亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于遺傳算法的星載InSAR多基線編隊構(gòu)形優(yōu)化設(shè)計*

        2010-09-26 04:28:16潔1黃海風梁甸農(nóng)
        電訊技術(shù) 2010年2期
        關(guān)鍵詞:構(gòu)形編隊基線

        李 潔1,黃海風,梁甸農(nóng)

        (1.海軍裝備研究院,北京 100161;2.國防科技大學 電子科學與工程學院,長沙 410073)

        1 引 言

        分布式星載干涉合成孔徑雷達(InSAR)測高系統(tǒng)是將衛(wèi)星編隊和星載SAR技術(shù)相結(jié)合形成的新體制雷達系統(tǒng)[1-2],它利用編隊衛(wèi)星構(gòu)成的空間基線進行干涉測高,具有測高精度高、生存力強、周期短、成本低等優(yōu)點。它的多星編隊模式能夠形成多個干涉通道,是實現(xiàn)多基線定位與測高的重要前提。本文以此為背景,研究了多基線編隊構(gòu)形的優(yōu)化設(shè)計問題。

        衛(wèi)星的編隊構(gòu)形決定了空間基線的長度和指向角,而基線直接關(guān)系到干涉測高中參數(shù)的誤差傳播系數(shù),因此,編隊構(gòu)形設(shè)計是實現(xiàn)高精度測高任務的一個非常重要的環(huán)節(jié)。實現(xiàn)此類任務的編隊構(gòu)形設(shè)計,一方面需要符合編隊運動模型,另一方面需要滿足干涉測高的功能要求。目前,國內(nèi)外很多文獻提出若干衛(wèi)星相對運動模型描述編隊構(gòu)形中的運動規(guī)律。理論上講,分布式SAR系統(tǒng)可以根據(jù)需要設(shè)計任意形狀的編隊,但在實際中由于很多構(gòu)形需要消耗大量燃料而很難實現(xiàn)[3]。文獻[4]推導了被動穩(wěn)定的編隊軌道飛行要素的解析解,提出了一種適用于分布式SAR特點的編隊構(gòu)形設(shè)計方法。干涉車輪、干涉鐘擺等典型構(gòu)形亦是基于Hill方程、消耗燃料少、從傳統(tǒng)正側(cè)視幾何出發(fā)分析基線穩(wěn)定性得到的。文獻[5]基于單基線測高精度模型設(shè)計編隊構(gòu)形。文獻[6]設(shè)計了干涉基線長度相等的編隊構(gòu)形,解決了空間立體編隊中基線耦合的問題,兼具高程測量和地面運動目標檢測兩種功能。另外,還有一些分布式星載InSAR編隊設(shè)計是建立在典型構(gòu)形上,例如Cartwheel、星下點圓形構(gòu)形、空間圓形構(gòu)形等[7~9]。本文采用遺傳算法(GA)對星載InSAR系統(tǒng)的多基線編隊進行優(yōu)化設(shè)計,直接以編隊衛(wèi)星的6個軌道根數(shù)為設(shè)計變量,同時考慮衛(wèi)星飛行安全因素和去相關(guān)因素的影響,以三星編隊的分布式InSAR提供系統(tǒng)的多基線為背景,以提高測高精度為優(yōu)化目標對多基線優(yōu)化問題進行討論。首先從多基線定位方程出發(fā)推導了測高精度公式并建立了多基線測高精度模型,然后分析并推導了編隊構(gòu)形需要考慮的約束條件,最后根據(jù)約束條件利用遺傳算法搜索得到較好的三星編隊構(gòu)形。

        2 目標函數(shù)

        分布式衛(wèi)星系統(tǒng)具有多種任務功能。優(yōu)化模型的目標函數(shù)應根據(jù)分布式衛(wèi)星系統(tǒng)的任務功能以及系統(tǒng)頂層設(shè)計的性能指標要求來選取,用性能指標的加權(quán)和來表示:

        (1)

        式中,km是性能指標σm的加權(quán)系數(shù)。

        分布式星載InSAR系統(tǒng)實現(xiàn)干涉測高任務,頂層設(shè)計要求較高的測高精度,因此,本節(jié)以多基線高程誤差σh為性能指標優(yōu)化編隊。構(gòu)造如下目標函數(shù):

