盤62，系繩14和推進(jìn)裝置70)可以將衛(wèi)星78降落。如果飛船78在其內(nèi)部攜帶飛船80，那末，它也將攜帶卷盤62，系繩14以及推進(jìn)裝置70。
為說明本發(fā)明已經(jīng)給出以上這些描述和細(xì)節(jié);很清楚，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以由此作出各種變化和(或)改進(jìn)而不離開本發(fā)明的原始精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于使行星的表面區(qū)域成象的沿軌道運行的、立體的、側(cè)視的綜合孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于-若干在空間以預(yù)定的距離隔開的、在彼此平行的同步軌道中并沿對著所述區(qū)域的一側(cè)的飛行路徑而過的宇宙飛船；-一臺由一艘飛船攜帶的發(fā)射裝置，用于發(fā)射相干的雷達(dá)信號脈沖以照射所述表面并由所述表面反射，并且該發(fā)射裝置被適當(dāng)取向，以便在垂直于所述飛行路徑的方向，沿著和所述待成象的表面有關(guān)的預(yù)定的垂直角度發(fā)射所述的信號；-兩臺由不同的飛船分別攜帶的接收裝置，用于各自接收一組從相對于待成象表面的不同的垂直角度所收集到的與所述反射信號相應(yīng)的數(shù)據(jù)，包含高度和相位信息；其中所述發(fā)射裝置與所述接收裝置交替工作，以便將后起的脈沖信號與前邊的反射信號分離。
2.如權(quán)利要求
1所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于所述宇宙飛船被設(shè)置在所述行星表面上空不同的高度上。
3.如權(quán)利要求
2所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于有效地連接在每艘所述飛船之間的系繩，用于保持它們之間的所述間隔;其中至少一艘飛船被基本上置于另一艘飛船的正下方，并且比其它飛船更靠近行星表面。
4.如權(quán)利要求
3所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于由至少一艘飛船攜帶的調(diào)度裝置，用于有效地調(diào)度所述系繩和至少一艘其余的飛船進(jìn)入軌道。
5.如權(quán)利要求
4所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于所述宇宙飛船和所述行星各自具有重心，其中所述宇宙飛船和所述行星基本上彼此成一直線排列，此直線穿過它們各自的所述重心。
6.如權(quán)利要求
5所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于-由一艘所述飛船所攜帶的處理裝置，它有效地接收和處理兩組所述數(shù)據(jù)，其中所述兩組數(shù)據(jù)的復(fù)蓋中的差別提供了垂直高度信息和立體圖象;以及-用于記錄所述已處理的數(shù)據(jù)的記錄裝置。
7.如權(quán)利要求
6所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于與所述處理裝置電連接的，由一艘所述宇宙飛船攜帶的初級數(shù)據(jù)鏈路發(fā)射裝置，用于將已處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到遙控接收站。
8.如權(quán)利要求
7中所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于-由至少一艘所述宇宙飛船攜帶的，用于檢測所述宇宙飛船和另一艘宇宙飛船在運動和姿態(tài)方面的差別的傳感器裝置;以及-由至少一艘所述宇宙飛船攜帶的，有效地接收和響應(yīng)來自所述傳感裝置的信號的姿態(tài)和運動校正裝置，用于為所述宇宙飛船提供姿態(tài)和運動補(bǔ)償。
9.如權(quán)利要求
