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Relative Orbit Design and Optimization for Distributed SAR Formations

Rodrigues Silva Filho, Eduardo und Matar, Jalal und Rodriguez-Cassola, Marc und Sakar, Nida und Katz, Reuben Solomon und Kahle, Ralph (2025) Relative Orbit Design and Optimization for Distributed SAR Formations. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Seiten 1-14. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/TGRS.2025.3618160. ISSN 0196-2892.

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Offizielle URL: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/11194277

Kurzfassung

The effectiveness of swath and Doppler spectrum reconstruction algorithms in multistatic synthetic aperture radar (SAR) formations heavily relies on the precise relative positioning of each spacecraft. Ideally, a static array configuration is desired, where the satellites are evenly distributed in an Earth-fixed frame. However, maintaining this ideal configuration may not feasible without constant active flight control to counter the relative dynamics of the satellites, resulting in high fuel consumption for formation maintenance. Alternatively, one can design natural trajectories that result in the desired formation geometry within an acceptable margin for a significant fraction of the orbital period, which is expected to result in more efficient solutions. In this article, we present a relative motion description in an Earth-fixed geometry for distributed SAR concepts. We derive a general expression for the transformation matrix from the Hill–Clohessy–Wiltshire (HCW) frame to the SAR-appropriate zero-Doppler (ZD) frame and propose a general optimization method to fit the best natural nondrifting formation solution for any desired formation configuration. By applying the developed technique to optimize along-track and cross-track relative positioning requirements, we obtain conforming baselines over extended orbit stretches. We present SAR imaging examples for along-track distributed formations and formations with small cross-track baselines, using distributed platforms spanning a 72° latitude range. The demonstrated configurations achieve orbit duty cycles exceeding 20%, with baseline errors kept below 5% relative to the ideal array element positions. These results indicate the feasibility of these concepts using natural orbit solutions.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/218797/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Relative Orbit Design and Optimization for Distributed SAR Formations
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Rodrigues Silva Filho, EduardoEduardo.RodriguesSilvaFilho (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Matar, JalalJalal.Matar (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-5007-3713NICHT SPEZIFIZIERT
Rodriguez-Cassola, MarcMarc.Rodriguez (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sakar, NidaNida.Sakar (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Katz, Reuben Solomonreuben.katz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kahle, Ralphralph.kahle (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2025
Erschienen in:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1109/TGRS.2025.3618160
Seitenbereich:Seiten 1-14
Verlag:IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISSN:0196-2892
Status:akzeptierter Beitrag
Stichwörter:Satellites;Orbits;Earth;Geometry;Synthetic aperture radar;Vectors;Trajectory;Space vehicles;Satellite broadcasting;Spaceborne radar;Digital beamforming (DBF);formation flying;high-resolution wide-swath;multistatic synthetic aperture radar (SAR)
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - SAR-Missionen
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme > Radarkonzepte
Hinterlegt von: Rodrigues Silva Filho, Eduardo
Hinterlegt am:12 Nov 2025 18:20
Letzte Änderung:12 Nov 2025 18:20

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