本發(fā)明涉及一種SAR衛(wèi)星模擬在軌載荷數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)及獲取方法，屬于航天器綜合測試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

SAR載荷數(shù)據(jù)是指SAR衛(wèi)星成像過程中，對應(yīng)每個有效PRI，形成的幀數(shù)據(jù)的總和。這些數(shù)據(jù)包括SAR信號數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，SAR載荷數(shù)據(jù)可能在下傳前經(jīng)壓縮等格式化處理。根據(jù)不同的成像模式，其數(shù)據(jù)的分割方法、數(shù)據(jù)率、數(shù)據(jù)格式均會有所差異，但遵循設(shè)計準(zhǔn)則。輔助數(shù)據(jù)是隨SAR信號數(shù)據(jù)同時下傳的輔助SAR成像的重要數(shù)據(jù)，主要包括SAR載荷自身的參數(shù)如成像模式字與載荷系統(tǒng)狀態(tài)等，同時也包括SAR衛(wèi)星的其它重要數(shù)據(jù)如定位定軌數(shù)據(jù)，姿態(tài)數(shù)據(jù)等。以上輔助數(shù)據(jù)均為時變數(shù)據(jù)，帶有時間戳，表征其在特定時刻的狀態(tài)。

當(dāng)前地面站成像系統(tǒng)在目標(biāo)航天器沒有發(fā)射前，往往難以找到有效的數(shù)據(jù)源對其正確性進(jìn)行驗證。需要通過衛(wèi)星發(fā)射后在軌載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，不利于衛(wèi)星發(fā)射后在軌初期成像工作的開展。因為地面站成像系統(tǒng)需要SAR載荷數(shù)據(jù)具有成像數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)同步的特點，而輔助數(shù)據(jù)的仿真工作復(fù)雜度高，相關(guān)條件多，難以與成像數(shù)據(jù)割裂開單獨模擬制作。經(jīng)過本專利所述方法生成的載荷數(shù)據(jù)早于衛(wèi)星發(fā)射，對地面站成像系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用前調(diào)試驗證具有極大價值。

SAR衛(wèi)星在軌模擬飛行簡稱模飛，是通過對SAR衛(wèi)星進(jìn)行一系列激勵，包括模擬其在軌飛行的導(dǎo)航衛(wèi)星信號環(huán)境、姿軌控激勵信號、回波信號，建立SAR衛(wèi)星在軌工作的仿真模擬環(huán)境。經(jīng)過本專利所述方法在SAR衛(wèi)星模擬飛行期間進(jìn)行載荷成像，能夠獲得用于驗證地面站成像系統(tǒng)的，與成像數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的輔助數(shù)據(jù)的SAR載荷數(shù)據(jù)。

