CN1508562A - 机载合成孔径雷达测量区域定位系统 - Google Patents

Abstract

机载合成孔径雷达(SAR)测量区域定位系统，涉及雷达技术，由全球定位系统，地理信息定位平台和测量区域定位系统组成，其全球定位系统与地理信息定位平台无线连接，地理信息定位平台与测量区域定位系统电连接；测量区域定位系统包括测量区域定位模块、测量带内参考目标参数计算模块、地球模型模块和坐标转换模块。本发明能够对机载合成孔径雷达的地面测量区域进行精确定位，并完成区域内参考目标的位置参数测量，可用于最优飞行航迹的预先确立，合成孔径雷达图像到地面坐标系的投影变换，以及地面标准参考目标在雷达图像辐射和几何定标中的应用等。

Description

机载合成孔径雷达测量区域定位系统

技术领域

本发明涉及雷达技术，特别是涉及孔径雷达测量区域的确定和区域内参考目标的定位技术。

背景技术

机载合成孔径雷达在成像雷达中占有绝对重要的地位，有着广泛的应用前景和发展潜力，作为有源系统，机载合成孔径雷达的全天候、全天时工作能力以及它在不同频段、不同极化下可以得到目标的高分辨率图像，为人们提供各种非常有用的信息。这些信息广泛用于地质、水文、农业、城市、海洋、测绘以及军事侦察等领域，特别对于大面积测量，机载合成孔径雷达具有其它种类传感器无法比拟的优势。机载合成孔径雷达对地观测存在一个测量区域，该测量区域由机载合成孔径雷达的性能和飞行航迹来确定。在进行对地观测前，如何确定测量区域变得很重要，根据需要的观测区域，我们可以设计最佳的飞行路径，调整雷达系统的工作状态；如果在观测区域内设置参考目标用于定量雷达遥感，则需要确定参考目标的准确位置，因此，研究机载合成孔径雷达(SAR)测量区域定位系统就具有重要意义，它提供了理论上的测量参考，可以指导整个测量工作的进行。

目前，确定地面参考标准目标的指北角度时，是通过在地面经纬度图上，于目标参考点同一经度处为度量变化获得指北参考矢量，这样作存在一定的缺点，它没有考虑地球曲率和磁偏角的存在，因此它的精度不是最准确的。

发明内容

本发明的目的在于建立一种机载合成孔径雷达(SAR)测量区域定位系统，用于测量区域的预先确定和区域内参考目标的精确定位。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案为提供一种机载合成孔径雷达测量区域定位系统，由全球定位系统，地理信息定位平台和测量区域定位系统组成，其全球定位系统与地理信息定位平台无线连接，地理信息定位平台与测量区域定位系统电连接；测量区域定位系统包括测量区域定位模块、测量带内参考目标参数计算模块、地球模型模块和坐标转换模块；测量区域定位模块的输入端直接与地理信息定位平台电连接，其输出端与测量带内参考目标参数计算模块电连接，地球模型模块和坐标转换模块的输出端也与测量区域定位模块电连接。

所述的测量区域定位系统，其对测量区域的定位由以下述步骤完成：

开始后，机载合成孔径雷达由地理信息定位平台的接收接口读入全球定位系统发送的飞机起始经纬度、飞机高度、近地点斜距、远地点斜距等数据，并输入测量区域定位模块；同时，测量区域定位模块将飞机起始经纬度通过与坐标转换模块交换数据，而转换成惯性坐标系坐标，并计算出飞机起始点的机下点，再以飞机的机下点坐标为初始值，求飞机起始点地面测绘带的近距点、远距点；测量区域定位模块将飞机起始点地面测绘带的近距点、远距点惯性坐标系坐标数据通过与坐标转换模块交换，而转换成经纬度坐标，再根据天线姿态，确定飞机与天线倾斜方向相同的一侧的测绘带各端点，并将测绘带各端点连续排列在地图上，在显示屏中显示出来，结束。

所述的测量区域定位系统，其在对测量带内参考目标测量时，参考目标的定位由以下述步骤完成：

开始后，由地理信息定位平台向测量区域定位模块输入角反射器的点位置，测量区域定位模块将角反射器点位置的数据通过与坐标转换模块交换，而转换成惯性坐标系坐标，将此数据和地球模型模块在惯性坐标系中的数据传入测量带内参考目标参数计算模块；测量带内参考目标参数计算模块先计算角反射器对准的飞机点，再计算此飞机点的机下点，然后计算高度角，进而计算北极点在过角反射器点切面上的投影点，计算出指北角，最后，将测量带内参考目标的位置输入到地图上，在显示屏中显示出来，结束。

