李道京 滕秀敏 潘舟浩

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所微波成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

②(數(shù)據(jù)通信科學(xué)技術(shù)研究所 北京 100191)

1 引言

位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(Position and Orientation System,POS)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量遙感設(shè)備所在的位置和方向的3個(gè)線性坐標(biāo)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)以及加速度，經(jīng)過(guò)后處理還可得到更高精度的設(shè)備位置姿態(tài)信息。利用這些位置姿態(tài)信息對(duì)所獲取的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的幾何校正，可大大提高遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量，在補(bǔ)償飛行平臺(tái)姿態(tài)不穩(wěn)帶來(lái)的誤差的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)或減少地面控制點(diǎn)測(cè)圖，降低數(shù)據(jù)獲取的成本并縮短制圖周期。

目前，世界上利用 POS輔助合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)和光學(xué)設(shè)備(可見光相機(jī)、成像光譜儀、激光雷達(dá))實(shí)施遙感測(cè)量已經(jīng)是非常普遍、成熟的做法，并獲得了非常好的應(yīng)用效果，其典型系統(tǒng)如加拿大Applanix公司的POS 510和POS 610。

POS在結(jié)構(gòu)上主要由慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)單元、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)單元和POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(POS Computer System,PCS)單元3部分組成，使用時(shí)IMU單元通常需和SAR天線相位中心固聯(lián)或和光學(xué)遙感設(shè)備鏡頭固聯(lián)。較大體積重量的IMU單元雖具有較高的數(shù)據(jù)精度，但考慮到安裝條件，其應(yīng)用也可能受到限制。為實(shí)現(xiàn)有效的系統(tǒng)集成，在保證數(shù)據(jù)精度的同時(shí)，要求IMU單元具備體積小重量輕的特點(diǎn)。

隨著飛行平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，在同一平臺(tái)上采用多觀測(cè)窗口實(shí)現(xiàn)多遙感設(shè)備同時(shí)觀測(cè)已成為可能，典型的如SAR、可見光相機(jī)、成像光譜儀和激光雷達(dá)同時(shí)工作，由于觀測(cè)窗口分布在非剛性平臺(tái)的不同位置，各個(gè)遙感設(shè)備的姿態(tài)穩(wěn)定控制方式不同，每個(gè)遙感設(shè)備都需使用POS，并與其IMU固聯(lián)，由此需形成一個(gè)分布式的多節(jié)點(diǎn)POS系統(tǒng)。與此同時(shí)，基于分布式多子陣天線結(jié)構(gòu)的成像雷達(dá)，典型的如長(zhǎng)基線 InSAR和大型陣列天線 SAR，其信號(hào)處理也需使用子陣級(jí)的POS數(shù)據(jù)信息，也對(duì)分布式的多節(jié)點(diǎn)POS系統(tǒng)提出了需求。從系統(tǒng)工程的角度考慮，在飛行平臺(tái)上簡(jiǎn)單地同時(shí)使用多個(gè)POS顯然不合理，進(jìn)一步考慮到要減少POS系統(tǒng)的體積重量尤其是固聯(lián)在遙感設(shè)備上的IMU體積重量，分布式的多節(jié)點(diǎn)POS的概念和體制還需深入研究。

本文討論了分布式POS的概念和體制，論述了其主要技術(shù)指標(biāo)和要求，明確了其應(yīng)用方向。

2 分布式POS的概念和體制

為實(shí)現(xiàn)各種遙感數(shù)據(jù)融合，上述多節(jié)點(diǎn)分布式POS系統(tǒng)應(yīng)具有統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)，假定定義設(shè)置在飛行平臺(tái)上的輸出時(shí)空基準(zhǔn)信號(hào)的POS為主節(jié)點(diǎn)，設(shè)置在各個(gè)觀測(cè)窗遙感設(shè)備上的POS為子節(jié)點(diǎn)，與應(yīng)用需求對(duì)應(yīng)的分布式POS功能如下：

(1) 主節(jié)點(diǎn)采用體積重量較大的高精度 IMU，多個(gè)子節(jié)點(diǎn)采用體積重量較小的低精度IMU，經(jīng)綜合處理在所有子節(jié)點(diǎn)獲得接近主節(jié)點(diǎn)精度的測(cè)量信息；

(2) 主子節(jié)點(diǎn)均采用體積重量精度相當(dāng)?shù)腎MU，經(jīng)綜合處理在所有節(jié)點(diǎn)獲得相對(duì)精度提升的測(cè)量能力。

總體看來(lái)，分布式POS應(yīng)是一個(gè)以主子多節(jié)點(diǎn)形式在空間分布的具有多點(diǎn)高測(cè)量精度的位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。

