CN103245948A - 双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双区成像合成孔径雷达(SAR)图像匹配导航方法，涉及雷达导航技术，该方法利用双区成像合成孔径雷达(同时对地面两个区域进行成像的合成孔径雷达)，安装于航空飞行器、导弹等飞行器平台，同时对飞行器飞行航迹两侧(或单侧)的地面区域进行雷达图像，同时获得飞行航迹两侧地面区域(或单侧两个地面区域)的SAR图像，再利用与飞行器内的基准地图进行匹配，得到飞行航迹两侧区域(或单侧两个地面区域)SAR图像对应的地理坐标，然后根据这些地理坐标，通过计算，得到SAR成像时刻的飞行器位置信息，利用该位置信息对飞行器进行导航，或利用该位置信息对飞行器的导航设备修正。

Description

双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达(SAR)导航定位应用技术领域，特别是涉及惯性导航系统(INS)与SAR组合导航定位技术。

背景技术

合成孔径雷达是一种高分辨率成像雷达，其概念的产生可以追朔到上世纪的50年代初。1951年6月美国Goodyear Aerospace公司的Carl Wiley首先提出可以利用频率分析方法改善雷达的角分辨率的思想。与此同时，美国Illinois大学的控制系统实验室也独立地展开了用非相干雷达数据进行的实验。不仅通过实验证实了“多普勒波束锐化”的概念，而且从理论上证明了合成孔径雷达的原理，并于1953年研制成功了第一部相干X波段雷达系统，首次获得了非聚焦SAR图像。

作为一种主动式微波遥感设备，SAR具有以下一些特性：SAR依靠本身的微波辐射工作，不受气象以及日照条件的影响，可以全天候、全天时成像；SAR采用侧视成像方式，测绘带可以离航迹很远，有利于载体的飞行安全；SAR能获得高分辨率和高成像精度，其理论方位向分辨率与雷达工作波长、载机飞行高度、雷达作用距离无关，因此在太空或高空都能有效地工作，这进一步扩大了它的应用范围。

SAR具有对目标成像和识别的能力，已被广泛应用于军事和国民生产的各个领域中：SAR可用于普查地质结构，研究地质、岩石及矿物的分布；可测绘大面积地图，研究地形地物的变迁；可研究海洋监视；可用来测定土壤湿度及其分布；可用于鉴别农作物，研究其生长，估计产量等；作为军事侦察的有力武器，SAR也将成为战场侦察中不可缺少的工具，它能发现隐蔽和伪装的目标，并能够对打击效果进行准确评估。此外，作为弥补惯性导航系统制导精度漂移的重要手段，合成孔径雷达也被用于影像匹配导航。

惯性导航系统是一种自主式导航系统，它完全依靠自身设备自主地完成导航任务，不需要任何外界的光、电信息支持，因此，具有很好的隐蔽性，不受气象条件的限制，这些独特的优点，使其成为在航空、航天和航海领域被广泛应用的主要导航设备。

惯性导航系统可以提供精确的、高可靠的姿态数据，但其位置误差确可能很大，因位置是加速度的二次积分，位置误差随时间而增长，严重依赖于加速度计的质量，特别是对于飞行时间较长的情况，漂移引起的位置误差是多数飞行系统所不能容忍的。可以采用多种手段对惯性导航系统的漂移进行修正，如INS/GPS组合导航方法、图像匹配结合INS方法等，其中INS/SAR组合导航方法是一种特殊的图像匹配INS系统，由于能够全天时、全天候工作，特别适用于一些特殊应用领域。

INS/SAR组合导航方法是利用飞行时获取的SAR图像与基准图进行匹配，得到飞行器当前的位置信息，再对INS进行修正，以此实现高精度的导航定位。这种组合导航方法的实现需要以下前提：

