专利名称：一种基于sar遥感成像的杆臂测量及补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种基于SAR遥感成像的杆臂测量及补偿方法，可用于精确测量尺寸效应、一级杆臂，二级杆臂及初始姿态阵。修正尺寸效应带来的有害加速度，修正一级杆臂带来的位置、速度误差，进而修正POS输出的运动信息，修正二级杆臂带来的位置、速度、力口速度误差，并进行姿态转换以获得精确的SAR天线相位中心运动信息。
背景技术：
航空遥感中，SAR成像需要载机做理想的匀速直线平移运动，然而由于载机受到大气湍流、飞控系统偏差等外力的影响，导致载机偏离理想运动轨迹，从而产生运动误差。位置姿态系统(Position & Orientation System, P0S)用于为遥感载荷提供高精度的位置、速度、姿态信息以进行运动补偿。POS通常由惯性测量单元(Inertial MeasurementUnit, MU)、全球卫星定位系统(Global Position System, GPS)、POS数据采集与处理系统和后处理软件组成，POS系统本质上是一种基于SINS (Strapdown Inertial NavigationSystem)和GPS (Global Positioning System)的组合导航系统,利用GPS长期定位精度高及SINS短期定位定向精度高而实现的互补运动信息测量系统，因此，提高SINS运动信息测量精度对提高POS系统的精度具有重要意义。杆臂效应是影响SINS短期运动测量精度的一个重要因素。当载机绕质心做角运动时，载机上非质心点处的加速度与质心点处加速度不一致，其包含了与杆臂长度成正比的向心加速度及切向加速度，这种因敏感中心与载机质心不重合且载机做角运动时非质心处加速度与质心处加速度不一致的现象称为杆臂效应。因加速度计敏感点与IMU敏感中心并不重合，导致存在尺寸效应误差，且尺寸效应误差与加速度计敏感轴方向有关，IMU初始安装误差的存在导致加速度计敏感轴方向发生变化，必须考虑耦合安装误差的尺寸效应误差。IMU敏感中心与GPS天线不在同一点，且其距离通常达到m级，因此在进行组合导航时必须考虑GPS天线至MU敏感中心的杆臂效应误差。同理，MU敏感中心与SAR相位中心不重合，存在二级杆臂误差。现有的SAR运补杆臂补偿方案，通过补偿IMU与GPS之间的一级杆臂误差及二级杆臂误差得到SAR天线中心的运动信息，而未考虑IMU内部由安装误差导致的尺寸效应误差，也未给出杆臂测量及初始安装姿态矩阵的确定方法。此外，在补偿一级杆臂时，未考虑位置误差含有的杆臂分量，从而引起测量误差。现有方法存在以下不足1、在载机做高动态机动时，由尺寸效应误差导致加速度计输出的有害加速度达到100 μ g量级与加速度计精度相当，尤其对于干涉SAR成像影响严重，必须予以补偿；2、加速度计的尺寸效应不仅与其长度有关，而且与各加速度计敏感轴方向有关，IMU相对于载机存在安装方位误差，导致加速度计敏感轴方向发生变化，从而使尺寸效应误差引入角加速度误差，易引入高频运动测量误差；3、IMU相对于载机的初始安装姿态及SAR天线相对于载机的初始安装姿态确定方法未见公开报道；4、对于一级杆臂，现有的方法仅进行了速度误差分量的补偿，而GPS接收机同时输出位置、速度信息，忽略位置观测量中包含的一级杆臂误差将使位置、速度及姿态测量误差增大；

发明内容