3 POS的主要技術(shù)指標(biāo)

典型的 POS系統(tǒng)如加拿大 Applanix公司的POS 510和POS 610[1]，其主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)如表1所示。

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目前POS 510和POS 610都獲得了廣泛的應(yīng)用，和POS 510相比，POS 610具有更高的姿態(tài)測(cè)量精度，但其IMU的體積和重量較大。

4 光學(xué)設(shè)備對(duì)POS的要求

POS 5105～10 cm量級(jí)的定位精度已可滿足大部分可見光相機(jī)、成像光譜儀和激光雷達(dá)等幾類光學(xué)遙感設(shè)備的位置測(cè)量精度要求，但其 0.005°姿態(tài)測(cè)量精度，還可能制約著光學(xué)遙感設(shè)備的幾何測(cè)量精度，尤其是在觀測(cè)距離較遠(yuǎn)時(shí)。例如，當(dāng)觀測(cè)距離6 km時(shí)，0.005°姿態(tài)測(cè)量精度可導(dǎo)致0.52 m的幾何測(cè)量誤差，難以滿足1:5000比例尺成圖精度要求，需使用姿態(tài)測(cè)量精度更高的POS 610。一般來(lái)講，光學(xué)遙感設(shè)備對(duì)POS的姿態(tài)測(cè)量精度要求較高。

5 SAR對(duì)POS的要求

5.1 2D-SAR成像對(duì)POS的要求

POS 5105～10 cm量級(jí)的定位精度已可滿足用于 2維成像的 2D-SAR圖像定位精度要求，由于SAR的天線波束較寬，POS 0.05°～0.10°的姿態(tài)測(cè)量精度已可滿足SAR波束指向控制要求，但SAR成像處理對(duì)位置精度尤其是相對(duì)位置精度有很高的要求，通常相對(duì)位置精度需優(yōu)于1/16波長(zhǎng)[2](在合成孔徑時(shí)間內(nèi)，對(duì)應(yīng)的雙程相位誤差為π/4)，這里的相對(duì)位置精度指在合成孔徑時(shí)間內(nèi)的非線性位置誤差，在微波頻段工作的 SAR合成孔徑時(shí)間通常在10 s量級(jí)，考慮到基于IMU的POS的工作原理，合成孔徑時(shí)間越短，用POS獲得的相對(duì)位置精度越高，通常要求的相對(duì)位置精度約為 1 mm。為達(dá)到如此高的相對(duì)位置精度要求，在SAR成像處理過(guò)程中，對(duì)POS輸出的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行特殊處理[3,4]。

從成像機(jī)理看，近年提出的用于 3維成像的3D-SAR對(duì)POS相對(duì)位置精度的要求和用于2維成像的2D-SAR接近。

5.2 InSAR對(duì)POS的要求

基于一發(fā)兩收主副天線結(jié)構(gòu)的InSAR高程反演公式為：

上式表明斜距r，基線長(zhǎng)度B，基線與水平方向的夾角α，載機(jī)高度H，干涉相位Δφ，這 5個(gè)參量的測(cè)量誤差 σr,σB,σα,σH,σφ都會(huì)引起高程測(cè)量誤差。通過(guò)微分可求得這5個(gè)參量引起的高程誤差分量[5]：

由此可以簡(jiǎn)單估計(jì)每個(gè)參量誤差引起的高程測(cè)量誤差的大小。這里θ為天線視角，λ為SAR波長(zhǎng)。

在實(shí)際工作中，高程測(cè)量誤差的大小主要是由相位測(cè)量誤差引起的，而相位測(cè)量誤差主要受信噪比、多視視數(shù)、圖像配準(zhǔn)的精度、基線長(zhǎng)度引起的去相干、2維相位解纏繞的方法等幾方面因素的影響。接收機(jī)熱噪聲無(wú)疑會(huì)對(duì)相位測(cè)量產(chǎn)生影響，采用多視處理在減小圖像相干斑影響的同時(shí)，也可提高相位的測(cè)量精度。

目前可同時(shí)獲取地物高程信息的InSAR分為剛性基線、柔性基線和雙站/重過(guò)航3種形式，不同形式 InSAR，對(duì) POS的精度要求也不同，下面舉例對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明。

5.2.1 剛性基線毫米波 InSAR 剛性基線雙天線InSAR通常使用1個(gè)POS，其IMU安裝在主天線的相位中心處，獲取主天線相位中心的位置信息，使用 POS姿態(tài)信息的主要目的在于根據(jù)剛性基線的長(zhǎng)度和姿態(tài)角，獲取副天線相位中心的位置。