(1)获取SAR图像；

(2)SAR图像与基准图进行匹配，获取图像的位置；

(3)由图像位置解算飞行器的位置。

对于“由图像位置解算飞行器的位置”，目前的方法是利用飞行器的高度信息结合图像位置来反推飞行器的位置。这种方法首先要测量飞行器的机下点高度，一般利用SAR进行测高或利用独立的高度计进行测高；其次，这种方法是基于飞行器的机下点高度与SAR成像区域高度等高的假设，对于多数地形是不适用的，会引入额外的定位误差。

发明内容

本发明的目的是公开双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，利用双区成像合成孔径雷达图像与基准地图进行匹配进行导航，在飞行器位置解算时，不使用飞行器的机下点高度信息，省去了对组合导航系统的测高要求；同时，避免了“机下点高度与SAR成像区域高度等高的假设”所引入的定位误差。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其包括步骤：

a)装载于飞行器上的双区成像合成孔径雷达，同时对飞行器飞行航迹两侧的地面区域，或单侧两个地面区域进行成像，获得两侧地面区域，或单侧两个地面区域的合成孔径雷达图像；

b)再利用与飞行器内的基准地图进行匹配，得到飞行航迹两侧区域，或单侧两个地面区域的SAR图像对应的地理坐标；

c)再根据这些地理坐标，通过计算，得到SAR成像时刻的飞行器位置信息，利用该位置信息对飞行器进行导航；

d)或利用该位置信息对飞行器的导航设备修正。

所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其所述单侧两个地面区域进行成像，区别于传统ScanSAR(一般翻译为扫描式合成孔径雷达)，对单侧两个地面区域同时成像时，两个地面区域是非重叠的。

所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其所述b)、c)步，通过对航迹双侧地面，或单侧两个地面区域的SAR图像进行地图匹配后，即得到SAR图像的地理坐标，再根据这些地理坐标直接计算SAR成像时刻飞行器的位置信息，而不需要额外附加高程信息。

所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其所述双区成像合成孔径雷达，装载于卫星、飞机、导弹、飞艇的飞行器平台上，使用本方法，即通过地图匹配得到SAR成像时刻的飞行器位置信息，利用该位置信息对飞行器进行导航，或利用该位置信息对飞行器的导航设备进行修正。

所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其导航设备是惯性导航系统(INS)，或是INS与全球卫星导航定位系统结合的组合导航系统。

所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其所述根据这些地理坐标直接计算SAR成像时刻飞行器的位置信息，是相对于飞行方向，通过对左侧的SAR图像(用I_L表示)进行地图匹配，求得I_L上的一点(用I_L1表示)所代表的地面点(用L表示)的地理坐标：W_L、J_L、H_L，W_L、J_L、H_L分别代表地面点L的纬度、经度、高度；同时，通过对右侧的SAR图像(用I_R表示)进行地图匹配，求得I_R上的与(用I_L1表示)同时刻成像的点(用I_R1表示)所代表的地面点R的地理坐标：W_R、J_R、H_R，W_R、J_R、H_R分别代表地面点R的纬度、经度、高度；根据W_L、J_L、H_L，W_R、J_R、H_R求解L和R之间的距离R_LR。

所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其所述根据这些地理坐标直接计算SAR成像时刻飞行器的位置信息，是由SAR成像时间关系及I_L1、I_R1在图像中的位置，求得I_L1、I_R1成像时刻SAR雷达所在的位置(用S表示)与L、R之间的距离R_SL和R_SR，则S、L、R所构成的三角形的三个边长分别为R_LR、R_SL和R_SR。

所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其根据L、R点的地理坐标：W_L、J_L、H_L和W_R、J_R、H_R，S、L、R所构成的三角形的三个边长：R_LR、R_SL和R_SR，及SAR成像侧视角，求得S点的地理坐标：W_S，J_S，H_S，即I_L1、I_R1成像时刻SAR雷达所在位置的地理坐标，W_S、J_S、H_S分别代表S的纬度、经度、高度。

