CN106123894A - 基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法，基准影像库受时间去相关、入射角以及其它环境因素影响较大，而地形在长时间范围内不会发生重大变化，其采用干涉条纹匹配而不是影像匹配，能够大大提高匹配精度；直接提取横滚角参数，增加了一维观测量，因而能够进一步提高组合导航精度；采用干涉条纹匹配，提高了匹配的鲁棒性，对没有显著地标的区域也能够实现匹配。

Description

基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法

技术领域

本发明涉及导航技术领域，更具体地涉及一种基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法。

背景技术

随着科技的进步，现代测绘技术对导航测量设备的精度要求越来越高，现代战争对武器系统精度的依赖性也越来越强，武器的精确打击也依赖于制导技术的精度。所以，研究高精度的导航系统对于军用和民用均有着十分重要的意义。

目前存在的导航系统主要有：惯性导航系统(INS，Inertial NavigationSystem)、卫星导航系统、多普勒导航系统和罗兰导航系统等。惯性导航系统具有极宽的频带，能够跟踪和反映航行体的任何机动运动，输出又非常平稳，所以导航系统多以惯性导航系统为主，其他导航系统与之进行组合，通过卡尔曼滤波等技术进行信息融合，从而实现优势互补，达到精确制导的目的。目前实用化的组合导航系统主要有GPS(Global PositionSystem)/INS、INS/地形匹配、SAR(Synthetic Aperture Radar)/INS等。

GPS是一种以空间为基准的卫星导航系统，用户接收机只要能同时接收来自空中4颗卫星的信号，就能精确解算出自身所处的三维地理坐标。INS的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础的，即在载体内部测量载体运动加速度，经积分运算后得到载体的速度和位置等导航信息。GPS与INS的组合导航系统，克服了各自的缺点，使组合后的导航精度高于两个系统单独工作的精度。组合的优点表现为：对惯性导航系统可以实现惯性传感器的校准、惯性导航系统的空中对准、惯性导航系统高度通道的稳定等，从而可以有效地提高惯性导航系统的性能和精度；而对全球定位系统，惯性导航系统的辅助可以提高其跟踪卫星能力，提高接收机的动态特性和抗干扰性。

INS/地形匹配地形辅助导航的主要思想是在己有的机载主导航系统(惯导系统)的基础上，用无线电高度表测量飞机到下方地形的净空高度，气压高度测量飞机对海平面的高度，其差值即为飞机下方地形剖面的海拔高度；利用具有足够容量的机载数据库、很强的数据处理能力的计算机及相应的软件，获得良好的导航定位性能。

SAR/INS组合导航系统是在地形匹配导航技术的基础上发展起来的。SAR是一种基于距离和方位二维分辨原理的成像雷达，它可以在能见度极差的气象条件下提供类似于光学照相机的高分辨率图像。SAR/INS组合导航系统的原理是在机载数字地图数据库中查询到精确的参考图，并利用当前SAR实时拍摄的区域雷达图像进行信息匹配，获得飞行器的位置信息，从而估计出惯导的位置偏差以及航向偏差，将此偏差作为量测量输入卡尔曼滤波器与惯导信息进行融合，即可以得到高精度导航信息输出，一方面可用于反馈校正惯性导航的误差，另一方面利用该信息可以实现SAR运动补偿以及天线的稳定对准。

对于传统的组合导航方式来说，GPS/INS组合导航系统虽然发展时间长，技术成熟，精度高，而且长时间稳定工作，卫星导航系统精度高、长期稳定，但是体制上都属于外部源制导，非自主导航，导航精度也依赖于卫星导航信号，容易受遮挡、电磁干扰等因素的影响。

INS/地形匹配利用高度计测得的地形数据与基准地形库进行匹配从而获取定位信息，通常应用于中制导，虽然其具有自主、隐蔽、可靠、全天候的优点，但这种方式完全依赖于地形匹配、且高度计测绘带较窄，且无地物分辨能力，在可靠性和鲁棒性方面存在一定得局限性。

