CN112346028B - 分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法及***，方法包括：步骤1：通过主星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP01；步骤2：计算方位向波束指向AP02；步骤3：判断|AP01‑AP02|是否超出门限；步骤4：通过辅星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP11；步骤5：计算多普勒中心AP12；步骤6：判断|AP11‑AP12|是否超出门限；步骤7：选取|AP01‑AP02|、|AP11‑AP12|同时处于门限范围内的测试样本对，则方位向空间同步测试结果为|AP12‑AP02|/AW×100％，AW为主星方位向波束宽度；步骤8：计算各组测试样本结果，对各组计算值取平均，进一步降低随机误差，并获取最终测试结果。本发明可有效获取分布式InSAR卫星在轨方位向空间同步测试结果。

Description

分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法及***
技术领域
本发明涉及航天***技术领域，具体地，涉及一种分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法及***。
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(DSM)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DSM。分布式卫星InSAR***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DSM。由于SAR发射天线和接收天线分置在不同的卫星平台上，要实现单星SAR成像以及InSAR干涉测量，收发天线波束必须能同时覆盖同一地面照射区域，实现双星SAR波束的空间同步，以保证辅星能够接收到足够的回波能量并与主星保持较好的相干性。
本发明针对最大相干法，提出了一种方位向空间同步指标的在轨测试方法。采用最大相干法的分布式InSAR卫星，主辅星SAR均以正侧视模块工作，SAR方位向波束宽度相同、波束指向均处于各自的全零多普勒面内，如图2所示。最大相干法下的方位向空间同步要求主辅星分别按照各自的姿态导引规律将波束照射在同一个垂直于卫星飞行方向的测绘带内，该模块下主辅星回波多普勒中心频率残余误差较小，且基本相同，保证了较高的多普勒去相干指标，对InSAR***获取高精度DSM 产品提供有力支持。
公开号为CN106054185的专利文献“一种基于分布式POS的机载双天线InSAR 基线计算方法”解决的是机载双天线InSAR基线的计算方法，而本发明中主要解决的是分布式InSAR卫星空间同步在轨运行的测试方法，两者的应用方向、适用范围、技术途径上均有明显差异。
基于卫星编队InSAR空间同步对***性能影响的分析，武汉大学学报(信息科学版)，200710。主要差异：本专利主要解决的是分布式InSAR卫星空间同步在轨运行的测试方法，而该论文主要论证了编队条件下InSAR高程测量对空间同步的要求并分析了空间同步对InSAR***的高程测量精度和分辨率的影响，应用方向、适用范围、技术途径上均有明显差异。
干涉SAR卫星编队波束同步方法，中国空间科学技术，201005。主要差异：本专利主要解决的是分布式InSAR卫星空间同步在轨运行的测试方法，而该论文主要提出了通过卫星编队姿态导引完成波束同步的工程实现途径，应用方向、适用范围、技术途径上均有明显差异。
一种实用化的星机双基地SAR空间同步方法，电子与信息学报，200806。主要差异：本专利主要解决的是分布式InSAR卫星空间同步在轨运行的测试方法，而该论文主要提出卫星和飞机收发平台波束指向的空间同步实现途径，应用方向、适用范围、技术途径上均有明显差异。
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卫星方位向空间同步在轨测试方法及***。
根据本发明的一个方面，提供了一种分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法，包括如下步骤：
步骤1：通过主星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP01；
步骤2：利用观测热带雨林地区的回波数据计算多普勒中心，并计算方位向波束指向AP02；
步骤3：判断|AP01-AP02|是否超出门限，若处于门限值内可进行下步工作，若超门限值则该段数据不满足测试要求，更换样本；
步骤4：通过辅星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP11；
步骤5：利用观测热带雨林地区的回波数据计算多普勒中心AP12；
步骤6：判断|AP11-AP12|是否超出门限，若处于门限值内可进行下步工作，若超门限值则该段数据不满足测试要求，更换样本；
步骤7：选取|AP01-AP02|、|AP11-AP12|同时处于门限范围内的测试样本对，则方位向空间同步测试结果为|AP12-AP02|/AW×100％，AW为主星方位向波束宽度；
步骤8：计算各组测试样本结果，对各组计算值取平均，进一步降低随机误差，并获取最终测试结果。
优选地，所述步骤1中，AP01的计算方法是，设卫星偏航角为ψ，滚动角为
Figure BDA0002754368630000032
俯仰角为θ，卫星斜飞角度为α，则
AP01＝θcosα-ψsinα。
优选地，所述步骤2中，AP02的计算方法是，设多普勒中心频率为fd，卫星速度为v，SAR载波频率为fc，光速为c，则
Figure BDA0002754368630000031
优选地，所述步骤2中，分布式卫星测试时过热带雨林地区需尽量一致，要求多星测试区域相差不超过10％，否则测试精度下降严重；有效测试样本对越多测试精度越高，本专利方法要求远视角下有效样本Sfar、中视角下有效样本Smiddle、近视角下有效样本Snear至少各2组才能保证本测试方法精度。
