樓良盛，繆 劍，陳筠力，劉志銘，張笑微，張 昊,5

1. 地理空間信息國家重點實驗室, 陜西 西安 710054； 2. 西安測繪研究所，陜西 西安 710054； 3. 32020部隊, 湖北 武漢 430070； 4. 上海航天技術(shù)研究院，上海 201109； 5. 信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院, 河南 鄭州 450001

干涉合成孔徑雷達(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)是一般SAR功能的延伸和擴展。它利用多個雷達接收天線觀測得到的回波數(shù)據(jù)進行干涉處理，可以對地面的高程進行估計，對海流進行測高和測速，對地面運動目標(biāo)進行檢測和定位。雷達接收天線相位中心之間的連線稱為基線，按照基線和航向的夾角，將InSAR分為基線垂直于航向的切軌跡干涉和沿航向的順軌跡干涉。切軌跡干涉可以快速提取地面的三維信息，順軌跡干涉主要用于動目標(biāo)檢測和海洋水流與波形測量[1-2]。本文所論述的是在切軌跡干涉模式下InSAR系統(tǒng)。

InSAR系統(tǒng)與傳統(tǒng)的光學(xué)遙感系統(tǒng)相比，具有全天候、全天時等突出優(yōu)點。其主要產(chǎn)品是數(shù)字表面模型和雷達正射影像[3-5]，可以用于國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、自然災(zāi)害檢測、大流域和河道治理等諸多領(lǐng)域[6-11]。天基InSAR系統(tǒng)具有不受獲取地域限制、單次獲取區(qū)域大、衛(wèi)星工作時間長等特點，深受用戶喜歡，有廣闊的應(yīng)用前景。

天基InSAR系統(tǒng)目前采用基于單衛(wèi)星平臺(或飛船、航天飛機)的雙天線和基于多星的衛(wèi)星編隊兩種基線體制。

基于單衛(wèi)星平臺雙天線體制是在單個衛(wèi)星平臺上伸出一個能滿足InSAR干涉要求的基線架，在基線架兩端分別放兩個雷達天線，形成干涉測量系統(tǒng)。該體制的兩個天線同時對地面成像，可以徹底解決時間導(dǎo)致的相干性下降問題，同時基線架變形很小，可以提高基線測量精度，然而必須首先解決如何實現(xiàn)InSAR測量原理要求的最優(yōu)基線問題。由于最優(yōu)基線實現(xiàn)困難，至今單平臺雙天線體制只在美國航天飛機上的SRTM[12-14]采用過，且基線長度只有60 m，遠未達到最優(yōu)基線長度。SRTM系統(tǒng)搭載在2000年2月發(fā)射的美國“奮進”號航天飛機上，受基線長度限制，其產(chǎn)品精度不高。技術(shù)難度大、風(fēng)險高、耗資巨大，是該體制的突出缺點。

基于衛(wèi)星編隊體制是由多顆衛(wèi)星組成編隊，衛(wèi)星相互遵循Hill方程[15]繞飛，衛(wèi)星之間的間隔為幾百米至幾千米，構(gòu)型相對穩(wěn)定；衛(wèi)星上分別裝有雷達，同時對地面成像，形成干涉測量系統(tǒng)，無時間去相關(guān)效應(yīng)。這一概念為星載InSAR系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了新的解決思路，通過編隊衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計可獲得最優(yōu)基線，滿足InSAR干涉的一系列條件，其缺點是編隊衛(wèi)星間需要協(xié)同工作。其代表為德國空間中心(DLR)的TanDEM-X[16-18]系統(tǒng)和我國的天繪二號衛(wèi)星系統(tǒng)[4]。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平，基于單衛(wèi)星平臺雙天線InSAR方案的基線架及伸展技術(shù)難以實現(xiàn)，基線長度很難達到最佳要求，且伸展出去的天線存在顫抖，難以對其進行精確測量，這將影響InSAR測圖精度。而基于衛(wèi)星編隊體制難度相對較小，且可以確保較高的產(chǎn)品精度，故基于衛(wèi)星編隊的基線體制是當(dāng)前天基InSAR系統(tǒng)的較好選擇，是天基InSAR系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

建設(shè)InSAR系統(tǒng)的最主要目的是獲取滿足一定精度要求的產(chǎn)品，這要求首先能獲取干涉數(shù)據(jù)用于產(chǎn)品生產(chǎn)，其次要滿足一定精度要求。根據(jù)InSAR測量原理，獲取能用于產(chǎn)品生產(chǎn)的干涉數(shù)據(jù)，必須要有兩個分開放置的雷達接收天線形成基線，基于衛(wèi)星編隊InSAR系統(tǒng)可以通過衛(wèi)星編隊實現(xiàn)基線需求，這時編隊衛(wèi)星需要協(xié)同工作才能確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取，同時獲取的數(shù)據(jù)必須相干，才能形成干涉用于產(chǎn)品生產(chǎn)。另外，從InSAR系統(tǒng)影響產(chǎn)品精度的誤差傳遞鏈出發(fā)，分析主要影響因素是相位及基線測量的基線傾角和基線長度。據(jù)此，在不考慮SAR技術(shù)情況下(SAR技術(shù)比較成熟)，基于衛(wèi)星編隊InSAR系統(tǒng)設(shè)計主要有系統(tǒng)相干性、基線選擇、衛(wèi)星編隊設(shè)計、雙星協(xié)同工作及產(chǎn)品精度控制的關(guān)鍵技術(shù)，本文在歸納總結(jié)天繪二號關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及研制的基礎(chǔ)上，對這些關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，闡述了設(shè)計時的重點關(guān)注要素。

