CN212364597U - 用于雷达卫星和gnss卫星的高精度定标定位装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于雷达卫星和GNSS卫星的高精度定标定位装置，包括：底板；固定在所述底板上可旋转的基座；固定在所述基座上的安装台，所述安装台的顶部具有GNSS天线安装结构，第一侧面和第二侧面与水平面的切线分别与升降轨雷达卫星飞行方向一致，所述第一侧面和所述第二侧面与铅垂面的夹角分别适配升降轨雷达卫星本地入射角；以及用于反射雷达卫星信号的两个二面角反射器，所述两个二面角反射器固定在所述安装台的所述第一侧面和所述第二侧面上，并实现其分别平行于雷达升降轨方向以及分别适应升降轨雷达信号本地入射角。本公开的定标定位装置实现对雷达卫星信号二面直角反射的RCS理论最大值，可用于星载SAR辐射定标，InSAR变形监测并同步实现GNSS定位。

Description

用于雷达卫星和GNSS卫星的高精度定标定位装置

技术领域

本公开属于雷达卫星遥感影像的辐射定标和几何定标、差分雷达干涉测量、雷达卫星时间序列分析技术监测地表变形等领域，同时也涉及GNSS高精度变形监测领域，具体涉及一种用于雷达卫星和GNSS卫星的高精度定标定位装置。

背景技术

人工三角反射器作为良好的无源雷达定标设备，可为星载SAR影像进行准确的辐射定标。目前常用的金属人工三角反射器的反射结构主体为正三棱锥，它具有相对稳定的、较大的雷达截面积，一般为电大尺寸，并且表现出与波长和尺寸无关的3dB波束宽度。有时为了获取更大的雷达后向散射能量，也将其做成三个正方形平面相互垂直。从已知的雷达散射理论公式及相关推论可知，人工三角反射器能在较大范围(<40°)入射角的条件下，保持稳定的强散射特性。同时，角反射器的散射强度最大值区域也具有很强的方向性，散射强度值是雷达信号入射角的函数，尽量将人工角反射器的中心轴线对准雷达卫星的本地入射角。当不能达到这个要求时，需要精确测量人工角反射器中心轴线相对于雷达卫星的本地入射角的差异，用于SAR图像高精度辐射定标的参考依据。由此可知人工角反射器的安置仰角需要随雷达卫星天线本地入射角的变化而精确调整。

利用人工角反射器进行SAR影像定标时另一个需要关注的角度是雷达卫星飞行方向与人工角反射器轴线垂直的开口方向的夹角，对于正三棱锥形的三角反射器而言，是指其中一条边的方向应该与卫星飞行方向保持平行。对于二面角反射器而言，其两个垂直的反射面连线应与雷达卫星的飞行方向保持平行。在这种情况下，雷达散射RCS才能保证达到最大值，因此，人工角反射器的水平方位定向也有较高的要求。

基于人工三角反射器的变形监测技术自从1992年欧空局雷达卫星ERS1/2发射后就在地震板块运动、火山监测、地面沉降、山体滑坡等领域得到了应用。国内外众多学者也持续的在角反射器形变监测领域开展着研究工作。布置在滑坡体、人工边坡以及大型人工基础设施上的小型人工角反射器避免了自然地物目标的雷达散射相位信号失相干的问题，从而可以提取长时序的雷达视线向变形结果，精度最高可达1～3mm。相比于滑坡体上的GNSS变形监测装置，由于它不需要电源和网络通信，批量造价成本低廉，有望成为通用型的坡体形变监测设备。高精度测量型GNSS变形监测接收机可以获取高精度(1～3mm)的水平位移，但是在高程方向的变形监测能力受大气对流层的影响，一直难以提高，精度约为3～5mm。因此，GNSS与人工角反射器融合的装置在边坡监测、大型基础设施变形监测领域有很好的应用潜力。

实用新型内容

本公开的至少一个实施例提供一种用于雷达卫星和GNSS卫星的高精度定标定位装置。可便利的实现对雷达卫星升降轨飞行方向的高精度对准，以及精确适应雷达信号本地入射角，从而实现对雷达卫星信号二面角反射的RCS理论最大值，一方面可用于高精度的雷达辐射定标和几何定标，另一方面用于高精度的变形监测，并在同一个装置上实现高精度的GNSS水平变形监测能力和高精度的InSAR垂直变形监测能力。

本公开的至少一个实施例提供一种定标定位装置，包括：

底板；

固定在所述底板上可旋转的基座；

固定在所述基座上的安装台，所述安装台的第一侧面和第二侧面与水平面的切线分别与升降轨雷达卫星飞行方向一致，所述第一侧面和所述第二侧面与铅垂面的夹角分别适配升降轨雷达卫星本地入射角；以及

用于反射雷达卫星信号的两个二面角反射器，所述两个二面角反射器固定在所述安装台的所述第一侧面和所述第二侧面上，并实现其分别平行于雷达升降轨方向以及分别适应升降轨雷达信号本地入射角。

在一些示例中，所述安装台的顶部具有GNSS天线安装结构。

在一些示例中，所述安装台为中空结构。

在一些示例中，所述安装台可拆卸地固定在所述基座上，所述两个二面角反射器可拆卸地固定在所述安装台的所述第一侧面和所述第二侧面上。

在一些示例中，所述基座包括：

套筒，与所述底板固定连接；

转轴，与所述安装台的底部固定连接并置于所述套筒内；和

紧固件，用于将所述套筒和所述转轴紧固在一起，且在所述紧固件松开后所述转轴相对所述套筒可转动。

在一些示例中，所述两个二面角反射器均包括相互垂直的两块金属板。

在一些示例中，所述金属板的形状为半圆形、矩形、梯形或者凸多边形。

所述安装台的所述第一侧面和所述第二侧面的角度设计，可适应雷达卫星本地入射角的垂直二面角板结构，支持二面角反射器的中心轴线准确对准雷达信号，精度可达1°左右，该结构大大提高了二面角雷达后向散射能量，对雷达高精度辐射定标和几何定位具有重要的价值。

所述安装台的顶部和底部梯形平面的角度设计，可实现所述两个二面角反射器半圆弦边与升降轨的雷达飞行方向保持平行，其定向精度可达1°左右，同时通过设置在所述安装台顶部的指北线，方便的实现定标定位装置水平方位的安装工作。

通过所述安装台顶部的GNSS天线安装结构，可进行GNSS天线的安装，实现了GNSS水平变形监测和高精度的InSAR变形监测在一个点位上的完全同步观测。可克服滑坡体表面植被覆盖较多导致的失相干困扰，实现高精度的InSAR变形监测，也可用于大型基础设施如大坝，高速公路或者高铁路基，河堤江堤等区域与GNSS变形监测在同一点位实现观测值融合。

所述可旋转的基座实现了定标定位装置的精确指北，在高精度地质罗盘加本地磁偏角精确纠正的条件下可实现1°左右的指北精度。

本公开的定标定位装置为分体式结构，通过更换不同倾角和水平方位角的所述安装台，实现在同一个站点对不同雷达卫星入射角的精确对准，以及不同雷达飞行方向的精确对准，从而实现同一站点对多源雷达影像的高精度辐射定标和高精度定位。

所述两个二面角反射器为分体式结构，通过更换不同弦长的二面角反射器，可实现不同RCS参数的调整，满足不同背景条件下的信杂比要求。在背景强度弱的地点选取小尺寸二面角反射面板，在背景强度大的地点选取大尺寸的二面角反射面板，从而使本公开适应多种背景环境下的安装调试。如在陡峭的边坡条件下，只能有一个卫星轨道可测，则可以只安装一个卫星可见的二面角反射器，忽略安装卫星不可见的二面角反射器，并不影响本设备的性能指标和精度，且会节省成本。

基座和底板为通用部件，方便批量生产，可由制作水泥墩的建设人员先期安装在水泥观测墩上，减少专业人员现场安装的时间。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本公开一实施例提供的定标定位装置示意图。

图2为图1所示的定标定位装置另一视角示意图。

图3为本公开一实施例提供的二面角反射器示意图。

图4为本公开一实施例提供的直角状的连接件示意图。

图5为本公开一实施例提供的安装台示意图。

图6为本公开一实施例提供的安装台在雷达右视条件下的方位角度设置原则示意图。

图7为本公开一实施例提供的安装台在雷达左视条件下的方位角度设置原则示意图。

图8为本公开一实施例提供的安装台两个四边形侧面与铅垂面的倾角α，β示意图。

图9为本公开一实施例提供的安装台在雷达右视升轨条件下本地入射角的参数设置示意图。

图10为本公开一实施例提供的安装台在雷达右视降轨条件下本地入射角的设置方法示意图。

图11为本公开一实施例提供的底板、基座、安装台和GNSS天线连接件示意图。

图12为本公开一实施例提供的GNSS天线连接件示意图。

图13为本公开一实施例提供的可旋转基座示意图。

图14为本公开一实施例提供的底板示意图。

附图标记说明：

1-第一面板；

2-第二面板；

3-第三面板；

4-第四面板；

5-安装台；

6-连接件；

7-GNSS天线连接件；

8-基座；

9-底板；

10-升轨雷达卫星飞行方向；

11-降轨雷达卫星飞行方向。

具体实施方式

图1为本公开一实施例提供的定标定位装置的示意图；图2为图1所示的定标定位装置另一视角的示意图。如图1和图2，定标定位装置包括用于反射雷达卫星信号的两个二面角反射器，所述两个二面角反射器中的一个包括相互垂直的第一面板1和第二面板2，所述两个二面角反射器中的另一个包括相互垂直的第三面板3和第四面板4。如图3，可通过图4所示的直角状的连接件6实现第一面板1和第二面板2，以及第三面板3和第四面板4的垂直连接，连接件6及面板1，2，3，4对应位置上具有用于安装紧固螺栓的螺孔。面板1，2，3，4为金属材质，具体材料可包括铝合金和弱磁性不锈钢，避免生锈及在罗盘定向时产生磁场干扰。此外，面板1，2，3，4的形状可以是半圆形、矩形、梯形或者凸多边形，尺寸及面板形状的变化，对应不同的RCS取值，实现不同场景下辐射定标需求。

图5展示了安装所述两个二面角反射器的安装台5，该安装台5可采用梯形台，所述两个二面角反射器的第一面板1和第三面板3可通过螺钉或螺栓分别固定在安装台5的第一侧面(平行四边形侧面)和第二侧面(另一平行四边形侧面)。如图6-图10，安装台5的所述第一侧面和所述第二侧面与水平面构成的两条切线方向(α₁，α₂)与升降轨雷达卫星的轨道方向相适配，所述第一侧面和所述第二侧面与铅垂面构成的两个夹角(α,β)与升降轨雷达卫星的本地入射角(η₁，η₂)相适配。

安装台5的尺寸及角度的确定方法如下：通过雷达卫星影像参数文件精确计算升降轨卫星飞行方向方位角，并推导出升轨雷达卫星的飞行轨道10与真北方向的夹角α₁(也即第二面板2的半圆弦在水平地面上的投影与真北方向的夹角)，及降轨雷达卫星飞行轨道11与真北方向的夹角α₂(也即第四面板4的半圆弦在水平地面上的投影与真北方向的夹角)。根据夹角α₁，α₂确定梯形结构的安装台5顶部梯形面和底部梯形面的图形角度，参考图6和图7。同理，根据卫星影像参数文件确定升降轨卫星针对角反射器位置的本地入射角(η₁，η2)计算安装台5两个四边形侧面(所述第一侧面和所述第二侧面)的倾角α，β，具体计算公式见图9、图10，依据倾角α，β进行安装台5的精确定制加工。需要指出的是，如图9，图10中的公式所示，当雷达卫星本地入射角η₁和η₂等于45°时，倾角α，β为直角，安装台5的顶部梯形面与底部梯形面完全相等；当η₁和η₂大于45°时，倾角α，β为钝角，安装台5的顶部梯形面的尺寸大于底部梯形面。

安装台5的这种构造使二面角反射器能够实现最大雷达RCS散射截面积。即确保了所述两个二面角反射器安装的方位角与升降轨雷达飞行方向10，11保持完全一致，且使二面角轴线与雷达本地入射角保持完全一致，实现对升降轨雷达卫星信号的最大反射能力。第二面板2和第一面板1相接的半圆弦边在水平面上的投影与升轨雷达卫星飞行方向10一致，第三面板3和第四面板4相接的半圆弦边在水平面上的投影与降轨雷达卫星飞行方向11一致。安装台5的顶面梯形结构和底面梯形结构可以根据雷达卫星轨道进行调整，以满足不同纬度地区和不同雷达卫星的条件下卫星升降轨方位角的精确调整，通用性强。

此外，安装台5顶面设置了一条指北线，当雷达卫星拍摄模式为右视的情况下，如图6所示，安装台5顶面的梯形底边(长边)朝向北方，顶边(短边)朝向南方；当雷达卫星拍摄模式为左视的情况下，安装台5顶面的梯形底边(长边)朝向南方，顶边(短边)朝向北方。以上为在北半球的指北方向的安装模式，在南半球的安装方法相应于升降轨卫星飞行方向和雷达左右视方向，安装方法与此类似。

继续参考图5，安装台5顶面设置了用于与GNSS天线连接件7连接的螺孔，并标识了梯形中心线为指北线。安装台5底面设置了用于连接可旋转基座8的螺孔。此外，安装台5由通过螺钉可拆卸地固定在一起的U型槽结构和支撑板组成，这种中空构造减轻了设备的重量，安装台5两个梯形侧面显示了中空构造。

如图11，安装台5的顶部安装有GNSS天线连接件7，安装台5的底部与可旋转的基座8固定连接，基座8则固定在底板9上。安装台5与GNSS天线连接件7可通过螺纹连接。安装台5与基座8可通过螺栓或螺钉实现可拆卸连接，基座8与底板9也可通过螺栓或螺钉实现可拆卸连接。

图12展示了GNSS天线连接件7，其两端为螺杆，一端适应测绘仪器如反射棱镜、GNSS天线等设备的安装，另一端与安装台5顶部轴线上的螺孔固定连接。

图13展示了可旋转的基座8包括套筒、转轴和紧固件，所述套筒与底板9固定连接，所述转轴与安装台5的底部固定连接并置于所述套筒内，所述紧固件用于将所述套筒和所述转轴紧固在一起，且在所述紧固件松开后所述转轴相对所述套筒可转动。可旋转的基座8使得所述两个二面角反射器能随安装台5水平旋转，用于精确找寻北方向以及适合雷达左视和右视条件。

图14展示了底板9，底板9的中心设置了用于与所述套筒固定连接的螺孔，底板9的四边设计了较大的安装孔，用于安装膨胀螺栓将其固定于水泥观测墩或者地面。

下面介绍本公开定标定位装置的组装方法：

首先，通过螺丝将可旋转基座8的所述套筒紧固在底板9上，使用螺栓将底板9固定在水泥观测墩上，水泥观测墩的表面在制作时应保证水平，误差在1°以内；

其次，将GNSS天线连接件7固定在安装台5顶部的螺孔中，使用螺栓将安装台5与基座8的所述转轴固定连接，将所述转轴置于所述套筒内；

再次，使用直角状的连接件6及螺钉实现第一面板1和第二面板2，以及第三面板3和第四面板4的垂直连接。

最后，使用螺钉或螺栓将第一面板1和第三面板3分别固定在安装台5的所述第一侧面(平行四边形侧面)和所述第二侧面(另一平行四边形侧面)。水平转动安装台5，在使用地质罗盘加上本地磁偏角改正数，确定安装台5上面的指北线对准到真实北方向后，使用螺丝将基座8的所述套筒和所述转轴紧固在一起，完成安装。

当利用地质罗盘精确将指北线瞄准真北方向时，注意查找出本地磁偏角精确到0.1°，安装时注意扣除磁偏角的影响。上述方法同样适用于南半球相同的卫星轨道雷达成像模式，只是上述安装过程的南北方向要做个对调。

本公开水平方位的实际安装精度可达正负1度左右，满足高精度形变观测的需求，以及高精度雷达卫星辐射定标和几何定标的要求。

Claims (7)

1.一种定标定位装置，其特征在于，包括：

底板；

固定在所述底板上可旋转的基座；

固定在所述基座上的安装台，所述安装台的第一侧面和第二侧面与水平面的切线分别与升降轨雷达卫星飞行方向一致，所述第一侧面和所述第二侧面与铅垂面的夹角分别适配升降轨雷达卫星本地入射角；以及

用于反射雷达卫星信号的两个二面角反射器，所述两个二面角反射器固定在所述安装台的所述第一侧面和所述第二侧面上，并实现其分别平行于雷达升降轨方向以及分别适应升降轨雷达信号本地入射角。

2.根据权利要求1所述的定标定位装置，其特征在于，所述安装台的顶部具有GNSS天线安装结构。

3.根据权利要求1所述的定标定位装置，其特征在于，所述安装台为中空结构。

4.根据权利要求1所述的定标定位装置，其特征在于，所述安装台可拆卸地固定在所述基座上，所述两个二面角反射器可拆卸地固定在所述安装台的所述第一侧面和所述第二侧面上。

5.根据权利要求1所述的定标定位装置，其特征在于，所述基座包括：

套筒，与所述底板固定连接；

转轴，与所述安装台的底部固定连接并置于所述套筒内；和

紧固件，用于将所述套筒和所述转轴紧固在一起，且在所述紧固件松开后所述转轴相对所述套筒可转动。

6.根据权利要求1所述的定标定位装置，其特征在于，所述两个二面角反射器均包括相互垂直的两块金属板。

7.根据权利要求6所述的定标定位装置，其特征在于，所述金属板的形状为半圆形、矩形、梯形或者凸多边形。

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