priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2022-65-9-685-695pribor-280Research ArticleНАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИSCIENTIFIC AND PRACTICAL DEVELOPMENTSРасчет длительности наблюдения при радиолокационной съемкеCalculation of Observation Persistence During Radar SurveyЗайцевВ. В.ZaytsevV. V.

Владимир Валентинович Зайцев - канд. техн. наук; кафедра оптико-электронных средств; преподаватель

 Санкт-Петербург

Vladimir V. Zaytsev - PhD; Department of Optical and Electronic Means, Lecturer

 St. Petersburg

vka@mail.ruВоенно-космическая академия им. А. Ф. МожайскогоA. F. Mozhaisky Military Space Academy202202122024659685695Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/280

Предложен математический подход к расчету длительности съемки с борта космического аппарата, оборудованного радиолокатором с синтезированной апертурой антенны, для оценивания потенциальных возможностей системы наблюдения. Геометрия съемки радиолокатором характеризуется системой из трех уравнений: наклонной дальности, эллипсоида вращения и доплеровской частоты принимаемого сигнала, которые задаются в трехмерной инерциальной системе координат, связанной с Землей. Данная система уравнений не имеет явного решения, поэтому предлагается вариант решения задачи по выявлению аналитической связи между параметрами, характеризующими положение космического аппарата на траектории, значениями углов его разворота и углов отклонения диаграммы направленности антенны, параметрами зондирующих импульсов. Для упрощения решения предполагается местная сферичность Земли в районе съемки с известным локальным радиусом. Определение длительности съемки требуется для выбора необходимого режима работы радиолокатора в целях получения радиолокационного изображения района наблюдения с требуемым разрешением в пределах заданной полосы захвата. Представлена методика планирования съемки района наблюдения радиолокатором на основе расчета ее длительности. Получены соотношения, позволяющие оценить возможности радиолокатора при решении задач съемки или при проектировании системы наблюдения, а также определить обоснованные требования к выбору основных характеристик радиолокатора и баллистических параметров группировки космических аппаратов.

A mathematical approach is proposed to calculate the duration of survey by a spacecraft equipped with a synthetic aperture radar to assess the potential capabilities of the observation system. The geometry of the radar survey is characterized by a system of three equations governing the slant range, the rotation ellipsoid, and the Doppler frequency of the received signal, which are specified in a three-dimensional inertial coordinate system associated with the Earth. This system of equations does not have an explicit solution, therefore, a variant of solving the problem of identifying the analytical relationship between the parameters characterizing the position of the spacecraft on the trajectory and the angles of its rotation, the angles of deflection of the antenna pattern, and the parameters of probing pulses is proposed. To simplify the solution, the local sphericity of the Earth is assumed in the survey area with a known local radius. Determination of the survey duration is required to select the necessary radar operation mode in order to obtain a radar image of the observation area with the wanted resolution within a given capture band. A technique for planning an area survey with a radar based on calculation of the observation duration is presented. Relationships are obtained that make it possible to evaluate the capabilities of a radar in solving survey problems or in designing a surveillance system, as well as to determine reasonable requirements for choosing the main characteristics of a radar and ballistic parameters of a spacecraft constellation.

