CN115755047B 一种sar卫星高分辨成像任务规划方法 （中国空间技术研究院）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(72)发明人刘杰刘书豪于海锋李梁张润宁程晓安亮刘磊匡辉高贺利许宇栋限公司16101专利代理师吴亚兰审查员钱亦枭明避免成像任务之间的姿态切换、开关机时刻、2步骤1、基于获取任务规划的初始参数与约束条件，包括任务规划时段、成像任务需求、数传弧段、卫星初始轨道、载荷最大视场角、初始剩余固存容量、单圈最长累计成像时长和最大姿态机动能力；基于卫星轨道预报，剔除不可见目标的成像任务，计算可见目标的成像窗口；步骤2、基于成像窗口内的卫星运动信息，计算载荷开关机时步骤3、判断载荷开关机时刻是否有重叠，若存在重叠，则仅保留优先级最高的成像任步骤4、计算姿态欧拉角，基于姿态欧拉角计算角速度和角加速度；步骤5、比较相邻成像任务的姿态欧拉角、角速度和角加速度，判断是否存在姿态切换冲突，是则仅保留优先级最高的成像任务；步骤7、计算成像任务的固存量；将成像任务与数传弧段按时间排序；相邻数传弧段内的成像任务的固存量总量超过卫星剩余量时，按优先级从低到高排列成像任务，依次删除，直至不超过卫星剩余量；步骤8、将成像任务按照圈次划分，计算每圈载荷成像的总时长，判断是否超过单圈最2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2的具体方式为：步骤2.1、筛选成像窗口内的卫星运动信息，计算零多普勒时刻t;步骤2.2、根据零多普勒时刻t,计算等效旋转中心在地固系下的位置矢量0rot,进而获得零多普勒时刻卫星相对于地固系的速度矢量；运算，A=Pspot/Pstrip为分辨率改善因子，由滑动聚束模式分辨率Pspot和条带模式分辨率步骤2.4、计算成像开始与结束时刻：成像开始时刻tstart=t-0.5×tn,成像结束时刻步骤2.5、计算载荷开关机时刻：令载荷成像开机准备时长记为tpre,成像结束转入待机3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4的具体方式为：步骤4.1、计算从成像开始时刻至成像结束时刻，卫星本体坐标系x轴、y轴和z轴在地固系下的理论指向；步骤4.2、计算各由卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的姿态矩阵Co(t):3其中，CFo(t)为由卫星轨道坐标系到地固系的坐标转换矩阵；(x₁(t),x₂(t),x₃(t))、(y₁(t),y₂(t),y₃(t))、(z₁(t),z₂(t),z₃(t))分别为t时刻卫星本体坐标系x轴、y轴和z轴在地固系下的理论指向；步骤4.3、将姿态矩阵Co(t)转换为欧拉角：记C³o(t)的分量形式如下：其中0pitchOr₁10ya分别为俯仰角、滚动角和偏航角，atan(*)、asin(*)分别为反正切、反正弦函数；步骤4.4、采用最小二乘法，将成像开始到结束各时刻的俯仰角、滚动角和偏航角拟合为多项式曲线；步骤4.5、对上述多项式曲线求一阶导数，获取成像开始、结束时刻的欧拉角速度；对上述多项式曲线求二阶导数，获取成像开始、结束时刻的欧拉角加速度。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6的具体方式为：步骤6.1、根据目标的场景回波距离徙动确定场景回波的瞬时最大斜距跨度，设计方位向各段斜距总跨度的满足范围；步骤6.2、根据方位向各段斜距总跨度的满足范围，对回波接收期间的方位向进行分步骤6.3、根据方位向各段内的回波最小斜距与最大斜距，设计方位向各段回波接收窗步骤6.4、基于方位向各段回波接收窗的起始与终止采样时刻，搜索匹配回波接收窗时间范围的工作重频；步骤6.5、仿真验证分段变重频设计结果是否保证回波能够有效接收，如果保证回波能够有效接收，则设计结束并输出时序参数，否则返回步骤6.3,直到分段变重频设计结果保证回波能够有效接收。