本发明的技术解决的问题是给出一种基于SAR遥感成像的杆臂测量及补偿方法。对SAR遥感成像运动补偿涉及的杆臂效应误差分为三级，依据各系统之间传感器输出关系及杆臂误差的表现形式分为三级杆臂，在頂U内部，因加速度计敏感位置与MU敏感中心不同而引入尺寸效应误差，且尺寸效应误差与MU相对于载机的安装方位误差有关，提出了一种分离安装误差的尺寸效应计算方法。在MU与GPS之间存在的一级杆臂将引入位置、速度误差，提出在导航系下对位置误差及速度误差进行修正以补 偿一级杆臂误差，对于IMU与SAR之间存在的二级杆臂将使IMU敏感中心的位置、速度、加速度与SAR相位中心相关信息存在杆臂误差，且SAR本身定义的坐标系与POS不同，为此，需将IMU的姿态信息变换至SAR相位中心的姿态。本方法可推广至其他载荷的杆臂测量及补偿。本发明的技术解决方案为一种基于SAR遥感成像的杆臂测量及补偿方法。其特点在于包括下列步骤(I)建立飞机载体坐标系b系0bXbYbZb、当地地理坐标系g系0gXgYgZg、IMU坐标系f系OfXfYfZf、地心惯性坐标系i系OiXiYiZp其中，ObXbYbZb系坐标原点为飞机质心0b，Xb轴指向飞机右翼水平方向，Yb轴沿飞机纵轴且指向机头方向，Zb轴垂直ObXbYb平面，与obxb、ObYb成右手定则；ogxgYgzg系坐标系原点在当地地球表面，Xg轴指向正东，Yg轴指向正北，Zg轴指向天向；0fXfYfZf系坐标原点Of为MU敏感中心即三只加速度计敏感轴的交点，Xf轴指向右，Yf轴指向前，Zf轴指向上。OiXiYiZi系坐标原点为地心，Xi轴在地球赤道平面内，指向春分点，Zi轴指向地球极轴，Yi轴与Xi轴及Zi轴成右手定则；(2)悬平飞机，使飞机载体系ObXbYb平面与当地地理系水平面OgXgYg平行。利用激光全站仪测量SAR天线阵面左上角点坐标Pm、右上角点坐标Ρκυ、左下角点坐标Pm、右下角点坐标Pm、GPS天线坐标Peps、IMU底座左前角点坐标Pu、左后角点坐标Pi^右后角点坐标Prb ;(3)根据步骤(I)所建立的坐标系及步骤(2)测量坐标计算MU初始安装误差姿态阵SAR天线姿态阵MU敏感中心坐标Pimu、頂U敏感中心至GPS天线中心的一级杆臂R1及IMU敏感中心至SAR天线中心的二级杆臂R11 ；(4)进行飞行试验，采集飞行试验中IMU测量信息及GPS测量信息；其中，IMU测量信息为陀螺测量的角速度及加速度计测量的加速度，GPS测量信息为位置及速度；(5)根据步骤(3)得到的MU相对于飞机载体坐标系初始安装误差姿态阵(V及IMU结构设计的尺寸效应参数，利用步骤(4)中IMU测量输出信息，根据耦合安装误差的尺寸效应误差计算公式，补偿尺寸效应误差，得到MU敏感中心比力，为SAR运动补偿提供准确的加速度基准；(6)根据步骤(5)补偿尺寸效应误差及安装误差后的陀螺及加速度计输出，进行捷联解算，可以得到SINS输出的位置、速度及姿态，为SAR运补提供非滤波时刻的位置、速度及姿态基准；(7)以步骤(4)测量得到的GPS位置、速度作为观测量，对步骤(6)得到的SINS信息及步骤(4)测量的GPS信息进行组合卡尔曼滤波，修正SINS位置、速度观测量信息中含有的一级杆臂效应误差分量，将修正后的状态反馈至步骤(6)，并进行位置、速度及姿态的修正以消除步骤(6)解算结果的漂移，从而得到IMU敏感中心处的位置、速度及姿态信息；(8)根据步骤(7)得到的IMU敏感中心处的位置、速度、姿态及步骤(5)得到的加速度，补偿二级杆臂并做姿态转换以得到SAR天线相位中心的位置、速度、加速度及姿态。本发明的原理是在SAR遥感成像过程中，POS为SAR提供精确的位置、速度、姿态及加速度信息进行运动补偿。由于POS系统本质上是一种SINS/GPS组合导航系统,加速度计的尺寸效应将产生有害加速度，进而导致SINS解算输出的位置、速度及姿态误差。而由于IMU与GPS天线安装位置不同引起的一级杆臂误差将会导致组合导航卡尔曼滤波时位置及速度误差观测量中含有杆臂误差，由于IMU与SAR天线中心不重合而导致POS输出的位置、速度、加速度等信息与SAR天线中心不一致，必须进行杆臂补偿。因此，对尺寸效应、一级杆臂及二级杆臂的精确测量是杆臂误差补偿的前提。根据POS运补的特点，依据各传感器信号处理流程，首先需对尺寸效应误差进行补偿以消除加速 度计的有害加速度，在消除尺寸效应时，需考虑MU相对于载机安装误差耦合导致的尺寸效应变化。消除尺寸效应误差的加速度计信号及陀螺信号进行捷联解算后与同时刻的GPS测量信号进行组合卡尔曼滤波时需消除位置及速度误差观测量中含有的一级杆臂误差，组合滤波输出的结果即为POS输出。