基于遺傳算法的geo星機(jī)雙基sar接收站飛行參數(shù)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及滿足要求成像性能的GE0雙基SAR接收站飛行 任務(wù)設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種全天時(shí)、全天候的高分辨率成像系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)射大時(shí)寬 積的線性調(diào)頻信號(hào)，接收時(shí)經(jīng)匹配濾波得到脈沖壓縮信號(hào)，W獲得距離向高分辨率，利用合 成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)方位向的高分辨率。成像質(zhì)量不受天氣條件(云層、光照)等影響，具有對(duì)遠(yuǎn) 距離目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和定位的特點(diǎn)。
[0003] 地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)(GE0-SAR)相對(duì)于LE0-SAR具有更大的測(cè)繪帶寬和更 短的重訪周期，使得能夠廣泛的運(yùn)用于災(zāi)害監(jiān)視，大地構(gòu)造成像。對(duì)單基GE0-SAR，為了獲得 良好的方位分辨率需要長(zhǎng)的合成孔徑時(shí)間，但是較長(zhǎng)的合成孔徑時(shí)間會(huì)帶來(lái)巨大的大氣相 位延遲。相對(duì)于單基GE0-SAR，GE0星機(jī)雙基SAR可W通過(guò)調(diào)整接收站的飛行參數(shù)方便和高效 的提高成像性能。
[0004] GE0星機(jī)雙基SARWGE0衛(wèi)星作為照射源，相較于LEO衛(wèi)星具有大的照射帶寬和更短 的重訪周其月。在文南犬('BistaticgeosynchronousSARforlandandatmosphere continuousobse;rvation(inProc. 10th抓SAR,June2014,pp. 1-4.)"中提出了一種基于 近似零傾角GEO衛(wèi)星的GEO星機(jī)雙基構(gòu)型系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在L波段和KU波段的低空間分辨率 成像，并根據(jù)預(yù)定的成像性能對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了分析。同時(shí)在文獻(xiàn)"Widearea surveillanceconceptsbasedongeosynchronousilluminationandbistatic unmannedairbornevehiclesorsatellitereception,"中提出了GEO作為照射源，LEO 或者無(wú)人機(jī)作為接收站的雙基構(gòu)型系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)屬于單基固定的雙基SAR。在文獻(xiàn) "ResolutioncalculationandnalysisinbistaticSARwithgeostationary illuminatorIEEEGeosci.RemoteSens.Lett.,vol.ΙΟ,ηο.1,pp.194-198,Jan2013." 在考慮楠球表面和大的等效角情況下對(duì)空間分辨率進(jìn)行了分析。但是空間分辨率的分析方 法和空間分辨率的特性不能夠直接運(yùn)用到非零傾角的GE0星機(jī)雙基SAR中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)【背景技術(shù)】存在的缺陷，設(shè)計(jì)一種快速非支配排序遺傳算法的 飛行參數(shù)求解的方法，解決GE0星機(jī)雙基SAR特殊構(gòu)型帶來(lái)的接收站飛行任務(wù)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明提供了一種基于遺傳算法的GE0星機(jī)雙基SAR接收站飛行參數(shù)設(shè)計(jì)方法，具 體包括如下步驟：
[0007] 步驟S1:選取合適的GE0-SAR衛(wèi)星作為照射源
[000引首先計(jì)算GE0-SAR衛(wèi)星的空間位置坐標(biāo)和速度，并通過(guò)衛(wèi)星姿態(tài)和波束指向計(jì)算 出瞄準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)系的位置可W表示為：
[0013] Ω為升交點(diǎn)赤經(jīng)，i為軌道傾角，ω為近地點(diǎn)幅角，f為真近點(diǎn)角，a為軌道長(zhǎng)半軸，e 為軌道離屯、率。GEO衛(wèi)星速度可表示為：
[0014]
(4)
[0015] 其中，μ是引力常數(shù)。在慣性坐標(biāo)系下波束瞄準(zhǔn)點(diǎn)的位置矢量可W表示為：
