一种地球同步轨道SAR卫星相位一致性校正补偿系统及方法与流程

一种地球同步轨道sar卫星相位一致性校正补偿系统及方法
技术领域
1.本发明涉及一种地球同步轨道sar卫星相位一致性校正补偿系统及方法，特别涉及地球同步轨道sar卫星相位一致性校正补偿实现，也可适用于使用该方法的其他航天器，属于sar成像技术领域。


背景技术：

2.地球同步轨道sar卫星(简称高轨sar卫星)是工作在地球同步轨道(轨道距地面高度35786km)的合成孔径雷达卫星。该卫星轨道高，成像机理复杂，对成像的条件相对较高，尤其是发射和接收多个通道之间的相位一致性要求比较苛刻。sar卫星成像可以选择反射面天线体制或者平板相控阵体制，但由于高轨sar卫星要求天线口径较大，目前反射面天线单位面积重量比相控阵天线轻，所以现有进入工程化的高轨sar卫星以反射面体制居多。但现有的高轨sar卫星反射面天线体制载荷成像在相位一致性上存在如下不足：
3.第一，sar载荷体制如采用反射面体制，发射通道和接收通道采用空间合成方式馈电；由于载荷设备数量较多，卫星布局空间有限，发射通道和接收通道单机需布局在卫星不同舱板上，以满足大功率设备不集中在一块舱板的热控要求；
4.第二，为满足sar成像雷达波束需同地球表面有相对运动的要求，地球同步轨道sar卫星一般具有一定轨道倾角(极少数情况下轨道倾角为零，轨道偏心率不为零)，同时要求sar载荷成像时需进行姿态导引(即卫星姿态需不断变化)，使得卫星不同舱板外热流相差较大，最后导致多块载荷舱板在sar载荷工作时温差较大。
5.第三，地球同步轨道sar卫星(轨道倾角为16
°
)的实际布局和热平衡试验结果表明，卫星两个方向上两块载荷舱板(例如 y/-y两方向舱板)瞬时温差最大可达40c
°
，且瞬时温差在不断变化。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种地球同步轨道sar卫星相位一致性校正补偿系统及方法，能够准实时补偿由于温度差引起的相位差异，减小由于相位差异引起的sar图像指标的下降。
7.本发明的技术方案是：
8.一种地球同步轨道sar卫星相位一致性校正补偿系统，该校正补偿系统包括位于地球同步轨道sar卫星的 y舱板的发射通道、位于地球同步轨道sar卫星的 y舱板的接收通道、位于地球同步轨道sar卫星的-y舱板的发射通道、位于包括地球同步轨道sar卫星的-y舱板的接收通道和发射接收共用天线；
9.所述的 y舱板的发射通道上包括发射移相器、发射单机；
10.所述的 y舱板的接收通道上包括接收移相器、接收单机；
11.所述的-y舱板的发射通道上包括发射移相器、发射单机；
12.所述的-y舱板的接收通道上包括接收移相器、接收单机；
13.在 y舱板上，发射信号源发射的信号首先进入到发射移相器，发射移相器对进入的信号进行移相后进入到发射单机中，移相后的信号经由发射单机的传输后通过发射通道发射到发射接收共用天线，发射接收共用天线将信号照射到地面上；发射接收共用天线接收地面信号的散射回波，散射回波信号经由接收通道传输给接收单机，接收单机再将散射回波信号传输给接收移相器，接收移相器将接收的信号进行移相后输出；
14.在-y舱板上，发射信号源发射的信号首先进入到发射移相器，发射移相器对进入的信号进行移相后进入到发射单机中，移相后的信号经由发射单机的传输后通过发射通道发射到发射接收共用天线，发射接收共用天线将信号照射到地面上；发射接收共用天线接收地面信号的散射回波，散射回波信号经由接收通道传输给接收单机，接收单机再将散射回波信号传输给接收移相器，接收移相器将接收的信号进行移相后输出。
15.优选的，所述的地球同步轨道sar卫星的 y舱板、-y舱板的确定方法为：
16.在卫星本体上建立三轴坐标系，以卫星质心作为坐标系原点，z轴指向地面，x轴指向卫星飞行方向，按照右手法则得到y轴方向，得到 y舱板、-y舱板。
17.一种地球同步轨道sar卫星相位一致性校正补偿方法，步骤包括：
18.第一步，比较 y舱板和-y舱板的温度，然后加热温度较低的舱板，使得温度较低的舱板与温度较高的舱板的温度接近；
