基于分布式SAR系統(tǒng)的偵察衛(wèi)星目標定位技術

任 楷

(鄭州大學 網(wǎng)絡管理中心，鄭州 450001)

0 引言

SAR中文全稱合成孔徑雷達，外在表現(xiàn)為一種具有主動性的對地型觀測系統(tǒng)，能加裝在宇宙飛船、衛(wèi)星、遙感飛機等多個飛行平臺之中，對地表障礙物具有較強的物理穿透能力，可對單一目標主體實施全天候的觀測。通常情況下，SAR系統(tǒng)能夠長期維持穩(wěn)定的分布運行狀態(tài)，可聯(lián)合星載平臺、機載平臺等硬件執(zhí)行設備，對無人機、地基、彈載等空間主體實施定向化控制，從而使多頻衛(wèi)星濾波逐漸融合至統(tǒng)一的頻段區(qū)間內(nèi)，一方面降低超高目標分辨率對偵查定位精準性造成的抑制影響，另一方面可促使多模式定位技術快速向著實用型方向轉(zhuǎn)化[1-2]。隨著SAR圖像生成數(shù)量的不斷增加，地表控制主機發(fā)出的無線電脈沖能量也逐漸增大，進而照亮更多的偵查目標場景，達到縮短脈沖波長的目的。

被動目標定位是一種重要的偵察衛(wèi)星行進控制手段，能夠借助相位處理器、轉(zhuǎn)存調(diào)節(jié)模塊等裝置，實現(xiàn)對相關定位指標的定性與定量控制。傳統(tǒng)DDS算法是偵察衛(wèi)星目標定位技術中的重要應用環(huán)節(jié)，可在統(tǒng)計衛(wèi)星收發(fā)機前端射頻總量的基礎上，確定目標芯片所承載的定位驅(qū)動條件，再聯(lián)合Nios II軟核為待測衛(wèi)星主體分配適量的偵查動能。但隨著待定位目標總量的不斷增加，由這種方法所引起的LCT指標、LOC指標上升行為均不能達到預期標準水平。為解決上述問題，引入分布式SAR系統(tǒng)，在相位累加器、D/A分布模塊等硬件結構的支持下，設計一種新型的偵察衛(wèi)星目標定位算法，并通過測算實際偵查角度的方式，突出說明傳統(tǒng)算法與新型算法之間的應用差異性。

1 基于分布式SAR系統(tǒng)的衛(wèi)星定位執(zhí)行結構

基于分布式SAR系統(tǒng)的衛(wèi)星定位執(zhí)行結構由偵查調(diào)節(jié)模塊、衛(wèi)星目標相位累加器、SAR型存儲模塊、D/A分布模塊四部分組成，具體搭建處理方法如下。

1.1 偵查調(diào)節(jié)模塊

偵查調(diào)節(jié)模塊是分布式SAR衛(wèi)星系統(tǒng)的核心組成結構，由CP243-1板材、總線集成電纜、總線連接器、相位存儲插座、累加接線板五部分共同組成。其中，CP243-1板材位于偵查調(diào)節(jié)模塊中部，能負載其它衛(wèi)星系統(tǒng)元件的連接插入行為，向上與定位控制主機相連，直接獲取其中已記錄的目標存儲數(shù)據(jù)，向下調(diào)節(jié)SAR型存儲模塊、D/A分布模塊的接入行為，達到精準定位偵察衛(wèi)星被動目標點的目的?？偩€集成電纜位于偵查調(diào)節(jié)模塊左端，具備較強的自主伸縮能力，在偵查衛(wèi)星目標定位點數(shù)量等級不斷提升的情況下，該結構的最外側(cè)端點持續(xù)外撤，直至電纜體完全外露；在偵查衛(wèi)星目標定位點數(shù)量等級不斷下降的情況下，該結構的最外側(cè)端點持續(xù)內(nèi)移，直至最外側(cè)端點與CP243-1板材邊緣完全重合[3]。總線連接器內(nèi)嵌于CP243-1板材之中，同時監(jiān)管相位存儲插座與分布式累加接線板所承載的定位處理指令，在上述兩物理結構同時保持接入狀態(tài)的情況下，連接器也隨之進行連續(xù)處置形式；而在上述兩物理結構同時保持斷開狀態(tài)的情況下，連接器也只能出現(xiàn)間斷性處置行為。

