CN103323855B - 一种基线动态测量系统的精度获取方法 - Google Patents

一种基线动态测量系统的精度获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基线动态测量系统的精度获取方法。该方法包括:天线模拟运动平台产生天线运动所需要的运动轨迹,基线动态测量系统和激光跟踪仪同时测量天线模型上其合作目标的位置和姿态变化,分别得到天线模型的相位中心的位置和姿态变化;根据基线动态测量系统和激光跟踪仪的坐标系转换关系,把激光跟踪仪测量的模拟天线的相位中心的位置和姿态变化统一到基线动态测量系统坐标系下;以基线动态测量系统坐标系下激光跟踪仪测量的天线的相位中心的位置和姿态变化作为标准值,将基线动态测量系统的测量值与该标准值比较,进行误差统计分析,得到基线动态测量系统的测量精度。本发明采用高精度的激光跟踪仪作为参照系统,误差小,评估的精度更真实可靠。

Description

一种基线动态测量系统的精度获取方法
技术领域
本发明涉及测绘行业信息获取与处理技术领域,特别是一种双天线干涉合成孔径雷达中基线动态测量系统的精度获取方法。
背景技术
为了获取1∶10000和1∶5000甚至更高比例尺的测图需要,要求双天线干涉合成孔径雷达(InSAR)高程精度要达到0.1m~0.3m。对于InSAR系统,在测绘作业过程中,其平台受航迹的调节和大气湍流等因素的影响,载机平台不仅偏离理想运动轨迹,而且会使柔性基线产生振动、扭曲等变形,引起天线的位置和姿态发生变化,最终使天线的相位中心总是偏离理想运动状态而产生的运动误差。这些运动误差不仅会对雷达图像产生影响,造成信噪比下降、方位模糊增加、散焦和分辨率下降,并出现几何和相位失真等等,而且还会直接影响到干涉复图像对之间的相干性,从而在干涉相位中产生相位误差,并在最终反演得到的高程信息中引入高程误差。因此必须在测绘作业过程中实时地对天线位置和姿态进行精密的动态测量,进而精确确定干涉基线的长度和姿态,形成高精度的矢量基线,然后利用相关干涉运动补偿技术和基线补偿技术,实现高精度的干涉测量。
InSAR系统是一套技术难度极其复杂的综合性系统,基线动态测量系统是其中的关键组成部分,其性能直接决定了整个系统是否能获得符合技术指标要求的干涉测量结果。图1为现有技术基线动态测量系统的结构示意图。如图1所示,该基线动态测量系统利用CCD相机、激光测距仪和惯性测量单元三者组合起来最终实现InSAR双天线的动态测量。图1中数码相机1和相机2,激光测距仪1和激光测距仪2、惯性测量单元IMU与控制处理器安装在刚性测量平台上,天线1和天线2上分别安装3个LED标志。两台相机的镜头分别对着左右两个天线上的LED标志,对LED标志的图像进行跟踪拍摄。同时激光测距仪1和激光测距仪2实时测量测量平台和两个天线的精确距离。采用摄影测量的原理计算两个天线在相机1和相机2坐标系下的坐标,惯性测量单元测量平台的精确位置和姿态,将摄影测量计算的坐标信息和测量平台的位置和姿态一起传送给控制处理器。控制处理器通过软件计算就可以得到两个天线在全球大地坐标系下的精确位置和姿态,从而给出InSAR的动态基线测量结果。
由于基线动态测量系统的精度直接影响InSAR系统的干涉测量高程的精度,因此在其研制期间和研制之后,在地面上必须进行大量的试验工作,以验证基线动态测量系统性能是否满足指标要求。然而,现有技术并没有提供出基线动态测量系统精度获取方法,导致对基线动态测量系统精度无法准确、科学地做出评价。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述的一个或多个问题,本发明提供了一种双天线干涉合成孔径雷达中基线动态测量系统精度获取方法,以提高基线动态测量系统精度获取的准确性和科学性。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面,提供了一种基线动态测量系统的精度获取方法。