一個(gè)剛性基線毫米波InSAR系統(tǒng)參數(shù)和對(duì)應(yīng)的高程精度分析結(jié)果[6]如表2、表3所示。

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在上述參數(shù)下的高程精度為0.4730 m，可見對(duì)剛性基線InSAR，姿態(tài)測(cè)量精度是限制高程測(cè)量精度的主要因素。

5.2.2 柔性基線L波段InSAR 雙天線InSAR的基本原理是干涉測(cè)角，為實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)角，首先要解決主副兩個(gè)天線的相位中心相對(duì)位置測(cè)量問題，在此基礎(chǔ)上，基線是剛性還是柔性的已不重要。

對(duì)柔性基線雙天線 InSAR，可考慮采用兩個(gè)POS分別獲取兩個(gè)天線的相位中心位置，此時(shí)形成的雙POS系統(tǒng)，不僅是分布式POS的一個(gè)特例，而且是分布式POS的最小結(jié)構(gòu)。

對(duì)柔性基線雙天線 InSAR，當(dāng) POS的位置測(cè)量精度1 mm，則基線長(zhǎng)度測(cè)量精度為1 mm,8 m基線對(duì)應(yīng)的基線傾角測(cè)量精度約為 0.007°。

一個(gè)L波段InSAR系統(tǒng)參數(shù)和對(duì)應(yīng)的高程精度分析結(jié)果如表4、表5所示。

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在上述參數(shù)下的高程精度為 1.8696 m，假定POS能具有1 mm量級(jí)的位置測(cè)量精度，可見干涉相位的測(cè)量精度和柔性基線長(zhǎng)度就成了影響L波段InSAR的高程精度的主要因素。

和2D-SAR要求的相對(duì)位置精度不同，此時(shí)雙天線InSAR雙POS結(jié)構(gòu)下要求的位置精度應(yīng)考慮線性位置誤差，故POS要獲得1 mm量級(jí)的位置測(cè)量精度并非易事，相關(guān)的問題需深入研究。

值得指出的是，由于InSAR實(shí)際上需要的是同時(shí)刻兩天線相位中心的相對(duì)位置，盡管POS的位置精度在 GPS數(shù)據(jù)間隔內(nèi)具有隨著時(shí)間增加而降低的特點(diǎn)，若假定兩個(gè)POS的位置誤差隨時(shí)間的變化曲線一致，通過(guò)數(shù)據(jù)處理就可能獲得滿足InSAR使用要求的瞬時(shí)高精度相對(duì)基線參數(shù)。但事實(shí)上，由于POS慣性器件誤差的影響，兩個(gè)POS的位置誤差發(fā)散趨勢(shì)具有隨機(jī)性，其位置誤差隨時(shí)間變化曲線很難具有一致性，上述假定很難成立。

解決上述問題的一個(gè)思路是利用長(zhǎng)時(shí) GPS數(shù)據(jù)，估計(jì)每個(gè)POS的位置誤差隨時(shí)間變化曲線并對(duì)其數(shù)據(jù)實(shí)施校正。與此同時(shí)，也可考慮利用已有的撓曲形變建模補(bǔ)償和傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)研究如何進(jìn)一步提高測(cè)量精度問題。

5.2.3 雙站/重過(guò)航InSAR 典型代表為編隊(duì)衛(wèi)星X波段InSAR系統(tǒng)，目前主要采用差分GPS信號(hào)獲得天線相位中心的空間位置。當(dāng)位置測(cè)量精度5 cm時(shí)，基線長(zhǎng)度測(cè)量精度為5 cm,1000 m基線對(duì)應(yīng)的基線傾角測(cè)量精度約為0.0029°。

一個(gè)編隊(duì)衛(wèi)星X波段InSAR系統(tǒng)參數(shù)和對(duì)應(yīng)的高程精度分析結(jié)果如表6、表7所示。

表6 編隊(duì)衛(wèi)星X波段InSAR系統(tǒng)參數(shù)Tab.6 System parameters of X-band InSAR satellites flying in formation

表7 編隊(duì)衛(wèi)星X波段InSAR高程精度分析Tab.7 Height measurement accuracy of X-band InSAR satellites flying in formation

在上述參數(shù)下的高程精度為16.8174 m。較長(zhǎng)的基線有可能獲得較高的高程測(cè)量精度，但長(zhǎng)基線會(huì)導(dǎo)致圖像的去相干，故進(jìn)一步提高天線相位中心的位置測(cè)量精度具有重要的意義。假定由 POS提供的天線相位中心相對(duì)位置精度可達(dá)到 1 cm，系統(tǒng)的高程測(cè)量精度可達(dá)到3.3975 m。

6 分布式POS的應(yīng)用方向

6.1 多光學(xué)載荷遙感飛機(jī)