專利《航天光學(xué)遙感相機模擬在軌飛行專用測試設(shè)備》(CN201110409041)中，提到一種用于光學(xué)遙感相機的模擬在軌飛行專用測試設(shè)備，該裝置可模擬實時衛(wèi)星姿態(tài)及軌道數(shù)據(jù)，但該裝置不涉及SAR載荷，不涉及SAR回波模擬器的設(shè)計，沒有任務(wù)規(guī)劃計算機相關(guān)功能解決回波信號的計算存儲與各子裝置同步問題。論文《一種干涉SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)的快速仿真方法》是基于軟件仿真方法推導(dǎo)SAR數(shù)據(jù)的方法，其結(jié)果準(zhǔn)確性受軟件模型制約，不真實，無法用于驗證地面站成像系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有方法手段的不足，提供了一種SAR衛(wèi)星模擬在軌載荷數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)及獲取方法，通過本方法生成的載荷數(shù)據(jù)具有圖像數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)相關(guān)，與SAR衛(wèi)星實際在軌載荷數(shù)據(jù)格式相同的特點。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種SAR衛(wèi)星模擬在軌載荷數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，包括SAR衛(wèi)星、任務(wù)規(guī)劃計算機、導(dǎo)航信號模擬器、姿軌控地面設(shè)備、測控地面設(shè)備、SAR回波模擬器和載荷數(shù)據(jù)接收設(shè)備；任務(wù)規(guī)劃計算機根據(jù)成像規(guī)劃計算并存儲回波數(shù)據(jù)，調(diào)度各測試設(shè)備與模擬器協(xié)同工作；導(dǎo)航信號模擬器向SAR衛(wèi)星輸出導(dǎo)航衛(wèi)星信號，模擬SAR衛(wèi)星在軌實際預(yù)期接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號，傳遞SAR衛(wèi)星運行軌道，輔助SAR衛(wèi)星定位定軌；姿軌控地面設(shè)備輸出一系列姿態(tài)敏感器激勵信號輔助SAR衛(wèi)星確定自身姿態(tài)，同時姿態(tài)敏感器激勵信號還受來自SAR衛(wèi)星的姿態(tài)執(zhí)行機構(gòu)反饋信號控制，形成閉環(huán)；測控地面設(shè)備用于向SAR衛(wèi)星發(fā)送遙控指令并接收遙測參數(shù)；SAR回波模擬器按預(yù)定成像計劃接收雷達(dá)信號與SAR衛(wèi)星同步工作，并向SAR衛(wèi)星發(fā)送回波信號；載荷數(shù)據(jù)接收設(shè)備接收SAR衛(wèi)星發(fā)出的載荷數(shù)據(jù)信號，并進(jìn)行接收解調(diào)與復(fù)原。

所述的SAR回波模擬器包括雷達(dá)信號接收單元和回波數(shù)據(jù)播放單元；雷達(dá)信號接收單元接收SAR衛(wèi)星雷達(dá)信號并將其轉(zhuǎn)換為同步信號，用于確定回波信號的發(fā)送時機；回波數(shù)據(jù)播放單元根據(jù)任務(wù)規(guī)劃計算機存儲的回波數(shù)據(jù)與雷達(dá)信號接收單元提供的發(fā)送時機，將回波數(shù)據(jù)調(diào)制為回波信號并周期性發(fā)送給SAR衛(wèi)星。

一種SAR衛(wèi)星模擬在軌載荷數(shù)據(jù)的獲取方法，包括下列步驟：

1)根據(jù)SAR衛(wèi)星成像參數(shù)，制作SAR回波數(shù)據(jù)，并存儲在任務(wù)規(guī)劃計算機中；

2)導(dǎo)航信號模擬器與姿軌控地面設(shè)備同步輸出在軌模擬飛行相關(guān)激勵給SAR衛(wèi)星，執(zhí)行模擬在軌飛行；

3)向SAR衛(wèi)星發(fā)送成像規(guī)劃指令，傳遞成像模式、雷達(dá)工作參數(shù)信息、成像時刻、成像時長、成像過程姿態(tài)信息與下傳載荷數(shù)據(jù)時刻。

4)到達(dá)預(yù)定SAR衛(wèi)星成像時刻時，向SAR衛(wèi)星發(fā)送回波信號；SAR衛(wèi)星連同成像模式信息、雷達(dá)工作參數(shù)信息、成像時刻、成像時長信息、成像過程定位定軌信息、姿態(tài)信息共同打包形成載荷數(shù)據(jù)；

5)到達(dá)預(yù)定SAR衛(wèi)星下傳載荷數(shù)據(jù)時刻時，載荷數(shù)據(jù)接收設(shè)備接收SAR衛(wèi)星發(fā)出的載荷數(shù)據(jù)信號，進(jìn)行接收解調(diào)與復(fù)原，完成載荷數(shù)據(jù)接收。

所述的SAR衛(wèi)星成像參數(shù)包括成像模式、SAR衛(wèi)星運行軌道、SAR衛(wèi)星成像時刻與時長、SAR衛(wèi)星成像過程姿態(tài)信息與所需模擬的圖像內(nèi)容。

