星载干涉合成孔径雷达高度计波束指向优化设计新方法

基于干涉合成孔径雷达(InSAR)体制的星载高度计能实现高分辨率、宽幅、高精度海面高程测量。传统合成孔径雷达(SAR)系统波束指向设计方法以SAR图像近远端噪声等效后向散射系数差异最小化为优化目标,星载InSAR高度计对海入射角小,如采用传统波束指向设计方法将面临系统近端测高性能优于远端等问题。为使远端测高性能满足应用精度指标要求,系统需提高雷达发射功率或增大雷达天线尺寸,这对卫星系统提出了较高的要求。提出了面向测高应用的星载InSAR高度计波束中心指向设计新方法。该方法通过调整雷达波束中心指向实现全场景测高性能最优化,可有效降低传统设计方法中SAR载荷对发射功率等卫星指标的要求,对未来我国发展InSAR体制海面高度计系统设计具有重要的指导意义。仿真分析结果验证了新方法相对于传统设计方法的优越性。     

分布式InSAR系统技术综述

概述分布式卫星干涉合成孔径雷达（InSAR）系统的定义、组成、工作体制、应用领域及特点。综述了4个典型的分布式卫星InSAR系统发展现状,分析了总体技术、编队控制、三同步和基线测量四项系统关键技术。讨论了分布式卫星InSAR系统的高分辨率与宽观测带、实时与准实时和多功能发展方向。针对可实现高分辨率与宽观测带的多通道技术,分析了相位中心个数与重频的关系,并以一发三收模式为例,设计分辨率1m、观测带宽度30km波位参数,并分析总结其技术难点。针对有望实现实时与准实时监视的中、高轨InSAR系统,分析了处理器带宽、合成孔径时间、天线尺寸、峰值功率和基线等参数与轨道高度的相互关系。以轨道高度30000km为例,设计分辨率5m、覆盖范围600km波位参数,分析并总结了系统的关键技术。     

分布式SAR卫星偏航控制及精度要求

分布式SAR是一个复杂的协同工作编队多卫星系统,波束同步是实现干涉SAR的前提。针对分布式SAR卫星对偏航控制和波束同步要求的特点,文章对其两个重要参数多普勒中心频率fDC和多普勒中心频率差ΔfDC进行了详细分析,提出了沿迹基线的要求。利用偏航与俯仰联合控制来减小fDC,并提出了主、辅星采用相同的偏航控制角度、由相控阵天线实现波束同步的途径,以避免编队卫星面质比的差异。最后分析并得出了对姿态控制精度的要求。     

星载抛物面天线视在相位中心确定方法及应用

星载抛物面天线成像过程中对波束的指向精度有较高要求,而波束指向精度在很大程度上取决于天线相位中心的位置精度。基于抛物面天线工作原理及视在相位中心的定义,提出一种抛物面天线视在相位中心的确定方法。在此基础上,通过卫星在轨多体系统仿真分析,给出了卫星机动过程中的视在相位中心坐标范围,并利用最小二乘法分析了视在相位中心坐标偏移量。进一步对比分析了有阻尼器和无阻尼器连接方式对天线视在相位中心偏移量的影响关系,为后续抛物面天线指向精度研究提供了理论基础。     

GPS接收机天线相位中心变化对基线解的影响

GPS接收机天线相位中心变化与卫星信号的入射方向有关，因此相位中心变化对基线解的影响还与参加解算的卫星个数及卫星的几何分布有关。在考虑卫星几何分布情况下，首先研究了相位中心变化对单个点位坐标的影响，然后推导了相位中心变化引起的基线矢量的偏差计算公式。此计算公式综合考虑了各种引起天线相位中心变化的因素，如天线的类型、天线的安置误差、卫星的几何分布、卫星个数等。最后，给出了具体算例，并给出了减弱这种影响的方法。     

一种星载高相位中心稳定度双频GPS天线

介绍一种用于星载的变形十字交叉振子圆极化天线,通过对普通十字交叉振子天线进行改进,展宽了天线的工作带宽,使该天线能同时工作在GPS的L1和L2两个频率上。该天线结构简单,除了支撑材料外,整个天线由金属构成,易于满足星载的环境要求。该天线具有很高的相位中心稳定度,在要求的波束范围内天线的相位中心稳定度小于2mm,达到了国外同类产品的水平。仿真及实测结果表明,设计实用、可行。文中还研究了天线相位中心的测试方法和数据处理方法,并应用到实际测试中。     

