CN109407089B - 一种星载双侧视宽刈幅干涉成像高度计基线倾角估计方法 - Google Patents

一种星载双侧视宽刈幅干涉成像高度计基线倾角估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星载双侧视宽刈幅干涉成像高度计基线倾角估计方法，所述方法包括：根据右侧视的基线倾角测量值设置基线倾角取值的范围和步长，由此得到若干个基线倾角值；在每一个基线倾角值下反演海面高度，分别得到左侧视海面高度向量和右侧视海面高度向量；对左侧视海面高度向量和右侧视海面高度向量分别做差分，得到左侧视差分向量和右侧视差分向量；分别计算左侧视差分向量和右侧视差分向量的刈幅内的平均值，绘制两条差分曲线；取任意一条差分曲线进行x轴对称反转得到反转差分曲线，计算反转差分曲线与另一条差分曲线的交点对应的基线倾角值作为高度计的右侧视基线倾角估计值，左侧视基线倾角估计值为π减去该右侧视基线倾角估计值。

Description

一种星载双侧视宽刈幅干涉成像高度计基线倾角估计方法
技术领域
本发明涉及干涉成像高度计信号处理技术领域，具体涉及一种星载双侧视宽刈幅干涉成像高度计基线倾角估计方法。
背景技术
干涉成像高度计是近年来发展的一种新型雷达高度计，采用小角度偏离天顶点观测和短基线干涉测量方法，可实现幅宽几十公里甚至上百公里范围内的高精度海平面高度测量。如果采用左右双侧视观测，刈幅宽度可以再增加一倍。相比于传统的星下点观测的高度计，干涉成像高度计可以极大提高海洋观测和监视的效率，并满足中尺度及亚中尺度以下海洋环境的观测需求。对干涉成像高度计来说，基线倾角误差是影响绝对测高精度的主要因素之一，对基线倾角的准确测量或估计是实现高精度海平面高度测量的必要前提。而目前直接测量手段无法满足精度要求，必须进行估计。对于双侧视宽刈幅干涉成像高度计来说，双侧观测不仅使得刈幅宽度增加，而且给基线倾角估计带来了独有的优势，但目前还没有只针对双侧视干涉成像高度计的基线倾角估计方法。现有的干涉成像高度计基线参数估计方法主要有两类，是单侧视和双侧视干涉成像高度计都可以采用的。一类是依赖地面控制点的外定标方法，这种方法对地面控制点的选取、布局和测量都有较高要求，实现起来常有困难且不能经常重访；另一类是基于高度计观测数据本身进行基线长度和基线倾角、干涉相位***偏差的联合估计，这一类方法较为复杂、运算量大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，基于双侧视宽刈幅干涉成像高度计的基线倾角误差在左右两侧刚好是相反量的特点，提出了一种只针对双侧视干涉成像高度计的基线倾角估计方法，该方法简单有效。
为了实现上述目的，本发明提供了一种星载双侧视宽刈幅干涉成像高度计基线倾角估计方法，所述方法包括：
根据右侧视的基线倾角测量值设置基线倾角取值的范围和步长，由此得到若干个基线倾角值；
在每一个基线倾角值下反演海面高度，分别得到左侧视海面高度向量和右侧视海面高度向量；
对左侧视海面高度向量和右侧视海面高度向量分别做差分，得到左侧视差分向量和右侧视差分向量；
分别计算左侧视差分向量和右侧视差分向量的刈幅内的平均值，绘制两条差分曲线；
取任意一条差分曲线进行x轴对称反转得到反转差分曲线，计算反转差分曲线与另一条差分曲线的交点对应的基线倾角值作为高度计的右侧视基线倾角估计值，高度计的左侧视基线倾角估计值为π减去该右侧视基线倾角估计值。
作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：
步骤1)通过卫星定位装置得到右侧视的基线倾角测量值为αc，则基线倾角值αR的取值范围设置为[αc-N*Δα,αc+N*Δα]，即αR以αc为中心、以Δα为步长取2N+1个值，N为自然数；
步骤2)在每一个基线倾角值下反演海面高度，得到2N+1个左侧视海面高度向量和2N+1个右侧视海面高度向量其中i＝1,2……2N+1，θj为高度计视角，j＝1,…M，M为视角取值的总数；
步骤3)对左侧视海面高度向量和右侧视海面高度向量分别做差分，得到2N个左侧视海面高度差分向量和2N个右侧视海面高度差分向量即其中i＝1,2……2N，j＝1,…M；
步骤4)以视角θj为变量，对2N个左侧视海面高度差分向量和2N个右侧视海面高度差分向量分别求均值，得到2N个左侧视海面高度差分值和2N个右侧视海面高度差分值
然后以i为x轴的取值，和为y轴的取值，分别绘制两条差分曲线；
步骤5)取的差分曲线进行x轴对称反转得到反转曲线，计算反转曲线与差分曲线的交点对应的基线倾角值作为高度计的右侧视基线倾角估计值，高度计的左侧视基线倾角估计值为π减去该右侧视基线倾角估计值；
或者：
取的差分曲线进行x轴对称反转得到反转曲线，计算反转曲线与差分曲线的交点对应的基线倾角值作为高度计的右侧视基线倾角估计值，高度计的左侧视基线倾角估计值为π减去该右侧视基线倾角估计值。
本发明的优势在于：
本发明的方法不依赖地面控制点，只利用高度计本身观测数据，方法简单，并且可独立估计基线倾角，估计精度高。
附图说明
图1为干涉成像高度计测高原理示意图；