所述步驟2)中執(zhí)行模擬在軌飛行的具體過程為：

21)對導(dǎo)航信號模擬器、姿軌控地面設(shè)備與SAR衛(wèi)星統(tǒng)一時鐘；

22)將初始軌道信息通過測控地面設(shè)備發(fā)送給SAR衛(wèi)星；

23)將初始軌道信息發(fā)送給導(dǎo)航信號模擬器；將初始軌道信息、初始姿態(tài)信息發(fā)送給姿軌控地面設(shè)備；

24)發(fā)布開始模擬在軌飛行的時刻，導(dǎo)航信號模擬器、姿軌控地面設(shè)備與SAR衛(wèi)星同時在開始模擬在軌飛行。

所述步驟4)中形成載荷數(shù)據(jù)的具體過程為：

41)到達(dá)預(yù)定SAR衛(wèi)星成像時刻時，SAR衛(wèi)星開始按照規(guī)劃的雷達(dá)工作參數(shù)信息向SAR回波模擬器發(fā)送雷達(dá)信號，并接收回波信號；

42)SAR回波模擬器中的雷達(dá)信號接收單元接收到雷達(dá)信號，轉(zhuǎn)換為同步信號傳遞給回波數(shù)據(jù)播放單元；回波數(shù)據(jù)播放單元根據(jù)任務(wù)規(guī)劃計算機提供的雷達(dá)工作參數(shù)信息，同步地向SAR衛(wèi)星發(fā)送回波信號；

43)SAR衛(wèi)星綜合回波信號、成像模式信息、雷達(dá)工作參數(shù)信息、成像時刻、成像時長信息、成像過程定位定軌信息、姿態(tài)信息，按照一個雷達(dá)脈沖重復(fù)周期一幀的速率，形成載荷數(shù)據(jù)，并將其存儲起來。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)提出了通過任務(wù)規(guī)劃計算機分派調(diào)度管理信息的SAR衛(wèi)星模擬在軌飛行系統(tǒng)架構(gòu)。將任務(wù)規(guī)劃計算機、SAR回波模擬器與其它傳統(tǒng)地面設(shè)備進(jìn)行融合，成為一套有效運行的系統(tǒng)用于支持模擬在軌載荷數(shù)據(jù)獲取；

(2)利用對相關(guān)設(shè)備統(tǒng)一時鐘，并通過時間調(diào)配任務(wù)的方法，實現(xiàn)對SAR衛(wèi)星進(jìn)行同步的導(dǎo)航衛(wèi)星信號、姿軌敏感器激勵信號、回波信號激勵，建立SAR衛(wèi)星在軌工作的仿真模擬環(huán)境，獲得成像數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)相關(guān)的SAR載荷數(shù)據(jù)；

(3)本發(fā)明涉及的回波模擬器成本低，易實現(xiàn)?，F(xiàn)有回波模擬器均需要通過接收雷達(dá)信號與自身數(shù)據(jù)進(jìn)行實時計算生成回波信號，所需軟硬件規(guī)模大，占用計算資源多；本發(fā)明涉及的回波模擬器通過與任務(wù)規(guī)劃計算機進(jìn)行巧妙地配合，無需實時演算回波信號，對硬件要求低，節(jié)省了計算資源。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)組成示意圖。

圖2是本發(fā)明方法流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明一種SAR衛(wèi)星模擬在軌載荷數(shù)據(jù)的獲取方法，搭建SAR衛(wèi)星模擬在軌載荷數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。該系統(tǒng)由SAR衛(wèi)星、任務(wù)規(guī)劃計算機、導(dǎo)航信號模擬器、姿軌控地面設(shè)備、測控地面設(shè)備、SAR回波模擬器與載荷數(shù)據(jù)接收設(shè)備組成。如圖1所示。