所述的测量区域定位系统，其在求地面投影点时，采用了自适应迭代算法。

所述的测量区域定位系统，其在地面参考目标位置指向的确定中，校正了磁偏角和地球曲率的影响，由此确定的指北角，准确度较高。

本发明涉及到地球模型，一般的测量定位系统认为飞机和它在地面投影点的经纬度是一样的，实际使用地球模型时，高度误差会导致飞机和它的地面投影点经纬度不一致。为了更精确测量，需要考虑飞机高度带来的影响，本发明考虑了飞机不同高度时经纬度数据的变化。

计算目标的指北角度，可以通过在地面经纬度图，于目标参考点同一经度处为度量变化获得指北参考矢量；这样做存在一定的缺点，它没有考虑地球曲率和磁偏角的存在，因此它的精度不是最准确的。本发明考虑到地球曲率和磁偏角的影响，获得更为准确的测量结果。

附图说明

图1本发明机载合成孔径雷达测量区域定位系统；

图2本发明机载合成孔径雷达测量区域定位系统在实际航测时拍摄的地面测量区域定位图；

图3惯性地心坐标系；

图4发明测量区域定位流程；

图5发明预先测定的测量区域；

图6本发明测量带内参考目标的定位流程；

图7本发明测量区域内参考目标分布。

具体实施方式

本发明机载合成孔径雷达测量区域定位系统的主要特点是利用全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)，结合飞机飞行航迹，建立空地几何关系，再利用软件算法计算地面投影点坐标。该系统的组成参考图1，其由全球定位系统(GPS)1，地理信息定位平台(GIS)2和测量区域定位系统3组成(图1虚框内的部分)，其中，全球定位系统(GPS)1与地理信息定位平台(GIS)2无线连接，地理信息定位平台(GIS)2与测量区域定位系统3电连接；测量区域定位系统3包括测量区域定位模块4、测量带内参考目标参数计算模块5、地球模型模块6和坐标转换模块7；测量区域定位模块4的输入端直接与地理信息定位平台(GIS)2电连接，其输出端与测量带内参考目标参数计算模块5电连接，地球模型模块6和坐标转换模块7的输出端也与测量区域定位模块4电连接。

本发明涉及到地球模型，一般的测量定位系统认为飞机和它在地面投影点的经纬度是一样的。实际使用地球模型时，高度误差会导致飞机和它的地面投影点经纬度不一致。为了更精确测量，需要考虑飞机高度带来的影响，本发明考虑了飞机不同高度时经纬度数据的变化。

本发明在求解地面投影点时，采用了自适应迭代算法，对三维二次方程，采用非线性方程组的牛顿-拉斐森方法，其中初始值的选择是解法收敛和稳定的关键。在本发明中，该初始值的选择使用了雷达系统本身的先验知识，使该初始值的选择合理，求解投影点的结果收敛性和稳定性更好。

对于测量区域内的地面参考目标在确定其指北位置时，不是在地图经纬度平面上来计算其指北角，而是考虑了地球曲率以及磁偏角的影响，由此确定的指北角准确度更高。

首先建立惯性地心坐标系(见图3)，所有计算统一在惯性地心坐标系中完成。

本发明机载合成孔径雷达测量区域定位系统在测量时，对测量区域的定位由以下述步骤完成：

如图4所示，开始后，机载合成孔径雷达由地理信息定位平台(GIS)2的接收接口读入全球定位系统(GPS)1发送的飞机起始经纬度、飞机高度、近地点斜距、远地点斜距等数据，并输入测量区域定位模块4；同时，测量区域定位模块4将飞机起始经纬度通过与坐标转换模块7交换数据，而转换成惯性坐标系坐标，并计算出飞机起始点的机下点，再以飞机的机下点坐标为初始值，用自适应迭代算法求飞机起始点地面测绘带的近距点、远距点；测量区域定位模块4将飞机起始点地面测绘带的近距点、远距点惯性坐标系坐标数据通过与坐标转换模块7交换，而转换成经纬度坐标，再根据天线姿态，确定飞机与天线倾斜方向相同的一侧的测绘带各端点，并将测绘带各端点连续排列在地图上，在显示屏中显示出来，见图5，结束。