[0020]其中，θγ為偏航角，θρ為俯仰角，θτ為橫滾角。丫為天線下視角，k= 1為天線右視，k=-1為天線左視。
[0021 ]瞄準(zhǔn)點(diǎn)的經(jīng)度和締度可W表示為：
[0027]其中，COe為地球自轉(zhuǎn)角速度 [00%]步驟S2:建立適合的成像場(chǎng)景坐標(biāo)系
[0029]W波束中屯、點(diǎn)為原點(diǎn)，地屯、指向波束中屯、點(diǎn)的方向作為Z軸，X軸位于波束中屯、點(diǎn) 慣性坐標(biāo)系Z軸構(gòu)成的平面內(nèi)建立成像場(chǎng)景坐標(biāo)系。
[0030] 衛(wèi)星位置和速度可W表示為：
[0034] Θlat為中屯、點(diǎn)的締度，Θlong為中屯、點(diǎn)的經(jīng)度。
[0035] 步驟S3:建立成像指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系
[0036] 對(duì)于移不變雙基前視SAR，在系統(tǒng)參數(shù)給定的條件下，雙基構(gòu)型將決定成像性能。 距離分辨率
[0037]
(巧）
[0038] 其中，C是光速，Br是信號(hào)帶寬，護(hù)是地面投影矩陣可W表示為：
[0039]
(14)
[0040] I是單位矩陣，&是成像區(qū)域坐標(biāo)系的法向單位矢量，/背是Pg的轉(zhuǎn)置。
[0041 ]UTA(to)是在to時(shí)刻目標(biāo)到發(fā)射站的單位向量
[0042]
(口）
[0043] URA(to)是在to時(shí)刻目標(biāo)到接收站的單位向量
[0044]
'(16)
[0045] Pa為目標(biāo)點(diǎn)位置，化(to)為接收站的位置即衛(wèi)星的位置。
[0046]
(仍
[0047] 其中，化為接收站的高度，0R為接收站入射角。Ml為旋轉(zhuǎn)矩陣
[0051] λ為載波波長(zhǎng)，Ta為合成孔徑時(shí)間，WTA(t)為發(fā)射站的角速度，WRA(t)為接收站的 角速度。
[0054]其中，巧為發(fā)射站的速度矢量的轉(zhuǎn)置，巧為發(fā)射站速度矢量的轉(zhuǎn)置。
[00巧]
(巧）
[0056] 如果接收站的速度平行于x-y平面，M2可W表示為：
[0化7]
(23)
[005引Φ為雙基飛行方向夾角；
[0059] 分辨方向角：
[0060]曰= c〇s_i但·Θ) (24)
[0061]其中，Θ表不距離分辨方向的單位矢量，Ξ表不方位分辨方向的單位矢量。
[0066]其中，Pt為發(fā)射信號(hào)峰值功率，Gt為發(fā)射天線增益，(ir為接收天線增益，〇〇為標(biāo)準(zhǔn)化 雷達(dá)散射截面積，Paz為方位向分辨率，Pgr為距離向分辨率，Dc為占空比，Lt為傳播損耗，k為 玻爾茲曼常數(shù)，Το為噪聲溫度，F(xiàn)n為接收站噪音系數(shù)。
[0067] 步驟S4:建模為非線性方程組
[0068]成像指標(biāo)方位分辨率Paz，距離分辨率Pgr,分辨方向角α，信噪比SNR是0R，Φ，Φ的非 線性函數(shù)。
[0069]對(duì)于給定的成像指標(biāo)PgrD，PazD，α〇，SNRd，可W將任務(wù)設(shè)計(jì)建模為非線性方程組：
[0070] F(x)=0 (28)
[0071]其中，
[0077] x=(0R,Φ,φ)τ是有=個(gè)決定變量構(gòu)成的決定向量：
[007引
Π1)
[00巧]〇 = (〇,〇,〇)τ(32)
[0080] 步驟S5:轉(zhuǎn)化為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題(MOP):
[0081]為了求解上述的非線性方程組并同時(shí)得到多個(gè)解，我們將非線性方程組轉(zhuǎn)換為由 兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)成的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。線性方程組的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題可W變?yōu)椋?br>[0082]
(33)
[0083] 步驟S6:非支配遺傳算法求解MOP
[0084] S6.1初始化父代數(shù)據(jù)
[0085] 令G= 0，G為遺傳代數(shù)，Gmax為最大代數(shù)。
[0086] 隨機(jī)產(chǎn)生初始種群Pg，有N個(gè)個(gè)體
[0087] 計(jì)算初始群體Pg中每一個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，也就是上式(33)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值。
[008引S6.2如果GE[ 1，Gmax]，執(zhí)行步驟S6.3，否則轉(zhuǎn)到步驟S7;
[0089] S6.3競(jìng)賽選擇
