CN103852760A - 一种基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法包括：在多基线干涉SAR系统中构建一个主POS系统，一条刚性基线，多条柔性基线和分布式IMU；对多基线干涉SAR系统采集的数据做后处理融合，得到秒级的柔性基线低频分量；将柔性基线低频分量与分布式IMU进行组合滤波，得到各个分布式IMU高频运动信息，从而获得柔性基线高频分量。本发明采用干涉相位来估计柔性基线信息，提高测量精度。采用一部高精度POS系统加分布式IMU模式进行柔性基线测量，IMU可采用轻型较低精度IMU，降低成本且利于安装。本发明不需要构建复杂的机翼挠曲变形模型，仅通过干涉SAR数据后处理来实现基线运动信息高频输出，更易于工程实现。

Description

一种基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法

技术领域

本发明信息获取与处理技术领域，涉及一种基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法。

背景技术

干涉合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)系统中主要通过稳定的干涉基线保证干涉测量性能，然而根据实际的飞行平台通常构建较短的刚性基线来保证干涉SAR系统高程测量精度，随着SAR传感器技术的发展，多天线分布式同时对地观测成为SAR研究的一个重要方向。然而受平台限制，多基线不能完全保持刚性，随着平台运动发生柔性变形。

采用分布式POS(Position & Orientation System)系统进行柔性基线测量是一种较为直接的方法，分布式POS由1个安装在飞机腹部的主系统和若干分布安装在机翼上的子POS系统构成，得到高精度的位置、速度和姿态信息，通过建立机翼挠曲变形模型，将主系统得到的高精度位置、速度和姿态信息传递到子系统，提高子系统的位置、速度和姿态精度。

分布式POS系统柔性多基线的测量方案具有如下的技术缺陷：

(1)POS系统定位精度在厘米量级，不能满足高精度SAR成像的需求。

(2)分布式POS系统价格昂贵，大大增加了测量系统成本。

(3)要提高分布式POS测量精度，需要构建精确的机翼挠曲变形模型，这在实际中很难实现。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明的目的是提供一种基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法。

为了实现所述目的，本发明提供的一种基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法，所述多基线测量的步骤如下：

步骤S1：在多基线干涉SAR系统中构建一个主POS系统，一条刚性基线，多条柔性基线和分布式IMU；

步骤S2：对多基线干涉SAR系统采集的数据做后处理融合，得到秒级的柔性基线低频分量；

步骤S3：将柔性基线低频分量与分布式IMU进行组合滤波，得到各个分布式IMU高频运动信息，从而获得柔性基线高频分量。

本发明的有益效果

与现有技术相比，存在下面的优势：

(1)本方案采用干涉相位来估计柔性基线信息，大大提高了测量精度。

(2)本方案采用一部高精度POS系统加分布式IMU模式进行柔性基线测量，IMU可采用轻型较低精度IMU，大大降低了成本且利于实际安装。

(3)本方案不需要构建复杂的机翼挠曲变形模型，仅通过干涉SAR数据后处理来实现基线运动信息高频输出，更易于工程实现。

附图说明

图1是本发明的多基线干涉SAR系统结构图；

图2是本发明的多基线估计原理图；

图3是本发明的组合滤波结构示意图。

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。

本发明一种基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：图1示出为多基线干涉SAR系统结构图，由一个主POS系统，一条刚性基线，多条柔性基线和两个分布式器件IMU组成，多条柔性基线首尾端串联连接，每根串联连接的柔性基线的两端部分别与多基线干涉SAR系统的两个天线的一连接孔处，将多个天线构成串联连接结构，在串联连接天线结构的中间位置由刚性基线分别与两个天线的连接孔连接，主POS系统位于刚性基线附近，两个分布式器件IMU位于柔性基线处天线附近。主POS系统采用POS AV610系统，其后处理位置测量精度达到5厘米，水平姿态角(横滚/偏航)测量精度为2.5°‰，航向角测量精度为5°‰，其具体技术指标如下表所示。

	C/A GPS	DGPS	RTK	后处理
					位置(m)	4.0-6.0	0.5-2.0	0.1-0.3	0.05-0.3
速度(m/s)	0.03	0.02	0.01	0.005
					横滚/偏航(度)	0.005	0.005	0.005	0.0025
航向角(度)	0.03	0.03	0.02	0.005

图1中的主POS系统位于刚性基线的中央，为保持刚体特性，刚性基线的支撑臂长度小于4m。在刚性基线两端放置着多基线干涉SAR系统天线，不需布置分布式器件IMU就可通过刚性基线的传递得到其运动信息。沿着刚性基线轴向，构建多条柔性基线，在柔性基线末端均放置SAR天线和测量其运动的分布式器件IMU。分布式器件IMU可选择轻型光纤或MEMS(Micro-Electromechanical System)分布式器件IMU，要求陀螺仪后处理零漂不高于1°/h，加速度计零偏不大于10^-4g(g是重力加速度)。所述构建主POS系统、刚性基线和分布式器件IMU的实施步骤如下：

