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通信视角下微波干涉测绘卫星干涉定标关键技术分析
时间:2022-03-05 15:42 | 栏目:通信工程论文 | 浏览:次
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干涉定标能确定影响微波干涉测绘卫星系统性能关键参数的系统误差，通过消除系统误差提高数据产品精度，为系统应用奠定基础。论文结合预先研究项目“星载 InSAR 基线定标技术”，型号项目“天绘二号卫星干涉定标及 XXXX 能力评估”、“天绘二号卫星XXXX 解算分系统研制”，生产项目“天绘二号卫星参数定标及 XXXX 技术保障”，对微波干涉测绘卫星干涉定标涉及的关键技术进行了深入研究，重点对基线定标场范围计算方法、地面点到像点坐标求解模型、大气延迟计算模型、通道延迟定标模型、单景模型基线定标模型、近远波位联合基线定标模型、控制点布设（选取）策略等核心技术难题展开攻关，取得了创新性突破。根据本文研究内容提出的数学模型，研制了工程化的干涉定标软件
第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 研究背景
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种先进的微波成像系统，它利用脉冲压缩技术、合成孔径原理分别提高距离向、方位向分辨率[1]。干涉合成孔径雷达（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）系统建立在 SAR 技术之上，具有全天时、全天候、数据处理速度快、精度高等显著优点。系统基本不受气象影响，可以在黑夜以及气候较差区域进行数据快速获取。主、辅雷达同侧视方向进行数据获取，影像变形规律基本一致，易于匹配；数据处理在干涉处理阶段以自动化为主，只有在 DSM/DEM 编辑时引入少量人工操作，因此数据处理速度较光学手段有大幅提升[2]。干涉合成孔径雷达图像的像元分辨率通常在米级以上，而 SAR 采用的电磁波波长一般在 1 米以内，多数在厘米级，干涉相位精度在 /6 左右，采用干涉相位测量距（斜）离差精度较高，因此利用这些高精度的干涉相位信息可以获取高精度的 DEM 信息[3]。随着技术的发展，InSAR 应用领
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种先进的微波成像系统，它利用脉冲压缩技术、合成孔径原理分别提高距离向、方位向分辨率[1]。干涉合成孔径雷达（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）系统建立在 SAR 技术之上，具有全天时、全天候、数据处理速度快、精度高等显著优点。系统基本不受气象影响，可以在黑夜以及气候较差区域进行数据快速获取。主、辅雷达同侧视方向进行数据获取，影像变形规律基本一致，易于匹配；数据处理在干涉处理阶段以自动化为主，只有在 DSM/DEM 编辑时引入少量人工操作，因此数据处理速度较光学手段有大幅提升[2]。干涉合成孔径雷达图像的像元分辨率通常在米级以上，而 SAR 采用的电磁波波长一般在 1 米以内，多数在厘米级，干涉相位精度在 /6 左右，采用干涉相位测量距（斜）离差精度较高，因此利用这些高精度的干涉相位信息可以获取高精度的 DEM 信息[3]。随着技术的发展，InSAR 应用领
域从地形测绘扩展到地表形变探测，动目标检测，森林制图，灾情评估，交通监测和冰川研究等[4-12]。分布式微波干涉测绘卫星是以多颗满足一定编队构形的卫星为平台，以合成孔径雷达和高精度星间相对状态测量设备等为有效载荷，具备全天时、全天候获取雷达干涉影像数据，快速测制全球数字表面模型、数字雷达正射影像等测绘产品能力的卫星系统，也可称为分布式 InSAR 测绘卫星。卫星发射入轨后，一方面由于利用 GNSS 接收机、星敏感器等设备测量得到的卫星位置和姿态存在误差，另一方面在地面测量（标定）的有些参数（如GNSS 天线相位中心，雷达天线相位中心（Antenna Phase Centre，APC），天线、星敏感器安装位置、雷达波在发射与接收通道中的时延等）会受到摄动、压力、温度等因素的影响而发生变化，导致基线、斜距等参数测不准，从而使系统地面定位精度降低，例如，若微波干涉测绘卫星系统的模糊高度为 45m，雷达波长为 3.2cm（X 波段），在主雷达视线方向上 1cm 的基线误差会带来 14m 左右的高程误差；地面入射角为 40°时，3m 的斜距误差会带来 2m 左右的高程误差。干涉定标的任务是在地面定标场控制信息支持下，采用适当的算法解算影响系统定位精度关键参数与其真值的偏差，从而达到消除系统误差，提高数据产品精度的目的。因此，需要开展干涉定标技术研究。
1.2 星载 InSAR 技术发展现状
1.2.1 星载 InSAR 系统现状
1.2.1.1 国外现状
国外星载 InSAR 的代表系统有美国航天飞机雷达地形任务（Shuttle Radar TopographyMission，SRTM）[13-16]、德国的 TanDEM-X 编队卫星[17-23]、TanDEM-L[24-29]以及美国Discover-2 计划[30]。
1. SRTM
1. SRTM
SRTM 于 2000 年实施，在“奋进号”航天飞机上配置 C 波段和 X 波段发射天线，在舱外安装了长约 60m 伸缩桅杆，桅杆上安装了一套接收天线和高精度姿态与距离测量设备（用于测量天线的相对距离和角度），如图 1.1 所示。
