CN108008367B - 星载单航过InSAR系统电离层误差校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种星载单航过InSAR系统电离层误差校正方法。技术方案是：首先，利用星载单航过InSAR系统电离层影响效应模型，根据雷达系统参数和先验电离层TEC值，计算距离‑高度平面内电离层引入的二维测量误差；然后，根据星载SAR成像几何模型，通过投影变换，将二维误差分解到三维地固坐标系下表示；最后，逐点校正被测场景中的电离层误差影响。本发明校正精度高，并可用于直接处理干涉定位结果，操作过程简单高效。

Description

星载单航过InSAR系统电离层误差校正方法
技术领域
本发明属于航天遥感和大气效应的交叉技术领域，针对星载单航过InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar，干涉合成孔径雷达)的电离层误差校正方法。
背景技术
星载单航过InSAR系统利用主、辅雷达不同观测视角下获取的同一区域的一对单视复图像之间的干涉相位差反演得到地表的三维信息，完成对全球地形的测绘任务并生成高精度的DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)。
大气效应是制约星载单航过InSAR系统干涉测量精度的一个重要因素。其中，大气中的电离层分布于地表上空60公里至磁顶层之间的空间，由受太阳辐射而电离产生的各种自由电子、离子和中性气体组成。电离层对雷达信号幅度和相位的影响与雷达信号频率有关，频率越低影响越明显。研究表明，在常规的背景电离层TEC(Total Electron Content，电子总量)水平下，电离层对星载单航过InSAR系统的干涉测量精度产生较大的影响。当雷达信号频率为L波段(信号中心频率为1.25GHz)时，电离层会引入10米以上的DEM测量误差；当雷达信号频率为C波段(信号中心频率为5.3GHz)时，电离层会引入1米以上的DEM测量误差。因此有必要应用电离层电波传播机理，提出针对星载单航过InSAR系统的高精度电离层误差校正方法。目前，尚未发现有关校正方法的相关资料。
发明内容
本发明为了有效解决星载单航过InSAR系统电离层误差影响问题，提出了一种基于先验电离层TEC的星载单航过InSAR系统电离层误差校正方法。该方法校正精度高，处理过程相对简单，适用于已知先验电离层空间TEC分布情况下的星载单航过InSAR系统的电离层误差校正。
本发明的基本思路是：首先，利用星载单航过InSAR系统电离层影响效应模型，根据雷达系统参数和先验电离层TEC值，计算距离-高度平面内电离层引入的二维测量误差；然后，根据星载SAR成像几何模型，通过投影变换，将二维误差分解到三维地固坐标系下表示；最后，逐点校正被测场景中的电离层误差影响。
本发明的技术方案是：
已知星载单航过InSAR系统基本参数：主、辅雷达信号中心频率均为f0；
已知在任意时刻下，被测场景对应的电离层基本参数：电离层垂直天顶方向TEC值T⊥，电离层沿距离向垂直天顶TEC变化梯度dv，电离层质心高度hiono；星载单航过InSAR系统辅星在地固坐标系下的轨道坐标A(xA,yA,zA)，辅雷达入射角θ，辅雷达距地面高度hsat，垂直基线长度B⊥，辅雷达距被测场景的斜距rslant；被测场景中任一点在地固坐标系下的坐标B(xB,yB,zB)，该坐标是通过直接读取InSAR定位结果得到的；
对于被测场景中坐标为B(xB,yB,zB)的任意点，采用以下步骤完成场景的三维坐标电离层误差影响校正：
第一步：根据星载单航过InSAR系统电离层影响效应模型，计算距离-高度
平面内的水平测量误差和垂直测量误差。
首先，根据辅雷达入射角θ与辅雷达电离层入射角β之间的几何关系，根据下式计算辅雷达电离层入射角β：
上式中，R表示地球半径。
然后，计算主、辅雷达入射角之差Δθ及主、辅雷达电离层入射角之差Δβ，并根据电离层电波传播机理计算垂直天顶方向的群延迟τgroup。
Δβ＝b·Δθ
上式中，c为光速，K为常数取值为40.28，
最后，计算电离层对星载单航过InSAR系统引入的水平测量误差和垂直测量误差
上面的两个公式中第一项均表示两雷达入射角差异对InSAR系统引入的测量误差，第二项均表示由电离层垂直天顶TEC变化梯度dv引入的测量误差。
第二步：将二维测量误差投影变换到三维地固坐标系下表示。
首先，利用下式计算垂直测量误差在地固坐标系下的误差向量其中xBC、yBC和zBC分别表示为：
然后，计算水平测量误差在地固坐标系下的误差向量
上式中，O为地心在地固坐标系下的坐标为(0,0,0)，因A、B坐标已知，矢量和可求。
最后，按照下式计算电离层引入的地固坐标系三维坐标偏移向量
第三步：获得校正电离层误差影响后被测场景的三维地固坐标系坐标。
根据电离层引入的地固坐标系三维坐标偏移向量对坐标为B(xB,yB,zB)的任意点校正电离层误差影响，得到校正后的三维地固坐标B'(xB',yB',zB')，其中xB'、yB'和zB'分别表示为：
xB'＝xB+xBE
yB'＝yB+yBE
zB'＝zB+zBE
采用本发明可取得以下技术效果：
本发明提供了一种星载单航过InSAR系统电离层误差校正方法，该方法基于先验的背景电离层TEC空间分布，利用电离层电波传播机理建立的星载单航过InSAR系统电离层影响效应模型，通过将理论二维测量误差转换到三维地固坐标系下表示，可实现星载单航过InSAR系统被测场景的电离层误差逐点精确校正。该校正方法充分考虑了星载单航过InSAR的基本原理及电离层传播效应的空变性，校正精度高，并可用于直接处理干涉定位结果，操作过程简单高效。
附图说明
图1为本发明的原理流程示意图；
图2为仿真中设定的雷达系统及电离层基本参数；
图3为仿真实验中被测场景内电离层TEC空间分布图；
图4为仿真实验中电离层对InSAR定位结果引入的三维误差影响空间分布图；
图5为本发明实施例中星载单航过InSAR系统电离层误差校正残差实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。其中，实施例中的星载单航过InSAR系统和被测场景均采用仿真的方法生成。具体仿真原理及流程参考Min Wang,Diannong Liang等于2007年发表在IEEE International Geoscience and RemoteSensing Symposium上的文章SBRAS—An Advanced Simulator of Spaceborne。
图1为本发明的原理流程示意图，整个流程分为三大步。第一步，计算距离-高度平面内的电离层水平测量误差和垂直测量误差；第二步，利用星载SAR几何关系，将二维测量误差投影变换到三维地固坐标系下表示，得到电离层对被测场景引入的三维地固坐标偏移；第三步，逐点精确校正被测场景中被测点受背景电离层TEC传播引入的测量误差，得到校正电离层误差影响后被测场景中被测点的三维地固坐标系坐标。
图2为仿真中设定的雷达系统和电离层基本参数，其中星载单航过InSAR系统工作在L波段，在某一时刻电离层垂直天顶方向TEC值T⊥为50TECU，线性TEC变化梯度为0.05TECU/km，上述设定的两个电离层基本参数可反映电离层对星载单航过InSAR系统的测量误差影响较大。
图3为仿真实验中被测场景内电离层TEC空间分布图，被测场景内电离层TEC空间分布坐标网格与被测场景坐标网格相同，图中横轴代表距离向，像元数为2204，纵轴代表方位向，像元数为2574，距离向和方位向大小均为5km。图中灰度值表示被测场景内的电离层TEC值，图中灰度越浅表示TEC值越大。从图3中可以看出，被测场景内的电离层分布接近真实的空间电离层分布。
图4为仿真实验中电离层对InSAR定位结果引入的三维误差影响空间分布图，图中横轴代表距离向，像元数为2204，纵轴代表方位向，像元数为2574，距离向和方位向大小均为5km。图(a)代表地固坐标系下X轴方向电离层影响误差，整场景均值约为-13.81米；图(b)代表地固坐标系下Y轴方向电离层影响误差，整场景均值约为-14.01米；图(c)代表地固坐标系下Z轴方向电离层影响误差，整场景均值约为5.22米。图中灰度值表示电离层影响误差的大小，图(a)和图(b)中灰度越浅表示误差影响越小，图(c)中灰度越深表示误差影响越小。由图可知，电离层对L波段雷达造成的误差影响十分显著。
图5为本发明实施例中星载单航过InSAR系统电离层误差校正残差实验结果图，图中横轴代表距离向，像元数为2204，纵轴代表方位向，像元数为2574，距离向和方位向大小均为5km。图(a)为地固坐标系下X轴方向电离层校正残差，整场景均值约为0.15米，校正精度约为1.1％；图(b)为地固坐标系下Y轴方向电离层校正残差，整场景均值约为0.18米，校正精度约为1.3％；图(c)为地固坐标系下Z轴方向电离层校正残差，整场景均值约为-0.02米，校正精度约为0.4％。图中灰度值表示利用本发明进行校正后电离层校正残差的大小，校正精度的计算公式为校正残差除以原始误差影响大小。图(a)和图(b)中灰度越深表示校正残差越小，图(c)中灰度越浅表示校正残差越小。实验结果表明，采用本发明可有效校正电离层传播对星载单航过InSAR系统定位结果引入的三维位置偏移，校正精度可满足高精度地形测绘的应用需求。