步骤S11：将主POS系统固连在刚性基线上，通过刚性基线的传递，测量出刚性基线上任意一点运动状态；

步骤S12：沿着刚性基线轴向分布多个待测量的柔性基线；

步骤S13：将多基线干涉SAR系统的天线分布在刚性基线的两端部和串联连接的柔性基线的两端部，并在柔性基线连接的天线位置处放置分布式器件IMU，用于测量该天线的运动状态。

步骤S2：对多基线干涉SAR系统采集的数据做后处理融合，得到秒级的柔性基线低频矢量。对多基线干涉SAR系统数据后处理融合的步骤包括：

步骤S21：将多基线干涉SAR系统采集的多个通道数据两两做干涉，经过相干成像和干涉处理，获得多组干涉相位；

步骤S22：通过事先测量和外定标获得刚性基线矢量的精确值，主POS系统测量的运动状态通过刚性基线传递到刚性基线两端的天线中心，所述刚性基线矢量包括刚性基线长度B₁和刚性基线倾角α₁；

步骤S23：由获得的柔性基线干涉相位和刚性基线矢量，反演柔性基线矢量。

如图2所示，两个目标点估计柔性多基线矢量原理图。A₁、A₂、A₃分别是多基线干涉SAR三个通道天线中心位置，其中A₁A₂为构建的刚性基线，B₁、α₁可通过事先测量和外定标精确获取，B₃、α₃是待求的未知量，为柔性基线。P1、P2为多基线干涉SAR观测区域内两个目标点，所述反演柔性基线矢量的步骤包括：由干涉测量基本原理，设天线收发的模式为标准模式，双天线之间的斜距差Δr与干涉相位ΔΦ满足下面函数关系：

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{2\mathrm{\π\Δr}}{\mathrm{\λ}}$

式中λ为发射信号波长，而双天线之间的斜距差Δr由基线长度和基线倾角表示：

$\mathrm{\Δr}=\sqrt{r^2+B^2-2\mathrm{Br}\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}-r$

式中B是基线长度，α为基线倾角，r是双天线之间的斜距，θ是天线相对目标视角；所述基线长度B包括刚性基线长度B₁和柔性基线长度B₃；所述基线倾角α包括刚性基线倾角α₁和柔性基线长度α₃，根据刚性基线矢量和柔性基线矢量获取的干涉相位，列出两个约束方程：

$\sqrt{r^2+{B_1}^2-2B_{1}r\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_1)}-r=\frac{\mathrm{\λ\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{12}}{2\mathrm{\π}}$

$\sqrt{r^2+{B_3}^2-2B_{3}r\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_3)}-r=\frac{\mathrm{\λ\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{13}}{2\mathrm{\π}}$

式中ΔΦ₁₂是刚性基线矢量对应的干涉相位，ΔΦ₁₃是柔性基线矢量对应的干涉相位；由上述方程可知，通过事先测量和外定标获得刚性基线矢量，因而只需在多基线干涉SAR系统观测区域的多个目标点中选择两个目标点，则利用两个目标点的干涉相位就能解出柔性基线矢量。设两目标点对应的刚性基线干涉相位为

两目标点对应的柔性基线干涉相位为

因而可以列出四个方程：

$\sqrt{r^2+{B_1}^2-2B_{1}r\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\α}}_1)}-r=\frac{\mathrm{\λ\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{12}^1}{2\mathrm{\π}}$

$\sqrt{r^2+{B_1}^2-2B_{1}r\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\α}}_1)}-r=\frac{\mathrm{\λ\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{12}^2}{2\mathrm{\π}}$

$\sqrt{r^2+{B_3}^2-2B_{3}r\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\α}}_3)}-r=\frac{\mathrm{\λ\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{13}^1}{2\mathrm{\π}}$

$\sqrt{r^2+{B_3}^2-2B_{3}r\sin ({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\α}}_3)}-r=\frac{\mathrm{\λ\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{13}^2}{2\mathrm{\π}}$

式中是两个目标点对应SAR天线视角为θ₁、θ₂，上述方程组中包含四个未知量B₃、α₃、θ₁、θ₂。因而可以解算出柔性基线长度B₃和柔性基线倾角α₃。由于此方程组为非线性方程组，可采用牛顿迭代法进行求解。