按照双区成像合成孔径雷达图像匹配导航方法的相同的原理，可以扩展为两个以上区域成像合成孔径雷达图像匹配导航方法，即利用能够对两个以上区域同时成像的合成孔径雷达，获得两个以上区域的SAR图像，这些图像再与各自基准地图进行匹配，得到SAR图像对应的地理坐标，再根据这些地理坐标，按照双区成像合成孔径雷达图像匹配导航方法相同的原理进行计算，得到SAR成像时刻的飞行器位置信息，利用该位置信息对飞行器进行导航，或利用该位置信息对飞行器的导航设备进行修正。

本发明方法具有以下有益效果：

1、能够在飞行器位置解算时，不使用飞行器的机下点高度信息，省去了对组合导航系统的测高要求；

2、不需要飞行器的机下点高度与SAR成像区域高度等高的假设，避免了额外定位误差的引入。

附图说明

图1是本发明的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法实施例1示意图；

图2是本发明的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法实施例2示意图；

图3是图1中本发明方法实施例1的同时刻获取图像点的解算几何关系图；

图4是图1中本发明方法实施例1的非同时刻获取图像点的解算几何关系图；

图5是图2中本发明方法实施例2的解算几何关系图；

图6是图2中本发明方法实施例2的解算近似几何关系图；

图7是本发明方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示实施例1，以飞机为例，同样也适用于卫星、导弹、飞艇等飞行器平台，飞机在沿航线飞行过程中，利用合成孔径雷达同时对航线两侧的成像区域进行成像，通过机上实时成像处理系统，实时获取两个区域的SAR图像；

取同时获取的两个区域SAR图像，与基准图进行匹配，获得同时获取的两个区域的SAR图像的位置信息(地理坐标)；

在同时获取的两个区域的SAR图像上各取一个同时成像点，相对飞行方向，左侧的图像点用L表示和右侧的图像点用R表示、L点的地理坐标为(W_L，J_L，H_L)，W_L、J_L、H_L分别代表L点的纬度、经度、高度；R点的地理坐标为(W_R，J_R，H_R)，W_R、J_R、H_R分别代表R点的纬度、经度、高度；设L点和R点成像时刻飞机位于S点，则L点、R点和S点构成三角形SLR，如图3所示。

根据图3的几何关系，可以求得S点的地理坐标，计算过程如下：

步骤一：求SL边和SR边的长度

设SL边的长度为R_SL、SR边的长度为R_SR，由于L点和R点的成像时刻相同，根据雷达回波关系有R_SL＝R_SR，根据SAR成像关系，可采用下面的公式计算R_SL和R_SR：

R_SL＝R_SR＝(t₀+ΔtN)C/2

式中，t₀为SAR采样起始时刻，Δt为采样时间间隔，N为L点在图像中距离向的采样点数，C为光速。

步骤二：求LR边的长度，及LR边在水平面投影L’R’的长度

设R点在地理水平面的投影为R’点，L点在地理水平面的投影为L’点，则根据R点的地理坐标(W_R，J_R，H_R)、L点的地理坐标(W_L，J_L，H_L)可以求得可求得R与L之间的距离R_LR，求解公式如下：

$R_{\mathrm{LR}}=\sqrt{2R^2-2R^2\·\cos W_L\cos W_R\cos (J_L-J_R)-2R^2\sin W_L\sin W_R}$

式中，R为地球半径。

再由R_LR、H_R、H_L，可求得R’与L’之间的距离R_L’R’，求解公式如下：

R_L′R′＝sqrt(R_LR ²-(H_R-H_L)²)

步骤三：求解SR边与LR边的夹角α，LR边与地理水平面的夹角β：

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{{R_{\mathrm{SR}}}^2+{R_{\mathrm{LR}}}^2-{R_{\mathrm{SL}}}^2}{2R_{\mathrm{SR}}{R}_{\mathrm{LR}}}\right)$