圖1 偵查調(diào)節(jié)模塊結構圖

1.2 衛(wèi)星目標相位累加器

衛(wèi)星目標相位累加器附屬于偵查調(diào)節(jié)模塊，是分布式SAR系統(tǒng)中的重要執(zhí)行控制元件，由外部器件殼體及內(nèi)部板材結構共同組成。外部器件殼體是衛(wèi)星目標相位累加器的外部保護結構，通常由非導體材料構成，在偵查衛(wèi)星實施定位目標追蹤的過程中，分布式SAR系統(tǒng)核心控制主機會向外輸送大量的自由電子，用于負載相關硬件設備的連接執(zhí)行功能[4]。隨著衛(wèi)星航行時間的延長，電子大量累計，導致衛(wèi)星目標相位累加器表面出現(xiàn)一定水平的游移電荷，為避免因電量偏移而造成目標定位精準程度的大幅下降，外部殼體將散亂分布的點電荷疏導至SAR型存儲模塊及D/A分布模塊之中，一方面縮減了傳輸電子的平均用量，另一方面也適當提升了偵查目標定位的實際精準性數(shù)值。

圖2 衛(wèi)星目標相位累加器結構圖

相位調(diào)節(jié)主板、累加處置主板同時負載于內(nèi)部執(zhí)行芯片之上，在定位消耗電阻的調(diào)度調(diào)節(jié)之下，可聯(lián)合AML8726-H芯片與NT5DS32M16BS-5T芯片處理系統(tǒng)模塊之間的負荷連接請求[5]。在模塊接入卡槽呈現(xiàn)持續(xù)占用狀態(tài)的情況下，消耗電阻的實際阻值快速增大，并以此促進AML8726-H芯片與NT5DS32M16BS-5T芯片之間的傳輸間距不斷縮短，直至確保偵查調(diào)節(jié)模塊中的衛(wèi)星目標定位數(shù)據(jù)總量不再發(fā)生改變。

1.3 SAR型存儲模塊

SAR型存儲模塊以核心存儲芯片作為基礎搭建設備，外部負載多個插入指針，可直接伸入系統(tǒng)指定模塊之中，借助輸入、輸出導線建立與偵查衛(wèi)星定位主機的物理連接。SAR型存儲芯片具備相對穩(wěn)定的定位執(zhí)行功能，與目標相位累加器同屬于系統(tǒng)分布處理結構[6]。通常情況下，SAR型存儲模塊具備3種獨立式的工作狀態(tài)：

1)與偵查調(diào)節(jié)模塊相連：直接獲取與偵查衛(wèi)星目標定位相關的數(shù)據(jù)指標，并轉(zhuǎn)換成既定信息形式，存儲于SAR型系統(tǒng)模塊之中。

2)與衛(wèi)星目標相位累加器相連：將與偵察衛(wèi)星目標相關的追蹤數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成自由連接信息形式，再借助插入指針反饋回SAR型存儲模塊之中，最終生成滿足定位需求的應用數(shù)據(jù)包。

3)與D/A分布模塊相連：改變偵查衛(wèi)星目標定位信息的現(xiàn)有分布形式，建立SAR型存儲模塊與核心系統(tǒng)主機之間的數(shù)據(jù)化連接。

