专利名称：一种利用高精度POS离线获取机载InSAR运动误差的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用位置测量精度达到厘米级、姿态测量精度达到10"量级的高精度位置姿态测量系统(Position and Orientation System, P0S)获取机运动误差的方法。
背景技术：
机载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一种先进的对地观测的手段。相对于光学对地观测设备，机载SAR具有全天候、全天时、作用距离远等特点，并对地面植被、人工伪装甚至地表土壤层具有一定的穿透性，日益成为当今世界最具有代表性的对地观测手段之一。尤其是机载高精度^SAR,能够进行立体测绘，在国家基础测绘、国土资源调查、地质资源勘探、农业农情监测、自然灾害监测以及军事侦察等领域具有重要用途， 是国家十分重要的军民两用的高技术装备。机载SAR成像的基本原理要求载机作勻速直线飞行，即要求在合成孔径时间内载机所受到的合力为零。但由于大气湍流、设备性能等因素的影响，载机沿飞行方向和侧向必然存在干扰力的作用，导致机载SAR的天线相位中心(Anten na Phase Center, APC)偏离理想的勻速直线平移运动。常见的情况是载机在自动驾驶仪的控制下围绕理想航迹来回摆动，从而产生运动误差。这对SAR成像分辨率具有不可忽视的影响，严重时甚至导致SAR无法成像。因此，在机载高分辨率SAR成像过程中必须进行运动误差补偿。机载SAR运动误差补偿方法有两种，一种是基于雷达回波数据的自聚焦方法，另一种是基于POS的运动误差测量方法。目前，比较成熟的方法是自聚焦方法与POS相结合， 利用自聚焦方法获取低次运动误差，利用POS获取高次运动误差。但是，对于机载MSAR来说，采用自聚焦方法会破坏干涉条纹，使得^SAR无法实现高程精度测量。因此，机载^iSAR 不能够采用自聚焦与POS相结合的运动误差补偿方法，迫切需要一种能够精确获取机载 InSAR运动误差的方法。

发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种利用高精度POS离线获取机载MSAR运动误差的方法，该方法充分利用了 SINS/GPS组合测量和SINS纯惯性测量各自的优点，提高运动误差的精度，为机载MSAR运动误差补偿提供了一条有效途径。本发明的技术解决方案为一种基于高精度POS的机载hSAR运动误差离线计算方法，利用高精度POS中SINS与GPS的组合测量结果获取SINS中心的二次及二次以下项位置信息，利用SINS的纯惯性测量结果获取SINS中心的二次以上项位置信息，将计算得到的二次及二次以下项位置信息和二次以上项位置信息相加并补偿杆臂效应误差，计算出机载^SAR两个天线相位中心的高精度平滑位置信息，再将高精度平滑位置信息减去其一次多项式拟合结果，最终得到机载MSAR两个天线的运动误差。具体实现步骤如下
(1)在获取到POS记录的SINS数据和GPS数据的前提下，采用“前向卡尔曼滤波 +后向平滑”的方法对POS记录的SINS数据和GPS数据进行信息融合，得到SINS中心的组合测量结果，包含位置、速度和姿态；(2)确定机载hSAR第i次成像的开始时间Titl和结束时间Til ；(3)在Titl时刻，以组合测量结果为初值，启动捷联解算程序B，到Til时刻结束捷联解算程序B，计算出[Titl，Til]时间段内SINS中心的纯惯性测量结果，包含位置、速度和姿态；(4)将[Titl，Til]时间段内组合测量的位置进行二次多项式拟合，组合测量位置的二次拟合结果即为[Titl，Til]时间段内SINS中心的二次及二次以下项位置信息；(5)将[Titl，Til]时间段内纯惯性测量位置进行二次多项式拟合，再利用纯惯性测量位置减去其二次拟合结果，得到[Titl，Til]时间段内SINS中心的二次以上项位置信息；(6)将SINS中心的二次以上项位置误差和二次及二次以下项位置误差求和，即得到SINS中心的精确位置信息；(7)采用如下公式补偿SINS中心与两个hSAR天线相位中心之间的杆臂误差，计算得到机载^SAR两个天线相位中心的高精度平滑位置信息Xi = χ+Δ Xi (i = 1,2)Yi = y+AYi (i = 1,2)Zi = ζ+Δ Zi (i = 1,2)其中，χ、y、ζ表示SINS中心的位置信息，x” Yi> Zi为第i个InSAR天线相位中心的位置信息，八X” Ayi, Azi为SINS中心到第i个hSAR天线相位中心的杆臂误差；(8)将步骤七得到高精度平滑位置信息减去其一次多项式拟合结果，得到机载 hSAR两个天线的运动误差。