19.第二步，通过地面试验确定所有发射单机和所有接收单机在不同温度条件下的相位值，得到温度与相位值的关系曲线并存储在卫星上；
20.第三步，在轨采集所有发射单机和所有接收单机的温度，根据第二步得到的温度与相位值的关系曲线获得在轨所采集的发射单机或接收单机的相位值；
21.第四步，将第三步得到的位于 y舱板的发射通道上的所有发射单机的相位值进行相加，得到 y舱板的发射通道的相位值；
22.将第三步得到的位于-y舱板的发射通道上的所有发射单机的相位值进行相加，得到-y舱板的发射通道的相位值；
23.将第三步得到的位于 y舱板的接收通道上的所有接收单机的相位值进行相加，得到 y舱板的接收通道的相位值；
24.将第三步得到的位于-y舱板的接收通道上的所有接收单机的相位值进行相加，得到-y舱板的接收通道的相位值；
25.第五步，将第四步得到的 y舱板的发射通道的相位值与-y舱板的发射通道的相位值作差，得到发射通道补偿值；
26.第六步，将第四步得到的 y舱板的接收通道的相位值与-y舱板的接收通道的相位值作差，得到接收通道补偿值；
27.第七步，发射移相器根据第五步得到的发射通道补偿值对发射信号源发射的信号进行相位补偿，接收移相器根据第六步得到的接收通道补偿值对接收到的信号进行相位补偿；
28.第八步，发射通道和接收通道经过相位补偿后，sar开始对地面进行成像，得到图像指标更好的图像。
29.优选的，所述的第一步中，采用热控加热的方式加热温度较低的舱板。
30.优选的，所述的第一步中，温度较低的舱板与温度较高的舱板的温度接近的确定
方法为：
31.在对温度较低的舱板进行加热的过程中，随着温度较低的舱板的温度的升高，温度较高的舱板的温度也会升高，当温度较低的舱板的升温速率不大于温度较高的舱板的升温速率时停止对温度较低的舱板的加热，此时 y舱板的温度为t1，-y舱板的温度为t2， y舱板和-y舱板的温度差t0为t1和t2差值的绝对值，t0大于0，此时认为温度较低的舱板与温度较高的舱板的温度接近。
32.优选的，所述的第二步中，通过地面试验确定所有发射单机和所有接收单机在不同温度条件下的相位值时选取的温度为：从-35℃到70℃，每5℃确定一相位值。
33.优选的，第八步的sar开始对地面进行成像结束后，再下一次成像前重复第一步到第七步，完成相位补偿后再进行成像。
34.有益效果
35.通过本发明的方法可带来如下好处：
36.(1)本发明通过对 y舱板上的发射通道与-y舱板上的发射通道进行相位补偿，同时对 y舱板上的接收通道与-y舱板上的接收通道进行相位补偿，在此条件下进行成像时，成像灵敏度指标恶化程度降低(补偿前温差40℃系统灵敏度恶化2.56db，补偿后温差5℃，系统系统灵敏度仅恶化0.50db；理论上补偿后温差0℃，系统灵敏度不再恶化)；
37.(2)本发明通过对 y舱板上的发射通道与-y舱板上的发射通道进行相位补偿，同时对 y舱板上的接收通道与-y舱板上的接收通道进行相位补偿，在此条件下进行成像时，成像模糊度恶化程度降低，极大提高了图像质量(补偿前温差40℃图像模糊度恶化3.93db，补偿后温差5℃，图像模糊度仅恶化0.80db；理论上补偿后温差0℃，图像模糊度不再恶化)。
附图说明
38.图1为本发明的方法流程示意图；
39.图2位本发明的系统组成示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
41.一种地球同步轨道sar卫星相位一致性校正补偿系统，该校正补偿系统包括发射移相器、接收移相器、发射单机、接收单机；
42.在卫星本体上建立三轴坐标系，以卫星质心作为坐标系原点，z轴指向地面，x轴指向卫星飞行方向，按照右手法则得到y轴方向；
43.所述的地球同步轨道sar卫星的 y舱板上布局有发射单机和接收单机；
44.所述的地球同步轨道sar卫星的-y舱板上布局有发射单机和接收单机；
45.发射信号源发射的信号首先进入到发射移相器，发射移相器对进入的信号进行移相后进入到发射单机中，发射信号源发射的信号经由发射单机的传输后通过发射通道发射到发射接收共用天线，发射接收共用天线将发射信号源发射的信号照射到地面上；