图2仿真试验结果：左右侧视的差分曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是干涉成像高度计测高原理示意图。目标高度h的求解可以用以下式子表示：
其中α为基线倾角，ξ为基线与主天线视线的夹角，θ为高度计视角，r为高度计天线到目标的距离，H为轨道高度，R0为目标所在位置的参考椭球半径。
由于要计算不同的基线倾角下的目标高度值，可将h记为α的函数：
h＝f(α) (2)
左右侧视的基线倾角αL和αR有如下关系：αL＝π-αR，当右侧视的基线倾角存在误差αe，即αR＝αR0+αe，其中αR0为右侧视真实的基线倾角，那么左侧视的基线倾角αL＝π-αR0-αe＝αL0-αe，其中αL0为左侧视真实的基线倾角。由此可知，基线倾角误差在左右两侧刚好是相反量。左右侧视的目标高度hR、hL分别如下：
hR＝f(αR)＝f(αR0+αe) (3)
hL＝f(αL)＝f(π-αR)＝f(αL0-αe) (4)
基线倾角估计的第一步是设定自变量取值范围，我们将αR作为自变量。首先通过卫星定位装置等手段得到右侧视的基线倾角测量值αc，以αc为中心来设置αR的合理范围和步长。以Δα为步长、以[αc-N*Δα,αc+N*Δα]为取值范围得到2N+1个αR的值，并计算与之对应的αL的值。接下来对每一个αR和αL计算相应的hR和hL，然后对hR和hL分别求导可得
由上两式可知，如将记为g(αe)，则容易看出，当αe＝0，即基线倾角误差为0时，下式成立
并且因为g(αe)是单调函数，所以αe＝0是式(7)的唯一解，此时αR＝αR0。
g(αe)的单调性证明如下：
对g(αe)再次求导得到
由图1的几何关系易知(H+R0)cosθ-r＞0且H+R0-rcosθ＞0，所以g′(αe)＞0，故而g(αe)为单调函数。
在实际处理中，前述求导操作是通过求差分来实现的。由式(5)和式(6)可知，差分结果是与视角θ有关的向量，这一步得到2N个左侧视海面高度差分向量和2N个右侧视海面高度差分向量i＝1,2……2N，j＝1,……M，M为视角取值的总数。对每一个海面高度差分向量以视角θj为变量求均值，得到2N个左侧视海面高度差分值和2N个右侧视海面高度差分值最后一步求解式(7)，具体实现方法是将和分别画成曲线，两条曲线取任意一条关于x轴进行对称反转得到反转曲线，计算反转曲线与另一条曲线的交点，它对应的αR或αL的值即为基线倾角的准确估计值。
图2给出了利用本方法进行双侧视宽刈幅干涉成像高度计基线倾角估计的仿真试验结果。主要仿真参数如表1：
表1主要仿真参数
图2中实线是右侧视的差分曲线，虚线是左侧视的差分曲线关于x轴的对称曲线，x轴是右侧视的基线倾角αR的变化，两条曲线的交点对应的αR的值即得到的基线倾角估计值为90.149919°，相比仿真参数设置的90.15°，估计误差仅为8.1×10-5°
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种星载双侧视宽刈幅干涉成像高度计基线倾角估计方法，所述方法包括：
根据右侧视的基线倾角测量值设置基线倾角取值的范围和步长，由此得到若干个基线倾角值；
在每一个基线倾角值下反演海面高度，分别得到左侧视海面高度向量和右侧视海面高度向量；
对左侧视海面高度向量和右侧视海面高度向量分别做差分，得到左侧视差分向量和右侧视差分向量；
分别计算左侧视差分向量和右侧视差分向量的刈幅内的平均值，绘制两条差分曲线；
取任意一条差分曲线进行x轴对称反转得到反转差分曲线，计算反转差分曲线与另一条差分曲线的交点对应的基线倾角值作为高度计的右侧视基线倾角估计值，高度计的左侧视基线倾角估计值为π减去该右侧视基线倾角估计值。
2.根据权利要求1所述的星载双侧视宽刈幅干涉成像高度计基线倾角估计方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1)通过卫星定位装置得到右侧视的基线倾角测量值为αc，则基线倾角值αR的取值范围设置为[αc-N*Δα,αc+N*Δα]，即αR以αc为中心、以Δα为步长取2N+1个值，N为自然数；
步骤2)在每一个基线倾角值下反演海面高度，得到2N+1个左侧视海面高度向量和2N+1个右侧视海面高度向量其中i＝1,2……2N+1，θj为高度计视角，j＝1,…M，M为视角取值的总数；
步骤3)对左侧视海面高度向量和右侧视海面高度向量分别做差分，得到2N个左侧视海面高度差分向量和2N个右侧视海面高度差分向量即其中i＝1,2……2N，j＝1,…M；
步骤4)以视角θj为变量，对2N个左侧视海面高度差分向量和2N个右侧视海面高度差分向量分别求均值，得到2N个左侧视海面高度差分值和2N个右侧视海面高度差分值
然后以i为x轴的取值，和为y轴的取值，分别绘制两条差分曲线；
步骤5)取或者的差分曲线进行x轴对称反转得到反转曲线，计算反转曲线与另一条未做反转的差分曲线的交点对应的基线倾角值作为高度计的右侧视基线倾角估计值，高度计的左侧视基线倾角估计值为π减去该右侧视基线倾角估计值。
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