SAR/INS是一种自主导航系统，虽然具备全天时全天候作业能力，且能对隐蔽和伪装的军事目标具备识别能力，目前已经形成一定得作战能力，但是这种导航方式依赖于基准图影像数据及其质量，为提高景象匹配导航的可靠性，基准图数据需要SAR影像数据，且影像中存在显著的地标，然而实际中这些苛刻的条件往往难以满足，其导航精度在几十米量级。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术问题，本发明提供了一种基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法，包括：步骤A：获取InSAR/INS组合导航系统的双天线SAR图像，得到实际InSAR干涉条纹；步骤B：基于InSAR成像时间内的参考直线轨迹和基准地形库，得到仿真InSAR干涉条纹；步骤C：将所述实际InSAR干涉条纹和所述仿真InSAR干涉条纹进行匹配，得到双天线SAR图像的控制点；步骤D：基于所述双天线SAR图像的控制点和所述仿真InSAR干涉条纹，反演InSAR/INS组合导航系统平台的空间地理位置参数和姿态参数；以及步骤E：利用所述反演的InSAR/INS组合导航系统平台的空间地理位置参数和姿态参数，进行InSAR/INS组合滤波。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法具有以下有益效果：

(1)提高了导航精度：由于基准影像库受时间去相关、入射角以及其它环境因素影响较大，而地形在长时间范围内不会发生重大变化，本发明一方面采用干涉条纹匹配而不是影像匹配，能够大大提高匹配精度；另一方面InSAR/INS组合导航系统对平台姿态较为敏感，本发明直接提取横滚角参数，增加了一维观测量，因而能够进一步提高组合导航精度；

(2)提高了导航系统的适应性：由于InSAR对地形起伏较为敏感，微弱的地形起伏能够在干涉条纹中探测得到，采用干涉条纹匹配，提高了匹配的鲁棒性，对没有显著地标的区域也能够实现匹配。

附图说明

图1为本发明实施例的InSAR/INS组合导航方法的示意图；

图2为本发明实施例的基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法的流程图。

具体实施方式

本发明在SAR/INS组合导航系统基础上给出一种基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法，如图1所示的InSAR(Interferometric SAR)/INS(Inertial NavigationSystem)(干涉合成孔径雷达/惯性导航系统)组合导航方法的示意图，由InSAR系统获取的干涉条纹和基准库仿真获得的干涉条纹进行匹配，获得与基准图匹配一系列控制点，利用InSAR观测几何计算平台的地理位置，并利用InSAR对姿态敏感的特性，进一步提取姿态观测量，最后将InSAR提取的位置和姿态观测量与INS进行组合滤波，最终输出精度更高的导航参数。

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例的基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法，参照图2，包括：

步骤A：获取InSAR/INS组合导航系统的双天线SAR图像，得到实际InSAR干涉条纹。

步骤A包括：

子步骤A1：InSAR/INS组合导航系统的InSAR收集双天线回波数据，得到双天线SAR图像。

具体地，在子步骤A1中，可以根据INS测量获得的初始位置和初始姿态数据，对双天线回波数据进行高精度运动补偿，实现双天线SAR图像的聚焦处理，从而得到双天线SAR图像。

子步骤A2：对双天线SAR图像的单视复图像数据进行图像配准，将配准后的单视复图像数据共轭相乘，得到实际InSAR干涉条纹。

其中，对单视复图像数据进行的是亚像素级的图像配准；配准后的单视复图像数据进行共轭相乘，并提取两幅单视复图像数据的相位，得到实际InSAR干涉条纹。

步骤B：基于InSAR成像时间内的参考直线轨迹和基准地形库，得到仿真InSAR干涉条纹。

步骤B包括：

子步骤B1：对InSAR成像时间内INS的位置数据和姿态数据进行拟合，生成参考直线轨迹，确定双天线SAR图像的空间地理位置信息。

在本实施例中，子步骤B1是依据InSAR距离多普勒定位原理确定双天线SAR图像的空间地理位置信息。

子步骤B2：根据双天线SAR图像的空间地理位置信息搜索基准地形库，选取双天线SAR图像的邻域图像的参考地形数据，并结合InSAR的基本原理生成仿真InSAR干涉条纹：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}r}{\mathrm{\λ}}=\frac{-2\mathrm{\π}B\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中Δφ是仿真干涉条纹；Ar是双天线InSAR斜距差；B是基线长度；θ是雷达相对目标下视角，由双天线SAR图像的邻域图像的参考地形数据计算得到；α是基线倾角；λ是雷达发射信号波长；由公式(1)可知仿真干涉条纹与基线长度、基线倾角、地形等因素有关。

其中，子步骤B2中的邻域图像为以双天线SAR图像为中心的较大范围的图像，例如但不限于以双天线SAR图像为中心，向双天线SAR图像四周扩展出的10×10倍于双天线SAR图像的图像。

