文章编号:1001-2486(2006)01-0090-04
地球自转对分布式星载SAR -GMTI 的影响
*
杨凤凤，梁甸农，刘建平
(国防科技大学电子科学与工程学院，湖南长沙 410073)
摘 要：地球自转对分布式星载SAR -GMTI 的影响主要体现在两个方面:(1)受测绘带地形起伏和杂波抑制手段的制约，星间基线应平行于地面波束足迹方向，编队卫星轨道参数必须保持一定的关系;(2)地杂波多普勒与距离有关，必须采取适当措施以克服杂波凹口形变及展宽。在综合上述两个影响的基础上，设计了由3颗小卫星编队构成的分布式星载SAR -GMTI 系统，并以信杂噪比损失为指标，衡量该系统在X 和L 两个波段下能够达到的理论性能上限。 座便器结构关键词：分布式星载SAR；动目标检测；地球自转中图分类号:TN957 文献标识码:A
The Earth Rotation Effects on Distributed Spaceborne SAR -GMTI
水性涂料分散剂YANG Feng -feng,LIANG Dian -nong,LIU Jian -ping
ggtv5
(College of Electronic Science and Engineering,National Univ.of Defense Technology,Changsha 410073,China)
Abstract:The earth rotation has two main effects on the distri bu ted spaceborne SAR -GMTI.Firstly ,the baseline must orient the same direction of radar .s footprint on the rotating earth to miti gate the fluctuant terrain clutter and satisfy ATI,DPCA or S TAP condi tion,which means that proper relationships must be maintained between satellites .orbi t parameters.Secondly,Doppler is dependent on range,so yaw s teering technique is required to mitigate the warping or extended clutter notch.Based on the two effects,a distributed spaceborne SAR system composed of 3small satellites was designed to perform GMTI function.Performance simulation was made to scale the system capabili ty through SCNR loss metric for both X and L bands.
Key words:distributed spaceborne SAR;GMTI;the earth rotation
与机载SAR 或者单星SAR 相比，分布式星载SAR -GMTI 面临若干新的挑战，其中地球自转对编队构形设计和地杂波抑制方案的影响是一个重要的因素。文献[1-2]对单星多相位中心天线地杂波特性受地球自转的影响进行了深入分析并提出相应对策。本文在总结其共性的基础上，综合自转对编队飞行
轨道参数的影响，设计了由3颗小卫星编队构成的分布式星载SAR -GMTI 系统，并以信杂噪比损失为
指标，衡量该系统在X 和L 两个波段能够达到的理论性能上限。
1 对编队构形的影响
以地心为坐标原点,X 轴在赤道平面上，正方向指向春分点,Z 轴是地球自转轴，正方向指向北极方向,Y 轴符合右手规则，建立地球惯性坐标系。卫星轨道根数在赤道惯性坐标系下定义，它们是：半长轴a 、偏心率e 、轨道面倾角A i 、升交点赤经8、近地点辐角X 、纬度辐角A 。R s 、R t 分别表示卫星、目标对地心的位移矢量。另以地心为坐标原点,X c 轴指向赤道平面与格林威治子午线的交点,Z c 轴沿地球自转轴指向北极,Y c 轴符合右手规则建立地球固定坐标系，如图1所示，则在地惯系下卫星运动速度矢量V I =¤R s ，而在地固系下合成地球旋转的卫星速度矢量V C =V I -X e @R s ，该速度方向与地面点所观察到的卫星轨迹方向相同。故地面足迹与卫星速度之间出现偏角H c ，有 cos H c =
V C #V I
|V C ||V I |
=
X s -X e cos A i
(X s -X e cos A i )2
