基于北斗卫星的地球同步轨道SAR回波仿真方法及装置

基于北斗卫星的地球同步轨道sar回波仿真方法及装置
技术领域
1.本发明涉及合成孔径雷达数据处理技术领域，具体涉及一种基于北斗卫星的地球同步轨道sar回波仿真方法及装置。


背景技术：

2.星载合成孔径雷达(sar)回波信号仿真是sar系统设计阶段对系统和成像性能进行预估和评价的基础，由于星载sar回波信号与卫星平台、空间环境密切相关，因此，星载sar回波信号仿真通常由卫星平台仿真、雷达系统仿真、目标模型仿真和空间环境仿真四部分组成，如图1所示。在星载sar仿真论证的过程中，需要隔离和定位卫星平台、空间环境对雷达系统性能的影响，因此引入到星载sar回波信号仿真中的卫星平台数据和空间环境数据必须是真实可靠的。
3.地球同步轨道sar是指以高度为36000km的倾斜地球同步轨道卫星为平台的合成孔径雷达系统。由于与低轨道sar相比，地球同步轨道sar合成孔径时间非常长，卫星轨道摄动特性、电离层tec快变特性对sar回波信号的影响不可忽略，当前基于卫星平台模型仿真和电离层模型仿真的地球同步轨道sar回波仿真存在以下不足：
4.(1)地球同步轨道卫星的轨道摄动受到多种因素的影响，具有较大的随机性，难以完全靠数学模型精确仿真出地球同步轨道sar长合成孔径时间内的轨道摄动特性，较小的轨道摄动都会引起地球同步轨道sar回波数据不可忽略的失真。
5.(2)电离层特性是由tec(total electron content)来定量表述的，电离层对sar信号的影响是由观测路径上的视线方向tec(stec)决定。在sar信号仿真中，只有引入卫星视线方向stec才能最大程度的保证电离层数据的可靠性和真实性。即使基于其他路径实测电离层数据转换的半物理仿真，也无法真实反应地球同步轨道sar卫星长合成孔径时间内视线方向的电离层特性。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种基于北斗卫星的地球同步轨道sar回波仿真方法及装置，将北斗星座中的地球同步轨道卫星作为目标卫星(地球同步轨道sar卫星)，将北斗地球同步轨道卫星的实际星历数据作为回波数据仿真的轨道数据源，由北斗卫星发射的双频信号直接测量的电离层stec数据作为回波数据仿真中的电离层数据源，使地球同步轨道卫星sar回波数据仿真中的轨道数据和电离层数据均为实测数据，有效提高回波仿真数据的真实性和可靠性。
7.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
8.一种基于北斗卫星的地球同步轨道sar回波仿真方法，包括：
9.步骤s01：地面布设具有北斗卫星信号接收功能的电离层监测设备，所述电离层监测设备能够显示北斗卫星星座图、输出北斗卫星星历数据、计算斜向tec(stec)值、以及垂直方向tec(vtec)值；
10.步骤s02：进行电离层数据获取试验，由所述电离层监测设备获取北斗卫星星历数据、计算北斗卫星视线方向的stec值和电离层监测设备点位的vtec值；
11.步骤s03：基于北斗卫星星座图，从北斗卫星星座中确定候选同步轨道卫星代号；
12.步骤s04：从所述候选同步轨道卫星代号中选定一未处理的卫星作为选定卫星；根据地球同步轨道sar合成孔径时间长度，获取所述选定卫星可用时间段内的星历数据以及所述可用时间段对应的所述选定卫星视线方向的stec值、电离层监测设备点位的vtec值；
13.步骤s05：对所有所述可用时间段内的vtec值求导数，得到vtec时变量，基于所述vtec时变量，确定num个vtec时变典型值,num≥3；初始化迭代次数i＝1；
14.步骤s06：对于第i个典型值，提取一组与所述第i个典型值对应的卫星星历数据、以及所述选定卫星视线方向的stec数据；
15.步骤s07：基于提取的所述一组与所述第i个典型值对应的卫星星历数据、以及所述选定卫星视线方向的stec数据，将提取的卫星星历数据作为卫星平台轨道数据源，将提取的所述选定卫星视线方向的stec数据作为电离层数据源；
16.步骤s08：基于所述卫星平台轨道数据源、以及电离层数据源，进行地球同步轨道sar回波仿真，以及成像仿真、成像质量评价；将i赋值为i 1；
17.步骤s09：若i》num，所述选定卫星标记为处理完毕，进入s10；若否，进入步骤s6；
18.步骤s10：若所述候选同步轨道卫星代号对应的卫星已经全部处理完毕，方法结束；若否，进入步骤s04。
19.优选地，所述步骤s03，从星座图中随机选择地球同步轨道卫星的代号。
20.优选地，所述步骤s05，基于所述vtec时变量，确定num个vtec时变典型值，其中，所述典型值至少包括最大值、中位数值和最小值。