8所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于-由一艘所述宇宙飛船攜帶的，用于把所述接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到所述另一艘宇宙飛船的次級數(shù)據(jù)鏈路發(fā)射裝置;以及-由所述另一艘宇宙飛船攜帶的、與所述處理裝置電連接、用于接收和將來自所述次級數(shù)據(jù)鏈路發(fā)射裝置的所述發(fā)射數(shù)據(jù)輸入到所述數(shù)據(jù)處理裝置的數(shù)據(jù)鏈路接收裝置。
10.如權(quán)利要求
8中所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于-由至少一艘宇宙飛船攜帶的并與所述系繩裝置有效地連接的次級發(fā)射裝置，用于將所述接收信號經(jīng)由所述系繩裝置發(fā)送到另一艘所述飛船;以及-由所述另一艘宇宙飛船攜帶并和所述處理裝置連接的接收裝置，用于接收并將所述發(fā)射數(shù)據(jù)輸入到所述數(shù)據(jù)處理裝置。
11.如權(quán)利要求
5中所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于由至少一艘所述宇宙飛船攜帶的，用于記錄所述數(shù)據(jù)的記錄裝置。
12.如權(quán)利要求
11中所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于-由一艘所述宇宙飛船攜帶的，用于所述接收數(shù)據(jù)發(fā)送到所述另一艘宇宙飛船的次級數(shù)據(jù)發(fā)射裝置;以及-由所述另一艘宇宙飛船攜帶并和所述記錄裝置電連接的次級數(shù)據(jù)接收裝置，用于接收并將來自所述次級數(shù)據(jù)鏈路發(fā)射裝置的所述發(fā)射信號輸入到所述記錄裝置。
13.如權(quán)利要求
12中所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于-由至少一艘所述宇宙飛船攜帶的，用于檢測所述宇宙飛船同另一艘所述宇宙飛船在運動和姿態(tài)方面的差別的傳感器;以及-由至少一艘所述宇宙飛船攜帶的，有效地接收和響應(yīng)來自所述傳感器裝置的信號的姿態(tài)和運動校正裝置，用于為所述宇宙飛船提供姿態(tài)和運動補(bǔ)償。
14.如權(quán)利要求
13中所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其進(jìn)一步的特征在于由一艘所述宇宙飛船攜帶并同所述記錄裝置電連接，用于把所述記錄數(shù)據(jù)發(fā)送到遙控接收站的初級數(shù)據(jù)鏈路發(fā)射裝置。
15.一種提供行星的表面區(qū)域的立體圖象的方法，其特征在于(a)在環(huán)繞該行星的軌道中部署第一宇宙飛船，所述宇宙飛船攜帶至少另一艘宇宙飛船，并且所述軌道具有對著所述待成象區(qū)域的一側(cè)的飛行路徑;(b)把該被攜帶的宇宙飛船部置在重力穩(wěn)定軌道運行系統(tǒng)中，其中所述宇宙飛船彼此基本上成一直線排列并且在空中以預(yù)定的距離相間隔，至少有一艘宇宙飛船顯著地位于下方，比其他宇宙飛船更靠近行星，并且其中通過有效地連接在所述宇宙飛船之間的系繩來維持所述間隔;(c)所述系統(tǒng)沿所述飛行路徑通過;(d)從一艘宇宙飛船，在垂直于所述飛行路徑的方向上，沿相對所述待成象表面的預(yù)定角度發(fā)射相干的雷達(dá)脈沖信號，用以照射所述表面，并從所述表面反射;(e)一艘宇宙飛船接收對應(yīng)于沿著第一預(yù)定的接收角所接收的所述反射信號的第一組數(shù)據(jù)，包含幅度和相位信息;(f)另一艘宇宙飛船接收包含幅度和相位信息的、對應(yīng)于沿著第二預(yù)定的接收角所接收的所述反射信號的第二組數(shù)據(jù)。
16.權(quán)利要求
15的方法，其進(jìn)一步的特征在于下述步驟(g)用相關(guān)法處理所述第一和第二組數(shù)據(jù)，包括把它們與相干的參考頻率相加，其中所述兩組數(shù)據(jù)的復(fù)蓋中的差別提供了垂直高度信息和立體圖象。
17.權(quán)利要求
16的方法，其進(jìn)一步的特征在于下述步驟(h)把至少一組接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理機(jī)，以便處理。
18.權(quán)利要求