SAR衛(wèi)星為一顆以SAR為載荷的實際遙感衛(wèi)星產(chǎn)品，具有發(fā)送遙測參數(shù)，接收遙控指令功能；能夠接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號進(jìn)行定位定軌；具有在軌姿態(tài)軌道控制功能；可進(jìn)行SAR成像，并綜合回波信號、成像模式信息、雷達(dá)工作參數(shù)信息、成像時刻時長信息、成像過程定位定軌信息、姿態(tài)信息，按照一個雷達(dá)脈沖重復(fù)周期一幀的速率，打包形成載荷數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲；能夠?qū)⒋鎯Φ妮d荷數(shù)據(jù)通過射頻通道發(fā)射下傳。

任務(wù)規(guī)劃計算機根據(jù)成像規(guī)劃計算并存儲回波數(shù)據(jù)，調(diào)度各測試設(shè)備與模擬器協(xié)同工作。任務(wù)規(guī)劃計算機提供人機界面錄入成像規(guī)劃，包括選擇成像模式、SAR衛(wèi)星運行軌道、成像時刻與時長、成像過程姿態(tài)信息與所需模擬的圖像內(nèi)容。任務(wù)規(guī)劃計算機將這些信息作為調(diào)度各設(shè)備協(xié)同工作的共用參數(shù)進(jìn)行使用；任務(wù)規(guī)劃計算機使用任務(wù)成像規(guī)劃的信息計算并存儲回波數(shù)據(jù)，回波模擬算法使用傳統(tǒng)的一維頻域法；任務(wù)規(guī)劃計算機對外接口包括向測控地面設(shè)備發(fā)送成像規(guī)劃指令、初始軌道指令與模飛開始指令，向?qū)Ш叫盘柲M器發(fā)送初始軌道信息與模飛開始指令，向姿軌控地面設(shè)備發(fā)送初始軌道信息、初始姿態(tài)信息與模飛開始指令，向回波模擬器發(fā)送成像規(guī)劃指令與回波數(shù)據(jù)，向載荷數(shù)據(jù)接收設(shè)備發(fā)送接收數(shù)據(jù)信號指令。

導(dǎo)航信號模擬器向SAR衛(wèi)星輸出導(dǎo)航衛(wèi)星信號，模擬SAR衛(wèi)星在軌實際預(yù)期接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號，傳遞SAR衛(wèi)星運行軌道，輔助SAR衛(wèi)星定位定軌。對外接口包括與SAR衛(wèi)星的發(fā)送導(dǎo)航衛(wèi)星信號接口，與任務(wù)規(guī)劃計算機的接收初始軌道信息、模飛開始指令信息。

姿軌控地面設(shè)備輸出一系列姿態(tài)敏感器激勵信號輔助SAR衛(wèi)星確定自身姿態(tài)，姿態(tài)敏感器激勵信號還受來自SAR衛(wèi)星的姿態(tài)執(zhí)行機構(gòu)反饋信號控制，形成閉環(huán)。與SAR衛(wèi)星的接口包括發(fā)送姿態(tài)敏感器激勵信號、接收姿態(tài)執(zhí)行機構(gòu)反饋信號，與任務(wù)規(guī)劃計算機的接收初始軌道信息、初始姿態(tài)信息、模飛開始指令信息。

測控地面設(shè)備用于向SAR衛(wèi)星發(fā)送遙控指令并接收遙測參數(shù)，其發(fā)送的遙控指令包括通過與任務(wù)規(guī)劃計算機接口送來的成像規(guī)劃指令、初始軌道指令和模飛開始指令。