1.4 D/A分布模塊

D/A分布模塊是SAR系統(tǒng)的最底層執(zhí)行結構，由執(zhí)行元件、NCO IP核、TLC5620芯片、NMEA-O183芯片四部分結構組成。其中，D/A元件具備較強的定位數(shù)據(jù)承載能力，可按照SAR型存儲模塊的現(xiàn)有執(zhí)行狀態(tài)，選擇性建立與衛(wèi)星目標相位累加器之間的定向連接關系。NCO IP核作為D/A分布模塊的核心設計結構，能夠充分感知處理主機所呈現(xiàn)出的偵查衛(wèi)星目標定位行為，再聯(lián)合SAR系統(tǒng)中的傳輸電子，決定定位處置指令的實際判別權限，實現(xiàn)精準定位待識別目標的目的[7]。TLC5620芯片在D/A分布模塊中占據(jù)最大的應用空間，是判處衛(wèi)星目標定位指令實施權限的重要元件，在不出現(xiàn)明顯偵查變化的情況下，該結構可以直接干預定位主機的輸出能力，彌補由衛(wèi)星目標定位偏移而造成的數(shù)值誤差。NMEA-O183芯片位于D/A分布模塊的右下部，負責協(xié)調(diào)該項結構體與其它硬件設備之間的傳輸關系，若待處置定位數(shù)據(jù)的物理實值始終不能達到預期數(shù)值水平，該芯片會快速斷開與其它設備體之間的信息溝通連接，直至偵查衛(wèi)星定位目標只能在限制范圍內(nèi)保持行進活動狀態(tài)。

圖3 D/A分布模塊結構圖

2 偵察衛(wèi)星的目標自定位

在基于分布式SAR系統(tǒng)執(zhí)行結構的支持下，按照定位傳感器選型、偵察定位坐標轉(zhuǎn)換、目標通訊協(xié)議連接的應用流程，完成偵察衛(wèi)星的目標自定位處理。

2.1 定位傳感器選型

偵查衛(wèi)星目標定位傳感器具備Pixhawk飛控板、航模無刷電機、電子調(diào)速器、GPS模塊4種基本表現(xiàn)形式。其中，Pixhawk飛控板直接作用于分布式SAR系統(tǒng)的偵查調(diào)節(jié)模塊，擅長處理相鄰衛(wèi)星目標點之間的限制影響關系，在其它外設組織保持兼容并行的情況下，該類型定位傳感器具備最為廣泛的作用調(diào)節(jié)空間。航模無刷電機直接作用于衛(wèi)星目標相位累加器，只能執(zhí)行系統(tǒng)電動機與驅(qū)動器之間的動態(tài)調(diào)節(jié)指令，在相關SAR組織呈現(xiàn)信息慣性輸出的情況下，該類型定位傳感器能夠圍繞衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的直屬作用區(qū)間，提供偵查目標處置所需的一切應用節(jié)點[8-9]。電子調(diào)速器直接作用于SAR型存儲模塊，始終與分布式系統(tǒng)無刷電機保持相同的調(diào)頻速率，在偵查衛(wèi)星目標分布較為散亂的情況下，該類型定位傳感器可根據(jù)處置指令的作用范圍，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)信息的實際輸出行為，從而控制后續(xù)坐標轉(zhuǎn)換處理所需的具體數(shù)值條件。GPS模塊直接作用于D/A分布模塊，能夠按照分布式SAR系統(tǒng)相關偵查衛(wèi)星組織的從屬定位行為，判斷目標識別處置的實施精準性，達到縮小偵察定位坐標實際應用范圍的目的。

2.2 偵察定位坐標轉(zhuǎn)換

偵查定位坐標轉(zhuǎn)換可根據(jù)定位傳感器的具體型號條件，控制偵查衛(wèi)星目標的實際分布范圍，再通過分別定義x、y、z軸基向量的方式，處置相鄰定位節(jié)點之間的從屬關系[10]。x軸是偵查定位坐標系的橫向分布條件，受到分布式SAR系統(tǒng)橫向輸出信息分量y1的作用影響，在既定輸出時間內(nèi)，可使定位節(jié)點數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定的橫波驅(qū)動行為。y軸是偵查定位坐標系的縱向分布條件，受到分布式SAR系統(tǒng)縱向輸出信息分量y2的作用影響，在既定輸出時間內(nèi)，可使定位節(jié)點數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定的縱波驅(qū)動行為。z軸是偵查定位坐標系的空間分布條件，受到分布式SAR系統(tǒng)空間輸出信息分量y3的作用影響，在既定輸出時間內(nèi)，可使定位節(jié)點數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定的空間驅(qū)動行為。聯(lián)立上述物理量，可將偵查定位坐標的轉(zhuǎn)換公式定義為：

(1)