SRTM 历经 11 天顺利完成。其中：C 波段数据覆盖了地球陆地的 80％，约 1.233 亿平方公里数据，DEM 网格间距 30m，相对高程精度 10m（LE90，90%线性概率误差），绝对高程精度 20m（LE90）；X 波段数据覆盖了地球陆地的 40％，DEM 网格间距 30m，相对高程精度 6m（LE90），绝对高程精度 20m（LE90）。尽管单星双天线系统可快速获取干涉测量数据，但是这种模式的星载 InSAR 系统对天线架与天基平台的要求极为苛刻，技术实现难度很大，目前国际上仅有美国在航天飞机（“奋进”号）上得到了实现。并且因为基线过短，难以达到干涉要求的最佳基线，因此产品精度受限；同时，由于桅杆在飞行过程中不可避免的抖动，增加了数据处理难度，导致产品精度下降。因此，在后续世界各国的星载 InSAR 系统研制中，都没有再使用该体制。
第二章 天绘二号简介与干涉定标理论基础
天绘二号是我国首个基于干涉合成孔径雷达技术的微波测绘卫星系统，也是我国第一个近距离编队卫星系统，是国际上继德国 TanDEM-X 系统后的第二个微波干涉测绘卫星系统，为了描述其工程实现，本章将从技术体制选择和主要性能设计指标两个方面进行介绍。此外，本章将对干涉定标相关理论基础进行介绍，包括干涉定标原理、定标参数分析、干涉相位获取方法、InSAR 定位模型、干涉定标流程和定标器设计，为后续开展干涉定标研究工作奠定基础。
2.1 天绘二号技术体制
天绘二号卫星是一个典型的分布式微波干涉测绘卫星，具有星间高精度时间、空间、相位三同步，一发双收、协同工作、条带成像的特点，能全天时、全天候获取雷达干涉影像数据，产品主要是数字表面模型、数字雷达正射影像，主要用于科学试验研究、国土资源普查、地理信息测绘等领域，为国民经济建设和国家社会发展提供测绘服务。技术体制选择是卫星工程实现的关键，包括干涉基线体制、卫星编队构型、雷达收发模式三个方面，下面分别介绍。
2.1.1 干涉基线体制
根据相干性要求及 InSAR 测量原理，有两种 InSAR 卫星干涉基线体制可供选择：一是基于单卫星平台（飞船、航天飞机）的双天线体制；二是基于卫星编队体制。基于单卫星平台双天线体制是在单个卫星平台上伸出一支能满足 InSAR 干涉要求的基线架，在基线架两端分别放两个雷达天线，形成干涉测量系统。该体制的两个天线同时对地面成像，可以保证较高的相干性；同时基线架变形很小，避免了基线误差导致的测量精度下降问题。该体制的关键是如何实现 InSAR 测量原理要求的空间长基线。由于长期以来没有找到可行的实现空间长基线的技术方法，至今单平台双天线体制只在美国航天飞机地形测绘任务（SRTM）[14-16]中实现过，这是人类历史上真正意义上的第一个航天 InSAR卫星系统该方案至今尚未在卫星平台上实现。技术难度大、风险高、耗资巨大，是该体制的突出缺点。基于卫星编队体制是由多颗卫星组成编队，卫星相互遵循 Hill 方程[86-91]绕飞，卫星之间的间隔为几百米至几千米，整体构型相对稳定；卫星上分别装有雷达，同时对地面成像，形成干涉测量系统，无时间去相关效应。这种新概念为星载 InSAR 技术的实现提供了新的解决思路，通过编队卫星的构型设计可获得最佳基线，满足 InSAR 干涉的一系列条件。其代表为德国空间中心（DLR）的 TanDEM-X 系统。
2.2 天绘二号主要性能设计指标
天绘二号卫星主要任务是快速获取 InSAR 回波数据，通过地面处理，实现目标的快速精确三维定位，生产 0～3 级卫星影像产品，数字表面模型（DSM）和雷达正射影像等测绘产品。主要性能设计指标如下：
卫星轨道：
太阳同步轨道
回归周期：
19 天
SAR 工作频段： X信号带宽：
135MHz±0.5MHz极化方式：HH
SAR 成像模式： 条带入射角范围：
35～46
波束覆盖区域：
南纬 80°～北纬 80°影像分辨率：
3m×3m（地距，方位向×距离向）成像带宽：30km
轨道定位精度：优于 1m
卫星速度测量精度：优于 5mm/s系统灵敏度
第三章 定标场方案设计与地面点到像点坐标求解模型.........................................................35
3.1 基线定标场基本要求.....................................................................................................35
3.2 基线定标场范围计算方法.............................................................................................36
3.3 天绘二号定标场概况.....................................................................................................41
3.4 地面点到像点坐标求解模型.........................................................................................43
3.5 本章小结.........................................................................................................................59
第四章 斜距定标.........................................................................................................................60
4.1 斜距测量误差分析.........................................................................................................60