SAR回波模擬器按預(yù)定成像計劃接收雷達(dá)信號與SAR衛(wèi)星同步工作，并向SAR衛(wèi)星發(fā)送回波信號。SAR回波模擬器由兩個模塊組成，分別為雷達(dá)信號接收單元與回波數(shù)據(jù)播放單元。SAR回波模擬器外部接口包括接收SAR衛(wèi)星雷達(dá)信號，向SAR衛(wèi)星發(fā)送回波信號，接收任務(wù)規(guī)劃計算機送來的回波數(shù)據(jù)與成像規(guī)劃指令。內(nèi)部接口包括雷達(dá)信號接收單元向回波數(shù)據(jù)播放單元發(fā)送同步信號。雷達(dá)信號接收單元的主要功能是接收SAR衛(wèi)星雷達(dá)信號并將其轉(zhuǎn)換為同步信號用于確定回波信號的發(fā)送時機；回波數(shù)據(jù)播放單元的主要功能是根據(jù)任務(wù)規(guī)劃計算機存儲的回波數(shù)據(jù)與雷達(dá)信號接收單元提供的發(fā)送時機，將回波數(shù)據(jù)調(diào)制為回波信號并周期性發(fā)送給SAR衛(wèi)星。

載荷數(shù)據(jù)接收設(shè)備根據(jù)任務(wù)規(guī)劃計算機發(fā)出的指令接收SAR衛(wèi)星發(fā)出的載荷數(shù)據(jù)信號，并進(jìn)行接收解調(diào)與復(fù)原，獲得載荷數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)中，SAR衛(wèi)星、導(dǎo)航信號模擬器、姿軌控地面設(shè)備與SAR回波模擬器通過NTP校時協(xié)議保持統(tǒng)一時鐘。從而確保任務(wù)規(guī)劃計算機向SAR衛(wèi)星、導(dǎo)航信號模擬器、姿軌控地面設(shè)備與SAR回波模擬器下達(dá)帶時間標(biāo)記工作任務(wù)時可以同時同步執(zhí)行。

本發(fā)明方法步驟如下：

1)根據(jù)成像模式、SAR衛(wèi)星運行軌道、SAR衛(wèi)星成像時刻與時長、SAR衛(wèi)星成像過程姿態(tài)信息與所需模擬的圖像內(nèi)容，使用一維頻域法，制作SAR回波數(shù)據(jù)，并存儲在任務(wù)規(guī)劃計算機中。需要進(jìn)一步說明的有：成像模式包括聚束、條帶與掃描三類。衛(wèi)星運行軌道由軌道六根數(shù)表達(dá)。SAR衛(wèi)星成像過程的姿態(tài)確定了SAR衛(wèi)星雷達(dá)天線的指向，是SAR回波模擬的重要參數(shù)。所需模擬的圖像內(nèi)容是一張位圖格式的灰度圖片。

2)任務(wù)規(guī)劃計算機驅(qū)動導(dǎo)航信號模擬器與姿軌控地面設(shè)備按照任務(wù)規(guī)劃，輸出激勵給SAR衛(wèi)星，執(zhí)行模擬在軌飛行；具體步驟細(xì)分為以下4個步驟：

21)為確保導(dǎo)航信號模擬器、姿軌控地面設(shè)備同步對SAR衛(wèi)星進(jìn)行激勵，事先利用NTP協(xié)議對導(dǎo)航信號模擬器、姿軌控地面設(shè)備與SAR衛(wèi)星進(jìn)行校時統(tǒng)一時鐘。

22)任務(wù)規(guī)劃計算機將模擬在軌飛行的初始軌道信息通過測控地面設(shè)備發(fā)送給SAR衛(wèi)星；初始軌道信息為包含軌道六根數(shù)信息遙控指令，SAR衛(wèi)星在開始模擬在軌飛行后，將依據(jù)該信息開展工作。

23)任務(wù)規(guī)劃計算機將模擬在軌飛行的初始軌道信息發(fā)送給導(dǎo)航信號模擬器與姿軌控地面設(shè)備，將初始姿態(tài)信息發(fā)送給姿軌控地面設(shè)備；初始軌道信息為軌道六根數(shù)形式的信息，初始姿態(tài)信息以衛(wèi)星的俯仰角度、滾動角度與偏航角度表示。