        J=khσh-1

        (2)

        J越大,表示各性能指標越高,而σh越大表示測高誤差越大,因此改為σh-1。

        3 多基線測高誤差方程

        建立如圖1所示的地心固連坐標系XYZ。其中,O為坐標原點。S為既發(fā)射信號又接收信號的主星,S1和S2為編隊小衛(wèi)星群中兩顆只接收信號的輔星。主圖像成像慢時刻t,主星位置矢量用RS表示;兩幅輔圖像成像慢時刻t1、t2,輔星位置矢量分別用RS1和RS2表示。B1和B2分別表示主星和兩輔星間的基線。T為待求的點目標,它在地球表面的位置用RT表示。

        圖1 三星編隊分布式InSAR成像幾何模型Fig.1 The geometrical imaging model of InSAR system

        根據(jù)干涉測高基本原理,分別列出點目標的距離方程和多普勒方程:

        |RS-RT|=r

        (3)

        (4)

        主圖像和輔圖像1、輔圖像2分別干涉形成兩個干涉通道,Δφ1、Δφ2分別表示目標在兩個干涉通道中的干涉相位。根據(jù)干涉測量的原理,列出干涉相位方程如下:

        (5)

        (6)

        聯(lián)立式(3)、(4)、(5)、(6),即可求出目標三維坐標。根據(jù)式(7)即可求出目標的絕對高程:

        h=|RT|-Re

        (7)

        式中,Re為當?shù)厮疁拭娴匦木唷?/p>

        每個參數(shù)的誤差乘以各自的誤差傳播系數(shù)后成為測高總誤差σh的一部分。將式(3)~式(6)對各參數(shù)求偏導可計算出參數(shù)與定位解之間的誤差傳播系數(shù),進而推導出高程誤差傳播系數(shù)[15]。

        假設(shè)各參數(shù)測量誤差之間統(tǒng)計獨立,則測高總誤差表達式為

        (8)

        4 約束條件

        基線的設(shè)計必須考慮以下幾個約束[11]:

        (1)任意兩顆衛(wèi)星的距離小于臨界基線,保證回波的相干性;

        (2)防止衛(wèi)星碰撞,確保編隊飛行安全;

        (3)限制垂直基線長度,滿足測高精度的要求。

        其中,第二條約束牽涉到衛(wèi)星動力學的諸多理論知識和軌道控制的豐富的實踐經(jīng)驗。文獻[12]在分析了地球扁率、大氣等攝動因素后,指出應當以一定的交軌跡基線保證編隊的安全性。具體辦法是,設(shè)計編隊衛(wèi)星的a、i、ω相同,而e、Ω、f略有不同。構(gòu)形在垂直于飛行方向的平面內(nèi)的投影是一個以aΔΩ、aΔe為長短半軸的橢圓,長度至少大于150 m。沿航向基線長度由Δf確定,以2aΔe振幅振蕩。另外,aΔΩ、aΔe的上限還受到垂直基線去相關(guān)的限制,主要表現(xiàn)在受垂直于軌道面的基線長度Bc(Cross-track Baseline)和衛(wèi)星到地心連線方向基線長度Bv(Vertical Baseline)的約束。

        4.1 軌道根數(shù)與Bc、Bv的關(guān)系

        在相對運動坐標系中,Bc為伴隨衛(wèi)星位置z方向的分量,Bv為x方向的分量。假設(shè)s表示參考衛(wèi)星,c表示伴隨衛(wèi)星,(x,y,z)T為伴隨衛(wèi)星的坐標。令

        由相對運動方程可以得到[13]:

        (9)

        根據(jù)二體運動模型可知[13]:

        式中,Δe=es-ec,Δf=fs-fc。將式(10)代入式(9),不考慮f和i的影響,則有:

        (11)

        (12)

        4.2 距離向相關(guān)系數(shù)對Bc、Bv的約束

        不考慮配準誤差,那么距離向相關(guān)系數(shù)與垂直于軌道面的基線長度Bc和衛(wèi)星到地心連線方向基線長度Bv的關(guān)系分別為[14]

