1 导言
现代战争中，卫星的效果越来越显着，关于卫星方针的勘探、辨认和盯梢也变得越来越重要。卫星等空间飞行器都有着特定的运动规则，这种规则能够由轨迹状况参数和姿势状况参数来描绘。为了能够精确实时地对卫星方针进行监督、盯梢和辨认，有必要了解卫星方针在作业中的运动状况改动，这种改动尤其是姿势改动能够反映在卫星方针的电磁散射规则改动上来，因而了解卫星方针在不同运动状况下特别是在不同姿势条件下的电磁散射规则就变得十分重要，这些规则是进行方针勘探辨认的重要先验信息。
静态地获取卫星方针的电磁散射特性首要有三种办法：榜首，依据方针几许及资料描绘进行理论建模和核算;第二，给定作业频率和极化条件下进行全尺度方针丈量;第三，在微波暗室内对方针的缩比模型进行丈量。假如需求动态了解在轨卫星方针的电磁散射规则则需求进行长期的雷达观测。从公开宣布的的文献来看，关于卫星方针散射特性研讨办法多集中于全尺度和缩比模型丈量，动态观测也首要经过窄带地基雷达获取卫星方针的RCS，当时地基雷达的开展趋势之一是开展超宽频带雷达和脉冲雷达，脉冲雷达或宽频带雷达能够取得更多的被勘探方针信息，然后极大地进步雷达的方针勘探辨认才能。考虑雷达的这种开展趋势，深入研讨卫星方针在不同姿势条件下的宽带散射特性就显得十分必要。
本文选用FDTD办法针对典型自旋安稳卫星方针在“翻滚”、“俯仰”姿势下进行了时域核算，得到了方针的电磁散射特性随姿势改动的规则，成果显现自旋安稳卫星的翻供姿势改动更易引起散射特性改动，这使得翻滚姿势改动成为空间方针辨认依据。这些成果将有助于宽带信号体系地基雷达更好地进行空间方针的勘探、辨认和盯梢。
2 卫星方针的姿势描绘
研讨或评论卫星等空间飞行器的姿势运动，首要需求树立空间参阅坐标系和卫星体坐标系。
图1给出了卫星姿势描绘的坐标约好：其间卫星体坐标系{OXbYbZb}的坐标原点O界说在卫星的质心，三个坐标轴Xb、Yb、Zb别离与卫星的惯性主轴共同;轨迹坐标系{OXoYoZo}的原点也界说在O处，轨迹坐标系的坐标平面为卫星轨迹平面，Zo轴由卫星质心指向地心，Xo轴在轨迹平面内与Zo轴笔直并指向卫星速度方向，Yo轴与Xo、Zo轴右手正交且与轨迹平面的法线平行。这样卫星的姿势运动就能够用坐标系之间的相对方位改动来描绘。本文选用[1]界说的旋转次序来描绘卫星的姿势，即：“翻滚”、“俯仰”、“偏航”。
图1 卫星姿势描绘的坐标约好
3 卫星的姿势的电磁散射核算
雷达为了获取卫星等空间方针的各种信息，需求把握其电磁散射特性，而方针电磁散射特性的剖析终究可归结为远区散射场的核算。用于电磁场散射问题剖析的办法首要有高频近似办法和数值办法，其间时域有限差分办法(FDTD)在时域直接核算电磁场与散射体的效果，简略完成方针对时域宽带信号呼应的模仿，是一种简略、直观的时域办法，这使其十分适合于工程上仿真卫星方针的宽频带电磁散射特性。
A. 依据散射特性剖析姿势原理
雷达波照耀入射到卫星表面会发生电磁散射，假如卫星的姿势发生改动必然会引起其散射场的改动，依据电磁散射特性的改动规则就能够剖析卫星方针的姿势改动。这种状况与卫星固定不动，改动入射波照耀方向并调查其后向电磁散射的改动是共同的。根据这样的考虑，在本文的模仿中卫星固定不动，改动入射波的极化或入射方向，如图2所示，经过核算不同入射视点下的雷达后向散射能够了解方针的“翻滚”、“俯仰”姿势改动。详细来说：本文经过在YbOZb平面内改动入射波的入射方向模仿了卫星方针散射特性随翻滚角的改动，在XbOZb面内改动入射波的入射方向模仿了卫星方针散射特性随俯仰角的改动。
图2 卫星散射剖析核算示意图
B. 运用FDTD核算散射问题