5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述时序参数包括：一次成像过程中的方位向分段总数Na;第i段的方位向起始采样时刻Taa;第i段的方位向终止采样时刻Taa;第i段的回波接收窗起始采样时刻Tsnan;第i段的回波接收窗终止4一种SAR卫星高分辨成像任务规划方法技术领域[0001]本发明涉及卫星任务规划技术领域，具体涉及一种SAR卫星高分辨成像任务规划方法。背景技术[0002]区别于传统卫星的任务规划，SAR卫星高分辨率成像任务规划需要综合考虑卫星姿态与脉冲收发时序的协同规划问题。一方面，任务需要根据成像需求，合理设计姿态机动轨迹，使卫星带动SAR天线波束转过一定的角度，保证方位向大合成孔径带宽。这是因为敏捷SAR卫星采用反射面天线体制，波束相对卫星本体固定，为了实现高分辨率成像，需要通过姿态机动实现波束在空间的指向变化。当进行多目标超高分辨率成像时，需要考虑不同目标间的姿态切换时间，以避免成像姿态冲突。另一方面，在成像过程中，卫星相对目标的距离将出现大范围变化，为此需要根据成像期间星地距离徒动特性，合理设计脉冲收发时序，以实现对完整场景回波的有效接收。脉冲收发时序直接影响成像数据占用的卫星固存，当进行多目标高分辨率成像时，需要考虑不同成像任务的占用数据量大小，以完整存储所有数据。[0003]从上面的论述可以看出，敏捷SAR卫星超高分辨率成像任务规划涉及姿态轨迹和SAR超高分辨率滑动聚束模式的卫星平台姿态机动方法”(专利号：CN106291557A)中提出了滑动聚束姿态轨迹设计方法。针对高分辨率SAR成像的波位设计，专利“一种超高分辨率星载SAR的分段变重频时序设计方法”(专利号：CN110208800A)中提出了超高分辨率SAR时序设计方法。但是，上述专利仅涉及单目标超高分辨率成像任务规划的单个方面，无法解决敏卫星超高分辨率成像的任务规划方法。发明内容[0004]有鉴于此，本发明提供了一种SAR卫星高分辨成像任务规划方法，能够结合姿态机动和时序，对多目标成像任务进行高效规划。[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案为：[0007]步骤1、基于卫星轨道预报，剔除不可见目标的成像任务，计算可见目标的成像窗[0009]步骤3、判断载荷开关机时刻是否有重叠，若存在重叠，则仅保留优先级最高的成像任务。[0011]步骤5、比较相邻成像任务的姿态欧拉角、角速度和角加速度，判断是否存在姿态5待机的时长记为tf,则载荷开机时刻为tstar67够有效接收，保证时序参数的准确性。附图说明[0048]图1为本发明的方法流程图。[0049]图2为成像任务与数传弧段分布示意图。具体实施方式[0051]如图1所示，本发明提出一种SAR卫星高分辨成像任务规划方法，具体步骤[0052]步骤1、基于获取任务规划的初始参数与约束条件，包括任务规划时段、成像任务[0053]任务规划时段：包括开始和结束时刻，用于限制任务规划的时间范围；像分辨率和成像幅宽、拟成像时段和任务优先级，其中拟成像时段的时长不应超过一个卫星轨道周期；[0055]数传弧段：卫星对地进行成像数据传输的开始时刻与结束时刻，数传过的成像数据将被卫星删除；[0056]载荷最大视场角：载荷波束可指向的最大角，受卫星姿态机动能力约束；[0057]初始剩余固存容量：卫星可存储的数据量大小，任务规划时段内需保证不小于0;[0058]单圈最长累计成像时长P₀:任务规划时段内，控制卫星单圈成像总时长不大于该[0059]最大姿态机动能力：卫星控制系统提供的最大姿态机动能力，采用卫星坐标系大视场角，删除不可见目标的成像任务：[0061]步骤2.1、轨道动力型模型基于卫星初始轨道外推任务规划时段的轨道预报数据，包括卫星位置和速度。[0062]步骤2.2、根据轨道预报数据和载荷最大视场角，判断在各成像任务的拟观测时段内，卫星对该目标是否可见，剔除不可见目标的成像任务，并计算可见目标的成像窗口(即目标位于载荷最大视场角范围内的时间段)。