        (13)

        (14)

        式中,θ為下視角,r為目標到輔星的距離,Br為發(fā)射信號帶寬,βr為距離向地面坡度。為了得到較好的測高性能,令{ρc,ρr}≥0.9,根據(jù)式(13)、(14),即可得到Bc和Bv的臨界基線Bcc、Bvc。綜合式(11)、(12),即可計算出aΔΩ、aΔe的上限。

        5 遺傳算法與仿真實驗

        遺傳算法是一種通過模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的方法,具有解決復雜的全局優(yōu)化問題的能力。結(jié)合目標函數(shù)和優(yōu)化條件,以衛(wèi)星的軌道根數(shù)xi=(ai,ei,ii,Ωi,ωi,fi)為設(shè)計變量,X=(x1,x2,…xn)為決策變量,求解帶約束的目標函數(shù)J。

        設(shè)定參數(shù)進行仿真分析。給定主星的軌道根數(shù)和雷達參數(shù)(如表1所示)。根據(jù)式(13)、(14),結(jié)合條件{ρc,ρr}≥0.9可以得到Bcc、Bvc約為1 100 m,方位向臨界基線約為800 m。根據(jù)式(11)、(12)計算可得a0Δe、a0ΔΩ的上限為1 500。高程誤差σh根據(jù)式(8)計算得到,各參數(shù)的誤差取為合理的常數(shù):σr=1.5 m,σfdc=0 Hz,σB=0.01 m,σRs=1 m,σVs=0.01 m/s。由于基線的方向變化使距離向去相關(guān)和方位向去相關(guān)分別變化,因此,σφ是隨著基線姿態(tài)變化的,并非一個固定值。σφ根據(jù)兩個通道信號相干系數(shù)來計算[10]。

        表1 仿真參數(shù)Table1 Simulation parameters

        綜合上述約束條件,遺傳算法優(yōu)化模型為

        (15)

        式中,下標i為輔星的編號,0表示主星。

        操作的具體過程如下:

        (1)設(shè)置遺傳算法參數(shù)。種群規(guī)模設(shè)為30,交叉概率為0.4,變異概率為0.05;

        (2)初始化種群。在各設(shè)計變量約束范圍內(nèi)選取服從均勻分布的隨機變量組成30個決策變量(初始種群),決策變量即為遺傳算法中的染色體;

        (3)對染色體依概率進行交叉和變異操作;

        (4)計算所有染色體的目標函數(shù)J,并設(shè)定門限值,將目標函數(shù)值大于門限值的染色體保存在次最優(yōu)解的集合中;

        (5)計算次最優(yōu)解集合中染色體的目標函數(shù)值;

        (6)通過旋轉(zhuǎn)賭輪選擇染色體。將次最優(yōu)解集合中所有染色體的目標函數(shù)值相加求和,然后產(chǎn)生一個在0與總和之間的隨機數(shù)m。從次最優(yōu)解集合中編號為1的染色體開始,將其目標函數(shù)值與后繼染色體的目標函數(shù)值相加,直到累加和大于等于m,最后加進去的即為要選擇的染色體;

        (7)重復步驟3~6,直到滿足終止條件;

        (8)從最優(yōu)解集合中選取染色體作為最優(yōu)解。

        采用遺傳算法求解多基線編隊構(gòu)形優(yōu)化問題的基本流程如圖2所示。

        圖2 遺傳算法基本流程Fig.2 The basic flow of GA

        設(shè)繁殖迭代500次,根據(jù)式(15)搜索得到優(yōu)化編隊,軌道根數(shù)如表2所示。表3列出優(yōu)化后編隊各參數(shù)的誤差傳播系數(shù)。為方便比較,表3亦同時給出經(jīng)簡單優(yōu)化的三星編隊和兩星編隊的誤差傳播系數(shù)[15]。經(jīng)過比較可以看出:多基線的誤差傳播系數(shù)小于單基線的誤差傳播系數(shù);經(jīng)本文算法優(yōu)化后,多基線的某些較大誤差傳播系數(shù)變小,高程誤差變小??梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論:多基線系統(tǒng)提供的冗余信息可以提高測高精度;本文的算法優(yōu)于文獻[15]中簡單的以基線指向角為優(yōu)化變量的優(yōu)化算法。