$\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{(H_L-H_R)}{R_{L^{\′}{R}^{\′}}}\right)$

步骤四：求S’L’以及S’R’距离，其中，S’点为S点在地理水平面的投影：

求解公式如下：

R_S′R′＝R_SR cos(α+β)

R_S′L′＝R_L′R′-R_S′R′

步骤五：求SS’距离

设S点在地理水平面的投影为S’点，则SS’距离可由以下公式求解：

R_SS′＝(H_L-H_R)+R_SR sin(α+β)

步骤六：求S点的纬度坐标W_S

S点的纬度坐标W_S可由以下公式求解：

W_S＝arcsin(sin W_L+m(sin W_R-sin W_L))

其中，参数 $m=\frac{R_{S^{\′}{L}^{\′}}}{R_{L^{\′}{R}^{\′}}}$

步骤七：求S点的经度坐标

S点的经度坐标J_S可由以下公式求解：

$J_S=J_L+\arccos \left(\frac{{\cos }^2{W}_L+{\cos }^2{W}_S-m^2({\cos }^2{W}_L+{\cos }^2{W}_R-2\cos W_L\cos W_R\cos (J_L-J_R))}{2\cos W_L\cos W_S}\right)$

由步骤五、步骤六和步骤七的计算结果，可以得到S点的坐标(W_S，J_S，H_S)。

上述实施例1中，基于L点和R点是航迹左右两侧SAR图像上的同时成像点的限制条件，这一限制条件也可以适当放宽，即L点和R点分别是左右两侧SAR图像上的非同时成像点，这约束条件的放宽，将引入在两个点成像时刻的时间差，对应于飞行器在两个点的成像时刻不在同一点上，上述实施例1中的数学模型需要进行修正，此时的成像关系如图4所示。

图4中，S_R点为R点成像时刻飞机的位置点，S_L点为L点成像时刻飞机的位置点，相对SL边、SR边的距离，S_R与S_L之间的距离很小，在一定的误差范围内，可以认为S_R、S_L是一个点(即图3中的点S)，依据图3几何关系建立的数学模型依然可以使用，因此，这里不再讨论图4几何关系建立的数学模型。

如图2所示是另一种利用两个非同时成像区域解算飞行器成像时刻地理坐标的实施例，这里简称为实施例2。

在实施例2中，以飞机为例，同样也适用于卫星、导弹、飞艇等飞行器平台，进一步放宽对匹配点同时成像的限制，两点分别是航迹单侧的两个成像区域的两个成像点，飞机在沿航线飞行过程中，利用合成孔径雷达同时对航线一侧的两个成像区域进行成像，通过机上实时成像处理系统，实时获取两个区域的SAR图像；

再对左右两成像区域SAR图像，与基准图进行匹配，获得两成像区域SAR图像的位置信息(地理坐标)；

最后，计算出两个成像区域成像时刻飞行器的位置信息。

如图5所示，在两成像区域的SAR图像上各取一个成像点，两个点的成像时刻差尽可能小，相对于飞行方向，左侧图像点(用L表示)和右侧图像点(用R表示)、L点的地理坐标为(W_L，J_L，H_L)，W_L、J_L、H_L分别代表L的纬度、经度、高度；R点的地理坐标为(W_R，J_R，H_R)，W_R、J_R、H_R分别代表R的纬度、经度、高度；

设L点和R点的成像时刻飞机分别位于S_L、S_R点，相对SL边、SR边的距离，S_R、S_L之间的距离很小，在一定的误差范围内，可以认为S_R、S_L是一个点(S)，则L点、R点和S点构成类似图3所示三角形SLR，如图6所示。