步骤C：将实际InSAR干涉条纹和仿真InSAR干涉条纹进行匹配，得到双天线SAR图像的控制点。

干涉条纹为曲线，应提取干涉条纹的线特征进行匹配。在本实施例中，先对实际InSAR干涉条纹和仿真InSAR干涉条纹进行干涉条纹增强，再提取实际InSAR干涉条纹和仿真InSAR干涉条纹的边缘信息，然后对实际InSAR干涉条纹和仿真InSAR干涉条纹的边缘轮廓图像进行轮廓匹配，从而得到一系列的匹配点，匹配点作为双天线SAR图像的控制点。

步骤D：基于双天线SAR图像的控制点和仿真InSAR干涉条纹，反演InSAR/INS组合导航系统平台的空间地理位置参数和姿态参数。

步骤D包括：

子步骤D1：反演InSAR/INS组合导航系统平台的位置信息，如公式(2)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_T=X_p+R{\mathrm{sin\θ}}_{sq}\\ Y_T=T_p+\sqrt{{\left(R{\mathrm{cos\θ}}_{sq}\right)}^2-H^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，θ_sq为斜视角；X_p、Y_p是双天线SAR图像控制点的位置信息；X_T、Y_T是InSAR/INS组合导航系统平台的位置信息；R是雷达斜距；片是平台高度。

通过步骤B得到双天线SAR图像的空间地理位置信息，从中可以提取出双天线SAR图像控制点的位置信息，然后将各个控制点的位置信息及其对应的雷达斜距带入上式，计算出对应于控制点的所有的InSAR/INS组合导航系统平台位置信息，由所有InSAR/INS组合导航系统平台位置信息的均值得到反演的InSAR/INS组合导航系统平台的位置信息。

子步骤D2：反演InSAR/INS组合导航系统平台的姿态参数。

由于平台横滚角影响基线倾角，而干涉条纹对基线倾角的敏感性很高，所以可以通过仿真InSAR干涉条纹反演得到平台横滚角的值，如公式(3)所示：

其中，α′是InSAR/INS组合导航系统平台横滚角，a是基线倾角；是步骤B的仿真InSAR干涉条纹值；B是基线长度；θ是雷达相对目标的下视角；λ是雷达发射信号波长。

通过步骤B得到双天线SAR图像的邻域图像的参考地形数据，从中可以提取出双天线SAR图像控制点的参考地形数据，然后将各个控制点对应的雷达相对目标的下视角带入上式，计算出对应于控制点的所有平台横滚角，由所有平台横滚角的均值得到反演的InSAR/INS组合导航系统平台的姿态参数。

步骤E：利用反演的InSAR/INS组合导航系统平台的空间地理位置参数和姿态参数，进行InSAR/INS组合滤波。

步骤E具体包括：构建量测方程，将InSAR系统观测提取的观测量(即反演的InSAR/INS组合导航系统平台的位置信息和横滚角)作为量测值；

构建观测方程，以INS长时间随机漂移参数作为观测值；

将InSAR系统观测提取的观测量(即反演的InSAR/INS组合导航系统平台的位置信息和横滚角)与INS测量结果进行kahnan滤波处理，估计INS长时间随机漂移参数，得到高精度的组合导航数据。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法有了清楚的认识。

本发明的基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法，由于采用双天线InSAR实时获取干涉条纹，通过干涉条纹匹配代替影像匹配，大大提高了匹配算法的鲁棒性，且InSAR对平台姿态较为敏感，可反演平台姿态信息，因而相比于SAR/INS导航系统能够进一步提高导航性能，具有以下技术效果：

(1)提高了导航精度，一方面采用干涉条纹匹配而不是影像匹配，基准影像库受时间去相关、入射角以及其它环境因素影响较大，而地形在长时间范围内不会发生重大变化，因而本发明采用干涉条纹匹配能够大大提高了匹配算法的匹配精度；另一方面InSAR系统对平台姿态比较敏感，可直接提取横滚角参数，多了一维观测量，因而能够进一步提高组合导航精度；

(2)提高了导航系统的适应性，由于InSAR对地形起伏较为敏感，微弱的地形起伏能够在干涉条纹中探测得到，采用干涉条纹匹配，提高了匹配算法的鲁棒性。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

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 (10)