46.发射接收共用天线接收地面信号的散射回波，散射回波信号经由接收通道传输给接收单机，接收单机再将散射回波信号传输给接收移相器，接收移相器将接收的信号进行移相后进行输出。
47.一种地球同步轨道sar卫星相位一致性校正补偿方法，该方法步骤包括：
48.第一步，比较 y舱板和-y舱板的温度，然后采用热控加热的方式加热温度较低的舱板，在对温度较低的舱板进行加热的过程中，随着温度较低的舱板的温度的升高，温度较高的舱板的温度也会升高，当温度较低的舱板的升温速率不大于温度较高的舱板的升温速率时停止对温度较低的舱板的加热，此时 y舱板的温度为t1，-y舱板的温度为t2， y舱板和-y舱板的温度差t0为t1和t2差值的绝对值，t0大于0；
49.第二步，通过地面试验确定所有发射单机和所有接收单机在不同温度条件下的相位值，并存储在卫星上；不同温度条件是指温度从-35℃到70℃，每5℃确定一相位值，得到温度与相位值的关系曲线；
50.第三步，在轨采集所有发射单机和所有接收单机的温度，根据第二步得到的温度与相位值的关系曲线获得在轨所采集的发射单机或接收单机的相位值；
51.第四步，将第三步得到的发射通道上的所有发射单机的相位值进行相加，得到该发射通道的相位值，将接收通道上的所有接收单机的相位值进行相加，得到该接收通道的相位值；
52.第五步，将第四步得到的 y舱板上发射通道的相位值与-y舱板上发射通道的相位值作差，得到发射通道补偿值；
53.第六步，将第四步得到的 y舱板上接收通道的相位值与-y舱板上接收通道的相位值作差，得到接收通道补偿值；
54.第七步，发射移相器根据第五步得到的发射通道补偿值对发射信号源发射的信号进行相位补偿，接收移相器根据第六步得到的接收通道补偿值对接收到的信号进行相位补偿；
55.第八步，sar开始对地面进行成像，成像结束后，再下一次成像前重复第一步到第七步，完成相位补偿后再进行成像。
56.由于温度差异引起的发射通道和接收通道之间的相位差异将导致成像指标严重下降(成像灵敏度、成像模糊度等)，下表是某型号地球同步sar卫星不同温差条件下图像指标恶化表格。
57.表1不同温差条件下图图像指标恶化表
58.舱板温差0℃5℃10℃20℃30℃40℃系统灵敏度恶化-db00.500.951.492.12.56图像模糊度恶化-db00.801.452.423.633.93
59.实施例
60.一种地球同步轨道sar卫星相位一致性校正补偿系统，如图2所示，该校正补偿系统包括发射移相器1、发射移相器1、接收移相器1、接收移相器2、发射单机1、发射单机2、发射单机3、发射单机4、发射单机5、发射单机6、接收单机1、接收单机2、接收单机3、接收单机4、接收单机5、接收单机6。
61.在卫星本体上建立三轴坐标系，以卫星质心作为坐标系原点，z轴指向地面，x轴指向卫星飞行方向，按照右手法则得到y轴方向。
62.所述的地球同步轨道sar卫星的 y舱板上布局有发射单机1、发射单机2、发射单机3和接收单机1、接收单机2、接收单机3。
63.所述的地球同步轨道sar卫星的-y舱板上布局有发射单机4、发射单机5、发射单机6和接收单机4、接收单机5、接收单机6。
64.即发射通道1(发射单机1～3及其连接电缆)和接收通道1(接收单机1～3及其连接电缆)布局在 y方向舱板上；发射通道2(发射单机4～6及其连接电缆)和接收通道2(接收单机4～6及其连接电缆)布局在-y方向舱板上；
65.发射信号源1发射的信号首先进入到发射移相器1，发射移相器1对进入的信号进行移相后通过发射通道1发射到发射接收共用天线，发射接收共用天线将发射信号源1发射的信号照射到地面上；
66.发射接收共用天线接收地面信号的散射回波，散射回波信号经由接收通道1传输给接收移相器1，接收移相器1将接收的信号进行移相后进行输出。
67.发射信号源2发射的信号首先进入到发射移相器2，发射移相器2对进入的信号进行移相后通过发射通道2发射到发射接收共用天线，发射接收共用天线将发射信号源2发射的信号照射到地面上；