длительность съемкирадиолокационная съемкарежим съемкипараметры съемкикосмическая система наблюдениярадиолокатор с синтезированной апертурой антеннырадиолокационная фотограмметрияobservation durationspace surveillance systemsynthetic aperture radarradar surveysurvey modesurvey parametersphotogrammetryReferencesТурук В. Э., Верба В. С., Голованова М. В., Голубцов П. Е., Евсиков М. В., Неронский Л. Б., Зайцев С. Э., Толстов Е. Ф. РСА „Стриж“ для малых космических аппаратов „Кондор-Э“ // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14, № 5. С. 69-83.Turuk V.E., Verba V.S., Golovanova M.V., Golubtsov P.E., Evsikov M.V., Neronsky L.B., Zaitsev S.E., Tolstov E.F. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa (Current Problems in Remote Sensing of the Earth from Space), 2017, no. 5(14), pp. 69-83 (in Russ.)Григорьев А. Н. Методика текущего планирования и применения космических средств при управлении системой дистанционного зондирования Земли // Вестн. Рос. нового ун-та. Сер. Сложные системы: модели, анализ и управление. 2015. № 1. С. 69-73.Grigoriev A.N. Bulletin of the Russian New University. Series: Complex systems: models, analysis and control, 2015, no. 1, pp. 69-73. (in Russ.)Захаров А. И., Яковлев О. И., Смирнов В. М. Спутниковый мониторинг Земли: Радиолокационное зондирование поверхности. М.: URSS, 2015. 248 с.Zakharov A.I., Yakovlev O.I., Smirnov V.M. Sputnikovyy monitoring Zemli: Radiolokatsionnoye zondirovaniye poverkhnosti (Satellite Earth Monitoring: Radar Surface Sounding), Moscow, 2015, 248 р. (in Russ.)Фомин А. Н., Тяпкин В. Н., Дмитриев Д. Д. и др. Теоретические и физические основы радиолокации и специального мониторинга: Учебник / Под общ. ред. И. Н. Ищука. Красноярск: СФУ, 2016. 292 с.Fomin A.N., Tyapkin V.N., Dmitriev D.D. et al. Teoreticheskiye i fizicheskiye osnovy radiolokatsii i spetsial'nogo monitoringa (Theoretical and Physical Foundations of Radar and Special Monitoring), Krasnoyarsk, 2016, 292 р. (in Russ.)Elachi C., Bicknell T., Chialin Wu. Spaceborne Synthetic-Aperture Imaging Radars: Applications, Techniques, and Technology // IEEE. Proc. 1982. Vol. 70, N 10.Elachi C., Bicknell T., Chialin Wu. Proceedings of the IEEE, 1982, no. 10(70), October.Wong F., Cumming I. G. A combined SAR Doppler centroid estimation scheme based upon signal phase // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 1996. Vol. 34. P. 696-707.Wong F. and Cumming I.G. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1996, vol. 34, pp. 696-707Madsen S. N. Estimating the Doppler centroid of SAR data // IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems. 1989. Vol. 25. P. 134-140.Madsen S.N. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1989, vol. 25, pp. 134-140.Moreira A., Prats-Iraola P., Younis M., Krieger G., Hajnsek I., Papathanassiou K. A Tutorial on Synthetic Aperture Radar // IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine. 2013. N 1 (1). P. 6-43.Moreira A., Prats-Iraola P., Younis M., Krieger G., Hajnsek I., Papathanassiou K. IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 2013, no. 1(1), pp. 6-43.Tomiyasu K. Tutorial Review of Synthetic-Aperture Radar (SAR) with Applications to Imaging of the Ocean Surface // IEEE Proc. 1978. Vol. 66, N 5.Tomiyasu K. IEEE Proc., 1978, no. 5(66), May.Tomiyasu K. Conceptual Performance of a Satellite Borne, Wide Swath Synthetic Aperture Radar // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 1981. Vol. 19, N 2. Р. 108-11.Tomiyasu K. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1981, no. 2(19), pp. 108-117.Curlander J. C. Location of Spaceborne SAR Imagery // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 1982. Vol. Ge-20, N 3.Curlander J.C. Location of Spaceborne SAR Imagery. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1982, no. 3(Ge-20), July.Чевычелов Е. А., Ломов В. А. Определение длительности видеоконтакта ИСЗ с районом наблюдения // Исследование Земли из космоса. 1991. № 3. С. 67-72.Chevychelov E.A., Lomov V.A. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 1991, no. 3, pp. 67-72. (in Russ.)Верба В. С., Неронский Л. Б., Осипов И. Г., Турук В. Э. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования / Под ред. В. С. Вербы. М.: Радиотехника, 2010. 680 с.Verba V.S., Neronsky L.B., Osipov I.G., Turuk V.E. Radiolokatsionnyye sistemy zemleobzora kosmicheskogo bazirovaniya (Space-Based Ground-Survey Radar Systems), Moscow, 2010, 680 р. (in Russ.)Li F., Held D., Curlander J., Wu C. Doppler Parameter Estimation for Spaceborne Synthetic Aperture Radars // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 1985. GE-23, N 1. P. 47-55.Li F., Held D., Curlander J., Wu C. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, GE-23, 1985, no. 1, pp. 47-55.Curlander J. Synthetic Aperture Radar, Systems and Signal Processing. N. Y.: John Wiley & Sons Inc., 1991.Curlander J. and McDonough R.N. Synthetic Aperture Radar, Systems and Signal Processing, John Wiley & Sonc, Inc., NY, 1991.Основы теории полета космических аппаратов/ Под ред. Г. С. Нариманова, М. К. Тихонравова. М.: Машиностроение, 1972. 607 с.Narimanov G.S., Tikhonravov M.K., ed., Osnovy teorii poleta kosmicheskikh apparatov (Fundamentals of the Theory of Spacecraft Flight), Moscow, 1972, 607 р. (in Russ.)Анатольев А. Ю., Зайцев В. В. Методика исследования поля скоростей движения оптического изображения космических оптико-электронных средствах // Сб. алгоритмов и программ. СПб: ВИККА, 1998.Anatolyev A.Yu., Zaitsev V.V. Metodika issledovaniya polya skorostey dvizheniya opticheskogo izobrazheniya kosmicheskikh optiko-elektronnykh sredstvakh, Sbornik algoritmov i programm (Technique for Studying the Field of Velocities of Motion of an Optical Image in Space Optical-Electronic Means, Collection of Algorithms and Programs), St. Petersburg, 1998. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.