优选地，所述步骤3中，判断|AP1-AP0|是否超出门限，主辅星对同一雨林地区的回波数据同时处于门限内则为有效样本，若主辅星任一数据超门限则为无效样本；
门限值的设置与SAR工作频段、卫星姿态导引规律和产品生产水平因素相关，可由使用者根据实际情况自行选取。
根据本发明的另一个方面，提供了一种分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试***，包括：
模块M1：通过主星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP01；
模块M2：利用观测热带雨林地区的回波数据计算多普勒中心，并计算方位向波束指向AP02；
模块M3：判断|AP01-AP02|是否超出门限，若处于门限值内可进行下步工作，若超门限值则该段数据不满足测试要求，更换样本；
模块M4：通过辅星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP11；
模块M5：利用观测热带雨林地区的回波数据计算多普勒中心AP12；
模块M6：判断|AP11-AP12|是否超出门限，若处于门限值内可进行下步工作，若超门限值则该段数据不满足测试要求，更换样本；
模块M7：选取|AP01-AP02|、|AP11-AP12|同时处于门限范围内的测试样本对，则方位向空间同步测试结果为|AP12-AP02|/AW×100％，AW为主星方位向波束宽度；
模块M8：计算各组测试样本结果，对各组计算值取平均，进一步降低随机误差，并获取最终测试结果。
优选地，所述模块M1中，AP01的计算方法是，设卫星偏航角为ψ，滚动角为
Figure BDA0002754368630000042
俯仰角为θ，卫星斜飞角度为α，则
AP01＝θcosα-ψsinα。
优选地，所述模块M2中，AP02的计算方法是，设多普勒中心频率为fd，卫星速度为v，SAR载波频率为fc，光速为c，则
Figure BDA0002754368630000041
优选地，所述模块M2中，分布式卫星测试时过热带雨林地区需尽量一致，要求多星测试区域相差不超过10％，否则测试精度下降严重；有效测试样本对越多测试精度越高，本专利方法要求远视角下有效样本Sfar、中视角下有效样本Smiddle、近视角下有效样本Snear至少各2组才能保证本测试方法精度。
优选地，所述模块M3中，判断|AP1-AP0|是否超出门限，主辅星对同一雨林地区的回波数据同时处于门限内则为有效样本，若主辅星任一数据超门限则为无效样本；
门限值的设置与SAR工作频段、卫星姿态导引规律和产品生产水平因素相关，可由使用者根据实际情况自行选取。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明可用于分布式InSAR卫星的在轨测试工作，提出一种最大相干法下方位向空间同步指标的在轨测试手段；
2、本发明可有效获取最大相干法分布式InSAR卫星在轨方位向空间同步测试结果；
3、本发明具备在轨测试数据的有效性检查功能，可以通过设置门限筛选出由于地形地貌变化造成的无效数据，提升了测试算法的有效性及可靠性。
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为分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法的处理步骤流程图；
图2为方位向空间同步示意图。
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。
本发明提供了一种分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法，如图1所示，在本实施例中，具体实现步骤如下：
(1)通过主星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP01；
(2)利用观测热带雨林地区的回波数据计算多普勒中心，并计算方位向波束指向AP02；
(3)判断|AP01-AP02|是否超出门限，若处于门限值内可进行下步工作，若超门限值则该段数据不满足测试要求，更换样本；
(4)通过辅星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP11；
(5)利用观测热带雨林地区的回波数据计算多普勒中心AP12；
(6)判断|AP11-AP12|是否超出门限，若处于门限值内可进行下步工作，若超门限值则该段数据不满足测试要求，更换样本；
(7)选取|AP01-AP02|、|AP11-AP12|同时处于门限范围内的测试样本对，则方位向空间同步测试结果为|AP12-AP02|/AW×100％，AW为主星方位向波束宽度。
(8)计算各组测试样本结果，对各组计算值取平均，进一步降低随机误差，并获取最终测试结果。
需要特殊说明的是，门限值的设置与SAR工作频段、卫星姿态导引规律、产品生产水平等诸多因素相关，可由使用者根据实际情况自行选取。
以德国TanDEM-X***为例，主要信息如表1所示：
表1 TanDEM-X卫星***信息
Figure BDA0002754368630000051
Figure BDA0002754368630000061
以巴西境内赤道附近的亚马逊热带雨林地区为例，指向测量精度(即AP01、AP11精度)为0.01°；多普勒中心估计精度为30Hz，折算至AP02、AP12的计算精度约0.0025°；因此门限值可设置为0.015°，本发明应用在德国TanDEM-X***上，单组测试样本的测试精度可达(0.0025°+0.0025°)/0.33°×100％＝1.5％，通过对多组有效样本的测试结果取平均，可进一步降低随机误差，测试精度有望进一步提高。
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 (10)

