CN103777201A - 基于gps数据的机载sar运动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于目标特性与目标识别技术领域，具体涉及一种基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法。该方法包括如下步骤：第一步：建立载机坐标系；第二步：建立载机坐标系相对地理坐标系的旋转矩阵；第三步：用四个GPS组合测量飞机姿态，四个GPS天线安装位置需要满足的条件：所有天线不能在一条线上，且放在能有效接收卫星数据的位置；第四步：计算旋转矩阵；第五步：估计多普勒中心频率和多普勒调频斜率。该方法用四个GPS组合来代替惯性导航系统实现对载机姿态参数的测量，使机载SAR测量系统在得到高质量、高分辨率SAR图像的同时，又能降低系统研制成本，且具有低功耗的特点。

Description

基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法

技术领域

本发明属于目标特性与目标识别技术领域，具体涉及一种基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法。

背景技术

机载合成孔径雷达(SAR)系统的横向高分辨率是通过对积累时间内的回波信号，进行相干处理来合成比真实孔径长得多的孔径而获得的。由于载机平台在大气中受外界扰动影响较大，载机非匀速直线的平移运动，影响雷达信号的相位，造成相位误差；另外载机由于偏航、俯仰、横滚的角运动，造成天线平台姿态变化，产生天线指向误差。该误差导致如下后果：（1）使图像几何畸变，甚至局部地区分辨率下降；（2）造成压缩波形主瓣展宽及副瓣电平增高，使图像分辨率下降、轮廓模糊、造成假目标及方位向比例误差；（3）积分副瓣电平升高，造成假目标、轮廓模糊和重影。因此运动补偿技术是实现高分辨率成像的关键，也是获取高质量机载SAR图像的关键。

载机非匀速直线的平移运动，可设置脉冲重复频率随飞机水平速率变化，保证脉冲重复频率和飞机水平速率的比率为常数，从而使方位向接收信号均匀空间取样。因此如何提供高精度的载机姿态参量来进行运动补偿是机载SAR成像过程的关键技术。目前的载机姿态参量是通过惯性导航系统来实现，但是惯性导航系统具有价位高、误差漂移和积累的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法，用四个GPS组合来代替惯性导航系统实现对载机姿态参数的测量，使机载SAR测量系统在得到高质量、高分辨率SAR图像的同时，又能降低系统研制成本，且具有低功耗的特点。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法，包括如下步骤：

第一步：建立载机坐标系：沿飞机右翼为Y轴，向右为正；沿飞机机腹为Z轴，向下为正；沿飞机鼻锥为X轴，向前为正；

（1）α为飞机右翼旋转角度，向上为正，范围：±90°；

（2）β为沿飞机机腹轴旋转角度，向右为正，范围：±180°；

（3）γ为沿飞机鼻锥旋转角度，右翼向下为正，范围：±180°；

第二步：建立载机坐标系相对地理坐标系的旋转矩阵：

$Q=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\α}\\ -\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}+\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}+\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}\\ \sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(1\right)$

第三步：用四个GPS组合测量飞机姿态：

四个GPS组合的姿态测量系统包括一个主接收机M和相对主接收机M在实时运动模式的三个辅助接收机S₀、S₁、S₂；

第四步：计算旋转矩阵Q；

假设X₀为基线向量M-S₀；X₁为基线向量M-S₁；X₂为基线向量M-S₂；上标^(1）为局部地平线，上标^(b）为机身，可表示如下：

$X^{\left(l\right)}=\left[\begin{array}{ccccc}& \·& & \·& \\ X_0^{\left(l\right)}& \·& X_1^{\left(l\right)}& \·& X_2^{\left(l\right)}\\ & \·& & \·& \end{array}\right]$ （2）

$X^{\left(b\right)}=\left[\begin{array}{ccccc}& \·& & \·& \\ X_0^{\left(b\right)}& \·& X_1^{\left(b\right)}& \·& X_2^{\left(b\right)}\\ & \·& & \·& \end{array}\right]$