所述测量区域定位模块4的运算是统一在惯性地心坐标系统中，并利用地理信息定位平台(GIS)2来完成的，其具体算法如下：

考虑地球模型和飞机的高度选择飞行起点坐标(x₁，y₁，z₁)和终点坐标(x₂，y₂，z₂)，然后确定它们各自对应的地面波束点坐标(x_g11，y_g11，z_g11)和(x_g21，y_g21，z_g21)。各波束点坐标满足以下三个条件：

(1)正侧视工作模式时，矢量垂直，即

(x_g11-x₁)(x₂-x₁)+(y_g11-y₁)(y₂-y₁)+(z_g11-z₁)(z₂-z₁)＝0    (1)

(2)波束点位于地球面上

$\frac{{x_{g11}}^2+{y_{g11}}^2}{a^2}+\frac{{z_{g11}}^2}{b^2}=1----\left(2\right)$

其中，α＝6378.145km，b＝6356.76km。

(3)雷达系统测量的近距点或远距点距离由雷达系统设定，满足

(x_g11-x₁)²+(y_g11-y₁)²+(z_g11-z₁)²＝R_near   (3)

(x_g11-x₁)²+(y_g11-y₁)²+(z_g11-z₁)²＝R_far    (4)

其中，R_near为近距点距离，R_far为远距点距离

根据上述规则，可以得到一个三维二次方程组。解该非线性方程组采用牛顿-拉斐森方法。对于非线性方程组

f_i(x₁，x₂...，x_n)＝0，  i＝1，2，...，N    (5)

牛顿-拉斐森方法如下：

令x＝(x₁，x₁，...，x_n)^T，i＝1，2，...，N，在x的邻域做泰勒展开，略去二次和二次以上的项，得

$f_i(x^{\left(0\right)}+{\mathrm{\δx}}^{\left(0\right)})\≈f_i(x^{\left(0\right)}+\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\∂f_i}{\∂x_j}{\mathrm{\δx}}_j^{\left(0\right)})-----\left(6\right)$

α≡[α_ij]_N×N，β≡(β₁，...，β_n)^T

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}=\frac{\∂f_i}{\∂x_i},\mathrm{\β}=-f_i-----\left(7\right)$

如果detα≠0，那么迭代公式为

$x_i^{\mathrm{new}}=x_i^{\mathrm{old}}+{\mathrm{\δx}}_i,i=\mathrm{1,2},...,N-----\left(8\right)$

其中(δx₁，δx₂，...，δx_N)^T≡δx为线性方程组α·δx＝β的解。综上所述，使用牛顿一拉斐森方法解非线性方程组的步骤为：

(1)给定根x的初始近似x⁽⁰⁾(靠近x)，允许误差为ε₁，ε₂，假设已经得到第k次近似x^(k)。

(2)计算

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}^{\left(k\right)}\≡\∂f_i\left(x^{\left(k\right)}\right)/{\∂x}_j,i,j=\mathrm{1,2},...,N------\left(9\right)$

${\mathrm{\β}}_i^{\left(k\right)}=-f_i\left(x^{\left(k\right)}\right),i=\mathrm{1,2},...,N$

可得 ${\mathrm{\α}}^{\left(k\right)}={\left[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}^{\left(k\right)}\right]}_{N\×N}$ 及 ${\mathrm{\β}}^{\left(k\right)}={({\mathrm{\β}}_1^{\left(k\right)}{\mathrm{\β}}_2^{\left(k\right)},...,{\mathrm{\β}}_N^{\left(k\right)})}^T.$

(3)计算

S1＝|f₁(x^(k))|+|f₂(x^(k))|+...|f_N(x^(k))|    (10)

如果S1＜ε₁，则计算结束，x^(k)作为满足精度要求的近似解；否则，执行(4)。

(4)用LU分解法求线性代数方程组

α^(k)·δx^(k)＝β^(k)                       (11)

得 $\mathrm{\δ}{x}^{\left(k\right)}\≡{(\mathrm{\δ}{x}_1^{\left(k\right)},\mathrm{\δ}{x}_2^{\left(k\right)},...\mathrm{\δ}{x}_N^{\left(k\right)})}^T$

(5)计算x^(k+1)＝x^(k)+δx^(k)及

$S2=\left|\mathrm{\ϵ}{x}_1^{\left(k\right)}\right|+\left|{\mathrm{\ϵx}}_2^{\left(k\right)}\right|+...+\left|{\mathrm{\ϵx}}_N^{\left(k\right)}\right|-----\left(12\right)$

如果S2＜ε₂，则计算结束，x^(k+1)作为满足精度要求的近似解；否则， $k\⇐k+1,$ 转向(2)继续计算，直到满足精度要求或者迭代次数已经达到给定的迭代次数为止。

经过上面计算处理，完成坐标转换和投影点的确定，相应地完成了测量区域的确定(如图5所示)。

在测量区域确定后，对于其中设置的地面标准参考目标需要确定其方位方向，本发明机载合成孔径雷达测量区域定位系统，在对测量带内参考目标测量时，参考目标的定位由以下述步骤完成：

如图6所示，开始后，由地理信息定位平台(GIS)2向测量区域定位模块4输入角反射器的点位置，测量区域定位模块4将角反射器点位置的数据通过与坐标转换模块7交换，而转换成惯性坐标系坐标，将此数据和地球模型模块6在惯性坐标系中的数据传入测量带内参考目标参数计算模块5；测量带内参考目标参数计算模块5先计算角反射器对准的飞机点，再计算此飞机点的机下点，然后计算高度角，进而计算北极点在过角反射器点切面上的投影点，在此基础上，校正了磁偏角和地球曲率后，计算出指北角，最后，将测量带内参考目标的位置输入到地图上，在显示屏中显示出来，见图7，结束。

实施例1：

本发明已多次成功用于机载合成孔径雷达的飞行测量工作，预先确定的测量区域(如图5所示)与实际飞行结果吻合。工作中曾发现测量区域不满足要求，经过该系统的分析发现飞机的飞行航迹没有满足要求，找到了问题的原因，及时进行了修正，挽回了不必要的损失。实验中使用的系统用于计算地面参考目标的位置参数，再用于实际实验中，在雷达图像上获得了地面参考目标准确的图像数值结果，如图7所示。

实施例2：

图2所示为本发明机载合成孔径雷达测量区域定位系统，在实际航测时拍摄的地面测量区域定位图。

Claims (5)

1.一种机载合成孔径雷达测量区域定位系统，由全球定位系统，地理信息定位平台和测量区域定位系统组成，其特征在于，全球定位系统与地理信息定位平台无线连接，地理信息定位平台与测量区域定位系统电连接；测量区域定位系统包括测量区域定位模块、测量带内参考目标参数计算模块、地球模型模块和坐标转换模块；测量区域定位模块的输入端直接与地理信息定位平台电连接，其输出端与测量带内参考目标参数计算模块电连接，地球模型模块和坐标转换模块的输出端也与测量区域定位模块电连接。

2.如权利要求1所述的测量区域定位系统，其特征在于，对测量区域的定位以下述步骤完成：

开始后，机载合成孔径雷达由地理信息定位平台的接收接口读入全球定位系统发送的飞机起始经纬度、飞机高度、近地点斜距、远地点斜距等数据，并输入测量区域定位模块；同时，测量区域定位模块将飞机起始经纬度通过与坐标转换模块交换数据，而转换成惯性坐标系坐标，并计算出飞机起始点的机下点，再以飞机的机下点坐标为初始值，求飞机起始点地面测绘带的近距点、远距点；测量区域定位模块将飞机起始点地面测绘带的近距点、远距点惯性坐标系坐标数据通过与坐标转换模块交换，而转换成经纬度坐标，再根据天线姿态，确定飞机与天线倾斜方向相同的一侧的测绘带各端点，并将测绘带各端点连续排列在地图上，在显示屏中显示出来，结束。

3.如权利要求1所述的测量区域定位系统，其特征在于，在对测量带内参考目标测量时，参考目标的定位以下述步骤完成：

开始后，由地理信息定位平台向测量区域定位模块输入角反射器的点位置，测量区域定位模块将角反射器点位置的数据通过与坐标转换模块交换，而转换成惯性坐标系坐标，将此数据和地球模型模块在惯性坐标系中的数据传入测量带内参考目标参数计算模块；测量带内参考目标参数计算模块先计算角反射器对准的飞机点，再计算此飞机点的机下点，然后计算高度角，进而计算北极点在过角反射器点切面上的投影点，计算出指北角，最后，将测量带内参考目标的位置输入到地图上，在显示屏中显示出来，结束。

4.如权利要求1所述的测量区域定位系统，其特征在于，在求地面投影点时，采用了自适应迭代算法。

5.如权利要求1所述的测量区域定位系统，其特征在于，在地面参考目标位置指向的确定中，校正了磁偏角和地球曲率的影响，由此确定的指北角，准确度较高。

Images