● 主子節(jié)點(diǎn)數(shù)：3～4個(gè)

● 空間分布：10～30 m

● 姿態(tài)測(cè)量精度：0.0025°～0.005°

多光學(xué)載荷遙感飛機(jī)工作示意圖如圖1所示。

圖1 多光學(xué)載荷遙感飛機(jī)工作示意圖Fig.1 The schematic diagrams of multiple optical payload remote sensing airplane

6.2 柔性長(zhǎng)基線InSAR

● 主子節(jié)點(diǎn)數(shù)：2～3個(gè)

● 空間分布：8～100 m

● 相對(duì)位置測(cè)量精度：1～2 mm

應(yīng)用平臺(tái)除機(jī)載8～15 m長(zhǎng)柔性基線InSAR外，還要考慮星載60～100 m長(zhǎng)柔性基線InSAR系統(tǒng)。

星載柔性長(zhǎng)基線InSAR的示例如圖2所示的美國(guó)航天飛機(jī)載SRTM系統(tǒng)[7]。

圖2 美國(guó)航天飛機(jī)載柔性長(zhǎng)基線SRTM系統(tǒng)Fig.2 Space shuttle SRTM with flexible long baseline

6.3 機(jī)載稀疏陣列天線3D-SAR

● 主子節(jié)點(diǎn)數(shù)：8～16個(gè)

● 空間分布：10～15 m

● 相對(duì)位置測(cè)量精度：1 mm-0.0625λ

機(jī)載稀疏陣列天線3D-SAR工作示意圖[8,9]如圖3所示。

6.4 艇載共形稀疏陣列天線成像雷達(dá)

● 主子節(jié)點(diǎn)數(shù)：20～30個(gè)

● 空間分布：70～100 m

● 相對(duì)位置測(cè)量精度：1 mm-0.0625λ

艇載共形稀疏陣列天線成像雷達(dá)工作示意圖[10]如圖4所示。

圖3 機(jī)載稀疏陣列天線3D-SAR工作示意圖Fig.3 The schematic diagrams for airborne sparse array 3D-SAR system

機(jī)載稀疏陣列天線3D-SAR和艇載共形稀疏陣列天線成像雷達(dá)將采用基于子陣結(jié)構(gòu)的陣列天線，由于子陣數(shù)量較多，所需固聯(lián)在子陣相位中心處的IMU數(shù)量也較多，要求以測(cè)量陣列形變?yōu)橹饕康牡姆植际絇OS子節(jié)點(diǎn)具有較高的位置測(cè)量精度，同時(shí)具有較小的體積和重量。

要特別說(shuō)明的是，POS輸出數(shù)據(jù)率較高，可感知平臺(tái)的高頻振動(dòng)信息。為減少平臺(tái)高頻振動(dòng)影響，可考慮在子陣和平臺(tái)間采取減振措施。在此基礎(chǔ)上，對(duì)POS以較高數(shù)據(jù)率輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，有可能會(huì)進(jìn)一步提高位置和姿態(tài)測(cè)量精度。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用情況，選用適當(dāng)?shù)腜OS數(shù)據(jù)濾波方法，也是未來(lái)研究工作中的一個(gè)重點(diǎn)。

文獻(xiàn)[11]研究了大型稀疏陣列天線成像雷達(dá)中的陣列形變誤差測(cè)量和補(bǔ)償方法，給出了子陣位置測(cè)量誤差在1 cm時(shí)的成像結(jié)果，從一個(gè)方面說(shuō)明了分布式POS應(yīng)用的可行性。

6.5 分布式小衛(wèi)星雷達(dá)

● 主子節(jié)點(diǎn)數(shù)：2～6個(gè)

● 空間分布：200 m～2 km

● 相對(duì)位置測(cè)量精度：1～5 cm

美國(guó)的TechSat-21分布式小衛(wèi)星雷達(dá)系統(tǒng)[12]如圖5所示。

7 結(jié)束語(yǔ)

分布式 POS的概念是我國(guó)根據(jù)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求提出的，具有創(chuàng)新性，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度很大，但具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文討論了分布式POS的體制，論述了其主要技術(shù)指標(biāo)，明確了其可能的應(yīng)用方向。針對(duì)不同的應(yīng)用方式，初步分析了獲得高精度位置和姿態(tài)信息可能的技術(shù)途徑，對(duì)立足自我，突破高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)具有積極的推動(dòng)作用。

感謝北京航空航天大學(xué)的房建成教授、鐘麥英教授、劉百奇博士、李建利博士、劉占超博士、郭佳博士對(duì)本文研究工作的無(wú)私幫助，與他們的討論使我們受益匪淺。

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