步骤3：如图3所示组合滤波结构示意图包括：分布式单元IMU、捷连解算单元、SAR运动补偿单元、多基线估计单元、耦合器、组合滤波器；其中：捷连解算单元的输入端分别与分布式单元IMU的输出端和组合滤波器的输出端连接，捷连解算单元的输出端分别与耦合器和SAR运动补偿单元的输入端连接；耦合器的输入端与多基线估计单元的输出端连接，耦合器的输出端与组合滤波器的输入端连接；分布式IMU单元采集的原始数据作为输入经过捷连解算单元处理后，输出天线运动参数组精度惯性解算结果；将纯惯性解算结果与多基线估计单元的输出经过耦合器进行耦合，从而有效构建卡尔曼滤波状态方程和量测方程，最后通过组合滤波器进行组合滤波，输出天线运动参数误差估计值，并将此误差值反馈给捷连解算单元，捷连解算经过校正后输出高精度天线运动参数，包括位置、速度和姿态，最后输出给SAR运动补偿单元，为SAR成像处理提供天线运动数据。

将柔性基线低频分量与分布式IMU进行组合滤波，得到各个分布式IMU高频运动信息，从而获得柔性基线高频分量。所述高频运动信息是50Hz～200Hz运动信息。所述将柔性基线低频分量与分布式IMU进行组合滤波的步骤包括：

步骤S31：对分布式IMU测量到的数据进行捷连解算，获得粗精度的天线运动参数；

步骤S32：将粗精度的天线运动参数与柔性基线低频分量进行组合滤波，得到天线运动参数解算误差；

步骤S33：将天线运动参数解算误差反馈到捷连算法中，校正天线运动参数，最终输出高精度的天线的高频运动信息。

首先对分布式IMU单元测得的原始数据经过捷连解算单元处理，获得粗精度捷连解算结果，由于分布式IMU单元随时间漂移特性，需要跟多基线估计单元进行组合处理，来抑制漂移。将此粗精度的捷连解算数据与多基线估计单元输出——柔性基线低频分量，经过耦合器进行耦合，从而构建卡尔曼滤波状态方程和量测方程。卡尔曼滤波状态方程和量测方程构建步骤如下：

取天线运动参数误差作为卡尔曼滤波器的状态变量，包括3个惯性导航平台误差角，3个速度误差，3个位置误差。再加上6个陀螺仪漂移误差和3个加速度计漂移误差，因此卡尔曼滤波器的状态方程共18维，状态变量Xk表示为：

X_k＝[δ_θx，δ_θy，δ_θz，δ_vx，δ_vy，δ_vz，δ_px，δ_py，δ_pz，ε_gx，ε_gy，ε_gz，ε_mx，ε_my，ε_mz，ε_ax，ε_ay，ε_az]

式中k为离散时间，δ_θx，δ_θy，δ_θz为三轴姿态误差，δ_vx，δ_vy，δ_vz为三轴速度误差，δ_px，δ_py，δ_pz为三轴位置误差，ε_gx，ε_gy，ε_gz为陀螺仪三轴漂移随机常值误差，ε_mx，ε_my，ε_mz为陀螺仪三轴随机漂移误差，ε_ax，ε_ay，ε_az为加速度计三轴随机漂移常值误差。构建卡尔曼状状态方程和量测方程：

X_k＝Φ_k，k-1X_k-1+Γ_k，k-1W_k+u_k

Z_k＝H_kX_k+V_k

式中Z_k为位置误差观测量，H_k、V_k分别为观测矩阵和观测噪声矩阵，状态方程中Φ_k，k-1为状态转移矩阵，可从捷连解算误差传递模型中获取。Γ_k，k-1为误差系数矩阵，由载体坐标系与导航坐标系间姿态转换矩阵决定；W_k为白噪声随机误差矩阵，通过建立陀螺仪和加速度计随机误差模型而获得；u_k为反馈控制量，为kalman滤波后得到的各导航参数以及惯导器件漂移误差的输出结果；

将多基线估计单元获取的柔性基线低频分量作为量测值，与捷连解算单元输出的观测值经过耦合器进行处理，从而建立卡尔曼滤波量测方程。由于多基线估计单元输出结果为位置信息，因而量测方程中Z_k是位置误差观测量，由惯导系统测量值与多基线估计值的差获得：

$Z_k=\left[\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{IE}}-L_{\mathrm{SE}}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{IN}}-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{SN}}\\ h_{\mathrm{IU}}-h_{\mathrm{SU}}\end{array}\right]$