时域有限差分办法(FDTD)的中心是用Yee元胞来离散Maxwell方程组中的下述两个旋度方程，然后得到一组差分公式。
实践编写FDTD电磁散射剖析程序首要有三部分作业：方针的几许电磁建模、FDTD近场核算、近场到远场的改换。因为实践的卫星方针结构、原料都比较杂乱，为了能够剖析较为杂乱的卫星方针，本文选用[6]供给的办法，运用AutoCAD完成卫星方针的几许电磁建模。
为了验证办法有效性，本文核算一个半径1m的金属导体球，核算时选用高斯脉冲入射，波形表达式为：
(1)
空间离散精度
，脉冲宽度
，图3给出了金属球后向RCS曲线，为了阐明成果正确图中还给出了Mie级数解作为比照。
图3 金属球无姿势改动时后向RCS
因为球体不具有任何方向上的特殊性，所以用球体的姿势角不管作何改动，其散射特性理论上不该发生改动。这儿核算了翻滚角在90度改动规模内的后向雷达散射截面改动，如图4所示，在波长为1.0m、 0.75m、0.5m状况下崎岖不超越1dB，这在剖析雷达散射截面中是能够忍受的差错。而波长0.33m状况下崎岖较大。
图4 金属球雷达后向RCS随翻滚角改动曲线
4 典型卫星方针姿势算例剖析
本文针对风云二号这种典型的自旋安稳卫星进行了核算，对其在“翻滚”、“俯仰”姿势改动下进行了仿真。自旋稳性卫星具有旋转对称的外形，它是运用卫星绕自旋轴所取得的陀螺定轴性在惯性参阅空间定向，归于被迫安稳体系。自旋安稳卫星的长处是：简略并具有必定精度;抗干扰才能强，但其姿势指向精度低，因而是前期空间飞行器多选用的安稳办法。典型的如我国的“风云二号”气象卫星，这是地球同步轨迹气象卫星，卫星主体为直径2.1米，高1.6米的圆柱体。
详细核算时选用高斯脉冲入射，空间离散精度
，脉冲宽度
。针对每组确认地翻滚角和俯仰角，进行一次时域核算，就可取得恣意远区场点的时域波形，在运用傅立叶改换便可得到后向RCS的频率呼应。绕翻滚轴或俯仰轴不断改动入射波方向就能够模仿卫星的翻滚俯仰姿势改动，得到宽频带规模内的卫星方针后向RCS随姿势角改动的规则。图5给出了“风云2号”气象卫星模型在姿势角为零时的后向频率呼应。
图5 “风云二号”卫星模型姿势不变时的后向频率呼应
图6和图7别离给出了风云二号气象卫星翻滚和俯仰姿势宽频带散布，比照剖析图6和图7能够看出：风云二号卫星后向RCS随翻滚角改动要比随俯仰角改动剧烈，这阐明自旋安稳卫星的翻滚姿势改动更简略引起方针散射特性的改动。
图6 “风云二号”卫星模型后向RCS随翻滚角
和频率散布(俯仰角为零)
图7 “风云二号”卫星模型后向RCS随俯仰角
和频率散布(翻滚角为零)
因为通常状况下在轨卫星的姿势角改动崎岖不会很大，需求了解卫星散射特性随姿势角在小规模的改动规则。图8图9别离给出了三种入射波频率条件下的小视点(±10度规模)姿势崎岖，为了比照不同入射波频率条件下的状况，图中纵坐标用姿势角为零时的后向RCS归一化表明。比照调查能够看出在小视点改动中，“风云二号”卫星散射特性随翻滚角改动较俯仰角大，在图中三个频率点和空间±10度的改动规模内翻滚姿势改动使卫星后向RCS最大改动了大约45%，而俯仰姿势改动时后向RCS最大约有20%的改动。阐明翻滚姿势改动更能引起雷达回波的改动。这一点与前面大姿势角改动剖析得出的定论是相同的。
图8 “风云二号”卫星模型后向RCS随翻滚角小规模
改动的规则曲线
图9 “风云二号”卫星模型后向RCS随俯仰角
小规模改动的规则曲线
5 定论
卫星姿势改动会引起观测雷达回波的改动，本文结合卫星空间姿势坐标并运用FDTD办法核算了典型自旋安稳卫星方针翻滚、俯仰姿势改动下的宽带散射特性。从成果能够看出关于自旋安稳卫星而言，翻滚姿势的改动较俯仰姿势的改动更能引起电磁散射特性的改动。