68.发射接收共用天线接收地面信号的散射回波，散射回波信号经由接收通道2传输给接收移相器2，接收移相器2将接收的信号进行移相后进行输出。
69.一种地球同步轨道sar卫星相位一致性校正补偿方法，如图1所示，该方法步骤包括：
70.第一步，采集 y舱板和-y舱板的温度， y舱板的温度为40℃，-y舱板的温度为0℃，采用热控加热的方式加入-y舱板，当对-y舱板温度加热到30℃，此时 y舱板的温度上升到45℃，此时-y舱板的升温速率小于 y舱板的升温速率，停止对-y舱板的加热；
71.第二步，通过地面试验确定发射单机1-6和接收单机1-6在不同温度条件下的相位值，并存储在卫星上；
72.温度从-35℃至70℃按照每5℃一个台阶取值为：t＝tn＝[-35
ꢀ‑
30
ꢀ‑
25
ꢀ‑
20
ꢀ‑
15
ꢀ‑
10
ꢀ‑
5 0 5 10 15 20 25 30 40 45 50 55 60 65 70](℃)，n＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21，共取了21个温度值；
[0073]
根据试验实测得到发射单机1-6在不同温度下的相位值，并根据得到的相位值进行曲线拟合得到发射单机1-6的温度-相位值曲线分别为φ
tx11
(t)、φ
tx12
(t)、φ
tx13
(t)、φ
tx24
(t)、φ
tx25
(t)、φ
tx26
(t)；
[0074]
根据试验实测得到接收单机1-6在不同温度下的相位值，并根据得到的相位值进行曲线拟合得到接收单机1-6的温度-相位值曲线分别为φ
rx11
(t)、φ
rx12
(t)、φ
rx13
(t)、φ
rx24
(t)、φ
rx25
(t)、φ
rx26
(t)；
[0075]
第三步，在轨采集发射单机1-6和接收单机1-6的温度分别为50℃、52℃、51℃、35℃、37℃、36℃、45℃、47℃、46℃、30℃、32℃、31℃；
[0076]
根据第二步得到的温度与相位值的关系曲线，得到发射单机1-6和接收单机1-6的相位值如下20
°
、21
°
、20.5
°
、13
°
、14
°
、13.5
°
、15
°
、16
°
、15.5
°
、8
°
、9
°
、8.5
°
：
[0077]
第四步，将第三步得到的发射通道上的所有发射单机的相位值进行相加，得到该发射通道的相位值，将接收通道上的所有接收单机的相位值进行相加，得到该接收通道的相位值； y舱板上发射通道的相位值为20
°
21
°
20.5
°
＝61.5
°
；-y舱板上发射通道的相位值为13
°
14
°
13.5
°
＝40.5
°
； y舱板上接收通道的相位值为15
°
16
°
15.5
°
＝46.5
°
；-y舱
板上接收通道的相位值为8
°
9
°
8.5
°
＝25.5
°
；
[0078]
第五步，将第四步得到的 y舱板上发射通道的相位值与-y舱板上发射通道的相位值作差，得到发射通道补偿值；发射通道补偿61.5
°‑
40.5
°
＝21
°
；
[0079]
第六步，将第四步得到的 y舱板上接收通道的相位值与-y舱板上接收通道的相位值作差，得到接收通道补偿值；接收通道补偿46.5
°‑
25.5
°
＝21
°
[0080]
第七步，不失普遍性，可假设发射移相器1、2和接收移相器1、2的初始移相皆为0
°
；发射移相器根据第五步得到的发射通道补偿值对发射信号源发射的信号进行相位补偿，(可将发射移相器2相位值设为21
°
)；接收移相器根据第六步得到的接收通道补偿值对接收到的信号进行相位补偿(可将接收移相器2相位值设为21
°
)，完成地球同步轨道sar卫星相位一致性校正补偿；
[0081]
第八步，sar开始对地面进行成像，得到图像，成像结束后，再下一次成像前重复第一步到第七步，完成相位补偿后再进行成像。
[0082]
根据表1的数据，通过相位校正补偿，初始40℃温差导致的相位误差对成像质量恶化得到改善(系统灵敏度从恶化2.5db，可至理论上的没有恶化；图像模糊度从恶化3.93db，可至理论上的没有恶化。