CN110907932B - 分布式InSAR卫星测高精度影响因素分析方法及系统 - Google Patents

分布式InSAR卫星测高精度影响因素分析方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种分布式InSAR卫星测高精度影响因素分析方法，包括：步骤1：建立分布式InSAR卫星目标定位方程，确定影响系统定位精度的误差源；步骤2：根据误差源推导InSAR卫星对目标定位的误差传递函数：步骤3：设定卫星参数：步骤4：根据设定的卫星参数和误差源对InSAR卫星目标定位的误差传递函数，计算误差源对InSAR卫星测高精度的影响程度：步骤5：进行固化计算，对卫星参数的变化进行响应；所述误差源包括：主星定位误差、主星测速误差、斜距测量误差、基线测量误差和干涉相位误差。本发明基于严格的理论模型进行计算并固化计算流程，与现有技术相比误差项目梳理更加全面，在卫星系统参数发生变化时可作出更快响应。

Description

分布式InSAR卫星测高精度影响因素分析方法及系统
技术领域
本发明涉及信号与信息处理技术领域，具体地，涉及一种分布式InSAR卫星测高精度影响因素分析方法及系统。
背景技术
干涉合成孔径雷达(InSAR)是获取高精度地面高程模型(DEM)的重要遥感手段。它利用沿垂直航向分布的两部SAR天线以不同的视角观测同一地区，并将获取的两幅复SAR图像进行干涉处理，求取主副雷达天线相位中心与目标之间的斜距差，进而获得观测区域的DEM。分布式卫星InSAR系统将两部SAR安装在编队飞行的两颗卫星上同时对地观测，它可以克服重复航过InSAR面临的时间去相干及基线精度低等问题，可获取高精度的DEM。
分布式InSAR卫星测高精度是卫星系统的核心指标，直接影响到测绘产品的应用价值，因此如何实现对分布式InSAR卫星测高精度的影响因素分析，成为分布式 InSAR卫星系统设计的核心工作之一。一方面，卫星总体设计师需通过InSAR测高精度影响因素分析，梳理并分配卫星各项工程指标要求；另一方面，设计师们还需通过对卫星实际工程研制结果进行计算分析，以评估InSAR卫星在轨实际的测高性能。分布式InSAR卫星测高精度影响因素分析涉及到卫星、地面一体化设计，系统去相干、基线测量误差、卫星位置及速度误差、斜距测量误差等诸多因素，并需要深入分析高程反演模型误差敏感度，并建立分布式InSAR卫星全链路误差模型。
随着星载InSAR技术的飞速发展，InSAR测绘产品的应用需求日益提升，如何设计具有更好普适性、更快响应速度的分布式InSAR卫星测高精度影响因素分析方法，亟需重点开展研究。
专利文献CN109425858A(申请号：201710773555.3)公开了一种基于目标空间分布信息的地基干涉SAR系统高程精度分析方法，该方法针对对高程测量精度有影响的误差源，建立误差源误差引起的测高误差模型，并将空间位置信息引入其中；利用测高误差模型得到各个误差源所引起的测高误差的空间分布，再整合获得当前误差精度下总测高精度在雷达工作范围内的空间分布。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种分布式InSAR卫星测高精度影响因素分析方法及系统。
根据本发明提供的分布式InSAR卫星测高精度影响因素分析方法，包括：
步骤1：建立分布式InSAR卫星目标定位方程，确定影响系统定位精度的误差源；
步骤2：根据误差源推导InSAR卫星对目标定位的误差传递函数：
步骤3：设定卫星参数：
步骤4：根据设定的卫星参数和误差源对InSAR卫星目标定位的误差传递函数，计算误差源对InSAR卫星测高精度的影响程度：
步骤5：进行固化计算，对卫星参数的变化进行响应；
所述误差源包括：主星定位误差、主星测速误差、斜距测量误差、基线测量误差和干涉相位误差。
优选地，所述步骤2包括：根据理论推导建立误差模型，获取误差源对InSAR卫星目标定位的误差传递函数；
所述步骤3包括：根据卫星任务要求，对卫星进行参数设定，所述卫星参数包括：卫星轨道高度、雷达载波频率和工作波位参数。
优选地，所述步骤1包括：
在地球固定坐标系下，根据分布式InSAR卫星主、辅雷达成像几何关系，Sk(·)和Vk(·) 分别表示雷达的位置和速度矢量，下标k＝1,2表示主星雷达和辅星雷达，B为双星空间物理基线，选用主图像距离、多普勒方程以及辅图像的斜距方程，获取三维目标定位方程组，计算公式如下：
Figure BDA0002289914170000021