+(X e cos A sin A i )
2
(1)
*
收稿日期:2005-09-07
作者简介：杨凤凤(1978))，女，博士生。
国 防 科 技 大 学 学 报
第28卷第1期
J OUR NAL OF NA TIONA L UNIVERSI TY OF DEFENSE TECHNO LO GY
Vol.28No.12006
其中,X e 为地球自转角速度,X s =¤A 为卫星旋转角速度。该偏角随着观测点地理纬度的减小而增大，极轨轨道卫星飞跃赤道上空时，偏角最大，达到3177b 。
假设两颗小卫星，其轨道参数分别为{a n ,e n ,A in ,8n ,X n ,A n }(n =1,2)，则在地惯系下，两颗星的位置矢量分别为
R sn =R sn cos 8n cos A n -sin 8n sin A n cos A in
sin 8n c os A n +cos 8n sin A n cos A in sin A n sin A in
膜加盖
, n =1,2
(2)
定义基线矢量R b =R s 2-R s 1,s 1为参考卫星,R b 与参考卫星速度矢量的夹角为N ，有
cos N =
R b #V I
|R b ||V I |
(3)若基线与V I V C 共面,R b 与沿轨迹速度V C 的夹角G =N -H c 。对于GMTI 而言，最有利的编队构形是沿航迹方向直线阵，随着垂直航迹基线分量的增加,STAP 对地形起伏杂波的抑制能力减弱[3],ATI 、DPCA 的应用前提受到破坏，地杂波干涉相位与动目标干涉相位耦合，测速精度严重下降。如图2，实线表示以-20dB 为门限，轨道半径7159km，下视角30b ，波长0.03m 时基于图像的STAP 能够抑制的地形起伏，完全顺轨的直线阵理论上能够抑制无穷大地形起伏。虚线表示由垂直基线引起的ATI 测速精度，假定等效基线总长310m，测量误差5mm，地面高程误差10m 。当垂直基线达到300m 时，可抑制地形起伏下降到仅约20m，而测速精度则上升至近0.5m/s 。因此考虑地球自转，要设计最有利于GMTI 的编队构形应选择合适的轨道参数使N =H c ，基线与V C 同向：近圆轨道e 1=e 2U 0,A i 1=A i 2,X 1=X 2,a 1=a 2,82-81=$8=X e $t,M 2-M 1=$M =-n $t 。即六个轨道根数中有4个相同，仅升交点赤经和平近点角M 稍有微差，且-$M n =$8X
e
[4],n 为平均运动角速度，由开普勒方程可以求得M 与纬度辐角A 间的对应
关系，当e 1=e 2U 0时,n U X s ,$M U $A =A 2-A 1。
图1 地球自转使地面足迹偏离卫星速度Fig.1 The earth .s rotation makes the footprint deviate from veloci ty
图2 垂直航迹基线的影响
Fig.2 The effects of cross track baseline
2 对地杂波特性的影响
定义雷达距离高度平面内[5]视线与卫星矢径的夹角为下视角<，轨道面与距离高度平面的二面角为方位角$,$与H c 共面,R st 为视线方向,K 为雷达发射波长，卫星合成速度与视线方向的夹角为C
，有cos C =sin <cos ($-H c ),cos <=(R 2s +R 2st -R 2
t )/(2R s R st )，地杂波多普勒
f d =2V C #R st /R st K =2V C cos C /K
(4)
f d 不仅与视线方位$有关，而且与偏角H c 和下视角<；即距离r 有关，当$-H c X P /2时,f d 是距离的函数。星载平台波束覆盖范围广，距离变化大，距离)多普勒缠绕现象十分明显。
文献[1-2]对单星多相位中心天线地杂波特性受地球自转的影响进行了深入分析，在这一点上分布式星载SAR 的表现是一致的。无距离模糊时杂波凹口位置(对应最小可检测速度MDV)随斜距改变,
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杨凤凤，等：地球自转对分布式星载SAR -GMTI 的影响
图3 杂波特性
Fig.3 Clutter characteristic
adma如图3(a)，相邻距离环上的地杂波不满足独立同分布条件,STAP 必须采取支持小样本数的降维处理方案。对低波段雷达，如果天线高度、PRF 选择不当，发生距离模糊，具有不同多普勒的地杂波在同一
距离门上相互叠加，致使杂波凹口迅速展宽，如图3(b)，波长改为0.25m，其它参数不变。其中信杂噪比损失因子L oss =最大输出信杂噪比/信噪比[6]，仿真采用均匀场景,3颗星沿航向分布，等效顺轨基线为[0,62.2696,139.6348](m)，相关积累脉冲32个。与单星SAR 不同的是，由于基