1.基于干涉条纹匹配的InSAR/INS组合导航方法，其特征在于，包括：

步骤A：获取InSAR/INS组合导航系统的双天线SAR图像，得到实际InSAR干涉条纹；

步骤B：基于InSAR成像时间内的参考直线轨迹和基准地形库，得到仿真InSAR干涉条纹；

步骤C：将所述实际InSAR干涉条纹和所述仿真InSAR干涉条纹进行匹配，得到双天线SAR图像的控制点；

步骤D：基于所述双天线SAR图像的控制点和所述仿真InSAR干涉条纹，反演InSAR/INS组合导航系统平台的空间地理位置参数和姿态参数；以及

步骤E：利用所述反演的InSAR/INS组合导航系统平台的空间地理位置参数和姿态参数，进行InSAR/INS组合滤波。

2.如权利要求1所述的InSAR/INS组合导航方法，其特征在于，步骤A包括：

子步骤A1：InSAR/INS组合导航系统的InSAR收集双天线回波数据，得到双天线SAR图像；

子步骤A2：对所述双天线SAR图像的单视复图像数据进行图像配准，将配准后的单视复图像数据共轭相乘，得到实际InSAR干涉条纹。

3.如权利要求1所述的InSAR/INS组合导航方法，其特征在于，步骤B包括：

子步骤B1：对InSAR成像时间内INS的位置数据和姿态数据进行拟合，生成参考直线轨迹，确定双天线SAR图像的空间地理位置信息；

子步骤B2：根据所述双天线SAR图像的空间地理位置信息搜索基准地形库，选取双天线SAR图像的邻域图像的参考地形数据，生成仿真InSAR干涉条纹：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\Δ}r}{\mathrm{\λ}}=\frac{-2\mathrm{\π}Bsin(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

其中，Δφ是仿真干涉条纹；Δr是双天线InSAR斜距差；B是基线长度；θ是雷达相对目标下视角；α是基线倾角；λ是雷达发射信号波长。

4.如权利要求1所述的InSAR/INS组合导航方法，其特征在于，步骤D包括：

子步骤D1：反演InSAR/INS组合导航系统平台的位置信息：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_T=X_p+R{\mathrm{sin\θ}}_{sq}\\ Y_T=Y_p+\sqrt{{\left(R{\mathrm{cos\θ}}_{sq}\right)}^2-H^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，θ_sq为斜视角；X_p、Y_p是双天线SAR图像控制点的位置信息；X_T、Y_T是InSAR/INS组合导航系统平台的位置信息；R是雷达斜距；H是平台高度；

子步骤D2：反演InSAR/INS组合导航系统平台的姿态参数：

其中，α′是InSAR/INS组合导航系统平台横滚角；a是基线倾角；是仿真InSAR干涉条纹值；B是基线长度；θ是雷达相对目标的下视角；λ是雷达发射信号波长。

5.如权利要求2所述的InSAR/INS组合导航方法，其特征在于，根据INS测量获得的初始位置和初始姿态数据，对所述双天线回波数据进行运动补偿，实现双天线SAR图像的聚焦处理，得到所述双天线SAR图像。

6.如权利要求2所述的InSAR/INS组合导航方法，其特征在于，对所述单视复图像数据进行亚像素级的图像配准，配准后的单视复图像数据进行共轭相乘，提取两幅单视复图像数据的相位，得到所述实际InSAR干涉条纹。

7.如权利要求3所述的InSAR/INS组合导航方法，其特征在于，依据InSAR距离多普勒定位原理确定所述双天线SAR图像的空间地理位置信息。

8.如权利要求1所述的InSAR/INS组合导航方法，其特征在于，在步骤C中，先对所述实际InSAR干涉条纹和仿真InSAR干涉条纹进行干涉条纹增强，再提取所述实际InSAR干涉条纹和仿真InSAR干涉条纹的边缘信息，然后对所述实际InSAR干涉条纹和仿真InSAR干涉条纹的边缘轮廓图像进行轮廓匹配，得到的匹配点作为所述双天线SAR图像的控制点。

9.如权利要求1所述的InSAR/INS组合导航方法，其特征在于，在步骤E中，

以所述反演的InSAR/INS组合导航系统平台的空间地理位置参数和姿态参数作为量测值构建量测方程；

以INS长时间随机漂移参数作为观测值构建观测方程；

对所述反演的InSAR/INS组合导航系统平台的空间地理位置参数和姿态参数与INS测量结果进行滤波，估计INS长时间随机漂移参数，得到组合导航数据。

10.如权利要求9所述的InSAR/INS组合导航方法，其特征在于，所述滤波为kalman滤波。