4.2 大气延迟产生机理与分析.............................................................................................61
4.3 通道延迟产生机理与误差源.........................................................................................64
4.4 大气延迟计算模型.........................................................................................................67
第五章 基线定标.........................................................................................................................82
5.1 基线初值获取与精度分析.............................................................................................82
5.2 单景数据基线定标模型.................................................................................................89
5.3 近远波位联合基线定标模型.........................................................................................92
5.4 控制点布设（选取）策略与定标精度评价方法.......................................................100
5.5 单景数据基线定标试验...............................................................................................103
第五章 基线定标
从 2.3.2 节分析可知，干涉基线（简称基线）是待定标参数之一，基线初值精度越高，越有利于基线定标时方程解算，本章将介绍利用 GNSS 获取干涉基线的详细过程，并对基线测量误差的组成和类型进行分析。微波干涉测绘卫星毫米级的基线误差会引起米级的地面定位误差，因此要求基线测量
精度为毫米级，这就要求对基线误差进行定标时定标模型的精度不能低于毫米级，如何建立高精度、稳健的基线定标模型是干涉定标需要深入研究的关键问题，此外，优化控制点的布设（选取）策略能提高定标精度，因此需要对地面控制点的布设（选取）策略进行研究。
5.1 基线初值获取与精度分析
5.1 基线初值获取与精度分析
5.1.1 分布式 InSAR 基线定义
瞬时基线定义：利用主辅星 GNSS 的原始观测数据以及精密星历和精密钟差等数据，经高精度事后载波相位差分处理，获取 GNSS 天线相位中心高精度的三维相对位置和相对速度，通过部位修正获取的主辅雷达天线相位中心之间同一时刻的连线。干涉基线（简称基线）定义：对同一地面目标成像时，主辅雷达天线相位中心的连线，如图 5.1 主雷达 APC 坐标系中的 A1 2A 所构成的矢量即为干涉基线 B。
第六章 总结与展望
干涉定标能确定影响微波干涉测绘卫星系统性能关键参数的系统误差，通过消除系统误差提高数据产品精度，为系统应用奠定基础。论文结合预先研究项目“星载 InSAR 基线定标技术”，型号项目“天绘二号卫星干涉定标及 XXXX 能力评估”、“天绘二号卫星XXXX 解算分系统研制”，生产项目“天绘二号卫星参数定标及 XXXX 技术保障”，对微波干涉测绘卫星干涉定标涉及的关键技术进行了深入研究，重点对基线定标场范围计算方法、地面点到像点坐标求解模型、大气延迟计算模型、通道延迟定标模型、单景模型基线定标模型、近远波位联合基线定标模型、控制点布设（选取）策略等核心技术难题展开攻关，取得了创新性突破。根据本文研究内容提出的数学模型，研制了工程化的干涉定标软件。论文完成的主要工作和取得的研究成果包括：
（1）研究了干涉定标相关理论基础
描述了常规干涉定标敏感度方程和求解方法，并介绍了两种提高定标精度的方法；通过分析干涉定标的主要误差源及误差性质，确定需对主雷达斜距和干涉基线进行定标；介绍了干涉相位获取主要步骤，包括复影像配准、预滤波、干涉相位生成、去平地效应、干涉相位滤波、相位解缠、绝对相位确定等 7 个步骤，并给出了绝对相位获取主要过程图；介绍了两种 InSAR 定位模型，几何定位模型和 Mora 方程定位模型，其中 Mora 方程定位模型是星载 InSAR 系统中最常用的模型；介绍了干涉定标流程，首先建立定标场，然后进行斜距大气延迟改正和通道延迟定标，即对斜距进行校正，最后进行基线定标；介绍了定标器设计，综合考虑各种因素，选择三角形角反射器，并明确了布设要求。
（2）提出了基于卫星轨道和雷达参数的基线定标场范围计算方法。
为了解决微波干涉测绘卫星基线定标场选址问题，论文提出了一种基线定标场范围确定方法，该方法首先考虑定标场地形要求，应选择平坦地区并保证 InSAR 干涉成像质量，然后根据定标模型，设计了系统同向运行定标和升、降轨定标两种情况下的定标场范围计算方法，最后将系统运行参数和地球椭球参数作为输入条件，计算了不同纬度值对应的定标场最小范围。该方法可直接服务于基线定标场选址，适用于 SAR/InSAR 卫星地面定标场范围计算，新疆定标场的范围用该方法确定。
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