第五步：估计多普勒中心频率和多普勒调频斜率：

多普勒中心频率表示为：

$-\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{R_m}{V_x}\·F_m^{\mathrm{DC}}+H{\·V}_z/V_x=\left(H\tan \mathrm{\α}\right)\cos \mathrm{\β}+\left(\sin \mathrm{\β}\right)\sqrt{R_m^2-H^2-{\left(H\tan \mathrm{\α}\right)}^2}---\left(3\right)$

其中R_m是飞机到地面之间的距离，V_x和V_z为GPS主接收机M的测量值，

值由多普勒谱估计；飞行高度H用雷达高度计测量；未知项仅为俯仰角α和偏航角β；λ表示雷达波长；因此

$Y_m=\left(H\tan {\mathrm{\α}}_i\right)\cos {\mathrm{\β}}_i+\left(\sin {\mathrm{\β}}_i\right)\·X_m^i$

$X_m^i=\sqrt{R_m^2-H^2-{\left(H\tan {\mathrm{\α}}_{i-1}\right)}^2},Y_m=-\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{R_m}{V_x}\·F_m^{\mathrm{DC}}+H\·V_z/V_x---\left(4\right)$

下标i＝1,2,...是迭代数；在迭代的每一步选择和点最吻合的线

Y＝A_iX+B_i（5）

$A_i=\sin {\mathrm{\β}}_i,B_i=\left(H\tan {\mathrm{\α}}_i\right)\cos {\mathrm{\β}}_i=\left(H\tan {\mathrm{\α}}_i\right)\sqrt{1-A^2},{\mathrm{\α}}_0=0$

用估计角重新计算所有距离门的多普勒中心频率，多普勒调频斜率用同样的方式重新计算。

所述四个GPS天线安装位置需要满足的条件：所有天线不能在一条线上，且放在能有效接收卫星数据的位置，四个GPS接收机和计算机固定在飞机舱内。

所述四个GPS接收机连接关系如下：主接收机M的a端口与计算机连接，主接收机M的b端口与辅助接收机S₀的b端口连接，主接收机M的c端口与辅助接收机S₁的b端口连接，主接收机M的d端口与辅助接收机S₂的b端口连接；所述计算机用于处理数据。

所述第四步为计算旋转矩阵Q，非线性均方可解决如下：

由天线方位向波束宽度

服从约束条件Q^TQ＝I，其中

tr(·)是矩阵的迹，I为单位矩阵，符号T为矩阵转置；起飞前先根据飞机位置计算基线向量然后转变向量到载机坐标系。

所述第五步线的估计用最小二乘法得到。

本发明所取得的有益效果为：

本发明所述基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法，用四个GPS组合来代替惯性导航系统实现对载机姿态参数的测量，使机载SAR测量系统在得到高质量、高分辨率SAR图像的同时，又能降低系统研制成本，且具有低功耗的特点。

附图说明

图1为本发明所述基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法流程图；

图2为载机坐标系示意图；

图3为GPS在飞机上的安装示意图；

图4为GPS接收机串口连接图；

图5为基于GPS数据运动补偿后的图像效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明所述基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法包括如下步骤：

第一步：如图2所示，建立载机坐标系：沿飞机右翼为Y轴，向右为正；沿飞机机腹为Z轴，向下为正；沿飞机鼻锥为X轴，向前为正；

（4）α为飞机右翼旋转角度，向上为正，范围：±90°；

（5）β为沿飞机机腹轴旋转角度，向右为正，范围：±180°；

（6）γ为沿飞机鼻锥旋转角度，右翼向下为正，范围：±180°；

第二步：建立载机坐标系相对地理坐标系的旋转矩阵：

$Q=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\α}\\ -\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}+\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}+\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}\\ \sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(1\right)$

