Обоснование выбора модели земной поверхности для исследования режимов работы космического радиолокатора с синтезированной апертурой

Космические радиолокаторы с синтезированной апертурой работают в обзорном, маршрутном и прожекторном режимах, а также в интерферометрических режимах съёмки [1, 3]. Режимы различаются разрешением, шириной полосы обзора, временем синтезирования и требованиями к точности координатной привязки. Во всех режимах при моделировании и обработке радиолокационных данных требуется модель земной поверхности. Она нужна для расчёта геометрии визирования, наклонной дальности, доплеровских параметров сигнала и длительности наблюдения [2], для формирования опорной функции при фокусировке, а также для пересчёта координат элементов изображения в географическую систему [5, 6]. Слишком упрощённая модель вносит систематические ошибки фокусировки и привязки. Избыточно детальная модель усложняет обработку и требует данных о рельефе, которых может не быть для нужного района.

Цель работы — сравнить модели земной поверхности разной сложности и сформулировать рекомендации по их применению в основных режимах работы космического радиолокатора.

Рассмотрены четыре модели в порядке возрастания сложности. Первая — плоская модель. Вторая — сферическая модель Земли с радиусом, равным геоцентрическому расстоянию до центра снимаемого участка. Третья — сферическая модель, дополненная цифровой моделью рельефа. Четвёртая — модель «Земля – эллипсоид вращения с учетом динамики геометрии радиолокационной съемки» [4].

В отличие от первых трёх моделей, четвёртая описывает не только форму поверхности, но и сам процесс съёмки. Она устанавливает строгое соответствие между пространственными координатами точек участка на эллипсоиде и их координатами на радиолокационном изображении. При этом учитываются движение космического аппарата по орбите, вращение Земли, закон управления лучом антенны и изменение геометрии визирования на интервале синтезирования. Модель решает прямую задачу, то есть определяет условия наблюдения заданной точки при планировании съёмки и имитационном моделировании сигнала. Она же решает обратную задачу: по координатам элемента изображения находит положение соответствующей точки на поверхности. Кроме того, модель задаёт для каждой точки сцены закон изменения дальности, по которому строится опорная функция при фокусировке.

Оценки показывают, что плоская модель применима только для небольших участков. Отклонение сферической поверхности от касательной плоскости составляет около 8 м на удалении 10 км и около 200 м на удалении 50 км. На участке размером до 100 км сферическая модель с локальным радиусом отклоняется от эллипсоида не более чем на единицы метров. Если же использовать среднее значение радиуса Земли без привязки к району съёмки, ошибка по высоте может достигать нескольких километров. Влияние рельефа определяется углом падения: при угле 30 градусов превышение 100 м смещает изображение объекта по дальности примерно на 170 м. Поэтому в горных районах и при интерферометрической обработке модель поверхности необходимо дополнять цифровой моделью рельефа.

Требования к модели растут вместе с разрешением. В обзорном режиме, где разрешение составляет десятки метров, сферической модели достаточно и для фокусировки, и для привязки. В маршрутном режиме сферическая модель подходит для равнинной местности, а в горных районах её дополняют рельефом. В прожекторном режиме длительное синтезирование при непрерывном наведении луча приводит к тому, что законы изменения дальности для разных точек сцены заметно различаются. Ошибка в высоте точки вызывает не только смещение, но и расфокусировку. Поэтому для прожекторного режима необходима модель «Земля – эллипсоид вращения с учетом динамики геометрии радиолокационной съемки», при необходимости дополненная цифровой моделью рельефа. Она используется на всех этапах: при планировании, фокусировке и привязке.

Сделан вывод, что универсальной модели земной поверхности нет, и её выбор всегда представляет собой компромисс между требуемой точностью, доступностью данных о рельефе и вычислительными ресурсами. Для обзорного и маршрутного режимов сферическая модель с локальным радиусом остаётся базовой. Для режимов высокого разрешения требуется модель «Земля – эллипсоид вращения с учетом динамики геометрии радиолокационной съемки». Предложенный подход позволяет обоснованно выбирать модель при проектировании бортовой радиолокационной аппаратуры, планировании съёмки и обработке данных.