干涉SAR卫星编队波束同步方法

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1、2010年10月中国空间科学技术。第5期ChineseSpaceScienceandTechnology干涉SAR卫星编队波束同步方法贺东雷1曹喜滨2马骏1刘品雄1(1中国空间技术研究院，北京100094)(2哈尔滨工业大学卫星技术研究所，哈尔滨150080)摘要考虑到干涉SAR卫星编队姿态偏航导引要求，提出了两种兼顾偏航导引的编队波束同步方法。第一种方法结合星地、星间位置关系并通过坐标变换，规划了使系统满足波束同步要求的卫星姿态。考虑到该方法建模抽象、求解繁琐等不足，又提出了基于欧拉旋转的波束同步方法。数值仿真结果表明，两种方法均可有效实现系统波束同步，且后者效果更优。关键词合成孔径雷达

2、偏航导引波束同步卫星编队1引言干涉SAR卫星编队为实现其功能，需考虑发射和接收卫星间的波束同步问题。目前，国内外有关波束同步的研究文献较少。文献[1]定性分析了天线波束指向对完成干涉SAR任务的影响；文献[2]讨论了轨道平行星载双站SAR系统的波束同步问题，为满足卫星在不同轨道周期内的幅宽重叠率要求，给出一种使测绘分辨率达最高的折衷方案；刘建平等提出了三种波束指向同步方法r3]；黄海风等总结了波束指向同步一般方法，并提出一种基于波束指向同步的波束覆盖同步方法L4]。值得注意的是，在SAR数据处理中，多普勒中心频率受地球自转影响很大，给成像处理带来困难，通过对SAR卫星姿态进行偏航导引控制可

3、有效解决这一问题[5]。综上所述，有必要研究满足偏航导引要求的干涉SAR卫星编队波束同步策略。2满足偏航导引要求的波束同步策略当轨道偏心率为小量时，SAR卫星偏航导引律为口]0：f——譬1COSu(1)、御5／山c—COSI／式中妣为地球角速度；i为卫星轨道倾角；∞。为平均轨道角速度；“为近地点幅角。可见，偏航导引角随卫星在轨道上位置变化而变化，其周期与轨道周期相同，最大幅度约为4。，不能被轻易忽略。一般情况下，SAR天线体积和质量较大，在卫星上安装方位固定。在本文研究中，主星偏航角按照式(1)所示规律变化，考虑如何采用调节从星姿态的方式实现主从星波束同步。收穰日期：2009—1l一05。

4、收修改樯日期：2010一Ol一2210中国空间科学技术2010年10月2．1基于规划姿态角的波束同步策略图1中，OlX。Y。Z。和02X：y。Z。是主从星轨道坐标系，N，。和N，。为与地心连线和地球表面交点，e为转轴单位矢量，_y为天线在星体中侧视安装角。两星本体坐标系与轨道坐标系重合时，天线波束覆盖区域如虚线椭圆所示。当主星存在偏航角口时(见图1)，可基于下述步骤规划从星姿态：1)调节从星俯仰姿态，使本体坐标系OX轴负方向指向N。(N：为主星波束绕其轨道坐标系0。y。轴旋转后与从星轨道面交点)；2)调节从星偏航姿态，使天线俯仰主平面过波束中心点；3)调节从星横滚姿态，使两天线波束照射中心

5、重合。图1双星编队波束覆盖同步示意图偏航角为0，天线相对于体坐标系横滚角为乒，基于9--0--声的转动顺序有邕．sin(n-叫乒)’№J盎0翻甬警sin9嘲^一匿；]=rco苫snt#驴cs苫in99习匡i]拳一7=arccos(--hi)一y，口=--arctan(hz／hs)11]=E；篓二：iI。s。in。2(2三n一--"7’]医二莒0：：口兰0叫1F⋯橱=窿7]!!!!笙土!旦±垦窒旦壁堂量查!!若主星A相对于地心0的矢量为OA，轨道到惯性坐标系的转换矩阵M，，则目标B相对于地伽一匿Y,]=OA-4-．,111=匿]+尬·匡]于是，从星波束在其轨道坐标系中位置矢量为(其中X。，Y

6、。，Z：为从星惯性坐标，M：为从星轨首先，确定主星01到N2(见图1)的位置矢量O，N2在主星轨道坐标系中的方向余弦[口M，6Ⅳ2，cNzJt。设Ⅳ2是主星波束绕其轨道坐标系0，Y，轴旋转s角度后与从星轨道面交点，则有F=[--cosy，]=[三iIo警sne]I阵I_cm：(：e：)；]aN2(￡)]r—cosycos￡一cosasinysin￡-]do。Ⅳ2(e)=rcos(y删N。)一∥‘孬万赢了i飘一圈斗舶憾㈨㈤设从星轨道面法线在惯性坐标系中表示为G=M“o，0，13T，由于ON。与从星轨道面法线垂f3(cos￡)=w1rJ—cos—z(Yoam)rz--rzq-R2．／(rz—R

7、：)Icos(‰Ⅳ2)=c。sycos￡+c。靳sinysi雎，^一Ⅳ2sin挣i11口J12中国空间科学技术2010年10月sine=一[，。~／r=丽+^(~／r=丽)+f,]If2(5)医兰j=嗨1[Mt卜aⅣ。ce，匡兰兰；]+圈]一匿]]P=意患，卢=arcco$(意盎)3数值仿真与结果分析表1给出了编队卫星初始轨道参数，SAR天线在星体中安装角为右侧视35。，俯仰和方位向波束宽度分别为lOre和3．5m。图2