24)由任務(wù)規(guī)劃計算機發(fā)布開始模擬在軌飛行的時刻給導(dǎo)航信號模擬器、姿軌控地面設(shè)備與SAR衛(wèi)星，由于導(dǎo)航信號模擬器、姿軌控地面設(shè)備與SAR衛(wèi)星已經(jīng)統(tǒng)一時鐘，所以可以保證它們在同一時刻在開始模擬在軌飛行；模擬飛行開始后，導(dǎo)航信號模擬器通過初始軌道信息生成、發(fā)送導(dǎo)航衛(wèi)星信號；姿軌控地面設(shè)備通過初始軌道信息與初始姿態(tài)信息生成、發(fā)送姿態(tài)敏感器激勵信號。SAR衛(wèi)星鎖定導(dǎo)航衛(wèi)星信號，完成定位定軌，并且確定自身姿態(tài)，從而建立起SAR衛(wèi)星正常在軌飛行工作狀態(tài)；

3)任務(wù)規(guī)劃計算機同時向SAR回波模擬器、載荷數(shù)據(jù)接收設(shè)備與SAR衛(wèi)星發(fā)送成像規(guī)劃指令，傳遞成像模式、雷達(dá)工作參數(shù)信息、成像時刻、時長、成像過程姿態(tài)信息與下傳載荷數(shù)據(jù)時刻。向SAR衛(wèi)星發(fā)送成像規(guī)劃指令需通過測控地面設(shè)備的遙控指令通道。

4)到達(dá)預(yù)定SAR衛(wèi)星成像時刻，任務(wù)規(guī)劃計算機驅(qū)動SAR回波模擬器同步播放回波信號；SAR衛(wèi)星接收回波信號，連同成像模式信息、雷達(dá)工作參數(shù)信息、成像時刻時長信息、成像過程定位定軌信息、姿態(tài)信息共同打包形成載荷數(shù)據(jù)；具體步驟細(xì)分為以下3個步驟：

41)到達(dá)預(yù)定SAR衛(wèi)星成像時刻，SAR衛(wèi)星開始按照步驟3)任務(wù)規(guī)劃計算機發(fā)送的成像規(guī)劃指令所描述的雷達(dá)工作參數(shù)信息向SAR回波模擬器發(fā)送雷達(dá)信號，并接收回波信號；持續(xù)時間由成像時長確定，成像時長也在成像規(guī)劃指令中描述。

42)SAR回波模擬器中的雷達(dá)信號接收單元接收到雷達(dá)信號，將其轉(zhuǎn)換為同步信號傳遞給回波數(shù)據(jù)播放單元；回波數(shù)據(jù)播放單元根據(jù)步驟3)任務(wù)規(guī)劃計算機提供的雷達(dá)工作參數(shù)信息，同步地接收任務(wù)規(guī)劃計算機送來的回波數(shù)據(jù)，將回波數(shù)據(jù)調(diào)制成回波信號后，發(fā)送至SAR衛(wèi)星；

43)SAR衛(wèi)星綜合接收的回波信號、成像模式信息、雷達(dá)工作參數(shù)信息、成像時刻時長信息、成像過程定位定軌信息、姿態(tài)信息，按照一個雷達(dá)脈沖重復(fù)周期一幀的速率，形成載荷數(shù)據(jù)，并將其存儲起來。

5)到達(dá)預(yù)定SAR衛(wèi)星下傳載荷數(shù)據(jù)時刻，SAR衛(wèi)星將步驟43)存儲的載荷數(shù)據(jù)通過無線射頻信號形式下傳，載荷數(shù)據(jù)接收設(shè)備根據(jù)任務(wù)規(guī)劃計算機在步驟3)中發(fā)送的成像規(guī)劃指令中的下傳載荷數(shù)據(jù)時刻信息，接收SAR衛(wèi)星發(fā)出的載荷數(shù)據(jù)信號，進(jìn)行接收解調(diào)與復(fù)原，完成載荷數(shù)據(jù)接收。