其中:λ1、λ2、λ3分別代表定位坐標系的橫向、縱向與空間SAR作用條件，q1、q2、q3分別代表分布式系統(tǒng)對于偵查衛(wèi)星目標的橫向、縱向與空間調(diào)配系數(shù)，sinα、cosα、tanα分別代表衛(wèi)星目標偵查定位夾角α的正弦、余弦、正切值。

2.3 目標通訊協(xié)議

偵查衛(wèi)星目標通訊協(xié)議確保了分布式SAR系統(tǒng)的定位精確性，具備GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC等多重實際表現(xiàn)形式。為適應衛(wèi)星目標的偵查定位需求，所有通訊協(xié)議均滿足NMEA-O 183語句對于數(shù)據(jù)信息的限制標準，即在單一目標定位時間區(qū)段內(nèi)，有且僅有一項目標通訊協(xié)議可以直接影響SAR系統(tǒng)對于定位信息的實際作用效果。GPGGA、GPGSA、GPGSV通訊協(xié)議始終保持72位的作用幀長，在偵查衛(wèi)星目標正弦值出現(xiàn)微小偏差的情況下，可限制x坐標軸的平均波動幅度。GPRMC、GPVTG、GPGLL通訊協(xié)議始終保持65位的作用幀長，在偵查衛(wèi)星目標余弦值出現(xiàn)微小偏差的情況下，可限制y坐標軸的平均波動幅度。詳細的目標通訊協(xié)議連接原理如表1所示。

表1 目標通訊協(xié)議連接原理

3 目標定位算法的設計與應用

按照偵察衛(wèi)星的目標自定位原則，聯(lián)合分布式定位原理、衛(wèi)星目標偵查角度、目標定位信息接收與轉(zhuǎn)存流程，完成基于分布式SAR系統(tǒng)的偵察衛(wèi)星目標定位應用算法設計。

3.1 分布式定位原理

偵查衛(wèi)星SAR系統(tǒng)分布式定位原理由空間部分、地面控制部分兩個分類方向。

空間部分：不限制偵查衛(wèi)星的實際行進位置，但無論處于哪一空間方位上的目標主體都只向同一定位主機傳輸連接信息。通常情況下，偵查衛(wèi)星的飛行軌跡處在相同的高度水平，且能夠自主感知地表定位基站及目標節(jié)點的真實位置[11]。

地面控制部分：地面控制主體由一個地表定位基站和一個衛(wèi)星目標共同組成。基站負責收集由偵查衛(wèi)星輸出的定位數(shù)據(jù)，在測算偵查偏移角度數(shù)值的同時，統(tǒng)計相關SAR參數(shù)在橫向、縱向及空間方向上的投射指標。衛(wèi)星目標是一個具備接收感知功能的執(zhí)行主機，能夠按照偵查系統(tǒng)定位行為的變化情況，計算定位坐標系的實值轉(zhuǎn)換范圍，從而確定偵查衛(wèi)星與定位目標之間的垂直物理距離[8]。

圖4 偵察衛(wèi)星SAR系統(tǒng)分布定位原理

3.2 衛(wèi)星目標偵查角度測算

(2)

其中，arctanα代表衛(wèi)星目標偵查定位夾角α的反正切值，f代表分布式SAR系統(tǒng)中的衛(wèi)星偵查系數(shù)。

3.3 目標定位信息的接收與轉(zhuǎn)存

目標定位信息接收與轉(zhuǎn)存是兩個非完全不相關處理流程，能夠根據(jù)偵查節(jié)點所處的真實位置，判斷分布式系統(tǒng)的實際執(zhí)行情況，再聯(lián)合既定信息存儲元件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)參量的提取與處置(如圖5所示)。在偵查調(diào)節(jié)模塊保持定頻輸出的情況下，衛(wèi)星目標相位累加器可與SAR型存儲模塊建立自發(fā)連接關系，再根據(jù)D/A分布模塊中定位信息的傳輸?shù)燃壦?，控制與定位傳感器相關的選型行為[13]。隨著偵察定位坐標轉(zhuǎn)換手段的實施，相關模塊中的目標通訊協(xié)議可自主控制連接幀長條件的數(shù)值水平，再聯(lián)合分布定位原理，測算衛(wèi)星目標偵查角度的實時偏轉(zhuǎn)度量，完成偵查衛(wèi)星目標定位信息的轉(zhuǎn)存接收處理。