其中，pt＝(px,py,pz)为地面目标三维位置向量，pm(t)和vm(t)分别为主天线相位中心在方位时刻t的位置及速度矢量，t1和t2分别为主辅星干涉时刻，r1为主天线相位中心到目标斜距，λ为雷达波长，fdc,m为主图像成像多普勒中心频率，φ为主辅SAR图像干涉相位，b(t2)为主辅雷达在方位时刻t2瞬时基线矢量。
优选地，所述主星定位误差包括：
Δpm(t1)为主星干涉时刻(即t1时刻)的定轨误差，对InSAR目标定位误差的传递函数为：
Figure BDA0002289914170000031
J、ai(i＝x，y，z)为转换矩阵，具体定义如下：
Figure 3
Figure BDA0002289914170000033
其中，定义坐标系为WGS84坐标系，地面目标的位置矢量为pt＝(pt,x,pt,y,pt,z)；
主天线相位中心在方位时刻t1的位置及速度矢量为：
pm(t1)＝(pm,x(t1),pm,y(t1),pm,z(t1))、vm(t1)＝(vm,x(t1),vm,y(t1),vm,z(t1))；
在方位时刻t2的位置矢量为pm(t2)＝(pm,x(t2),pm,y(t2),pm,z(t2))；
辅天线相位中心在方位时刻t2的位置及速度矢量为：
ps(t2)＝(ps,x(t2),ps,y(t2),ps,z(t2)、vs(t2)＝(vs,x(t2),vs,y(t2),vs,z(t2))；
b(t2)＝(bx(t2),by(t2),bz(t2))为主辅雷达在方位时刻t2瞬时基线矢量。
优选地，所述主星测速误差包括：
Δvm(t1)为主星干涉时刻(即t1时刻)主星测速误差，对InSAR目标定位误差的传递函数为：
Figure BDA0002289914170000034
优选地，所述斜距测量误差包括：
r1为主天线相位中心到目标斜距，则斜距测量误差Δr1对InSAR目标定位误差的传递函数为：
Figure BDA0002289914170000035
优选地，所述基线测量误差包括：
Δb(t2)为主辅雷达在方位时刻t2瞬时基线误差，对InSAR目标定位误差的传递函数为：
Figure BDA0002289914170000041
优选地，所述干涉相位误差包括：
φ为主辅SAR图像干涉相位，则干涉相位误差Δφ对目标定位精度的影响为：
Figure BDA0002289914170000042
优选地，分布式卫星InSAR系统的目标定位误差表示为：
Figure BDA0002289914170000043
根据本发明提供的分布式InSAR卫星测高精度影响因素分析系统，包括：
模块M1：建立分布式InSAR卫星目标定位方程，确定影响系统定位精度的误差源；
模块M2：根据误差源推导InSAR卫星对目标定位的误差传递函数：
模块M3：设定卫星参数：
模块M4：根据设定的卫星参数和误差源对InSAR卫星目标定位的误差传递函数，计算误差源对InSAR卫星测高精度的影响程度：
模块M5：进行固化计算，对卫星参数的变化进行响应；
所述误差源包括：主星定位误差、主星测速误差、斜距测量误差、基线测量误差和干涉相位误差。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明处理思路有别于已有设计方法，首次提出基于分布式InSAR定位方程的InSAR测高精度影响因素分析方法；
2、本发明基于严格的理论模型进行计算并固化计算流程，与现有技术相比误差项目梳理更加全面，在卫星系统参数发生变化时可作出更快响应。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明方法的处理步骤流程图；
图2为InSAR定位原理示意图；
图3为InSAR定位精度随主星定位误差变化曲线；
图4为InSAR定位精度随主星测速误差变化曲线；
图5为InSAR定位精度随斜距测量误差变化曲线；
图6为InSAR定位精度随基线测量误差变化曲线；
图7为InSAR定位精度随干涉相位误差变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明方法的流程图，根据本发明提供的分布式InSAR卫星系统参数设计及性能分析方法，包括：
步骤1：建立分布式InSAR卫星目标定位方程：
在地球固定坐标系下，根据分布式InSAR卫星主、辅雷达成像几何关系，Sk(·)和Vk(·) 分别表示雷达的位置和速度矢量，下标k＝1,2表示主星雷达和辅星雷达，B为双星空间物理基线，如图2所示，为本发明的InSAR定位原理示意图，选用主图像距离、多普勒方程以及辅图像的斜距方程，可获取三维目标定位方程组，计算公式如下：
Figure BDA0002289914170000051