由于IMU与SAR天线安装位置不同，需将POS输出的位置、速度及加速度进行二级杆臂补偿以获得SAR天线中心的运动信息，同时，根据SAR天线坐标系姿态定义不同，需将POS输出姿态进行坐标变换转化至SAR天线坐标系。本发明与现有技术相比的优点在于本发明充分考虑了遥感测量中存在的各级杆臂包括尺寸效应，一级杆臂，二级杆臂。通过精确测量IMU相对于载机的安装姿态阵，确定了加速度计敏感轴方向发生改变引起的尺寸效应误差变化进而进行补偿，得到精确的IMU敏感中心比力信息。通过对一级杆臂、二级杆臂及SAR天线姿态阵的精确测量为各级杆臂补偿提供了基准，并根据杆臂引起的位置、速度、姿态误差关系进行补偿校正，充分降低了各级杆臂效应引起的误差。


图I为本发明的杆臂测量及补偿的流程图；图2为本发明的卡尔曼滤波基本算法的解算流程图。
具体实施例方式一种基于SAR遥感成像的杆臂测量及补偿方法主要分为两部分第一部分是对杆臂误差(包括尺寸效应、一级杆臂、二级杆臂)的测量及MU坐标系相对于载体系及SAR天线坐标系相对于载体系的安装误差姿态阵测量。二是利用测量的杆臂参数及初始安装姿态阵分别进行尺寸效应误差补偿、一级杆臂误差补偿及二级杆臂误差补偿及坐标变换。本发明的具体方法如下(I)建立飞机载体坐标系0bXbYbZb、当地地理坐标系0gXgYgZg、IMU坐标系OfXfYfZf、地心惯性坐标系OiXiYiZitl其中，ObXbYbZb系坐标原点为飞机质心ob，xb轴指向飞机右翼水平方向，Yb轴沿飞机纵轴且指向机头方向，Zb轴垂直ObXbYb面，与obxb、obYb成右手定则；ogxgYgzg系坐标系原点在当地地球表面，Xg轴指向正东，Yg轴指向正北，Zg轴指向天向；0fXfYfZf系坐标原点Of为MU敏感中心即三只加速度计敏感轴的交点，Xf轴指向右，Yf轴指向前，Zdi指向上。OiXiYiZi系坐标原点为地心，Xi轴在地球赤道平面内，指向春分点，Zi轴指向地球极轴，Yi轴与Xi轴及Zi轴成右手定则；(2)用千斤顶将飞机支撑悬空，利用全站仪测量将飞机调节为水平状态，即使飞机载体系ObXbYb与当地地理系水平面OgXgYg平行。在飞机前腹、后腹航向轴线上贴定标贴片，使用全站仪测定定标贴片坐标。利用激光全站仪测量SAR天线阵面四个角点的坐标分别为左上角点坐标Plii，右上角点坐标Pku，左下角点坐SP111,右下角点坐标Pkd5GPS天线坐标Peps，頂U底座三个角点坐标分别为左前角点坐标I\F，左后角点坐标I\B ，右后角点坐标Pkb;(3)根据步骤(I)所建立的坐标系及步骤(2)测量结果计算MU初始安装误差姿态阵SAR天线姿态阵〔1及IMU敏感中心坐标PIMU，IMU敏感中心至GPS天线中心的一级杆臂Rp IMU敏感中心至SAR天线中心的二级杆臂R11 ；①SAR天线姿态阵计算方法根据步骤(2)测定的SAR天线阵面四个角点坐标计算得到SAR天线阵面相对于载体系的姿态关系如下
「 ^ ,arctan〔I[ ^LU/C v 1 + arctanf^ ^LD/C v. ISAR 航向角_ L/ Yru - ^LU J v/ ^ro — ^ldJ
Ws— 2
+ (XRV -Xrd/\ , + (Xiu-Xjd/Λ
「 …n /r- Z2. arctan Rh rdZ7 7 + arctan LCJ ldZ7 SAR 俯仰角V/ ^RU ~ ^RD J/ ^LU ~ ^LD )
us —-
2SAR 横滚角arcH^-^) + arCtKZro _Z/4-FiJ
-2-其中，X，Y，Z代表坐标，下标LU，RU，LD, RD分别代表左上、右上，左下，右下角点。由此，得到SAR天线坐标系相对于载体系姿态变换矩阵Cf为
cos y/s cosi , - sin γ s sin Θ:< sin y/s —cos 八 sin (//v sin Os cos;//.十 cos sin;' sin;//.