该方法包括:在天线模型上分别安装基线动态测量系统和激光跟踪仪的合作目标,将天线模型安装于天线模拟运动平台;基线动态测量系统和激光跟踪仪分别对准天线模型上相应的合作目标;天线模拟运动平台产生天线运动所需要的运动轨迹,基线动态测量系统和激光跟踪仪同时测量天线模型上其合作目标的位置和姿态变化,分别得到天线的相位中心的位置和姿态变化;根据基线动态测量系统和激光跟踪仪的坐标系转换关系,把激光跟踪仪测量的模拟天线的相位中心的位置和姿态变化统一到基线动态测量系统坐标系下;以基线动态测量系统坐标系下激光跟踪仪测量的天线模型的相位中心的位置和姿态变化作为标准值,将基线动态测量系统的测量值与该标准值比较,进行误差统计分析,得到基线动态测量系统的测量精度。
(三)有益效果
综上所述,本发明双天线干涉合成孔径雷达基线动态测量系统精度获取方法具有以下有益效果:
(1)本发明采用高精度的激光跟踪仪作为参照系统,误差小,评估的精度更真实可靠;
(2)本发明采用六自由度平台能够模拟天线的任意运动状态,更符合实际天线的抖动情况;
(3)本发明充分考虑了双天线InSAR基线动态测量系统的需求,兼顾现有技术条件和成本,具有结构清晰、成本较低、实用简单有效等优点。
附图说明
图1为现有技术基线动态测量系统的结构示意图。
图2为本发明实施例基线动态测量系统精度获取方法的流程图;
图3为本发明实施例基线动态测量系统精度获取方法中基线动态测量系统和激光跟踪仪设置位置的示意图;
图4是本发明实施例基线动态测量系统精度获取方法中涉及到的各个坐标系的转换关系示意图。
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。
需要说明的是,在附图或说明书描述中,相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中,实施例的形状或是厚度可扩大,并以简化或是方便标示。再者,附图中未绘示或描述的元件或实现方式,为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外,虽然本文可提供包含特定值的参数的示范,但应了解,参数无需确切等于相应的值,而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
在图1所示的基线动态测量系统中,包括两套CCD相机和激光测距仪,分别测量左右两个天线的位置和姿态变化,因为两套组合测量系统的原理和方法相同,所以本发明中对基线动态测量系统测量精度的获取针对其单侧天线测量系统。
在本发明的一个示例性实施例中,提出一种基线动态测量系统的精度获取方法。图2为本发明实施例基线动态测量系统精度获取方法的流程图。如图2所示,本实施例精度获取方法包括:
步骤S202,在天线模型上分别安装基线动态测量系统和激光跟踪仪的合作目标,将天线模型安装于天线模拟运动平台;基线动态测量系统和激光跟踪仪分别对准天线模型上相应的合作目标;
其中,激光跟踪仪的测量精度至少为基线动态测量系统精度的10倍,其输出频率至少为跟踪目标运动频率的2倍。此外,由于测量范围大小的不同,基线动态测量系统和激光跟踪仪可以分别置于不同的位置。图3为本发明实施例基线动态测量系统精度获取方法中基线动态测量系统和激光跟踪仪设置位置的示意图。如图3所示,基线动态测量系统的测量设备包括一台CCD相机2、激光测距仪3和基线测量主控子系统4,CCD相机2和激光测距仪3固定安装在测量平台1上。激光跟踪仪设置于测量精度验证平台上。
本实施例中,天线模拟运动平台5为六自由度天线模拟运动平台,其通过自带的伺服控制系统6来设置六个自由度的运动参数,产生所需要的运动轨迹。六自由度天线模拟运动平台能够模拟天线绕在三个轴向上以不同幅值和频率做纵向X、横向Y、垂向Z向的平移运动,且能同时绕三个轴以不同幅值和频率做俯仰、倾斜和偏航方向的旋转运动,可以实现模拟天线的任意运动状态。