21.优选地，所述步骤s06，对于第i个典型值，提取一组与所述第i个典型值对应的卫星星历数据、以及所述选定卫星视线方向的stec数据，包括：
22.对于第i个典型值，从vtec时变量中找到对应的观测时刻，再以该观测时刻为中心从所述选定卫星视线方向的stec数据中截取一定时间段的stec数据，从所述选定卫星星历数据中截取与stec相同时间段的卫星星历数据，时间段的长度至少大于地球同步轨道sar合成孔径时间的长度。
23.本发明所提供的一种基于北斗卫星的地球同步轨道sar回波仿真装置，所述装置包括：
24.配置模块：配置为地面布设具有北斗卫星信号接收功能的电离层监测设备，所述电离层监测设备能够显示北斗卫星星座图、输出北斗卫星星历数据、计算斜向tec(stec)值、以及垂直方向tec(vtec)值；
25.数据获取模块：配置为进行电离层数据获取试验，由所述电离层监测设备获取北斗卫星星历数据、计算北斗卫星视线方向的stec值和电离层监测设备点位的vtec值；
26.候选同步轨道卫星确定模块：配置为基于北斗卫星星座图，从北斗卫星星座中确定候选同步轨道卫星代号；
27.第一数据获取模块：配置为从所述候选同步轨道卫星代号中选定一未处理的卫星作为选定卫星；根据地球同步轨道sar合成孔径时间长度，获取所述选定卫星可用时间段内的星历数据以及所述可用时间段对应的所述选定卫星视线方向的stec值、电离层监测设备
点位的vtec值；
28.数据处理模块：配置为对所有所述可用时间段内的vtec值求导数，得到vtec时变量，基于所述vtec时变量，确定num个vtec时变典型值,num≥3；初始化迭代次数i＝1；
29.第二数据获取模块：配置为对于第i个典型值，提取一组与所述第i个典型值对应的卫星星历数据、以及所述选定卫星视线方向的stec数据；
30.第三数据获取模块：配置为基于提取的所述一组与所述第i个典型值对应的卫星星历数据、以及所述选定卫星视线方向的stec数据，将提取的卫星星历数据作为卫星平台轨道数据源，将提取的所述选定卫星视线方向的stec数据作为电离层数据源；
31.仿真模块：配置为基于所述卫星平台轨道数据源、以及电离层数据源，进行地球同步轨道sar回波仿真，以及成像仿真、成像质量评价；将i赋值为i 1；
32.第一判断模块：配置为若i》num，所述选定卫星标记为处理完毕，触发第二判断模块；若否，触发所述第二数据获取模块；
33.第二判断模块：配置为若所述候选同步轨道卫星代号对应的卫星已经全部处理完毕；若否，触发所述第一数据获取模块。
34.优选地，所述候选同步轨道卫星确定模块，从星座图中随机选择地球同步轨道卫星的代号。
35.优选地，所述数据处理模块，基于所述vtec时变量，确定num个vtec时变典型值，其中，所述典型值至少包括最大值、中位数值和最小值。
36.优选地，所述对于第i个典型值，提取一组与所述第i个典型值对应的卫星星历数据、以及所述选定卫星视线方向的stec数据，包括：
37.对于第i个典型值，从vtec时变量中找到对应的观测时刻，再以该观测时刻为中心从所述选定卫星视线方向的stec数据中截取一定时间段的stec数据，从所述选定卫星星历数据中截取与stec相同时间段的卫星星历数据，时间段的长度至少大于地球同步轨道sar合成孔径时间的长度。
38.有益效果：
39.(1)本发明提供的方法将北斗系统中的地球同步轨道卫星实际轨道数据引入地球同步轨道sar回波仿真，可真实反映地球同步轨道卫星的轨道摄动对回波数据的影响；
40.(2)本发明将利用电离层观测试验获取的卫星视线方向电离层数据引入地球同步轨道sar回波仿真，可真实反映卫星观测路径上电离层时变对回波数据的影响。
41.(3)本发明以北斗卫星星座中的地球同步轨道卫星作为参考卫星，利用电离层观测设备开展电离层数据获取试验，将获取的地球同步轨道卫星星历数据和卫星视线方向的stec数据直接引入地球同步轨道sar回波数据仿真，提高了仿真的真实性和可靠性。
42.(4)本发明通过对不同卫星星历数据的获取和不同时变特性电离层数据的获取，可以生成不同轨道和电离层状态下的地球同步轨道sar回波。
附图说明
43.图1为现有技术中地球同步轨道sar回波仿真结构框图；
44.图2为本发明提出的地球同步轨道sar回波仿真结构框图；
45.图3为本发明北斗卫星的地球同步轨道sar回波仿真方法流程示意图；
46.图4为本发明北斗卫星的地球同步轨道sar回波仿真装置结构框图。
具体实施方式
47.下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
48.如图3所示，本发明一种北斗卫星的地球同步轨道sar回波仿真方法，所述方法包括如下步骤：
49.步骤s01：地面布设具有北斗卫星信号接收功能的电离层监测设备，所述电离层监测设备能够显示北斗卫星星座图、输出北斗卫星星历数据、计算斜向tec(stec)值、以及垂直方向tec(vtec)值；