其中，pt＝(px,py,pz)为地面目标三维位置向量，pm(t)和vm(t)分别为主天线相位中心在方位时刻t的位置及速度矢量，t1和t2分别为主辅星干涉时刻，r1为主天线相位中心到目标斜距，λ为雷达波长，fdc,m为主图像成像多普勒中心频率，φ为主辅SAR图像干涉相位，b(t2)为主辅雷达在方位时刻t2瞬时基线矢量。
步骤2：推导分布式InSAR卫星各误差源对目标定位的误差传递函数：
由分布式卫星InSAR定位方程可见，影响系统定位精度的主要误差源包括卫星定位误差、速度测量误差、斜距测量误差、基线测量误差及干涉相位误差，通过分布式InSAR定位方程可对各项误差的影响进行理论推导。
主星定位误差：
由目标定位方程推导可知，Δpm(t1)为主星干涉时刻(即t1时刻)的定轨误差，对InSAR目标定位误差的传递函数为：
Figure BDA0002289914170000061
J、ai(i＝x,y,z)为转换矩阵，具体定义如下
Figure 2
Figure BDA0002289914170000063
其中，定义坐标系为WGS84坐标系，地面目标的位置矢量为pt＝(pt,x,pt,y,pt,z)；主天线相位中心在方位时刻t1的位置及速度矢量为pm(t1)＝(pm,x(t1),pm,y(t1),pm,z(t1))、 vm(t1)＝(vm,x(t1),vm,y(t1),vm,z(t1))，在方位时刻t2的位置矢量为 pm(t2)＝(pm,x(t2),pm,y(t2),pm,z(t2))；辅天线相位中心在方位时刻t2的位置及速度矢量为ps(t2)＝(ps,x(t2),ps,y(t2),ps,z(t2))、
vs(t2)＝(vs,x(t2),vs,y(t2),vs,z(t2))；b(t2)＝(bx(t2),by(t2),bz(t2))为主辅雷达在方位时刻t2瞬时基线矢量。
主星测速误差：
Δvm(t1)为主星干涉时刻(即t1时刻)主星测速误差，对InSAR目标定位误差的传递函数为
Figure BDA0002289914170000064
斜距测量误差：
r1为主天线相位中心到目标斜距，则斜距测量误差Δr1对InSAR目标定位误差的传递函数为
Figure BDA0002289914170000071
基线测量误差：
Δb(t2)为主辅雷达在方位时刻t2瞬时基线误差，对InSAR目标定位误差的传递函数为
Figure BDA0002289914170000072
干涉相位误差：
分布式卫星InSAR干涉相位主要误差源有去相干、相位同步误差、相位内定标误差及地面处理误差等。由目标定位方程(1)推导可知，φ为主辅SAR图像干涉相位，则干涉相位误差Δφ对目标定位精度的影响为：
Figure BDA0002289914170000073
综上可知，分布式卫星InSAR系统的目标定位误差可近似表示为：
Figure BDA0002289914170000074
步骤3：设计卫星系统参数：
根据卫星任务要求，进行卫星参数设计，确定卫星轨道高度、雷达载波频率及工作波位参数等。
如下表为卫星系统参数初步设计结果：
Figure BDA0002289914170000075
步骤4：计算各误差源对InSAR测高精度的影响程度：
根据卫星系统参数设计以及各项误差源对InSAR目标定位的误差传递函数，计算各误差源对InSAR测高精度的影响程度。采用Mento-Carlo仿真试验分别对其高中低三个波位的测高性能进行计算，Mento-Carlo仿真试验次数为20000次。
主星定位误差：
由图3可见，当主星定位误差在0.5m～1.5m范围内时，Mento-Carlo仿真试验结果与理论分析结果保持一致。此外，主星定位误差主要影响系统绝对高程精度，对相对高程精度的影响可忽略不计。
主星测速误差：
由图4可见，当主星定位误差在0～0.008m/s范围内时，Mento-Carlo仿真试验结果与理论分析结果基本保持一致。此外，主星定位误差主要影响系统绝对高程精度，对相对高程精度影响可忽略不计。
斜距测量误差：
由图5可见，当斜距测量误差在0～3m范围内，斜距测量误差对系统测高性能影响的 Mento-Carlo仿真试验结果与理论分析结果保持一致。此外，斜距测量误差主要影响分布式卫星InSAR系统绝对测高精度，对相对高程测量精度影响较小。
基线测量误差：
由图6可见，在仿真基线误差范围内，基线测量误差对系统测高性能影响的Mento-Carlo仿真试验结果与理论分析结果保持一致。此外，系统性基线误差对分布式卫星InSAR系统相对高程测量精度及绝对高程测量精度均有重要影响。在中心视角为相同模糊高度的条件下，系统性基线误差对低波位的影响比高波位要严重。但相比系统性基线误差，随机性基线误差对相对测高精度的影响更加严重。