Claims (1)

1.一种星载单航过InSAR系统电离层误差校正方法，InSAR是指干涉合成孔径雷达，
已知星载单航过InSAR系统基本参数：主雷达和辅雷达的信号中心频率均为f0；
已知在任意时刻下，被测场景对应的电离层基本参数：电离层垂直天顶方向电子总量值T⊥，电离层沿距离向垂直天顶电子总量变化梯度dv，电离层质心高度hiono；星载单航过InSAR系统辅星在地固坐标系下的轨道坐标A(xA,yA,zA)，辅雷达入射角θ，距地面高度hsat，垂直基线长度B⊥；辅雷达距被测场景的斜距rslant；被测场景中任一点在地固坐标系下的坐标B(xB,yB,zB)；其特征在于，
对于被测场景中坐标为B(xB,yB,zB)的任意点，采用以下步骤完成场景的三维坐标电离层误差影响校正：
第一步：计算距离-高度平面内的水平测量误差和垂直测量误差：
首先，利用下式计算辅雷达电离层入射角β：
上式中，R表示地球半径；
然后，计算主、辅雷达入射角之差Δθ及主、辅雷达电离层入射角之差Δβ，并根据电离层电波传播机理计算垂直天顶方向的群延迟τgroup；
Δβ＝b·Δθ
上式中，c为光速，K为常数取值为40.28，
最后，计算电离层对星载单航过InSAR系统引入的水平测量误差和垂直测量误差
第二步：将二维测量误差投影变换到三维地固坐标系下表示：
首先，利用下式计算垂直测量误差在地固坐标系下的误差向量
然后，计算误差向量
上式中，O为地心在地固坐标系下的坐标为(0,0,0)；
最后，按照下式计算电离层引入的地固坐标系三维坐标偏移向量
第三步：校正电离层误差影响后被测场景的三维地固坐标系坐标；
利用下式计算校正后的三维地固坐标B'(xB',yB',zB')：
xB'＝xB+xBE
yB'＝yB+yBE
zB'＝zB+zBE
即获得校正后的结果。
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