第三步：用四个GPS组合测量飞机姿态：

如图3所示，四个GPS组合的姿态测量系统包括一个主接收机M和相对主接收机M在实时运动模式的三个辅助接收机S₀、S₁、S₂；四个GPS天线安装位置需要满足的条件：所有天线不能在一条线上，且放在能有效接收卫星数据的位置，四个GPS接收机和计算机固定在飞机舱内；

如图4所示，四个接收机连接关系如下：主接收机M的a端口与计算机连接，主接收机M的b端口与辅助接收机S₀的b端口连接，主接收机M的c端口与辅助接收机S₁的b端口连接，主接收机M的d端口与辅助接收机S₂的b端口连接；所述计算机用于处理数据；

第四步：计算旋转矩阵Q；

假设X₀为基线向量M-S₀；X₁为基线向量M-S₁；X₂为基线向量M-S₂；上标^(1）为局部地平线，上标^(b）为机身，可表示如下：

$X^{\left(l\right)}=\left[\begin{array}{ccccc}& \·& & \·& \\ X_0^{\left(l\right)}& \·& X_1^{\left(l\right)}& \·& X_2^{\left(l\right)}\\ & \·& & \·& \end{array}\right]$ （2）

$X^{\left(b\right)}=\left[\begin{array}{ccccc}& \·& & \·& \\ X_0^{\left(b\right)}& \·& X_1^{\left(b\right)}& \·& X_2^{\left(b\right)}\\ & \·& & \·& \end{array}\right]$

为计算旋转矩阵Q，非线性均方可解决如下：

由天线方位向波束宽度

服从约束条件Q^TQ＝I，其中tr(·)是矩阵的迹，I为单位矩阵，符号T为矩阵转置；起飞前先根据飞机位置计算基线向量

然后转变向量到载机坐标系；

第五步：估计多普勒中心频率和多普勒调频斜率：

多普勒中心频率表示为：

$-\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{R_m}{V_x}\·F_m^{\mathrm{DC}}+H{\·V}_z/V_x=\left(H\tan \mathrm{\α}\right)\cos \mathrm{\β}+\left(\sin \mathrm{\β}\right)\sqrt{R_m^2-H^2-{\left(H\tan \mathrm{\α}\right)}^2}---\left(3\right)$

其中R_m是飞机到地面之间的距离，V_x和V_z为GPS主接收机M的测量值，

值由多普勒谱估计；飞行高度H用雷达高度计测量；未知项仅为俯仰角α和偏航角β；λ表示雷达波长；因此

$Y_m=\left(H\tan {\mathrm{\α}}_i\right)\cos {\mathrm{\β}}_i+\left(\sin {\mathrm{\β}}_i\right)\·X_m^i$

$X_m^i=\sqrt{R_m^2-H^2-{\left(H\tan {\mathrm{\α}}_{i-1}\right)}^2},Y_m=-\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{R_m}{V_x}\·F_m^{\mathrm{DC}}+H\·V_z/V_x---\left(4\right)$

下标i＝1,2,...是迭代数；在迭代的每一步选择和点最吻合的线

Y＝A_iX+B_i（5）

$A_i=\sin {\mathrm{\β}}_i,B_i=\left(H\tan {\mathrm{\α}}_i\right)\cos {\mathrm{\β}}_i=\left(H\tan {\mathrm{\α}}_i\right)\sqrt{1-A^2},{\mathrm{\α}}_0=0$

线的估计用实时容易实现的最小二乘法得到。用估计角重新计算所有距离门的多普勒中心频率，多普勒调频斜率用同样的方式重新计算。

Claims (5)

1.一种基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

第一步：建立载机坐标系：沿飞机右翼为Y轴，向右为正；沿飞机机腹为Z轴，向下为正；沿飞机鼻锥为X轴，向前为正；

（1）α为飞机右翼旋转角度，向上为正，范围：±90°；

（2）β为沿飞机机腹轴旋转角度，向右为正，范围：±180°；

（3）γ为沿飞机鼻锥旋转角度，右翼向下为正，范围：±180°；

第二步：建立载机坐标系相对地理坐标系的旋转矩阵：

$Q=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\α}\\ -\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}+\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}+\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}\\ \sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& -\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(1\right)$