圖5 目標定位信息接收與轉(zhuǎn)存流程圖

至此，完成前期理論環(huán)境搭建及相關數(shù)值參量計算，在分布式SAR系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)偵察衛(wèi)星目標定位算法的順利應用。

4 算法實踐性檢測

為對比基于分布式SAR系統(tǒng)偵察衛(wèi)星目標定位算法、DDS算法間的實用差異性，設計如下對比實驗。在虛擬網(wǎng)絡環(huán)境中模擬偵察衛(wèi)星的實際飛行軌跡，設置兩臺執(zhí)行主機和一臺輔助主機，對地面環(huán)境中不同的目標主體實施定位監(jiān)控，其中實驗組衛(wèi)星搭載新型偵察衛(wèi)星目標定位算法，對照組衛(wèi)星搭載DDS算法。

4.1 檢測應用環(huán)境

借助無線反饋裝置，將實驗組、對照組偵察衛(wèi)星的定位信息傳輸至核心監(jiān)測主機中，再根據(jù)固定時間區(qū)段內(nèi)指標數(shù)值的波動情況，繪制參數(shù)向量的具體變化曲線。

圖6 實驗模擬環(huán)境

4.2 LCT指標數(shù)值對比

LCT指標也叫橫向分布指標，始終與偵察衛(wèi)星被動目標定位跟蹤精準性保持相同的變化趨勢。圖7反應了50 min的監(jiān)測時間內(nèi)，實驗組、對照組LCT指標數(shù)值的具體變化情況。

圖7 LCT指標數(shù)值對比圖

分析圖7可知，監(jiān)測時長處于0～10 min、30～40 min、40～50 min之間時，實驗組LCT指標數(shù)值均高于對照組，最大參數(shù)水平達到66%，遠超對照組極值24%；監(jiān)測時長處于10～20 min、20～30 min之間時，實驗組LCT指標數(shù)值隨略低于對照組，但實際差值水平較小基本不超過1%，可近似忽略。綜上可知，應用基于分布式SAR系統(tǒng)偵察衛(wèi)星目標定位算法，確實可提升LCT指標的實際數(shù)值水平。

4.3 LOC指標數(shù)值對比

LOC指標也叫縱向分布指標，也與偵察衛(wèi)星被動目標定位跟蹤精準性保持相同的變化趨勢。表2～3反應了50 min的監(jiān)測時間內(nèi)，實驗組、對照組LOC指標數(shù)值的具體變化情況。

表2 實驗組LOC指標數(shù)值

對比表2～3可知，實驗組LOC指標在整個監(jiān)測過程中雖然一直呈現(xiàn)波動變化狀態(tài)，但上升或下降的幅度極小，基本維持階段性穩(wěn)定的行為趨勢，全局最大值達到63.78%；對照組LOC指標前期一直不斷下降，在達到穩(wěn)定

表3 對照組LOC指標數(shù)值

狀態(tài)后，開始小幅度上升，全局最大值達到38.47%，遠低于實驗組極值水平。綜上可知，應用基于分布式SAR系統(tǒng)偵察衛(wèi)星目標定位算法，對LOC指標數(shù)值水平上升具有極強促進作用。

5 結束語

分布式SAR系統(tǒng)與傳統(tǒng)DDS算法的控制體系相比，具有信息接收轉(zhuǎn)存能力強、測算角度計算精準等應用優(yōu)勢，在偵查調(diào)節(jié)模塊、衛(wèi)星目標相位累加器、存儲模塊、D/A分布模塊四類硬件執(zhí)行設備的促進下，實現(xiàn)偵察定位坐標系的轉(zhuǎn)換與應用，最終使得所有定位傳感器都得到妥善的通訊協(xié)議連接。從實用執(zhí)行的角度來看，橫、縱向分布指標均出現(xiàn)不同程度的上升變化行為，有效降低偵察衛(wèi)星被動目標失精準定位跟蹤事件的出現(xiàn)幾率。