线长度远超过K /2，地杂波表现出超稀疏阵列信号的特点，凹口位置颇为离散，不似单星SAR 那样连续。
公式(4)同时表明，如果$-H c =P /2，则能够消除地杂波的距离)多普勒耦合现象，这要求雷达天线能够随纬度幅角的变化，在轨道周期里通过偏航导引技术不断调整天线姿态。此时测绘带内等距离线与等多普勒线近似正交，距离模糊导致的多普勒扩展减小并且MDV 的空变现象消除。文献[1]对这种方法进行了验证。文献[2]同时分析了正交波形编码技术对距离模糊杂波的抑制作用，但这项技术并不能消除MDV 的形变现象。
3 编队及雷达系统参数设计
仿真实验证明，在方位不模糊的情况下,3~5颗小卫星足以满足GMTI 性能[7-9]，通过合理配置基线长度，确保最小可检测速度小于2m/s(X 波段基线总长大于56m,L 波段基线总长大于472m)。盲速由最短基线和基线配置共同决定，选择B 1/B 2X l/m,l,m 为互素的整数且每颗星的空间采样位置不重合，能够尽量减少盲速影响。采取一发多收的信号收发机制，接收小卫星等效相位中心位于主辅星的连线中点，
相当于有效基线缩短一半。参照Envisat [10]部分参数，表1列出了符合检测速度要求的3颗星X 、L 波段编队轨道参数。其中，为保证多颗星回波频谱支撑区域重叠，分别取3个不同时刻作为这3颗卫星的合成孔径中心时间[11]，在这些时刻点上,3颗卫星的空间采样位置紧密靠近，不超过一个脉冲重复时间里卫星走过的距离，故纬度幅角给出的是它们各自等效合成孔径中心时刻的值。
表1 卫星编队参数
Tab.1 Formation fling orbi t parameters
合成孔径中心时刻编队轨道参数半长轴(m)
偏心率轨道倾角近地点幅角
7159492.70.00116598.5494b
90b
卫星升交点赤经纬度幅角基线(m)等效基线(m)1(发/收)133.012101b 149.62759b 0.00000.00002(收)133.012169b 149.62734b
124.5392
62.26963(收)X 波段
L 波段
133.012255b 149.62703b 279.2696139.6348133.012633b
149.62569b
958.5741
479.2870
表2 部分雷达系统参数及GMT I 参数Tab.2 Radar system and GMTI parameters
波长带宽脉宽PRF 天线(长@高)下视角方位角0.03/0.25m 60MHz 50L s 2000Hz
10@2.1m 2
30deg
可调(90b ?3.77b )MDV(径向)盲速(径向)观测时间RCS 搜索速率2m/s
?
7.5m/s(X)
0.367s(X)12.5m 2
142.8km 2/s(X)92 国防科技大学学报 2006年第1期
在进行雷达系统参数设计时，以方位无模糊为准则,PRF 足够大，并相对地杂波带宽留有一定余量，保证频域无杂波区占据一定比例。采用偏航导引技术，随卫星纬度幅角的变化，不断调整天线姿态，以消除地杂波距离)多普勒耦合。为配合SAR 成像，地杂波抑制采用频域STAP 方案[11-12]
，方位分辨力
取决于整个SAR 合成孔径时间，无模糊时杂波自由度为1，阵列空间自由度为3，从相邻距离环采9~15
个样本用以估计杂波协方差矩阵。表2列出了部分雷达系统参数和GMTI 参数。
图4 理论性能上限Fig.4 Theoretical performance
图4展示了以目标在地球表面的沿经度圈和纬度圈线速度为纵横坐标的该系统理论性能上限(已知卫星精确位置和测绘带DE M)。由于轨道倾角接近90b ，等多普勒线近似与等纬线速度重合，盲速和MDV 基本由纬线速度决定。在该基线配置下，在0~20m/s 的纬线速度范围内,X 波段有一次模糊，但盲速凹口较窄。地面速度30m/s 以下的运动目标大部分能够被检测到。要近一步改善盲速性能，应利用卫星天线分割子阵增加自由度的技术。
4 结论
本文首先阐述了地球自转对分布式星载SAR -GMTI 编队飞行和地杂波特性两方面的影响，基于此设计了由3颗小卫星编队构成的分布式星载SAR/GMTI 系统，并以信杂噪比损失为指标，衡量该系统在X 和L 两个波段能够达到的理论性能上限。仿真结果证明，在卫星严格顺轨平稳飞行，无距离、方位模糊的条件下，通过偏航导引技术准确调整天线姿态消除地杂波距离)多普勒缠绕效应，基线设计适当的3星编队系统能够有效检测到地面30m/s 速度以下的运动目标，最小可检测径向速度小于2m/s,L 波段检测性能优于X 波段。
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