17的方法，其進(jìn)一步的特征在于下述步驟(i)記錄所述相關(guān)數(shù)據(jù);(j)經(jīng)由一數(shù)據(jù)鏈路從一艘這樣的宇宙飛船發(fā)送到遙控接收站;(k)補(bǔ)償這樣的宇宙飛船相互間在運動和姿態(tài)方面的差別。
19.提供行星的表面區(qū)域的立體圖象的方法，其特征在于包括以下步驟(a)把若干艘宇宙飛船部署在重力穩(wěn)定的軌道運行系統(tǒng)中，其中所述宇宙飛船大體上成一直線排列，并在空中以預(yù)定的距離相互隔開，此系統(tǒng)具有至少一艘宇宙飛船顯著地位于下方并且比其他宇宙飛船更靠近行星，所述軌道具有對著所述待成象區(qū)域一側(cè)的飛行路徑;(b)所述系統(tǒng)沿所述飛行路徑通過;(c)從一艘宇宙飛船，在垂直于所述飛行路徑的方向上，沿相對所述待成象表面的預(yù)定垂直角度發(fā)射相干的雷達(dá)脈沖信號，用以照射所述表面區(qū)域，并從所述表面區(qū)域反射;(d)一艘宇宙飛船接收對應(yīng)于沿第一預(yù)定的接收角接收到的所述反射信號的第一組數(shù)據(jù)，包含幅度和相位信息;以及(e)另一艘宇宙飛船接收包含幅度和相位信息的、對應(yīng)于沿著第二預(yù)定的接收角所接收的、所述反射信號的第二組數(shù)據(jù)。
20.權(quán)利要求
19的方法，其進(jìn)一步的特征在于下述步驟(f)用相關(guān)法處理所述第一和第二組數(shù)據(jù)，包括把它們與相干的參考頻率相加，其中兩組數(shù)據(jù)的復(fù)蓋中的差別提供垂直高度信息和立體圖象;(g)記錄所述相關(guān)數(shù)據(jù);以及(h)經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路從一艘這樣的宇宙飛船發(fā)送到遙控的接收站;
21.一種用于提供行星的表面區(qū)域的立體圖象的重力穩(wěn)定裝置，其特征在于包括-若干能繞行星表面作軌道運行的殼體;-有效地連接在這些殼體之間的，適合于提供這些殼體之間的預(yù)定間隔的系繩;-一臺由一個殼體攜帶的發(fā)射裝置，用于發(fā)射相干的雷達(dá)脈沖信號，以照射這樣的表面并從這樣的表面反射;-兩臺由不同的殼體分別攜帶的接收裝置、每一裝置用來接收對應(yīng)于沿不同的接收角度所接收的反射信號的一組數(shù)據(jù);以及-其中所述發(fā)射裝置與所述接收裝置交替工作，以便把后起的脈沖信號同先前的反射信號分離。
22.權(quán)利要求
21的裝置，其進(jìn)一步的特征在于由至少一個殼體攜帶的至少一個調(diào)度裝置，用于釋放或者收回所述系繩，以提供所述殼體之間的所述間隔。
23.權(quán)利要求
22的裝置，其進(jìn)一步的特征在于由一個殼體攜帶的處理裝置，用于對所述幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行包括相關(guān)的處理，其中所述數(shù)據(jù)的復(fù)蓋中的差別提供包括垂直高度信息的立體圖象。
24.權(quán)利要求
23的裝置，其進(jìn)一步的特征在于-由一個這種殼體攜帶的，用于記錄所述已處理的數(shù)據(jù)的記錄裝置;以及-用于提供初始動力，以推離所述殼體的裝置。
25.權(quán)利要求
24的裝置，其進(jìn)一步的特征在于由至少一個這種殼體攜帶的，用于把所述接收數(shù)據(jù)發(fā)送到所述處理裝置的裝置。
26.權(quán)利要求
25的裝置，其進(jìn)一步的特征在于-由一個這種殼體攜帶的，與所述處理裝置電連接以便將已處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到遙控接收站的初級數(shù)據(jù)鏈路發(fā)射裝置;-由至少一個這種殼體攜帶的、用于檢測這種殼體相對于其他這種殼體在運動和姿態(tài)方面的差別的傳感器裝置;以及-由至少一個這種殼體攜帶的、有效地接收并響應(yīng)來自所述傳感器的信號、用于給這種殼體提供姿態(tài)和運動補(bǔ)償?shù)囊环N姿態(tài)和運動校正裝置。
27.權(quán)利要求
22的裝置，其中至少一個其他這種殼體具有下述特征-其中具有至少一個開口并攜帶至少一個附加殼體的殼體;-有效地連接在所述殼體之間、適合于提供它們之間的預(yù)定間隔的系繩;-由所述其他殼體攜帶的、用于給所述附加殼體提供初始推力的至少一個這種分離裝置;以及-由所述其他殼體攜帶的，用于釋放或者收回所述系繩，以提供所述殼體之間的所述間隔的至少一個這種調(diào)度裝置。