在天线模型7上,安装有三个LED灯8、经过特殊加工制成的激光反射板9和激光跟踪仪11的合作目标10。其中,三个LED灯作为CCD相机的合作目标,激光反射板作为激光测距仪的合作目标,激光跟踪仪的合作目标由其系统自带。
图3中的CCD相机2用于跟踪拍摄天线上三个LED灯8的运动图像,激光测距仪3测量激光反射板9到测量平台1的距离,用于弥补视线方向测量精度不足的问题,确保基线长度测量精度的要求。基线动态测量系统的主控子系统4负责CCD相机2和激光测距仪3的数据同步,负责两个测量设备数据的实时采集与存储。主控子系统4能够实现实时解算干涉基线长度和姿态信息并在主机端显示,同时具有数据后处理的功能。
图3中所采用的激光跟踪仪,可以对测量精度为其0.1倍及以下的基线动态测量系统的测量精度进行获取。例如选用一款在2.5×5×10m范围内,测量精度为10μm±5μm/m的激光跟踪仪,则可以对测量精度低于0.1mm的基线动态测量系统的测量精度进行获取。另外,所采用的激光跟踪仪的输出频率要为天线模拟运动平台运动频率的2倍以上,例如假设跟踪目标的运动频率为5Hz,则要求激光跟踪仪的输出频率至少为10Hz。激光跟踪仪跟踪系统跟踪的合作目标10的类型根据需要的测量精度和需要的尺寸大小来选择。
步骤S204:对天线模型及其安装在上面的基线动态测量系统和激光跟踪仪的合作目标进行坐标标定,该合作目标包括:三个LED灯、激光反射板平面、激光跟踪仪自带的合作目标上的标志点和天线平面,为了减小系统误差,标定的精度要优于0.5mm。根据标定结果通过拟合的方法建立天线坐标系ACS、控制点坐标系TCS和激光跟踪仪合作目标坐标系TMAS,得到以下坐标系的转换关系:
(1)控制点坐标系TCS和天线坐标系ACS的转换关系;
(2)天线坐标系ACS和激光跟踪仪合作目标TMAS的转换关系。
而激光跟踪仪坐标系TMRS和基线动态测量系统坐标系CCS是系统自定义的,不用通过标定的方式去拟合。
图4是本发明实施例基线动态测量系统精度获取方法中涉及到的各个坐标系的转换关系示意图。如图4所示,各个坐标系的定义如下:
(1)TMRS和TMAS:激光跟踪仪坐标系和其合作目标坐标系,其坐标系的定义与选择的具体型号有关;
(2)ACS:天线坐标系,坐标原点位于天线面的几何中心,X轴过坐标系原点,与天线阵伸展方向平行,且指向与飞行方向相同,Z轴垂直天线面向下,Y轴和X,Z轴构成右手系;
(3)CCS:基线动态测量系统坐标系,坐标系原点为相机的摄影中心,X轴过坐标系原点,平行于像平面的水平轴且向右为正,Y轴过坐标系原点,平行于相机的主光轴且出镜方向为正,Z轴和X,Y轴构成右手系;
(4)TCS:控制点坐标系,坐标系原点可以根据三个LED灯的三维分布任意设定,X轴过坐标系原点,与ACS坐标系的X轴方向一致,Y轴平行与三个LED前后平面中心拟合的直线的方向,和CCS坐标系的Y轴指向一致,Z轴和X,Y轴构成右手系。图4中各个矢量和旋转矩阵的定义为:
表示在TMAS下表示的TMAS到ACS的平移矢量,为ACS到TMAS的角度旋转矩阵,为在TMRS下表示的TMRS到TMAS的平移矢量,为TMAS到TMRS的角度旋转矩阵,为在CCS下表示的CCS到TMRS的平移矢量,为TMRS到CCS的角度旋转矩阵,为在TCS下表示的TCS到ACS的平移矢量,为ACS到TCS的角度旋转矩阵,为在CCS下表示的CCS到TCS的平移矢量,为TCS到CCS的角度旋转矩阵;
步骤S206:在激光跟踪仪和基线动态测量系统中CCD相机的视场范围内设置三维控制支架,利用摄影测量的方法确定激光跟踪仪坐标系TMRS与基线动态测量系统坐标系CCS之间的转换关系;
