[发明专利]一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法

说明书

技术领域

本发明属于合成孔径雷达领域，涉及一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法。

背景技术

现有的SAR卫星，轨道通常在500km～800km，由于轨道高度的限制，可覆盖区域小、测绘带窄、重复观测周期长，在很大程度上限制了其应用。例如，目前国际上已有的最宽测绘带宽星载合成孔径雷达Radarsat-II，在100米分辨率条件下，其测绘带宽度为500km，典型的重复观测周期约为2天左右，对于瞬息万变的战场和突如其来的灾害来说，这样的观测能力难以满足需求。

为了克服这些弱点，人们提出了一些解决方案，目前最常见的一种设计思路是利用多颗轨道相近的卫星组网，即所谓的“星座”观测。例如，用于地中海地区环境监测的COSMO小卫星星座，是由4颗x波段小型SAR卫星分布在同一轨道内，成90°间隔，其最大重复观测周期为13小时，离实时观测的要求仍然相差很远。由于它仍然是基于低轨卫星，因此这种改进无法从根本上克服上面提到的那些缺陷。

以汶川地震后各卫星的响应时间为例：汶川大地震发生后1小时内，国家减灾委办公室就紧急启动了国内外卫星数据获取与共享机制。30小时后收到第一景由日本航天局提供的ALOS SAR图像，48小时后收到第二景意大利Cosmo-Skymed雷达图像，52小时后获得我国SAR卫星的观测图像，响应时间远远不能满足灾害应急的需求。表1是这三颗卫星/星座的重访周期和获取SAR图像时间对比。

表1SAR卫星重访能力与汶川地震响应时间对比

借鉴光学观测卫星的发展历程，产生了另外一种设计思路，将合成孔径雷达卫星的轨道升高，这样对于同样的波束偏转角，其可覆盖区域会大幅度增加。高轨道SAR中最具有代表性的是地球同步轨道SAR，其轨道高度为35786km左右，重访周期为一天。卫星公转周期等于地球自转周期，可以对一定经纬度范围内的区域实现周期为1天的连续观测。GEO SAR的瞬时覆盖能力和热点地区的连续监测能力非常卓越，为地质研究、地震预测和灾害响应等重要遥感应用提供了可行性方案。但到目前为止，国内外对GEO SAR的研究多集中在系统性能分析、成像处理等方面，对GEO SAR大覆盖、长时间连续观测方面的研究成果较少，而对固定区域实现连续观测的能力及连续观测实现方式的研究更少，未检索到相关文献。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法，解决了GEO SAR对目标区域进行连续观测时的波束控制问题。

本发明的技术方案是：一种地球同步轨道合成孔径雷达实现覆盖区连续观测方法，步骤如下：

1）根据轨道根数、目标区域经纬度、合成孔径雷达参数以及观测任务所需入射角，获取卫星观测轨道段；

2）根据目标区域经纬度，获取目标在地固坐标系下的坐标，记为坐标A；根据坐标A获得卫星至目标区域的距离；根据卫星至目标区域的距离获得目标在天线坐标系下坐标，记为坐标B；

3）根据轨道根数与合成孔径雷达参数，将坐标A与坐标B变换至同一坐标系下；定义坐标A在新坐标系下表示为A’，坐标B在新坐标系下表示为B’；

4）根据波束指向的改变方式，求解方程A’=B’，得到观测任务所需控制变量。

步骤4）中当波束指向的改变通过天线扫描实现时，令卫星姿态角为0，求解方程A’=B’获得所需的控制变量，即天线指向角；当波束指向的改变通过卫星姿态调整实现时，令天线指向角为0，求解方程A’=B’获得所需的控制变量，即卫星姿态角；当需要天线扫描与卫星姿态调整相结合时，根据天线与卫星的实际机动能力，令天线与卫星无机动能力对应方向变量为0，求解方程即可得所需的控制变量；所述的天线扫描包括机械扫描与电扫描。

步骤3）中所述的同一坐标系采用星体坐标系。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

1）在地球同步轨道合成孔径雷达对地观测方面，提出了利用地球同步轨道合成孔径雷达对特定区域进行长时间连续观测的实现方法，且可以根据天线扫描能力、卫星姿态机动能力选取不同的实现方式组合，即可只利用天线来实现，也可只通过卫星姿态机动实现，还可通过天线与卫星姿态相结合实现。

2）本专利提出的求解波束控制变量的方法简洁实用，易于进行多种波束控制方法的分析比较。首先将目标区域表示在不同坐标系下，然后将影响波束指向的所有变量均包含于坐标变换矩阵中，在求解方程时，令不需要的变量为0即可解得所需的控制变量。