分布式InSAR基线转换及其误差分析

建立了分布式干涉合成孔径雷达（InSAR）卫星的基线模型,给出了部位修正、全球卫星定位系统（GPS）授时、插值和配准等主要误差源与基线误差的关系,在Matlab软件中仿真分析了各误差源对基线及测高精度的影响。结果表明：GPS测量误差对测高精度的影响严重;合成孔径雷达（SAR）及GPS天线相位中心相对安装点的误差对测高精度的影响较大;安装及热变形误差对测高精度的影响较小;姿态测量误差、配准误差,以及GPS授时误差对测高精度的影响可忽略。     

一种新型波束赋形天线

运用电磁场理论分析了天线方向图相加的各要素;研制了一种新型波束赋形天线,其波束为半球形,极化为右旋圆极化,适于作为GPS接收天线。利用计算机辅助设计大大提高了天线设计的精度和准确度。计算机辅助设计和实验都表明:只要正确处理好幅度和相位的关系,用方向图相加的方法来设计波束赋形天线是切实可行的。     

系绳卫星体制高精度INSAR系统设计

针对现有分布式干涉系统难以实现更高比例尺高效率地形测绘的问题,提出了一种基于系绳卫星体制的InSAR系统。首先,结合系绳卫星动力学仿真,给出了系绳干涉系统的几何模型,提出了系绳干涉系统的工作模式,然后研究了系绳卫星SAR载荷的具体工程实现途径,提出了基于系绳电缆解决实现同步和相位同步的方法。首次建立了系绳长度及面内角等参数与模糊高度的关系,对SAR载荷的工作频段、发射峰值功率、天线口径、入射角范围等进行了优化设计。对系绳InSAR系统的关键性能指标进行仿真分析,仿真结果表明该系统可以实现0.5m测高精度等核心指标。该研究提出了一种1:5000比例尺的高精度测绘SAR系统,相对测高精度比德国的Tandem-X系统提升了4倍,可为我国后续开展高精度星载InSAR工程研制提供参考。     

基于连接点的机载双天线InSAR系统相位偏置估计算法

针对在茂密森林或沙漠地区部署地面控制点(GCP)对其进行测量非常困难的问题,提出了一种基于连接点的机载双天线InSAR系统相位偏置估计新算法。基于InSAR原理建立地面高程反演的几何表达式,并根据重叠区域里的连接点高程在两次干涉测高过程中不变的特性建立相位偏置间的线性关系,在用最小二乘法求解相位偏置时,通过对不同的连接点进行加权,使估计出的相位偏置更加准确。对X波段机载双天线InSAR系统获得的实际数据进行处理,结果表明:与传统的算法相比,该算法无需GCP,具有更低的成本和更高的效率,且产生的数字高程模型(DEM)具有相似的精度。     

星载平面相控阵天线相位中心位姿标定方法

星载平面相控阵天线的相位中心是影响卫星成像质量的一个重要参数，针对平面相控阵天线的相位中心在卫星上的位姿标定问题，本文提出了一种标定平面相控阵天线相位中心位姿的方法。首先，建立了平面相控阵天线相位中心相对卫星主基准位姿传递的数学模型;其次，采用暗室测量系统对平面相控阵天线相位中心进行了标定，测得天线本体坐标系下的天线相位中心位置;最后，利用激光跟踪仪和经纬仪精测系统测出了天线相对卫星基准的位姿矩阵。基于本文提出的数学模型，获取了平面相控阵天线相位中心在卫星基准坐标系下的位置与姿态数据;同时，通过试验验证了平面相控阵天线紧固件的拧紧力矩，其对平面相控阵天线相位中心的影响可忽略。该方法对后续确定搭载平面相控阵天线的卫星相位中心工程验证，提供了参考。     

干涉SAR多基线分析与设计

为对干涉合成孔径雷达(InSAR)进行优化设计以提高系统的测高精度,对干涉SAR多基线设计进行了分析和研究。用多基线最大似然相位估计方法,比较干涉相位误差最小和相位解缠稳健性最大两种准则,确定选择后者作为多基线系统的基线比例设计准则。给出了多基线长度优化设计方法:先设计多基线系统中的长基线,基于单基线对测高性能的传递模型,按测高精度要求反推长基线的长度范围;再以多基线相位解缠的稳健性最大化为准则进行基线比例寻优,获得短基线长度范围,解决长基线的相位解缠。给出了针对山区地形的一个多基线InSAR系统设计样例,结果表明:采用最大似然法,通过短基线辅助长基线相位解缠,获得了平滑的解缠相位和数字高程模型(DEM)重建结果。该信号处理方法具提高DEM产品精度的潜力。     