该步骤中只需要一个三维控制支架,并要把三维控制支架摆放在一个刚性稳定的平台上,保持稳定不动,支架的具体摆放位置要根据CCD相机的视场和激光跟踪仪的测量范围来确定。为了确定激光跟踪仪和基线动态测量系统坐标系之间的转换关系,至少要在控制支架上布设三个标志点,三个标志点最好为等腰三角形分布。为了提高摄影测量的解算精度,可以增加布设的标志点的点数,要求所有控制点在三维坐标方向上是均匀分布,且有足够的延伸,选择的控制点的个数和在三维方向的位置分布需经过优化设计,该优化设计的方法并不是本发明的重点,其在相关的技术文献中可以找到相应的优化方法。
设CCD相机的像主点坐标为(x0,x0),焦距为f,(xi,zi)为CCD采集图像中控制支架上某个标志点在图像上的坐标,是控制支架上某个标志点在激光跟踪仪坐标系中的坐标,其在基线动态测量系统坐标系中的坐标为则根据坐标系转换公式有:
X i C Y i C Z i C = X C T Y C T Z C T + ( R C TMR ) - 1 · X i TMR Y i TMR Z i TMR - - - ( 2 )
其中记为基线动态测量系统坐标系到激光跟踪仪坐标系的平移矢量,为基线动态测量系统坐标系到激光跟踪仪坐标系的旋转矩阵。旋转矩阵其中RωRκ分别是三个转角旋转矩阵,可以表示为:
R C TMR = a 1 a 2 a 3 b 1 b 2 b 3 c 1 c 2 c 3 - - - ( 3 )
则根据单像空间后方交会原理,可以得到共线条件方程式:
x i - x 0 = f X i C Y i C = f X C T + a 1 X i TMR + b 1 Y i TMR + c 1 Z i TMR Y C T + a 2 X i TMR + b 2 Y i TMR + c 2 Z i TMR (4)
z i - z 0 = f Z i C Y i C = f Z C T + a 3 X i TMR + b 3 Y i TMR + c 3 Z i TMR Y C T + a 2 X i TMR + b 2 Y i TMR + c 2 Z i TMR
当CCD相机的像主点坐标为(x0,z0),焦距为f已知的情况下,假设三维控制支架上共有N(N≥3)个标志点,则可以建立N对共线条件方程式,利用最小二乘参数平差的方法求解基线动态测量系统坐标系到激光跟踪仪坐标系的转换关系,即平移向量和旋转矩阵
例如,假设CCD相机的相主点坐标(x0,z0)=(0,0),焦距为200mm,相机的像素大小为10μm,控制支架上的三个标志点在图像中的像点坐标分别为:p1=(-492.66,295.59),p2=(102.57,307.72),p3=(689.68,295.66)。三个标志点在激光跟踪仪下的坐标分别为:tar1=[10.30.2]m;tar2=[0.0-0.50.2]m;tar3=[-10.30.2]m,代入式4,可以得到3对共线方程,联立6个方程便可以求出平移向量旋转矩阵中的三个转角度。确定基线动态测量系统坐标系和激光跟踪仪坐标系转换的关系后,根据式2,便可以实现某个三维坐标点在两个坐标系之间的变换。
步骤S208:天线模拟运动平台产生天线运动所需要的运动轨迹,基线动态测量系统和激光跟踪仪同时测量天线模型上其合作目标的位置和姿态变化,分别得到每个时刻两套系统与其合作目标的转换关系:
(1)激光跟踪仪测量系统输出的激光跟踪仪合作目标坐标系TMAS和激光跟踪仪坐标系TMRS之间的转换关系;
(2)基线动态测量系统输出的控制点坐标系TCS和基线动态测量系统坐标系CCS之间的转换关系;
步骤S210:基线动态测量系统测量其坐标系下该系统的合作目标位置和姿态变化,根据步骤S204得到的控制点坐标系TCS和天线坐标系ACS的转换关系,便可以得到基线动态测量系统下的天线相位中心的位置和姿态变化信息。
由图4可以看出,基线测量系统测量得到的天线的相位中心的位置和姿态信息要对基线测量系统的输出的控制点坐标系TCS与基线动态测量系统坐标系CCS间的位置和姿态数据进行以下坐标系转换:由天线坐标系ACS转换到控制点坐标系TCS;
