一种验证双基编队卫星InSAR相位同步MGC正确性的方法研究.pdf

:./.收稿日期:修回日期:一种验证双基编队卫星 相位同步 正确性的方法研究赵毅轩刘爱芳黄 龙(中国电子科技集团公司第十四研究所南京)摘 要:针对新型系统工程实际需求提出一种快速验证 相位同步 正确性的方法 利用等效思想与矢量投影方法巧妙快速计算同步信号发射接收的离轴角减少了运算量提高了算法的时效性通过模拟卫星遥测数据、卫星下行的同步信号数据开展地面仿真试验 仿真与试验结果证明了方法的有效性为双基编队卫星 相位同步性能评估提供了有效保障关键词:相位同步中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引 言数字高程模型()是带有大地高低起伏的高程信息的三维数字地图有着十分广泛的军民应用需求 天基干涉合成孔径雷达()作为一种大地高程测绘技术继承了合成孔径雷达()的全天候、全天时、处理自动化等诸多优点已发展成获取全球 的新型实用遥感系统 已有搭载在编队卫星上的天基 系统在轨运行如德国的 系统和我国的 系统更多的同类系统也在研制中对于编队卫星载 系统相位同步是直接影响系统性能的核心关键技术目前普遍采用星间双向交替对传相位同步信号的方式实现其中双星对传的相位同步信号的幅度成为系统关注的重点因为若其幅度过大会因接收机的限幅而“饱和削顶”导致接收到的相位同步信号畸变引出相位同步误差若幅度过小则接收到的相位同步信号的信噪比低导致相位同步精度下降 工程上采用手动增益控制()技术通过设置不同的 值来调节相位同步信号幅度使其满足每次工作第 卷 第 期 年 月雷达与对抗 .时的需求 在轨星载 系统中的 设置值随卫星注数指令包由地面上注给卫星在上述背景下验证星上的 相位同步 是否正确(涉及设置值及其执行是否正确)同时还要满足较高的数据处理时效性作为一项新的工程实际需求被提出 本文提出一种快速验证星载 系统相位同步 正确性的方法对星载 系统的性能测试以及双星相位同步性能的分析、优化与评估都有十分重要的意义 相位同步 正确性验证方法本文提出的快速验证星载 系统相位同步 正确性方法(流程如图 所示)基于双星相位同步 工程经验公式:()()()式中 为/最佳输入信号功率 为接收通道增益 为相位同步通道的峰值发射功率 为雷达中心频率对应的波长 为同步通道系统损耗 为相位同步信号发射接收离轴角()为离轴角 处的发射接收天线方向图增益的二次拟合函数 为双星有效基线 为玻尔兹曼常数 为系统温度为接收通道带宽 为同步通道的系统噪声系数图 快速验证星载 系统相位同步 正确性方法流程重点关注双星 模式工作时实时变量 和的求解其中 可以通过卫星空间几何位置关系直接计算可以结合等效思想与矢量投影方法快速计算 这样就规避了工程中常见的因多次坐标系转换所产生的大量矩阵运算因此本文方法的计算量远小于传统坐标转换方法在得到两项实时变量 和 后 先利用式()求解双星相位同步理论实时值 再利用功率谱计算方法求解实际的相位同步信号功率反推计算出理论的相位同步信号功率 及其均值判定双星相位同步的理论实时最大值 与设置 值之间误差 的阈值验证星上相位同步 设置的正确性判定理论相位同步信号功率 及其均值 之间误差 的阈值 验证星上相位同步 的执行正确性.双星有效基线计算在 个 卫 星 遥 测 帧 中 提 取 出“本 星 绝 对 位置”()()()、“它星绝对位置”()()()和“本星绝对速度”()()()定义“双星相对位置”为()()()其中、为地固坐标系下“双星绝对位置”坐标的差值即 ()()()在双星 模式 帧成像期间有 ()提取出双星有效基线为 .相位同步信号发射接收离轴角快速计算 载荷在卫星本体 坐标系下同步天线喇叭法线指向为()利用下式将其转换到卫星 坐标系:()()()式中 、分别为、的逆 为卫星右侧视角度提取出同步天线喇叭法线朝向在 坐标系下的坐标()本星向它星发射相位同步信号的指向与本星向它星的有效基线连线方向相同即等效成将“双星相对位置”由地固坐标系坐标()()()转换成 坐标系下坐标()()()目前工程上已有由地固坐标系向卫星 坐标系转换的计算公式但过程较为复杂 本文从卫星 坐标系定义出发利用矢量投影法快速求取“双星相对位置”在卫星 坐标系下的坐标 卫星 坐标系定义:轴正方向为地心向卫星的连线方向 轴正方向为卫星飞行方向 轴正方向为、轴满足右手法赵毅轩 等 一种验证双基编队卫星 相位同步 正确性的方法研究则指向的方向因此矢量 ()为卫星 坐标系 轴正方向矢量 ()为卫星 坐标系 轴正方向根据满足右手法则的矢量叉乘公式 ()求解出卫星 坐标系 轴正方向为()()“双星相对位置”矢量 ()在矢量 投影即为卫星 坐标系下 轴坐标 在矢量 投影即为卫星 坐标系下 轴坐标 在矢量 投影即为卫星 坐标系下 轴坐标 如图 所示图 双星相对位置矢量 与 坐标系关系已知矢量投影公式 ()式中 为投影长度 为投影矢量 为被投影矢量 为两矢量夹角将 与、分别代入式()即可求解出本星向它星的基线连线方向在卫星 坐标系下的坐 标()()()()为同步天线喇叭法线朝向在 坐标系下坐标对应的矢量 ()()()为本星向它星发射相位同步信号的指向在卫星 坐标系下坐标对应的矢量利用下式分别求取矢量夹角:()即提取出相位同步信号发射接收离轴角.