[0090] 二進(jìn)制競(jìng)賽選擇:在群體化中任選兩個(gè)個(gè)體比較目標(biāo)函數(shù)值，選擇目標(biāo)函數(shù)值小 的。進(jìn)行N次，從原化中選出N個(gè)個(gè)體。
[0091] S6.4交叉變異
[0092] 模擬二進(jìn)制交叉算子(SBX):
[0093] 如果隨機(jī)生成數(shù)PE[0，1]，P<P。，P。為交叉概率，則對(duì)N個(gè)個(gè)體的每個(gè)決策變量進(jìn) 行兩兩配對(duì)。假設(shè)其中一對(duì)為和.T,P'W，其中，G為代數(shù)，隨機(jī)生成數(shù)111￡[0，1]，1是第1個(gè) 決策變量。
[0094] 計(jì)算分散因子斬1
[0095]
(34)
[0096] 其中，ric是交叉因子。
[0097] 子代個(gè)體通過(guò)下面公式得到：
[009引
（35J
[0099] 多項(xiàng)式變異算子(PLM):
[0100] 如果隨機(jī)生成數(shù)PE[0，U，P<Pm，Pm= 1 /D，D為決策變量個(gè)數(shù)，則對(duì)N個(gè)個(gè)體的每個(gè) 決策變量進(jìn)行變異操作。子代個(gè)體通過(guò)下述公式產(chǎn)生：
[0101]
(3盾）
[0102] 其中，省和苗分別為第i個(gè)決策變量的上界和下界。δ由下式給出，ri為隨機(jī)生成數(shù) Γ?^[0,1]
[0103]
[0104] 其中％為多項(xiàng)式變異指數(shù)，δι和δ2由下式給出：
[0105]
(38j
[0106]進(jìn)過(guò)選擇，交叉，變異產(chǎn)生的子代群體記為化。
[0107]父代子代合并
[0108] 根據(jù)式(33)計(jì)算子代群體化中每一個(gè)個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值。
[0109] 將父代與子代合并產(chǎn)生新的種群:化=PgU化。
[0110] S6.5非支配排序
[0111] 使用快速非支配選擇算法對(duì)化中的2N個(gè)個(gè)體進(jìn)行非支配排序。
[0112] 對(duì)于最小化多目標(biāo)問(wèn)題，η個(gè)目標(biāo)分量fi(i=l，···，n)組成的向量f(x) = (fi(x)，fi (X)，···，fn(X))，任意給定兩個(gè)決策變量Xu，XvEU，U為決策變量的取值范圍。
[011 ；3 ] 當(dāng)且僅當(dāng)，對(duì)于We化...，η}，都有fi(Xu) <fi(XV)，則Xu支配XV。
[0114] 當(dāng)且僅當(dāng)，對(duì)于eI'l，...，η}，都有fi(Xu) <fi(χν)，且至少存在一個(gè)je{1，…，η}， 使得扣義11)<：?如巾)則義11弱支配義乂。
[0115]當(dāng)且僅當(dāng)，對(duì)于3/e 使fi(Xu) <fi(Xv)，同時(shí)，3/e化…，打i,使fj(Xu)>fj (Xv)則Xu與Xv互不支配。
[0116] 對(duì)于化中每個(gè)個(gè)體i都設(shè)有W下兩個(gè)參數(shù)m和Si，m為在種群中支配個(gè)體i的解個(gè) 體的數(shù)量，Si為被個(gè)體i所支配的解個(gè)體的集合。
[0117]首先，找到種群中所有m=0的個(gè)體，將它們存入當(dāng)前集合Fi。
[0118] 然后對(duì)于當(dāng)前集合Fi中的每個(gè)個(gè)體j考察它所支配的個(gè)體集&，將集合&中的每個(gè) 個(gè)體k的nk減去1即支配個(gè)體k的解個(gè)體數(shù)減1(因?yàn)橹鋫€(gè)體k的個(gè)體j已經(jīng)存入當(dāng)前集Fi)， 如果化-1 = 0則將個(gè)體k存入另一個(gè)集F2。
[0119] 最后，將Fi作為第一級(jí)非支配個(gè)體集合，并賦予該集合內(nèi)個(gè)體一個(gè)相同的非支配 序irank，然后繼續(xù)對(duì)F2作上述分級(jí)操作并賦予相應(yīng)的非支配序，直到所有的個(gè)體都被分級(jí)。
[0120] S6.6擁擠度計(jì)算
[0121] 擁擠距離計(jì)算原則如下：
[0122] (1)對(duì)進(jìn)行擁擠度計(jì)算集合F中的解集按照升序進(jìn)行排列；
[0123] (2)第一個(gè)和最后一個(gè)個(gè)體的擁擠距離設(shè)為無(wú)窮大；
[0124](3)第i個(gè)個(gè)體的擁擠距離則設(shè)為第i+1和第i-1個(gè)體的所有目標(biāo)函數(shù)值之差的歸 一化值之和。
[0125] 可W表示為：
[0126]
Π9)
[0127]其中Fm(i-l)為第i個(gè)個(gè)體的第m個(gè)目標(biāo)函數(shù)值，Μ為目標(biāo)函數(shù)個(gè)數(shù)。
[0128]最后對(duì)集合F按照擁擠距離降序排列。
[0129] 由于子代和父代個(gè)體都包含在化中，則經(jīng)過(guò)非支配排序W后的非支配集Fi中包含 的個(gè)體是化中最好的，所W先Fi將放入新的父代種群P