基于DEM和GMTI的收发同置分布式InSAR编队构型设计

针对多星收发同置分布式干涉合成孔径雷达(InSAR),建立了基线的空间几何模型,基于高程测量(DEM)和动目标检测(GMTI)任务设计卫星编队构型。给出了多星收发同置分布式InSAR的基线参数与构型参数的转换关系,在任务对基线的约束下,以小于某指标的测高和测速误差的轨道运行时间为优化目标,设计构型参数并仿真分析,获得了三种不同编队构型的基线稳定性和测量误差。     

非合作式星载双站雷达波束同步设计

波束同步设计是星载分布式雷达系统总体设计的重要问题。针对发射卫星是非合作式的情况，给出六种可能的卫星姿态和天线指向参数方案。给出如下数学模型：针对一般编队，总结出波束指向同步的一般方法；提出一种基于波束指向同步的波束覆盖同步方法，并基于该方法，得到上述六种方案对应的波束覆盖同步方法；提出衡量姿态和天线指向控制能力要求的方法和覆盖能力模型，对六种可能的卫星姿态和天线指向方案，进行波束同步设计和波束覆盖能力仿真分析和比较，仿真结果验证了数学模型的正确性。     

运载火箭天基测控天线覆盖性能分析

相控阵天线是运载火箭天基测控系统的重要组成部分,天线波束指向的正确性决定了天基测控系统工作的有效性。文中对造成天线波束指向偏差的影响因素进行简述,并以某型号飞行弹道为例,重点分析运载火箭姿态角误差对天线波束覆盖性能的影响。分析方法可作为运载火箭天基测控系统设计和工程研制的参考。     

卫星微波干涉测高体制及性能分析研究

针对传统卫星星下点高度计测高体制只能实现一维测量,不能兼顾时间和空间分辨率的问题,重点分析了可实现宽刈幅测高的传统合成孔径雷达干涉(InSAR)测量和新型InSAR高度计测高两种体制;阐述了卫星微波干涉测高的工作原理及误差传播关系;研究了不同雷达下视角情况下随基线倾角的变化相位与基线误差对干涉测高精度的影响,从测高精度与地面分辨率方面分析两种体制的异同及应用范围。文章最后对不同的测高体制的测高精度和应用进行了总结对比,提出了可使测高体制充分发挥优势的应用范围和条件。     

导航卫星天线相位中心及时延测试

导航卫星天线的相位中心及时延稳定度测试准确与否直接关系到导航定位系统的测距精度,最终影响到系统的定位精度。文章从天线相位中心和天线时延定义出发,提出了天线相位中心及天线时延稳定度的测试方法,并给出了相应的测试结果,为下一步的深入研究提供理论和试验基础。     

星载合成孔径雷达天线的工程设计

介绍了星裁合成孔径雷达(SAR)固态有源相控阵天线工程设计的基本方法。根据性能要求，对相控阵天线进行了阶梯幅度量化，以减少T／R组件的品种数。采用相位加权改变仰角的波束宽度，给出了方向图的仿真结果。对相控阵天线的阵面误差、天线增量、最大副瓣电平和波束指向误差进行了近似计算，并给出了详细的计算结果。     

高分三号卫星C频段多极化有源相控阵天线系统设计

高分三号(GF-3)卫星SAR载荷天线是中国首副成功在轨应用的C频段多极化天线,其采用有源相控阵体制,多极化共孔径设计,波束控制灵活,能够实现12种常规工作模式及多种扩展模式。GF-3卫星C频段多极化有源相控阵天线(简称SAR天线)质量占到卫星总质量的46%,工作时最大功耗占卫星能源功耗的60%以上,而其发射功率、带宽特性、方向图等都对成像性能有着至关重要的影响。文章针对GF-3卫星SAR天线C频段、多极化、大带宽、高功耗、高精度、大尺寸、轻量化等特点,介绍了天线系统设计的内容及主要性能结果,可为中国后续SAR卫星有源相控阵天线的研制提供参考。     

SAR干涉测高分布式小卫星编队构形优化设计

SAR干涉（InSAR）测高是分布式卫星目前一个重要的应用方向。星间基线是系统高程理论精度的决定性因素之一，而基线是由编队构形决定的，因此构形设计是InSAR测高分布式小卫星系统顶层设计的一个关键内容。针对设计变量与目标函数之间的关系非常复杂，没有简单明确的解析形式的特点，选择遗传算法作为优化算法进行构形的优化设计，给出了编码方法和适应度函数。以典型雷达卫星参数为初始条件，对几种不同构形进行了仿真，结果表明在一个轨道周期内，双星空间编队约有一半时间能够满足精度优于1m的要求，是进行InSAR测高的首选构形。