本发明的原理是利用高精度POS中SINS与GPS的组合测量结果获取SINS中心的二次及二次以下项位置信息，利用SINS的纯惯性测量结果获取SINS中心的二次以上项位置信息，将计算得到的二次及二次以下项位置信息和二次以上项位置信息相加并补偿杆臂效应误差，计算出机载^SAR两个天线相位中心的高精度平滑位置信息，再将高精度平滑位置信息减去其一次多项式拟合结果，最终得到机载^SAR两个天线的运动误差。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明充分发挥了 SINS/GPS组合测量结果绝对精度高但有高次误差和SINS 纯惯性测量结果误差积累但数据平滑的特点，通过组合测量结果与纯惯性测量结果的结合，获取了机载^SAR天线相位中心的高精度、平滑信息，再通过减去其一次拟合结果得到了机载hSAR天线相位中心的运动误差。(2)本发明具有精度高(可达到毫米级相对位置误差)、计算简单的特点，可用于离线计算机载高精度MSAR的运动误差，以实现机载MSAR的高精度离线成像。


图1为本发明的一种基于高精度POS的机载hSAR运动误差离线计算方法流程图；图2为本发明中涉及的卡尔曼滤波解算流程 图3为本发明中涉及的纯惯性解算流程图,
具体实施例方式如图1所示，本发明的具体实施包括以下步骤1、在获取到POS记录的SINS数据和GPS数据的前提下，采用“前向卡尔曼滤波+ 后向平滑”的方法对POS记录的SINS数据和GPS数据进行信息融合，得到SINS中心的组合测量结果，包含位置、速度和姿态，所述的“前向卡尔曼滤波+后向平滑”数据处理方法的思路是在时间Ttl-Tn内，使用前向卡尔曼滤波并存储各个时刻的估计和方差阵(包含;^、
pk+1,k、Kk、φ^,,)，当前向卡尔曼滤波结束后，采用平滑方程并用存储的全部估计与方差阵信息反顺序得到平滑的;^/ 和Pk/n ；①所述的前向卡尔曼滤波具体公式如下 系统状态方程X = FX+ GW⑴其中，X为系统状态矢量，W为系统噪声矢量，F为系统转移矩阵，G为噪声转换矩阵
权利要求
1.一种利用高精度POS离线获取机载MSAR运动误差的方法，其特征在于实现步骤如下(1)在获取到POS记录的SINS数据和GPS数据的前提下，采用“前向卡尔曼滤波+后向平滑”的方法对POS记录的SINS数据和GPS数据进行信息融合，得到SINS中心的组合测量结果，包含位置、速度和姿态；(2)确定机载hSAR第i次成像的开始时间Titl和结束时间Til；(3)在Titl时刻，以组合测量结果为初值，进行捷联解算，到Til时刻结束捷联解算，计算出[Titl，Til]时间段内SINS中心的纯惯性测量结果，包含位置、速度和姿态；(4)将[Titl，Til]时间段内组合测量的位置进行二次多项式拟合，组合测量位置的二次拟合结果即为[Titl，Til]时间段内SINS中心的二次及二次以下项位置信息；(5)将[Titl，Til]时间段内纯惯性测量位置进行二次多项式拟合，再利用纯惯性测量位置减去其二次拟合结果，得到[Titl，Til]时间段内SINS中心的二次以上项位置信息；(6)将SINS中心的二次以上项位置误差和二次及二次以下项位置误差求和，即得到 SINS中心的精确位置信息；(7)补偿SINS中心与两个hSAR天线相位中心之间的杆臂误差，计算得到机载hSAR 两个天线相位中心的高精度平滑位置信息；(8)将步骤(7)得到高精度平滑位置信息减去其一次多项式拟合结果，得到机载^SAR 两个天线的运动误差。
2.根据权利要求1所述的一种利用高精度POS离线获取机载^SAR运动误差的方法， 其特征在于所述步骤(7)中补偿SINS中心与两个hSAR天线相位中心之间的杆臂误差的公式如下Xi = χ+ Δ Xi Yi = y+ Δ Yi Zi = ζ+ Δ Zi其中，i = 1,2 ；x、y、z表示SINS中心的位置信息；Xi、yi、Zi为第i个I nSAR天线相位中心的位置信息；Axi、Ayi、Azi为SINS中心到第i个hSAR天线相位中心的杆臂误差。
全文摘要
一种利用高精度POS离线获取机载InSAR运动误差的方法，该方法利用高精度POS中SINS与GPS的组合测量结果获取SINS中心的二次及二次以下项位置信息，利用SINS的纯惯性测量结果获取SINS中心的二次以上项位置信息，将计算得到的二次及二次以下项位置信息和二次以上项位置信息相加并补偿杆臂效应误差，计算出机载InSAR两个天线相位中心的高精度平滑位置信息，再将高精度平滑位置信息减去其一次多项式拟合结果，最终得到机载InSAR两个天线的运动误差。本发明具有精度高、计算简单的特点，可用于离线计算机载高精度InSAR的运动误差，以实现机载InSAR的高精度离线成像。
文档编号G01S7/40GK102426353SQ20111024259
公开日2012年4月25日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者刘百奇, 房建成, 曹全, 钟麦英, 韩晓英 申请人:北京航空航天大学