28.權(quán)利要求
22的裝置，其進(jìn)一步的特征在于-由至少一個這種殼體攜帶的，用于記錄所述幾組數(shù)據(jù)的記錄裝置;以及-用于提供初始動力，以推離所述殼體的裝置。
29.權(quán)利要求
28的裝置，其進(jìn)一步的特征在于由至少一個這種殼體攜帶的，用于把所述接收數(shù)據(jù)發(fā)送到所述記錄裝置的裝置。
30.權(quán)利要求
29的裝置，其進(jìn)一步的特征在于-由一個這種殼體攜帶的，與所述記錄裝置電連接以便把數(shù)據(jù)發(fā)送到遙控的接收站以供處理的初級數(shù)據(jù)發(fā)射裝置;-由至少一個這種殼體攜帶的、用于檢測這種殼體相對于其他這種殼體在運動和姿態(tài)方面的差別的傳感器裝置;以及-由至少一個這種殼體攜帶的、有效地接收并響應(yīng)來自所述傳感器裝置的信號、用于給這種殼體提供姿態(tài)和運動補(bǔ)償?shù)囊环N姿態(tài)和運動校正裝置。
31.一種用于提供行星的表面區(qū)域的立體圖象的重力穩(wěn)定裝置，其特征在于-其中具有至少一個開口并攜帶至少一個其他殼體的第一殼體，所述這些殼體能夠繞行星的表面作軌道運行;-有效地連接在這種殼體之間、適用于提供它們之間的預(yù)定間隔的系繩;-一臺由一個殼體攜帶的發(fā)射裝置，用于發(fā)射相干的雷達(dá)脈沖信號，以照射這種表面并從這種表面反射;-兩臺由不同的殼體分別攜帶的接收裝置、每一裝置用來接收對應(yīng)于沿不同的接收角度所接受的反射信號的一組數(shù)據(jù);-其中所述發(fā)射裝置與所述接收裝置交替工作，以便把后起的脈沖信號同先前的反射信號分離;-由所述第一殼體攜帶的、用于給這種其他殼體提供初始推力，使它們穿過所述開口的至少一個分離裝置;以及-至少由所述第一殼體攜帶的，用于釋放和收回所述系繩，以提供所述殼體之間的所述間隔的至少一個調(diào)度裝置。
32.權(quán)利要求
31的裝置，其進(jìn)一步的特征在于由一個殼體攜帶的處理裝置，用于對幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行包括相關(guān)的處理，其中所述數(shù)據(jù)的復(fù)蓋中的差別提供了包括垂直高度信息的立體圖象。
33.權(quán)利要求
32的裝置，其進(jìn)一步的特征在于由一個這種殼體攜帶的，用于記錄所述已處理的數(shù)據(jù)的記錄裝置。
34.權(quán)利要求
33的裝置，其進(jìn)一步的特征在于由至少一個種殼體攜帶的，用于把所述接收數(shù)據(jù)發(fā)送到所述處理裝置的裝置。
35.權(quán)利要求
34的裝置，其進(jìn)一步的特征在于-由一個這種宇宙飛船攜帶的、與所述處理裝置電連接以便把已處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到遙控接收站的初級數(shù)據(jù)鏈路發(fā)射裝置;-由至少一個這種殼體攜帶的，用于檢測這種殼體相對于其他這種殼體在運動和姿態(tài)方面的差別的傳感器裝置;以及-由至少一個這種殼體攜帶的、有效地接收并響應(yīng)來自傳感器裝置的信號，用于向這種殼體提供姿態(tài)和運動補(bǔ)償?shù)淖藨B(tài)和運動校正裝置。
專利摘要
通過采用一種沿軌道運行的、側(cè)視的、收發(fā)分置的綜合孔徑雷達(dá)，使得以單通道收集完整的立體數(shù)據(jù)成為可能。本系統(tǒng)使用至少兩艘沿軌道飛行的、在彼此平行的同步軌道中并借助系繩(14)相隔開的宇宙飛船(10-12)。發(fā)射機(jī)(18)向行星的表面發(fā)射雷達(dá)信號(26)，此信號被反射回來(28，30)并被兩個接收機(jī)(由每艘宇宙飛船各攜帶一個)所接收。當(dāng)組合這些信號時，其覆蓋產(chǎn)生三維圖象，從中可以確定垂直高度信息。
文檔編號G01S13/90GK87102569SQ87102569
公開日1987年10月28日 申請日期1987年3月31日
發(fā)明者米爾頓·布魯斯·胡佛 申請人:固特異航天公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan