分布式InSAR卫星的天线相位中心研究

从天线相位中心的定义出发,针对分布式干涉合成孔径雷达(InSAR)卫星基线获取过程中涉及到的“小型宽波束”全球导航卫星系统(GNSS)天线和“大型窄波束”SAR天线,首先,研究了两型天线的相位中心特性,之后,开展了天线相位中心对基线的影响分析,明确了分布式InSAR卫星相位中心的研究重点在于双星间天线相位中心准确度和稳定度的一致性控制;结合工程研制,最后,给出了两型天线相位中心不同的控制措施。文章的研究工作对分布式InSAR卫星系统的研制具有借鉴意义。

分布式InSAR三维定位的闭合形式解及其精度分析

本文对分布式InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry)目标三维定位的空间几何关系和工作原理进行了分析,给出了完整的目标定位闭合形式解;对闭合形式解进行灵敏度分析,给出了定位精度指标与系统参数精度指标之间关系的解析表达式;分析表明目标定位几何结构的好坏主要取决于视线矢量、基线矢量和主星速度矢量的空间角位置关系,其中视线、基线平面与视线、速度平面间的二面角是一个关键参数,该二面角越大,几何结构越好.最后在以ENVISAT作为主星、采用“干涉车轮”编队的InSAR系统中,给出了精度指标传递关系的蒙特卡洛仿真验证.

星载分布式InSAR测高性能的理论及系统仿真评价方法

针对星载分布式干涉合成孔径雷达(InSAR)系统空间几何构形,全面分析了卫星状态误差、干涉基线误差、干涉相位误差、时间、频率和波束三同步误差以及斜距测量误差等分布式InSAR测高误差源,给出了系统测高误差总的传递关系.以三大同步误差为重点,推导了各误差源到高程误差的理论传递模型,给出了分布式InSAR系统的理论评价方法.基于分布式InSAR全过程仿真平台,提出了一种通过构造一定平均坡度的典型场景和自然场景来进行系统仿真的实验评价新方法.通过理论和系统仿真实验两种评价方法的结合,使得分布式InSAR系统的性能评价更加全面、真实.

分布式InSAR卫星系统编队指标体系研究

天绘二号是我国首个近距离双星编队分布式InSAR卫星系统,它的出现使我国具备了全球数字表面模型和雷达正射影像获取能力。针对全球高程数据(1∶50 000)快速获取的需求,本文以天绘二号为背景,基于一体化设计理念,提出一种分布式InSAR卫星系统编队设计、控制和规划技术指标体系论证方法。本文方法在充分考虑分布式InSAR卫星编队技术指标对系统应用性能耦合影响的基础上,建立了满足图像旁向重叠度、干涉成像基线和对地观测效能3类应用需求的编队技术指标论证模型。本文方法将编队理论融入工程实践,可实现快捷、高效的分布式SAR卫星编队系统设计目标,支撑型号装备研制与地面运管系统开发。天绘二号在轨运行结果表明,卫星编队技术指标论证结果合理可行,各项性能指标分配准确。

分布式InSAR基线定标算法

分布式InSAR卫星采用绕飞编队模式，因此存在顺轨、跨轨和下轨三个基线分量。由于三个基线分量之间存在较强的相关性，导致基线定标精度难以提高。本文提出了一种基于单景数据的分布式InSAR基线定标算法，通过构建局部移动坐标系、三维基线向二维基线转换等策略，建立了高精度基线定标模型。在此基础上，通过分析基线定标原理，提出了控制点沿场景两侧布设的新思路。实验结果表明，本文提出的算法能够实现毫米级的InSAR基线定标精度。

分布式InSAR干涉基线与空间状态测量的关系分析

阐述了分布式InSAR目标三维定位原理,分析了干涉基线与空间状态测量之间的关系;给出了干涉基线的完整定义,将干涉基线分解为空间域干涉基线和时间域干涉基线,其中时间域干涉基线通过主星的绝对定轨结果获得,空间域干涉基线主要通过高精度星间相对定位结果获得;分析了卫星轨道速度、平台姿态测量、天线安装等误差对干涉基线测量精度的影响,讨论了不同基线测量体制对姿态精度的要求差异,为分布式InSAR的空间状态测量方案设计及相关测量手段精度指标的论证提供了技术支撑。

分布式InSAR编队卫星精密绝对和相对轨道确定

低轨卫星编队的精密轨道和基线确定是分布式InSAR卫星系统完成科学任务的重要前提。目前,基于GNSS数据的缩减动力学绝对和相对轨道确定是获得高精度轨道和基线产品的主要手段。本文利用天绘二号编队星载GPS实测数据,采用缩减动力学定轨方法进行编队卫星绝对和相对定轨研究。GPS数据质量分析表明,A星与B星接收机的信号跟踪能力和数据质量基本相当。通过对轨道机动进行常值加速度建模,可以有效消除机动对天绘二号编队绝对和相对定轨的影响。单星绝对定轨结果表明,6 h重叠弧段轨道差值三维(3D)RMS小于1.2 cm,A星和B星绝对轨道的卫星激光测距数据检核残差RMS分别为2.76 cm和2.33 cm。双星相对定轨结果表明,6 h重叠弧段基线差值3D RMS达到0.66 mm,本文基线产品与西安测绘研究所基线产品互比对差值RMS在径向、切向、法向和3D方向分别为0.73、1.11、0.51和1.43 mm。

分布式InSAR系统技术综述

概述分布式卫星干涉合成孔径雷达(InSAR)系统的定义、组成、工作体制、应用领域及特点。综述了4个典型的分布式卫星InSAR系统发展现状,分析了总体技术、编队控制、三同步和基线测量四项系统关键技术。讨论了分布式卫星InSAR系统的高分辨率与宽观测带、实时与准实时和多功能发展方向。针对可实现高分辨率与宽观测带的多通道技术,分析了相位中心个数与重频的关系,并以一发三收模式为例,设计分辨率1 m、观测带宽度30 km波位参数,并分析总结其技术难点。针对有望实现实时与准实时监视的中、高轨InSAR系统,分析了处理器带宽、合成孔径时间、天线尺寸、峰值功率和基线等参数与轨道高度的相互关系。以轨道高度30 000 km为例,设计分辨率5 m、覆盖范围600 km波位参数,分析并总结了系统的关键技术。

基于轨道外推的分布式卫星InSAR系统基线转换新方法

为了满足分布式卫星InSAR系统高精度干涉测高对干涉基线的要求,本文提出了利用轨道外推的基线转换新方法。利用卫星运行速度在雷达1个脉冲重复周期内变化很小这个特点,将测量基线进行插值后,根据雷达复图像配准偏移时间进行外推,得到干涉基线。仿真验证结果表明,利用该方法进行的基线转换,转换精度较高,可以满足分布式卫星InSAR系统干涉测高对干涉基线的要求。

质心误差对分布式InSAR基线确定的影响及消除

高精度星间基线确定是分布式InSAR干涉测量中的关键技术。针对卫星在轨运行期间的质心与地面标校结果不一致问题,仿真分析了星体系x、y、z不同方向1 cm质心误差对InSAR星间基线确定的影响。结果表明:x、y方向的质心误差对基线解算影响很小;z方向的质心误差对基线解算影响显著,使得InSAR基线产品中含有明显的系统误差。提出了两种消除卫星质心误差影响的方法:一是在星载GNSS定轨过程中增加轨道径向的经验加速度予以补偿;二是增加星体系z方向的质心偏差估计。实验结果表明,经两种方法处理后得到的InSAR基线3维误差由8.8 mm分别降至0.13 mm和0.09 mm,98%以上的卫星质心误差影响被消除。

多机构比对融合的分布式InSAR编队星间基线确定

星间基线高精度确定是分布式干涉合成孔径雷达(InSAR)系统完成科学任务的重要保证,受星载全球定位系统(GPS)接收机连续跟踪弧段短、个别弧段共视GPS卫星个数少或模糊度固定成功率低、频繁轨道机动等因素影响,分布式InSAR高精度基线确定仍有不可靠的风险。通过多机构产品互比来识别基线精度较差的时间段,降低不可靠风险,并通过多机构产品融合进一步提高基线精度。选用重力反演与气候实验(GRACE)卫星数据进行实验,国防科技大学(NDT)和西安测绘研究所(CHS)采用不同的基线处理软件和简化动力学策略,保证了各自的基线产品具有一定的独立性。实验表明,多机构互比对可以有效识别基线精度较差的时间段,NDT和CHS的基线产品之间具有很好的一致性,互比对残差的均方根(RMS)在R、T、N方向分别为0.7、0.9、0.7mm,二者之间没发现明显系统偏差,大约97.86%的基线三维互比对残差量级在2mm以内。两个机构基线产品融合后发现可进一步降低基线产品中的随机波动误差,K/Ka波段测距(KBR)系统校核结果表明融合基线产品精度较NDT基线产品提高8.97%,较CHS基线产品提高29.21%。

国外微波测绘卫星最新发展分析

本文在介绍国外微波测绘卫星发展现状的基础上,分析了国外微波测绘卫星发展计划,最后对国外微波测绘卫星的发展趋势和特点进行了总结。

最大相干波束同步方法及其性能验证研究

波束同步是分布式InSAR系统的关键技术之一.本文提出一种基于最大相干系数的星载分布式InSAR系统波束同步方法.分析了该波束同步方法下,双站多普勒中心频率的计算方法及双站图像信噪比的损失.进而从干涉图像对去相干、干涉处理中的独立视数以及干涉时刻配准误差的影响几个方面指出该方法相对于传统波束同步方法的优势,并进行了InSAR全流程信号级仿真验证.仿真结果表明,该方法可以有效提高分布式InSAR系统的测高定位精度.

天绘二号卫星相对定轨初步结果

高精度星间基线测量是实现天绘二号卫星任务的前提,其星间基线信息通过星载GNSS相对定轨方式获得,除星载GNSS接收机外,天绘二号卫星之间没有高精度的测距系统,导致相对定轨精度无法采用外部数据检校。为合理评价天绘二号卫星相对定轨精度,一方面,采用KBR对GRACE卫星相对定轨进行外部检核,通过GRACE卫星相对定轨结果验证软件精度;另一方面,采用西安测绘研究所和国防科技大学两家结果互差进行直接评估。计算结果表明,CRACE卫星相对定轨得到的星间基线精度可达0.8mm,两家机构的天绘二号卫星相对定轨互差在R、T、N及3D方向的RMS分别为0.9mm、1.1mm.0.4mm和1.5mm,通过GRACE卫星的间接证明和两家机构结果的互差评估,可以初步得到天绘二号卫星相对定轨三维位置精度优于2mm的结论。