Cbs = cos (9s sin ψs + sin Θ、: sin cosi//v cos v, cos ψ、 sin Os sin;//, - cos Θ、sin γ、cos ψ、
-sin Θ. cos Yssin yscos θ.: cos γs②MU初始安装姿态阵计算方法根据步骤(2)测定的頂U壳体三个角点坐标计算得到MU壳体相对于飞机载体坐标系初始安装姿态角计算如下
Y-YIMU 安装 z 向误差角.M = arctan-^~
^ LF ~ ^LBIMU 安装 χ 向误差角 I 二 arctan 7J ti
^LF — ^LBIMU 安装 y 向误差角Ay 二 arctan ^iiis
A RB ~ ^LB其中，X，Y，Z代表坐标，下标LF，LB, RB分别代表左前、左后,右后角点。由此，得到MU坐标系f相对于飞机载体系b姿态变换矩阵(/为
权利要求
1.一种基于SAR遥感成像的杆臂测量及补偿方法，其特征在于包括下列步骤 Cl)建立飞机载体坐标系b系ObXbYbZb、当地地理坐标系g系OgXgYgZg、IMU坐标系f系OfXfYfZf、地心惯性坐标系i系OiXiYiZp其中，ObXbYbZb系坐标原点为飞机质心0b，Xb轴指向飞机右翼水平方向，Yb轴沿飞机纵轴且指向机头方向，Zb轴垂直ObXbYb平面，与0bXb、0bYb成右手定则；ogxgYgzg系坐标系原点在当地地球表面，Xg轴指向正东，Yg轴指向正北，Zg轴指向天向；0fXfYfZf系坐标原点Of为MU敏感中心即三只加速度计敏感轴的交点，Xf轴指向右，Yf轴指向前，Zf轴指向上。OiXiYiZi系坐标原点为地心，Xi轴在地球赤道平面内，指向春分点，Zi轴指向地球极轴，Yi轴与Xi轴及Zi轴成右手定则； (2)悬平飞机，使飞机载体系ObXbYb平面与当地地理系水平面OgXgYg平行，利用激光全站仪测量SAR天线阵面左上角点坐标Pm、右上角点坐标Ρκυ、左下角点坐标Pm、右下角点坐标Pkd、GPS天线坐标Peps、IMU底座左前角点坐标Plf、左后角点坐标Pu3、右后角点坐标Peb ； (3)根据步骤(I)所建立的坐标系及通过步骤(2)测量得到的坐标，计算IMU初始安装误差姿态阵、SAR天线姿态阵C6S、IMU敏感中心坐标PIMU、IMU敏感中心至GPS天线中心的一级杆臂R1及IMU敏感中心至SAR天线中心的二级杆臂R11 ； (4)进行飞行试验，采集飞行试验中MU测量信息及GPS测量信息。其中，MU测量信息为陀螺测量的角速度及加速度计测量的加速度，GPS测量信息为位置及速度； (5)根据步骤(3)得到的IMU相对于飞机载体坐标系初始安装误差姿态阵Cf及MU结构设计的尺寸效应参数，利用步骤(4)中IMU测量输出信息，根据耦合安装误差的尺寸效应误差计算公式，补偿尺寸效应误差，得到MU敏感中心比力，为SAR运动补偿提供准确的加速度基准； (6)根据步骤(5)补偿尺寸效应误差及安装误差后的陀螺及加速度计输出，进行捷联解算，可以得到SINS位置、速度及姿态； (7)以步骤(4)测量得到的GPS位置、速度作为观测量，对步骤(6)得到的SINS信息及步骤(4)测量的GPS信息进行组合卡尔曼滤波，修正SINS的位置、速度观测量信息中含有的一级杆臂效应误差分量，将修正后的状态反馈至步骤(6)，并进行位置、速度及姿态的修正以消除步骤(6)解算结果的漂移，从而得到IMU敏感中心处校正捷联解算误差后的位置、速度及姿态信息； (8)根据步骤(7)得到的MU敏感中心处的位置、速度、姿态及步骤(5)得到的加速度，根据二级杆臂引起的位置、速度、加速度及姿态误差关系，补偿二级杆臂并做姿态转换以得到SAR天线相位中心的位置、速度、加速度及姿态。
2.根据权利要求I所述的一种基于SAR遥感成像的杆臂测量及补偿方法，其特征在于步骤(3)所述的SAR天线初始安装姿态矩阵q计算方法为 根据步骤(2)测定的SAR天线阵面四个角点坐标计算得到SAR天线阵面相对于飞机载体系ObXbYbZb的初始安装姿态如下 Λ ^ arctanp^-—v \ +Xl% v I SAR 航向角:_ V/ Yru - Ylu)V/ ^rd ~ ^ld) Ws— 2....^ arctanf^ru ^rdZ7 I + arctanf^lu 又ld/7 7 I SAR 俯仰角q __V_/ ZRU — Zm J_^_/ ZLU ~ ^ld J _—I 、丄 &arctanf ^LU/V v | +arctanf 1^iu5 ^ldZv v I SAR 横滚角L/Yru-Y J{/Yrd -YldJ -1- 式中X，Y，Z代表载体系下点的三维坐标，下标LU，RU，LD, RD分别代表左上、右上，左下，右下角点。