步骤S212:根据基线动态测量系统和激光跟踪仪的转换关系,把激光跟踪仪测量的模拟天线的相位中心的位置和姿态变化统一到基线动态测量系统坐标系下;
由图4可以看出,把激光跟踪仪的输出的激光跟踪仪合作目标坐标系TMAS和激光跟踪仪坐标系TMRS间的位置和姿态结果统一到基线动态测量系统下测量天线的相位中心的位置和姿态变化要经过两次坐标系转换,即:
(1)由天线坐标系ACS转换为激光跟踪仪合作目标坐标系TMAS;
(2)由激光跟踪仪坐标系TMRS转换为基线动态测量系统坐标系CCS。
具体来讲:
l TMR _ C A = l C TMR + R TMR C * ( l TMR TMA + R TMA TMR * l TMA A ) - - - ( 5 )
R A TMR _ C = R TMR C * R TMA TMR * R A TMA
由旋转矩阵的定义式3,可以求得三个姿态角,计算公式如式6所示:
ω=-arctan(c2/c3)
κ=-arccot(a1/b1)
例如,设激光跟踪仪测得某时刻的合作目标的位置矢量 三个旋转角度分别为(89.9292,-7.3996,-0.488)度,由三个旋转角度可以计算出具体计算方法可查看所选用的激光跟踪测量系统的用户手册说明。
设根据步骤S204的标定结果得到的ACS与TMAS的转换关系为:
l TMA A = [ 0.3477 , - 0.2798,0.0407 ] m
R A TMA = 0.9999 - 0.0010 - 0.0036 0.0036 0.4793 0.8776 0.0008 - 0.8776 0.4793 .
根据步骤S206得到的CCS和TMRS的转换关系为:
l C TMR = [ - 2.7479,42.1915 , - 1.4264 ] m ,
R TMR C = 0.9904 - 0.1381 - 0.0092 0.1384 0.9893 0.0451 0.0028 - 0.0459 0.9989 ,
则代入式5和式6,便可以计算出此时刻天线相位中心的三个位置矢量和姿态角: l TMR _ C A = [ - 0.0513,50.6533 , - 0.4076 ] , 中的三个姿态角为(25.9826,0.0116,0.5549)度。
步骤S214:以步骤S212得到的基线动态测量系统坐标系下激光跟踪仪测量的模拟天线的相位中心的位置和姿态变化作为标准值,与步骤S210得到的基线动态测量系统的测量值比较,进行误差统计分析,得到基线动态测量系统的测量精度。
例如,由基线动态测量系统测得同时刻的天线相位中心的三个位置矢量为三个姿态角为(25.9923,0.0047,0.5652)度。则可以计算得到此时刻基线动态测量系统的三个位置矢量误差为(-0.3,0.5,0.3)mm,三个姿态角误差为(34.92,24.84,-37.08)角秒。例如当基线测量系统距离天线模型为50米时,分别用两套测量系统对天线模型跟踪测量半个小时,共采样18000个点,利用本发明方法计算基线测量系统每个采样点的测量误差,并对误差进行统计分析可以得到三个位置矢量的测量精度分别为:(0.43,0.65,0.37)mm,基线长度的测量精度为0.86mm,三个姿态角的测量精度分别为:(35.8、21.6、33.5)角秒。
需要说明的是,对于不同基线长度的双天线InSAR系统,如果采用类似图1中的基线动态测量装置,都可以采用本发明方法对其测量系统的进行精度获取。
需要说明的是,上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状,本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。此外,本发明中的组合基线动态测量系统的载荷不只针对于机载平台,还包括卫星等其他平台。本发明中的激光测距仪的合作目标不仅为激光反射板,还包括角反射器阵列等其他合作目标。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基线动态测量系统的精度获取方法,包括:
在天线模型上分别安装基线动态测量系统和激光跟踪仪的合作目标,将天线模型安装于天线模拟运动平台上;基线动态测量系统和激光跟踪仪分别对准所述天线模型上相应的合作目标;
天线模拟运动平台产生天线运动所需要的运动轨迹,基线动态测量系统和激光跟踪仪同时测量天线模型上其合作目标的位置和姿态变化,分别得到天线模型的相位中心的位置和姿态变化;
根据基线动态测量系统和激光跟踪仪的坐标系转换关系,把激光跟踪仪测量的模拟天线的相位中心的位置和姿态变化统一到基线动态测量系统坐标系下;
以基线动态测量系统坐标系下激光跟踪仪测量的天线的相位中心的位置和姿态变化作为标准值,将基线动态测量系统的测量值与该标准值比较,进行误差统计分析,得到基线动态测量系统的测量精度;
其中,所述天线模拟运动平台为六自由度天线模拟运动平台,该六自由度天线模拟运动平台能够实现以下形式运动:以不同幅值和频率做纵向X、横向Y、垂向Z向的平移运动;和绕三个轴以不同幅值和频率做俯仰、倾斜和偏航方向的旋转运动。
2.根据权利要求1所述的基线动态测量系统的精度获取方法,其中,所述把激光跟踪仪测量的模拟天线的相位中心的位置和姿态变化统一到基线动态测量系统坐标系的步骤包括将激光跟踪仪输出的激光跟踪仪合作目标坐标系TMAS和激光跟踪仪坐标系TMRS间的位置和姿态数据进行以下坐标变换:
1)由天线坐标系ACS转换为激光跟踪仪合作目标坐标系TMAS;
2)由激光跟踪仪坐标系TMRS转换为基线动态测量系统坐标系CCS。
3.根据权利要求2所述的基线动态测量系统的精度获取方法,其中,所述基线动态测量系统和激光跟踪仪同时测量天线模型上其合作目标的位置和姿态变化的步骤之前还包括:
对天线模型及其安装在上面的基线动态测量系统和激光跟踪仪的合作目标进行坐标标定;
根据标定结果通过拟合的方法建立天线坐标系ACS、控制点坐标系TCS和激光跟踪仪合作目标坐标系TMAS,得到以下坐标系的转换关系:1)控制点坐标系TCS和天线坐标系ACS的转换关系;2)天线坐标系ACS和激光跟踪仪合作目标TMAS的转换关系。
4.根据权利要求3所述的基线动态测量系统的精度获取方法,其中,所述基线动态测量系统和激光跟踪仪同时测量天线模型上其合作目标的位置和姿态变化的步骤之前还包括:
利用摄影测量的方法确定以下坐标系的转换关系:激光跟踪仪坐标系TMRS与基线动态测量系统坐标系CCS之间的转换关系。
5.根据权利要求4所述的基线动态测量系统的精度获取方法,其中,所述基线动态测量系统和激光跟踪仪同时测量天线模型上其合作目标的位置和姿态变化,分别得到天线模型的相位中心的位置和姿态变化的步骤中,分别得到每个时刻两套系统与其相应合作目标的转换关系:
1)激光跟踪仪测量系统输出的激光跟踪仪合作目标坐标系TMAS和激光跟踪仪坐标系TMRS之间的转换关系;
2)基线动态测量系统输出的控制点坐标系TCS和基线动态测量系统坐标系CCS之间的转换关系。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基线动态测量系统的精度获取方法,其中,所述基线动态测量系统包括:
CCD相机,其合作目标为三个LED灯;
激光测距仪,其合作目标为激光反射板或角反射器阵列。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的基线动态测量系统的精度获取方法,其中,所述激光跟踪仪的测量精度至少为基线动态测量系统精度的10倍;其输出频率至少为天线模拟运动平台运动频率的2倍。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的基线动态测量系统的精度获取方法,应用于双天线干涉合成孔径雷达系统。
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