        表2 優(yōu)化編隊參數(shù)Table 2 Optimization formation parameters

        表3 誤差傳播系數(shù)對比Table 3 Error coefficient contrast

        6 結(jié)束語

        本文采用遺傳算法基于多基線測高精度模型對分布式星載InSAR多基線測高系統(tǒng)的編隊構(gòu)形進行優(yōu)化,將多基線高程誤差的倒數(shù)作為優(yōu)化問題的目標函數(shù)。從相對運動模型出發(fā)綜合衛(wèi)星飛行安全、信號相干性等因素推導了設(shè)計變量的約束條件,至此建立了完整的優(yōu)化問題。采用遺傳算法進行求解,并進行了仿真實驗。此種編隊構(gòu)形優(yōu)化方法沒有基于任何編隊構(gòu)形的假設(shè),具有通用性,仿真實驗證明了優(yōu)化方法的正確性。

        參考文獻:

        [1] Gerhard Krieger,Hauke Fiedler,Alberto Moreira.Bi- and Multistatic SAR:Potentials and Challenges[C ]//Proceedings of EUSAR. Germany:[s.n.],2004:365-370.

        [2] Hanle E.Survey of bistatic and multistatic radar [J].IEE Proceedings,1986,133(7):587-595.

        [3] 林來興.小衛(wèi)星編隊飛行及其軌道構(gòu)成[J].中國空間科學技術(shù),2001(2):23-28.

        LIN Lai-xing.Formation Flying of Small Satellite and Its Orbital Configuration[J].Chinese Space Science and Technology,2001(2):23-28.(in Chinese)

        [4] 陳杰,周蔭清,李春升.分布式SAR小衛(wèi)星編隊軌道設(shè)計方法研究[J].中國科學E輯信息科學,2004,34(6):654-662.

        CHEN Jie,ZHOU Yin-qing,LI Chun-sheng.Design of Distributed SAR satellites Formation Orbit[J].Science in China,Ser.E,2004,34(6):654-662.(in Chinese)

        [5] 郝繼剛,張育林.SAR干涉測高分布式小衛(wèi)星編隊構(gòu)形優(yōu)化設(shè)計[J].宇航學報,2006,27(4):654-658.

        HAO Ji-gang,ZHANG Yu-lin.Formation Optimized Design for the Height Measurement of InSAR Using Distributed Micro-Satellites[J].Journal of Astronautics,2006,27(4):654-658.(in Chinese)

        [6] 李真芳,王彤,保錚,等.同時地形高程測量和地面運動目標檢測的分布式InSAR最優(yōu)編隊構(gòu)形[J].宇航學報,2004,25(6):642-648.

        LI Zhen-fang,WANG Tong,BAO Zheng,et al.The optimal formation configurations for both GMTI and DEM using distributed satellites InSAR[J].Journal of Astronautics,2004,25(6):642-648.(in Chinese)

        [7] Fiedler H,Loffeld G,Nies H,et al. Analysis of Bistatic Configurations for Spaceborne SAR Interferometry[C ]//Proceedings of EUSAR 2002.Cologne,Germany:[s.n.],2000:29-32.

        [8] Krieger G,Wendler M.Comparison of the Interferometric Performance for Spaceborne Parasitic SAR Configurations[C ]//EUSAR 2002.Berlin:VDE VERLAGGMBH,2002:467-470.

        [9] Burns R,McLaughlin C A,Leitner J,et al.TechSat21: formation design, control, and simulation[J].IEEE Aerospace Conference Proceedings,2000(7):19-25.

        [10] 黃海風,朱炬波,梁甸農(nóng).主星帶輔星編隊干涉SAR編隊設(shè)計約束條件分析[J].中國空間科學技術(shù),2006,26(3):20-26.