根据图6的几何关系，可以求得S点的地理坐标，计算过程如下：

步骤一：求SL边和SR边的长度

设SL边的长度为R_SL、SR边的长度为R_SR，根据SAR成像过程的雷达回波关系，可采用下面的公式计算R_SL和R_SR：

R_SL＝(t₀+ΔtN_L)C/2

R_SR＝(t₀+ΔtN_R)C/2

式中，t₀为SAR采样起始时刻，Δt为采样时间间隔，N_L为L点在图像中距离向的采样点数，N_R为R点在图像中距离向的采样点数，C为光速。

步骤二：求LR边的长度，及LR边在水平面投影L’R’的长度

设R点在地理水平面的投影为R’点，L点在地理水平面的投影为L’点，则根据R点的地理坐标(W_R，J_R，H_R)、L点的地理坐标(W_L，J_L，H_L)可以求得可求得R与L之间的距离R_LR，求解公式如下：

$R_{\mathrm{LR}}=\sqrt{2R^2-2R^2\·\cos W_L\cos W_R\cos (J_L-J_R)-2R^2\sin W_L\sin W_R}$

式中，R为地球半径。

再由R_LR、H_R、H_L，可求得R’与L’之间的距离R_L’R’，求解公式如下：

R_L′R′＝sqrt(R_LR ²-(H_R-H_L)²)

步骤三：求解SR边与LR边的夹角α，LR边与地理水平面的夹角β：

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{{R_{\mathrm{SR}}}^2+{R_{\mathrm{LR}}}^2-{R_{\mathrm{SL}}}^2}{2R_{\mathrm{SR}}{R}_{\mathrm{LR}}}\right)$

$\mathrm{\β=arctan}\left(\frac{(H_L-H_R)}{R_{L^{\′}{R}^{\′}}}\right)$

步骤四：求S’L’以及S’R’距离，其中，S’点为S点在地理水平面的投影。

求解公式如下：

R_S′R′＝R_SR cos(α+β)

R_S′L′＝R_S′R′-R_L′R′

步骤五：求SS’距离

设S点在地理水平面的投影为S’点，则SS’距离可由以下公式求解：

R_SS′＝(H_L-H_R)+R_SR sin(α+β)

步骤六：求S点的纬度坐标W_S

S点的纬度坐标W_S可由以下公式求解：

$W_S=\arcsin \left(\frac{\sin W_L-m\sin W_R}{1-m}\right)$

其中，参数 $m=\frac{R_{S^{\′}{L}^{\′}}}{R_{S^{\′}{R}^{\′}}}$

步骤七：求S点的经度坐标

S点的经度坐标J_S可由以下公式求解：

$J_S=J_L\text{-arccos}\left(\frac{(1-2m){\cos }^2{W}_L-m^2{\cos }^2{W}_R+{(1-m)}^2{\cos }^2{W}_S+2m^2\cos W_L\cos W_R\cos (J_L-J_R))}{2{(1-m)}^2\cos W_L\cos W_S}\right)$

由步骤五、步骤六和步骤七的计算结果，可以得到S点的坐标(WS，JS，HS)。

上述两个实施例中的飞行器地理坐标的解算方法是基于两个成像区域的匹配点与飞行器之间的几何关系，能够满足地面平面近似的假设(即不需要考虑地球表面是曲面)，一般适用于飞机、导弹、飞艇等飞行器；当两个成像区域的匹配点相距较远(如星载飞行器)，则需要考虑地球表面是曲面。

上述实施例，依据其原理，可以扩展为两个以上区域成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，即利用同时对两个以上区域同时成像的合成孔径雷达，同时获得两个以上区域的SAR图像，再与基准地图进行匹配，得到这些区域SAR图像对应的地理坐标，再根据这些地理坐标，通过计算，得到SAR成像时刻的飞行器位置信息，利用该位置信息对飞行器进行导航，或利用该位置信息对飞行器的导航设备修正。

图7是本发明方法的流程图。

Claims (9)