1.一种分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法，其特征在于，包括：
步骤1：通过主星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP01；
步骤2：利用观测热带雨林地区的回波数据计算多普勒中心，并利用主星观测的数据计算方位向波束指向AP02；
步骤3：判断|AP01-AP02|是否超出门限，若处于门限值内可进行下步工作，若超门限值则该回波数据不满足测试要求，更换样本；
步骤4：通过辅星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP11；
步骤5：利用观测热带雨林地区的回波数据计算多普勒中心，并利用辅助观测的数据计算方位向波束指向AP12；
步骤6：判断|AP11-AP12|是否超出门限，若处于门限值内可进行下步工作，若超门限值则该回波数据不满足测试要求，更换样本；
步骤7：选取|AP01-AP02|、|AP11-AP12|同时处于门限范围内的测试样本对，则方位向空间同步测试结果为|AP12+AP02|/AW×100％，AW为主星方位向波束宽度；
步骤8：计算各组测试样本结果，对各组计算值取平均，进一步降低随机误差，并获取最终测试结果；
所述步骤2中，分布式卫星测试时过热带雨林地区一致，要求多星测试区域相差不超过10％。
2.根据权利要求1所述的分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法，其特征在于，所述步骤1中，AP01的计算方法是，设卫星偏航角为ψ，滚动角为
Figure FDA0003741505400000011
俯仰角为θ，卫星斜飞角度为α，则
AP01＝θcosα-ψsinα。
3.根据权利要求2所述的分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法，其特征在于，所述步骤2中，AP02的计算方法是，设多普勒中心频率为fd，卫星速度为v，SAR载波频率为fc，光速为c，则
Figure FDA0003741505400000012
4.根据权利要求3所述的分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法，其特征在于，有效测试样本对越多测试精度越高，要求远视角下有效样本Sfar、中视角下有效样本Smiddle、近视角下有效样本Snear至少各2组才能保证测试精度。
5.根据权利要求4所述的分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试方法，其特征在于，所述步骤3中，判断|AP1-AP0|是否超出门限，主星对同一雨林地区的回波数据同时处于门限内则为有效样本，若主星任一数据超门限则为无效样本；门限值的设置与SAR工作频段、卫星姿态导引规律和产品生产水平因素相关，可由使用者根据实际情况自行选取。
6.一种分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试***，其特征在于，包括：
模块M1：通过主星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP01；
模块M2：利用观测热带雨林地区的回波数据计算多普勒中心，并利用主星观测的数据计算方位向波束指向AP02；
模块M3：判断|AP01-AP02|是否超出门限，若处于门限值内可进行下步工作，若超门限值则该回波数据不满足测试要求，更换样本；
模块M4：通过辅星轨道及姿态信息计算方位向波束指向AP11；
模块M5：利用观测热带雨林地区的回波数据计算多普勒中心，并利用辅助观测的数据计算方位向波束指向AP12；
模块M6：判断|AP11-AP12|是否超出门限，若处于门限值内可进行下步工作，若超门限值则该回波数据不满足测试要求，更换样本；
模块M7：选取|AP01-AP02|、|AP11-AP12|同时处于门限范围内的测试样本对，则方位向空间同步测试结果为|AP12+AP02|/AW×100％，AW为主星方位向波束宽度；
模块M8：计算各组测试样本结果，对各组计算值取平均，进一步降低随机误差，并获取最终测试结果；
所述模块M2中，分布式卫星测试时过热带雨林地区一致，要求多星测试区域相差不超过10％。
7.根据权利要求6所述的分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试***，其特征在于，所述模块M1中，AP01的计算方法是，设卫星偏航角为ψ，滚动角为
Figure FDA0003741505400000021
俯仰角为θ，卫星斜飞角度为α，则
AP01＝θcosα-ψsinα。
8.根据权利要求7所述的分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试***，其特征在于，所述模块M2中，AP02的计算方法是，设多普勒中心频率为fd，卫星速度为v，SAR载波频率为fc，光速为c，则
Figure FDA0003741505400000031
9.根据权利要求8所述的分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试***，其特征在于，有效测试样本对越多测试精度越高，要求远视角下有效样本Sfar、中视角下有效样本Smiddle、近视角下有效样本Snear至少各2组才能保证测试精度。
10.根据权利要求9所述的分布式InSAR卫星方位向空间同步在轨测试***，其特征在于，所述模块M3中，判断|AP1-AP0|是否超出门限，主辅星对同一雨林地区的回波数据同时处于门限内则为有效样本，若主辅星任一数据超门限则为无效样本；门限值的设置与SAR工作频段、卫星姿态导引规律和产品生产水平因素相关，可由使用者根据实际情况自行选取。
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