        HUANG Hai-feng,ZHU Ju-bo,LIANG Dian-nong.Restriction of Spaceborne Multistatic InSAR Formation Configuration Design[J].Chinese Space Science and Technology,2006,26(3):20-26.(in Chinese)

        [11] 楊鳳鳳,黃海風,梁甸農(nóng).基于遺傳算法的分布式星載SAR-GMTI編隊優(yōu)化[J].電子學報,2006,35(6):1037-1041.

        YANG Feng-feng,HUANG Hai-feng,LIANG Dian-nong.GMTI Mode Formation Optimization for Distributed Satellites SAR System[J].Acta Electronica Sinica,2006,35(6):1037-1041.(in Chinese)

        [12] Samone D Amico,Oliver Montenbruck,Christian Arbinger,et al. Formation flying concept for close remote sensing satellites[C]//Proceedings of the 15th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Conference.Colorado:AAS,2005:23-27.

        [13] 郗曉寧,王威,等.近地航天器軌道基礎(chǔ)[M].長沙:國防科技大學出版社,2003:262-267.

        XI Xiao-ning,WANG Wei,et al.Near Earth Orbit Aerospace Foundation[M].Changsha:National University of Defense Technology Press,2003:262-267.(in Chinese)

        [14] 孫造宇,梁甸農(nóng),董臻.星載分布式SAR干涉信號分析[J].信號處理,2007,23(2):245-249.

        SUN Zao-yu,LIANG Dian-nong,DONG Zhen.Interferometric Signal Analysis of Spaceborne Distributed SAR System[J].Signal Processing,2007,23(2):245-249.(in Chinese)

        [15] 李潔,黃海風,梁甸農(nóng).基于定位方程的多基線星載InSAR測高精度分析[J].雷達科學與技術(shù),2009,7(3):194-199.

        LI Jie,HUANG Hai-feng,LIANG Dian-nong.Height-Measurement Accuracy Analysis of Multi-Baseline Spaceborne InSAR System Based on Location Equations[J].Radar Science and Technology,2009,7(3):194-199.(in Chinese)

        猜你喜歡
        構(gòu)形編隊基線
        2023年1月25日,美軍一次演習期間,空軍正在進行編隊飛行
        軍事文摘(2023年5期)2023-03-27 08:56:26
        適用于MAUV的變基線定位系統(tǒng)
        雙星跟飛立體成像的構(gòu)形保持控制
        航天技術(shù)與甚長基線陣的結(jié)合探索
        科學(2020年5期)2020-11-26 08:19:14
        通有構(gòu)形的特征多項式
        基于事件驅(qū)動的多飛行器編隊協(xié)同控制
        對一個幾何構(gòu)形的探究
        一種改進的干涉儀測向基線設(shè)計方法
        基于預測控制的無人機編隊內(nèi)部避碰
        多彈編隊飛行控制技術(shù)研究
        八区精品色欲人妻综合网| 日本在线观看一二三区| 狠狠cao日日橹夜夜十橹| 挺进朋友人妻雪白的身体韩国电影| 午夜大片又黄又爽大片app| 福利片免费 亚洲| 国产精品亚洲一区二区三区在线| 精品久久久久久无码中文野结衣 | 免费啪啪av人妻一区二区| 开心五月激情五月五月天| 欧美人伦禁忌dvd放荡欲情| 中文字幕福利视频| 亚洲av影片一区二区三区| 伊人加勒比在线观看视频| 日韩精品一区二区午夜成人版| 久久精品久久精品中文字幕| 91久久精品国产性色tv| av黄色在线免费观看| 久久国产精品99精品国产| 国产日b视频| 美女人妻中文字幕av| 熟女体下毛荫荫黑森林| 成人做爰视频www| 国产精品视频一区二区三区,| 手机免费高清在线观看av| 亚洲精品一品区二品区三品区| 欧美精品黄页在线观看视频| 日韩一二三四区免费观看 | 日本顶级片一区二区三区| 九九在线中文字幕无码| 精品久久久久久中文字幕| 国产360激情盗摄一区在线观看 | 狼人av在线免费观看| 桃红色精品国产亚洲av| 老师脱了内裤让我进去| 99久久精品国产自在首页| 91熟女av一区二区在线| 成人毛片av免费| 热久久亚洲| 日本在线观看三级视频| 日本少妇春药特殊按摩3|