第三步：用四个GPS组合测量飞机姿态：

四个GPS组合的姿态测量系统包括一个主接收机M和相对主接收机M在实时运动模式的三个辅助接收机S₀、S₁、S₂；

第四步：计算旋转矩阵Q；

假设X₀为基线向量M-S₀；X₁为基线向量M-S₁；X₂为基线向量M-S₂；上标^(1）为局部地平线，上标^(b）为机身，可表示如下：

$X^{\left(l\right)}=\left[\begin{array}{ccccc}& \·& & \·& \\ X_0^{\left(l\right)}& \·& X_1^{\left(l\right)}& \·& X_2^{\left(l\right)}\\ & \·& & \·& \end{array}\right]$ （2）

$X^{\left(b\right)}=\left[\begin{array}{ccccc}& \·& & \·& \\ X_0^{\left(b\right)}& \·& X_1^{\left(b\right)}& \·& X_2^{\left(b\right)}\\ & \·& & \·& \end{array}\right]$

第五步：估计多普勒中心频率和多普勒调频斜率：

多普勒中心频率表示为：

$-\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{R_m}{V_x}\·F_m^{\mathrm{DC}}+H{\·V}_z/V_x=\left(H\tan \mathrm{\α}\right)\cos \mathrm{\β}+\left(\sin \mathrm{\β}\right)\sqrt{R_m^2-H^2-{\left(H\tan \mathrm{\α}\right)}^2}---\left(3\right)$

其中R_m是飞机到地面之间的距离，V_x和V_z为GPS主接收机M的测量值，值由多普勒谱估计；飞行高度H用雷达高度计测量；未知项仅为俯仰角α和偏航角β；λ表示雷达波长；因此

$Y_m=\left(H\tan {\mathrm{\α}}_i\right)\cos {\mathrm{\β}}_i+\left(\sin {\mathrm{\β}}_i\right)\·X_m^i$ （4）

$X_m^i=\sqrt{R_m^2-H^2-{\left(H\tan {\mathrm{\α}}_{i-1}\right)}^2},Y_m=-\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{R_m}{V_x}\·F_m^{\mathrm{DC}}+H\·V_z/V_x$

下标i＝1,2,...是迭代数；在迭代的每一步选择和点最吻合的线

Y＝A_iX+B_i（5）

$A_i=\sin {\mathrm{\β}}_i,B_i=\left(H\tan {\mathrm{\α}}_i\right)\cos {\mathrm{\β}}_i=\left(H\tan {\mathrm{\α}}_i\right)\sqrt{1-A^2},{\mathrm{\α}}_0=0$

用估计角重新计算所有距离门的多普勒中心频率，多普勒调频斜率用同样的方式重新计算。

2.根据权利要求1所述的基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法，其特征在于：所述四个GPS天线安装位置需要满足的条件：所有天线不能在一条线上，且放在能有效接收卫星数据的位置，四个GPS接收机和计算机固定在飞机舱内。

3.根据权利要求1或2所述的基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法，其特征在于：所述四个GPS接收机连接关系如下：主接收机M的a端口与计算机连接，主接收机M的b端口与辅助接收机S₀的b端口连接，主接收机M的c端口与辅助接收机S₁的b端口连接，主接收机M的d端口与辅助接收机S₂的b端口连接；所述计算机用于处理数据。

4.根据权利要求1所述的基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法，其特征在于：所述第四步为计算旋转矩阵Q，非线性均方可解决如下：

由天线方位向波束宽度

服从约束条件Q^TQ＝I，其中

tr(·)是矩阵的迹，I为单位矩阵，符号T为矩阵转置；起飞前先根据飞机位置计算基线向量

然后转变向量到载机坐标系。

5.根据权利要求1所述的基于GPS数据的机载SAR运动补偿方法，其特征在于：所述第五步线的估计用最小二乘法得到。

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