50.步骤s02：进行电离层数据获取试验，由所述电离层监测设备获取北斗卫星星历数据、计算北斗卫星视线方向的stec值和电离层监测设备点位的vtec值；
51.步骤s03：基于北斗卫星星座图，从北斗卫星星座中确定候选同步轨道卫星代号；
52.步骤s04：从所述候选同步轨道卫星代号中选定一未处理的卫星作为选定卫星；根据地球同步轨道sar合成孔径时间长度，获取所述选定卫星可用时间段内的星历数据以及所述可用时间段对应的所述选定卫星视线方向的stec值、电离层监测设备点位的vtec值；
53.步骤s05：对所有所述可用时间段内的vtec值求导数，得到vtec时变量，基于所述vtec时变量，确定num个vtec时变典型值,num≥3；初始化迭代次数i＝1；
54.步骤s06：对于第i个典型值，提取一组与所述第i个典型值对应的卫星星历数据、以及所述选定卫星视线方向的stec数据；
55.步骤s07：基于提取的所述一组与所述第i个典型值对应的卫星星历数据、以及所述选定卫星视线方向的stec数据，将提取的卫星星历数据作为卫星平台轨道数据源，将提取的所述选定卫星视线方向的stec数据作为电离层数据源；
56.步骤s08：基于所述卫星平台轨道数据源、以及电离层数据源，进行地球同步轨道sar回波仿真，以及成像仿真、成像质量评价；将i赋值为i 1；
57.步骤s09：若i》num，所述选定卫星标记为处理完毕，进入s10；若否，进入步骤s6；
58.步骤s10：若所述候选同步轨道卫星代号对应的卫星已经全部处理完毕，方法结束；若否，进入步骤s04。
59.进一步地，该方法基于如图2所示的地球同步轨道sar回波仿真系统实现。
60.所述步骤s03，从北斗卫星星座中确定候选同步轨道卫星代号，包括：斗卫星星座图中会显示各个卫星的代号，其中地球同步轨道卫星的代号和低轨卫星的代号不同，从星座图中随机选择地球同步轨道卫星的代号。
61.所述步骤s05，基于所述vtec时变量，确定num个vtec时变典型值，其中，所述典型值至少包括最大值、中位数值和最小值。
62.所述步骤s06，对于第i个典型值，提取一组与所述第i个典型值对应的卫星星历数据、以及所述选定卫星视线方向的stec数据，包括：
63.对于第i个典型值，从vtec时变量中找到对应的观测时刻，再以该观测时刻为中心从所述选定卫星视线方向的stec数据中截取一定时间段的stec数据，从所述选定卫星星历数据中截取与stec相同时间段的卫星星历数据，时间段的长度至少大于地球同步轨道sar合成孔径时间的长度。
64.本发明还提供了一种北斗卫星的地球同步轨道sar回波仿真装置，如图4所示，该装置包括：
65.配置模块：配置为地面布设具有北斗卫星信号接收功能的电离层监测设备，所述电离层监测设备能够显示北斗卫星星座图、输出北斗卫星星历数据、计算斜向tec(stec)值、以及垂直方向tec(vtec)值；
66.数据获取模块：配置为进行电离层数据获取试验，由所述电离层监测设备获取北斗卫星星历数据、计算北斗卫星视线方向的stec值和电离层监测设备点位的vtec值；
67.候选同步轨道卫星确定模块：配置为基于北斗卫星星座图，从北斗卫星星座中确定候选同步轨道卫星代号；
68.第一数据获取模块：配置为从所述候选同步轨道卫星代号中选定一未处理的卫星作为选定卫星；根据地球同步轨道sar合成孔径时间长度，获取所述选定卫星可用时间段内的星历数据以及所述可用时间段对应的所述选定卫星视线方向的stec值、电离层监测设备点位的vtec值；
69.数据处理模块：配置为对所有所述可用时间段内的vtec值求导数，得到vtec时变量，基于所述vtec时变量，确定num个vtec时变典型值,num≥3；初始化迭代次数i＝1；
70.第二数据获取模块：配置为对于第i个典型值，提取一组与所述第i个典型值对应的卫星星历数据、以及所述选定卫星视线方向的stec数据；
71.第三数据获取模块：配置为基于提取的所述一组与所述第i个典型值对应的卫星星历数据、以及所述选定卫星视线方向的stec数据，将提取的卫星星历数据作为卫星平台轨道数据源，将提取的所述选定卫星视线方向的stec数据作为电离层数据源；
72.仿真模块：配置为基于所述卫星平台轨道数据源、以及电离层数据源，进行地球同步轨道sar回波仿真，以及成像仿真、成像质量评价；将i赋值为i 1；
73.第一判断模块：配置为若i》num，所述选定卫星标记为处理完毕，触发第二判断模块；若否，触发所述第二数据获取模块；
74.第二判断模块：配置为若所述候选同步轨道卫星代号对应的卫星已经全部处理完毕；若否，触发所述第一数据获取模块。
75.以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。