干涉相位误差：
由图7可见，在图示干涉相位误差仿真范围内，干涉相位误差对系统测高性能影响的Mento-Carlo仿真试验结果与理论分析结果保持一致。此外，系统性相位误差对系统绝对高程精度有重要影响，对相对高程测量精度的影响相对较小。但随机性相位误差对系统相对测高精度影响严重。在实际干涉测量中，随机性干涉相位误差主要由主辅SAR 图像的相干系数决定，系统设计加以保证。
步骤5：固化计算流程：
固化计算流程，卫星系统参数发生变化可快速响应。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (1)

1.一种分布式InSAR卫星测高精度影响因素分析方法，其特征在于，包括：
步骤1：建立分布式InSAR卫星目标定位方程，确定影响系统定位精度的误差源；
步骤2：根据误差源推导InSAR卫星对目标定位的误差传递函数：
步骤3：设定卫星参数：
步骤4：根据设定的卫星参数和误差源对InSAR卫星目标定位的误差传递函数，计算误差源对InSAR卫星测高精度的影响程度：
步骤5：进行固化计算，对卫星参数的变化进行响应；
所述误差源包括：主星定位误差、主星测速误差、斜距测量误差、基线测量误差和干涉相位误差；
所述步骤2包括：根据理论推导建立误差模型，获取误差源对InSAR卫星目标定位的误差传递函数；
所述步骤3包括：根据卫星任务要求，对卫星进行参数设定，所述卫星参数包括：卫星轨道高度、雷达载波频率和工作波位参数；
所述步骤1包括：
在地球固定坐标系下，根据分布式InSAR卫星主、辅雷达成像几何关系，Sk(·)和Vk(·)分别表示雷达的位置和速度矢量，下标k＝1,2表示主星雷达和辅星雷达，B为双星空间物理基线，选用主图像距离、多普勒方程以及辅图像的斜距方程，获取三维目标定位方程组，计算公式如下：
Figure FDA0003239163510000011
其中，pt＝(px,py,pz)为地面目标三维位置向量，pm(t)和vm(t)分别为主天线相位中心在方位时刻t的位置及速度矢量，t1和t2分别为主辅星干涉时刻，r1为主天线相位中心到目标斜距，λ为雷达波长，fdc,m为主图像成像多普勒中心频率，φ为主辅SAR图像干涉相位，b(t2)为主辅雷达在方位时刻t2瞬时基线矢量；
所述主星定位误差包括：
Δpm(t1)为主星干涉时刻的定轨误差，对InSAR目标定位误差的传递函数为：
Figure FDA0003239163510000021
J、ai，i＝x，y，z，为转换矩阵，具体定义如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure FDA0003239163510000023
其中，定义坐标系为WGS84坐标系，地面目标的位置矢量为(pt，x，pt，y，pt，z)；
主天线相位中心在方位时刻t1的位置及速度矢量为：
pm(t1)＝(pm，x(t1),pm，y(t1)，pm,z(t1))、vm(t1)＝(vm，x(t1)，vm，y(t1)，vm，z(t1))；
在方位时刻t2的位置矢量为pm(t2)＝(pm,x(t2)，pm，y(t2)，pm,z(t2))；
辅天线相位中心在方位时刻t2的位置及速度矢量为：
ps(t2)＝(ps,x(t2),ps,y(t2),ps,z(t2))、vs(t2)＝(vs,x(t2),vs,y(t2),vs,z(t2))；
b(t2)＝(bx(t2),by(t2),bz(t2))为主辅雷达在方位时刻t2瞬时基线矢量；
所述主星测速误差包括：
Δvm(t1)为主星干涉时刻主星测速误差，对InSAR目标定位误差的传递函数为：
Figure FDA0003239163510000024
所述斜距测量误差包括：
r1为主天线相位中心到目标斜距，则斜距测量误差Δr1对InSAR目标定位误差的传递函数为：
Figure FDA0003239163510000025
所述基线测量误差包括：
Δb(t2)为主辅雷达在方位时刻t2瞬时基线误差，对InSAR目标定位误差的传递函数为：
Figure FDA0003239163510000031
所述干涉相位误差包括：
φ为主辅SAR图像干涉相位，则干涉相位误差Δφ对目标定位精度的影响为：
Figure FDA0003239163510000032
分布式卫星InSAR系统的目标定位误差表示为：
Figure FDA0003239163510000033
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