其中L_IE，λ_IN，h_IU是惯导测量得到的经纬高信息，L_SE，λ_SN，h_SU是多基线干涉处理估计得到的经纬高信息，显然多基线估计得到的基线矢量需转化为统一的坐标系中进行处理。量测方程中H_k、V_k分别为观测矩阵和观测噪声矩阵，观测矩阵可由观测方程获得，噪声矩阵需建立多基线估计的误差模型来获得。

建立了卡尔曼滤波的状态方程和量测方程后，耦合器的输出进入组合滤波单元进行卡尔曼组合滤波处理，获得滤波后天线运动参数误差。组合滤波单元输出天线运动参数误差反馈到下一个捷连解算单元中，对捷连解算单元运动解算误差进行校正，最终输出高精度的天线50Hz～200Hz的高频位置，速度，姿态运动参数，提供给SAR运动补偿单元使用。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (6)

1.一种基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法，其特征在于：所述多基线测量包括以下步骤：

步骤S1：在多基线干涉SAR系统中构建一个主POS系统，一条刚性基线，多条柔性基线和分布式IMU；

步骤S2：对多基线干涉SAR系统采集的数据做后处理融合，得到秒级的柔性基线低频分量；

步骤S3：将柔性基线低频分量与分布式IMU进行组合滤波，得到各个分布式IMU高频运动信息，从而获得柔性基线高频分量。

2.如权利要求1所述的基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法，其特征在于，所述高频运动信息是50Hz～200Hz运动信息。

3.如权利要求1所述的基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法，其特征在于，所述构建主POS系统、刚性基线和分布式IMU的步骤如下：

步骤S11：将主POS系统固连在刚性基线上，通过刚性基线的传递，测量出刚性基线上任意一点运动状态；

步骤S12：沿着刚性基线轴向分布多个待测量的柔性基线；

步骤S13：将多基线干涉SAR系统的天线分布在刚性基线和柔性基线的两端，并在柔性基线连接的天线位置处放置分布式IMU，用于测量该天线的运动状态。

4.如权利要求1所述的基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法，其特征在于，对多基线干涉SAR系统数据后处理融合的步骤包括：

步骤S21：将多基线干涉SAR系统采集的多个通道数据两两做干涉，经过相干成像和干涉处理，获得多组干涉相位；

步骤S22：通过事先测量和外定标获得刚性基线矢量的精确值，主POS系统测量的运动状态通过刚性基线传递到刚性基线两端的天线中心，所述刚性基线矢量包括刚性基线长度B₁和刚性基线倾角α₁；

步骤S23：由获得的柔性基线干涉相位和刚性基线矢量，反演柔性基线矢量。

5.如权利要求4所述的基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法，其特征在于，所述的反演柔性基线矢量的具体步骤如下：

由干涉测量基本原理，设天线收发的模式为标准模式，双天线之间的斜距差Δr与干涉相位ΔΦ满足下面函数关系：

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{2\mathrm{\π\Δr}}{\mathrm{\λ}}$

式中λ为发射信号波长，而双天线之间的斜距差Δr由基线长度和基线倾角表示：

$\mathrm{\Δr}=\sqrt{r^2+B^2-2\mathrm{Br}\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}-r$

式中B是基线长度，α为基线倾角，r是双天线之间的斜距，θ是天线相对目标视角；所述基线长度B包括刚性基线长度B₁和柔性基线长度B₃；所述基线倾角α包括刚性基线倾角α₁和柔性基线长度α₃，根据刚性基线矢量和柔性基线矢量获取的干涉相位，列出两个约束方程：

$\sqrt{r^2+{B_1}^2-2B_{1}r\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_1)}-r=\frac{\mathrm{\λ\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{12}}{2\mathrm{\π}}$

$\sqrt{r^2+{B_3}^2-2B_{3}r\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_3)}-r=\frac{\mathrm{\λ\Δ}{\mathrm{\Φ}}_{13}}{2\mathrm{\π}}$

式中ΔΦ₁₂是刚性基线矢量对应的干涉相位，ΔΦ₁₃是柔性基线矢量对应的干涉相位；由上述方程可知，通过事先测量和外定标获得刚性基线矢量，因而只需在多基线干涉SAR系统观测区域的多个目标点中选择两个目标点，则利用两个目标点的干涉相位就能解出柔性基线矢量。

6.如权利要求3所述的基于刚性和柔性基线组合的多基线测量方法，其特征在于，所述将柔性基线低频分量与分布式IMU进行组合滤波的步骤包括：

步骤S31：对分布式IMU测量到的数据进行捷连解算，获得粗精度的天线运动参数；

步骤S32：将粗精度的天线运动参数与柔性基线低频分量进行组合滤波，得到天线运动参数解算误差；

步骤S33：将天线运动参数解算误差反馈到捷连算法中，校正天线运动参数，最终输出高精度的天线的高频运动信息。

Images