相位同步 理论实时值计算式()中的()使用二次函数拟合:()()式中、均为二次拟合参数式()转化为分贝表示:()()将双星有效基线为.与相位同步信号发射接收离轴角.代入式()求解双星 成像工作期间相位同步 的理论实时值.相位同步信号功率计算计算相位同步信号.的功率谱为.对功率谱.在相位同步信号带宽内求均值提取出相位同步信号功率.相位同步 设置值正确性验证对上述提取出的相位同步 理论实时值.寻找最大值 进行阈值判定:()式中 为卫星推演轨道偏差对计算 设置值的最大误差 为星上 设置值、均由地面运控系统提供若式()成立则验证星上相位同步信号 设置值正确.相位同步 执行正确性验证 载荷按照 理论实时值执行相位同步所对应的相位同步信号的理论功率为 ()式中 为相位同步信号功率 为星上 设置值 为 理论实时值将相位同步信号功率.、星上 设置值、理论实时值 .代入式()得到理论功率.求均值 令雷达与对抗 年 第 期()得到.的误差.载荷相位同步信号 的系统误差 是个常数 阈值判断:()若式()成立则验证星上相位同步 执行正确 仿真验证为验证上述方法的有效性与可行性模拟双基编队卫星遥感数据、下行的同步信号数据以及 载荷系统工作参数开展仿真试验试验流程与第 章方法一致 仿真实验输入系统参数如表 所示表 输入系统参数系统参数数值/最佳输入信号功率/接收通道增益/相位同步通道的峰值发射功率/雷达中心频率对应的波长 /.同步通道系统损耗/发射接收天线方向图增益()的二次拟合函数的二次项拟合参数.发射接收天线方向图增益()的二次拟合函数的一次项拟合参数.发射接收天线方向图增益()的二次拟合函数的常数项拟合参数.玻尔兹曼常数.系统温度 /接收通道带宽 /同步通道的系统噪声系数 /.依据模拟卫星遥感数据“本星绝对位置”、“它星绝对位置”与“本星绝对速度”计算双星的模拟有效基线由.向.呈非线性变化如图 所示提取同步天线喇叭法线的指向在卫星 坐标系下的坐标利用等效思想和矢量投影法提取本星向它星发射同步信号的指向在卫星 坐标系下的坐标快速计算出同步信号发射接收离轴角变化曲线 模拟的双星同步信号发射接收离轴角由.线性变化为.如图 所示图 模拟双星有效基线变化曲线图 模拟双星同步信号发射接收离轴角实时变化曲线将模拟双星有效基线、模拟同步信号发射接收离轴角代入式()、()、()求解相位同步 的模拟理论值变化曲线 的模拟理论值由.线性变化为.如图 所示图 相位同步信号 的理论实时变化曲线模拟相位同步信号带宽内功率由.线性变化为.变化趋势如图 所示对上 述 提 取 出 模 拟 理 论 值 寻找最大值 .模拟地面运控系统提供的卫星推演轨道偏差对计算 设置值的误差.模拟星上 设置值 满足式()即本次仿真相位同步赵毅轩 等 一种验证双基编队卫星 相位同步 正确性的方法研究图 相位同步信号带宽内功率曲线 设置值是正确的将模拟相位同步信号功率、模拟星上 设置值、模拟理论值代入式()得出模拟相位同步信号的理论功率曲线如图 所示图 相位同步信号理论功率曲线 载荷同步信号 的系统常数误差预设置.对相位同步信号的理论功率曲线求均值得到 .利用式()求解平均功率误差上限曲线如图 所示 验证相位同步信号平均功率误差低于系统误差即本次仿真相位同步 执行正确图 相位同步信号理论功率误差曲线 结束语本文方法适用于星载、机载 系统以及相似原理系统的相位同步 正确性验证 通过利用卫星遥测数据、下行的同步信号数据可以解决双星无法验证 星上同步信号 正确性与稳定性的工程实际问题 同时利用等效思想与矢量投影法相结合巧妙快速计算同步信号发射接收的离轴角相较于工程中常见的坐标系转换算法减少了运算量提高了算法的时效性参 考 文 献 马伦廖桂生李真芳.利用分布式小卫星 系统获取宽域、高分辨率、高精度三维地形.电子学报():.:.:/:.楼良盛刘志铭张昊等.天绘二号卫星工程设计与实现.测绘学报():.曾涛殷丕磊杨小鹏等.分布式全相参雷达系统时间与相位同步方案研究 .雷达学报():.来驰攀刘爱芳穆冬.一种编队卫星 系统相位同步方法研究/第七届高分辨率对地观测学术年会论文集长沙:.():.穆冬刘爱芳来驰攀.星载 的基线长度研究.现代雷达():.杨淑心沃维丰朱莹.投影法在多雷达坐标变换中的应用.现代雷达():.作者简介:赵毅轩 男 年生工程师硕士研究方向:天基雷达总体刘爱芳 男 年生高级工程师博士研究方向:天基雷达总体黄 龙 男 年生高级工程师博士研究方向:天基雷达总体雷达与对抗 年 第 期