由此，得到SAR天线坐标系相对于载体系姿态变换矩阵Qs为 cosf//v cosO. - sin/, sin Θ、sirw//\ cosOs sin '//、-i-sinsin ;/s cos'//.、 -sin 6S cos八 Csb =- cos Ys sm^scosfs cossinfs 。
sin<9y cosi//, +cos(9s sin/v sinsin沒.、sin!//'. — cos0、sin}\ cos(//s coscos;'
3.根据权利要求I所述的一种基于SAR遥感成像的杆臂测量及补偿方法，其特征在于步骤(3)所述的IMU初始安装姿态矩阵^计算方法为 根据步骤(2)测定的MU底座三个角点坐标计算得到MU坐标系相对于飞机载体坐标系初始安装姿态角计算如下 IMU安装z向误差角Δτ = arctan LF ^ LB IMU安装X向误差角:仏=arctanf _^；!1 足 LF — ILB Z -Z 頂U安装y向误差角 A； = arctan ΛΚΒ ~ Λ LB 式中X，Y，Z代表载体系下点的三维坐标，下标LF，LB, RB分别代表左前、左后，右后角点。
由此，得到IMU坐标系OfXfYfZf相对于飞机载体系b系ObXbYbZb姿态变换矩阵(,力 cos Δ: cos Ay - sin Δχ sin Δν sin Δζ - cos Δχ sin Δζ sin Δ_ν cos Δζ + cos Δ少‘ sin Δ.ν sin /Sz(11I - cos Δν sin Δζ + sin Δ.ν sin Ax cos Δτ cos Δ,ν cos Az sin Δν sin Δζ - cos Δ·ι, sin Ax* cos Δτ o-sin Δν cos tsxsin tSxcos Δν cos Δχ
4.根据权利要求I和权利要求3所述的一种基于SAR遥感成像的杆臂测量及补偿方法，其特征在于步骤(3)所述的MU敏感中心坐标计算方法为 根据步骤(2)测量得到的IMU底座三个角点坐标,左前角点坐标Plii,左后角点坐标Pu3,右后角点坐标Plb以及IMU结构设计的尺寸关系图中IMU敏感中心至左前角点坐标相对位置矢量，计算得到IMU敏感中心Pimu的三维坐标为 Xf X LFYf = Ylf +Cbf db_Z/_ _Z.LF _ β<: _ 式中da，db，d。分别为IMU敏感中心至左前角点坐标相对位置矢量在IMU坐标系X，Y, Z方向的分量，由结构尺寸得到；xf，Yf, Zf分别为MU敏感中心坐标Pf在MU坐标系的三个分量。
5.根据权利要求I或权利要求3所述的一种基于SAR遥感成像的杆臂测量及补偿方法，其特征在于步骤(5)所述的补偿耦合安装误差的尺寸效应误差，得到IMU敏感中心的比力的方法为 ①计算载体系ObXbYbZb相对于地心惯性系OiXiYiZi角速度为
全文摘要
本发明涉及一种基于SAR遥感成像的杆臂测量及补偿方法，提出遥感载荷运动误差补偿时需精确测量的三级杆臂误差并根据各级杆臂误差的特点进行误差补偿。三级杆臂包括GPS天线至IMU敏感中心的相对位置即一级杆臂、IMU敏感中心至遥感载荷相位中心的相对位置即二级杆臂，利用IMU设计时的结构尺寸计算三只加速度计至IMU敏感中心的尺寸效应长度。本发明具有消除杆臂效应误差带来的位置、速度、姿态以及加速度计输出误差的特点，提高POS系统运动测量精度，并能获取遥感载荷相位中心精确运动信息以提高遥感载荷成像精度。
文档编号G01S13/90GK102879779SQ20121032476
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者房建成, 马艳海, 李建利 申请人:北京航空航天大学