[0063]步骤3、基于成像窗口内的卫星运动信息，计算每个成像任务的载荷开关机时刻：[0065]步骤3.2、根据零多普勒时刻t,计算等效旋转中心在地固系下的位置矢量0rot,进而获得零多普勒时刻卫星相对于地固系的速度矢量；8[0068]其中，Dsc为成像幅宽，Vs(t)为零多普勒时刻卫星相对地固系的速度矢量，|*|为取模运算，A=Psnot/Pstrip为分辨率改善因子，由滑动聚束模式分辨率Pspot和条带模式分辨[0069]步骤3.4、计算成像开始与结束时刻：成像开始时刻tstart=t-0.5×t。n,成像结束[0070]步骤3.5、计算载荷开关机时刻：令载荷成像开机准备时长记为tnre,成像结束转入待机的时长记为toff,则载荷开机时刻为tstart⁻tpre,载荷关机时刻为tena+toff[0071]步骤4、判断可见目标的载荷开关机时刻是否有重叠，若存在重叠，则仅保留优先级最高的成像任务。[0072]步骤5、计算成像任务的姿态欧拉角，基于姿态欧拉角计算成像任务开始与结束时刻的姿态欧拉角速度和角加速度：[0073]步骤5.1、计算从成像开始时刻至成像结束时刻，卫星本体坐标系x轴、y轴和z轴在地固系下的理论指向；[0074]步骤5.2、计算各由卫星轨道坐标系到卫星本体坐标系的姿态矩阵CBo(t):轴在地固系下的理论指向；[0077]步骤5.3、将姿态矩阵CBo(t)转换为欧拉角：[0078]记CBo(t)的分量形式如下：[0083]步骤5.4、采用最小二乘法，将成像开始到结束各时刻的俯仰角、滚动角和偏航角拟合为多项式曲线；对上述多项式曲线求二阶导数，获取成像开始、结束时刻的欧拉角加速度。[0085]步骤6、判断卫星机动能力是否满足相邻成像任务的姿态切换需求(比较相邻成像任务的姿态欧拉角、角速度和角加速度，判断是否存在姿态切换冲突),若不能满足，则保留9最高优先级任务。[0087]步骤7.1、根据目标的场景回波距离徙动确定场景回波的瞬时最大斜距跨度，据此设计方位向各段斜距总跨度应满足的范围；[0088]步骤7.2、根据方位向各段斜距总跨度应满足的范围对回波接收期间的方位向进行分段；[0089]步骤7.3、根据方位向各段内的回波最小斜距与最大斜距，设计方位向各段回波接收窗的长度以及起始与终止采样时刻；[0090]步骤7.4、基于方位向各段回波接收窗的起始与终止采样时刻，搜索能够匹配回波接收窗时间范围的工作重频；[0091]步骤7.5、仿真验证分段变重频设计结果是否保证回波能够有效接收，如果保证回波能够有效接收，则设计结束并输出时序参数，否则返回步骤6.3,直到分段变重频设计结果保证回波能够有效接收。[0092]经过上述计算过程，可得到SAR载荷单个成像任务所需的时序[0093]一次成像过程中的方位向分段总数Na;第i段的方位向起始采样时刻第i段的方位向终止采样时刻;第i段的回波接收窗起始采样时刻;第i段的回波接收窗存需求，判断卫星的剩余固存量是否满足成像数据存储的需求保证，如不能满足，则优先保留高优先级任务。[0095]步骤8.2、记整个任务规划期间卫星共有N个数传弧段，按照时间先后进行排序和标号，Wstar、Wea分别为第j个数传弧段的开始与结束时刻。将步骤六保留的各成像任务开始与结束时段、数传弧段按照时间先后进行排序，如图2所示。[0096]步骤8.3、按照j从1到N的顺序，依次计算第j次数传开始时刻星上剩余固存容量[0098]步骤9、将成像任务按照圈次划分，计算每圈载荷成像的总时长，判断是否超过单圈载荷成像总时长约束；若超过，则按优先级从低到高的顺序，依次删去成像任务，直至不超过单圈载荷成像总时长约束，结束任务规划。[0099]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。判断卫星机动能力是否满足相临两次成像任务判断卫星机动能力是否满足相临两次成像任务的姿态切换需求，如不满足，则保留高优先级任务规划各成像任务的脉冲时序根据脉冲时序，计算各成像任务的固存需求，判断星上剩余固存量是否满足成像数据存储的需求保证，如不满足，则优先保留高优先级任务判断是否满足单圈总长像时长限制，如不满足，则