1.一种双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其特征在于：包括：

a)装载于飞行器上的双区成像合成孔径雷达，同时对飞行器飞行航迹两侧的地面区域，或单侧两个地面区域进行成像，获得两侧地面区域，或单侧两个地面区域的合成孔径雷达图像；

b)再利用与飞行器内的基准地图进行匹配，得到飞行航迹两侧区域，或单侧两个地面区域的SAR图像对应的地理坐标；

c)再根据这些地理坐标，通过计算，得到SAR成像时刻的飞行器位置信息，利用该位置信息对飞行器进行导航；

d)或利用该位置信息对飞行器的导航设备修正。

2.如权利要求1所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其特征在于：所述单侧两个地面区域进行成像，区别于传统ScanSAR，对单侧两个地面区域同时成像时，两个地面区域是非重叠的。

3.如权利要求1所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其特征在于：所述b)、c)步，通过对航迹双侧地面，或单侧两个地面区域的SAR图像进行地图匹配后，即得到SAR图像的地理坐标，再根据这些地理坐标直接计算SAR成像时刻飞行器的位置信息，而不需要額外附加高程信息进行解算。

4.如权利要求1所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其特征在于：所述双区成像合成孔径雷达，装载于卫星、飞机、导弹、飞艇的飞行器平台上，使用本方法，即通过地图匹配得到SAR成像时刻的飞行器位置信息，利用该位置信息对飞行器进行导航，或利用该位置信息对飞行器的导航设备进行修正。

5.如权利要求1所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其特征在于：导航设备是惯性导航系统，或是惯性导航系统与全球卫星导航定位系统结合的组合导航系统。

6.如权利要求3所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其特征在于：所述根据这些地理坐标直接计算SAR成像时刻飞行器的位置信息，是相对于飞行方向，通过对左侧的SAR图像用I_L表示，进行地图匹配，求得I_L上的一点用I_L1表示，所代表的地面点用L表示，的地理坐标：W_L、J_L、H_L，W_L、J_L、H_L分别代表地面点L的纬度、经度、高度；同时，通过对右侧的SAR图像I_R进行地图匹配，求得I_R上的与I_L1同时刻成像的点用I_R1表示，所代表的地面点用R表示，的地理坐标：W_R、J_R、H_R，W_R、J_R、H_R分别代表地面点R的纬度、经度、高度；根据W_L、J_L、H_L，W_R、J_R、H_R求解L和R之间的距离R_LR。

7.如权利要求6所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其特征在于：所述根据这些地理坐标直接计算SAR成像时刻飞行器的位置信息，是由SAR成像时间关系及I_L1、I_R1在图像中的位置，求得I_L1、I_R1成像时刻SAR雷达所在的位置用S表示，与L、R之间的距离R_SL和R_SR，则S、L、R所构成的三角形的三个边长分别为R_LR、R_SL和R_SR。

8.如权利要求7所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航的方法，其特征在于：根据L、R点的地理坐标：W_L、J_L、H_L和W_R、J_R、H_R，S、L、R所构成的三角形的三个边长：R_LR、R_SL和R_SR，及SAR成像侧视角，求得S点的地理坐标：W_S，J_S，H_S，即I_L1、I_R1成像时刻SAR雷达所在位置的地理坐标，W_S、J_S、H_S分别代表S的纬度、经度、高度。

9.如权利要求1所述的双区成像合成孔径雷达图像匹配导航方法，其特征在于，所述方法的相同的原理，可以扩展为两个以上区域成像合成孔径雷达图像匹配导航方法，即利用能够对两个以上区域同时成像的合成孔径雷达，获得两个以上区域的SAR图像，这些图像再与各自基准地图进行匹配，得到SAR图像对应的地理坐标，再根据这些地理坐标，按照双区成像合成孔径雷达图像匹配导航方法相同的原理进行计算，得到SAR成像时刻的飞行器位置信息，利用该位置信息对飞行器进行导航，或利用该位置信息对飞行器的导航设备进行修正。

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