1 InSAR測量誤差模型

InSAR工作原理如圖1所示，Z軸和R軸構(gòu)成InSAR成像面，地面點高程h可表示為[6]

圖1 InSAR原理

h=H-r1cosθ

(1)

式中

(2)

式中，Φ為干涉相位差；B為基線長度；δ為雷達天線A1、A2到地面點的距離差；β為基線的傾角；θ為雷達天線A1的側(cè)視角；r為雷達天線A到目標(biāo)點的距離，下標(biāo)1、2表示主輔雷達天線A1、A2到地面點的距離；H為雷達天線A1的高度；λ為雷達工作波長。

地面點平面坐標(biāo)(X，Y)可由式(3)得到[3,19]

(3)

由InSAR測量原理可知，為了能獲取形成干涉相位差的數(shù)據(jù)，設(shè)計InSAR系統(tǒng)必須形成兩個分開放置的天線系統(tǒng)，分別獲取地面同一點數(shù)據(jù)，并使兩天線獲取的數(shù)據(jù)相干。由此，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮基線設(shè)計和相干性技術(shù)。

由式(1)和式(2)可得產(chǎn)品高程誤差傳遞模型[20]

(4)

由式(2)和式(3)可得產(chǎn)品平面誤差傳遞模型[20]

(5)

由式(4)、式(5)可知，由于r1值比較大，影響定位精度較大的因素是基線傾角、基線長度及相位誤差，故從系統(tǒng)確保產(chǎn)品精度要求從發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮高精度基線測量和相位誤差控制問題。

因此，建設(shè)一個InSAR系統(tǒng)需要考慮系統(tǒng)相干性、基線設(shè)計及確保系統(tǒng)產(chǎn)品精度的高精度基線測量和相位誤差控制技術(shù)。

2 基于衛(wèi)星編隊InSAR系統(tǒng)

對于一個天基系統(tǒng)，把天線放在不同的衛(wèi)星上，兩顆衛(wèi)星編隊飛行，可以通過衛(wèi)星編隊的構(gòu)型設(shè)計獲得最佳基線，滿足天基InSAR系統(tǒng)干涉的一系列條件。

衛(wèi)星編隊一般使用基于自然軌道的構(gòu)型，在自然飛行條件下，編隊衛(wèi)星的軌道構(gòu)形必須服從Hill方程[21-22]。衛(wèi)星運行軌道如圖2所示。

圖2 編隊衛(wèi)星

Hill方程為

(6)

Hill方程坐標(biāo)系的原點位于衛(wèi)星編隊的中心(該中心若有一衛(wèi)星則稱其為編隊的中心衛(wèi)星，若無衛(wèi)星則將該中心稱為編隊的虛擬中心)，X軸背向地球中心，Y軸為中心衛(wèi)星軌道的速度方向，Z軸垂直于中心衛(wèi)星軌道平面，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。T0為衛(wèi)星繞飛周期，i表示第i顆參與編隊的衛(wèi)星，α、β根據(jù)衛(wèi)星編隊數(shù)量，在360°內(nèi)平均取值。A、B根據(jù)干涉所需衛(wèi)星間距確定其值。從Hill方程可知，在XY平面內(nèi)，繞飛軌道是一個長、短軸比為2∶1的橢圓。

在衛(wèi)星編隊體制下，為了確保分開放置的SAR天線所接收信號具有較好的相干性，工作雷達采用一發(fā)雙收的收發(fā)模式，如圖3所示。在此模式下，發(fā)射與接收雷達之間必須協(xié)同工作，也就是必須要求主輔星雷達天線對準地面同一個目標(biāo)即主輔星波束腳印照射在同一個測繪帶內(nèi)并使回波多普勒中心頻率相同[23]，所有雷達知道雷達信號發(fā)送時間[24]，所有雷達能夠在整個合成孔徑時間內(nèi)精確掌握各回波的相位[25]，這個要求即為空間、時間、相位三同步。據(jù)此，在設(shè)計基于衛(wèi)星編隊InSAR系統(tǒng)時，還需考慮衛(wèi)星編隊和雙星協(xié)同工作問題。

圖3 一發(fā)雙收工作

3 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)InSAR測量原理、產(chǎn)品精度誤差傳遞模型及衛(wèi)星編隊系統(tǒng)特點，基于衛(wèi)星編隊InSAR系統(tǒng)設(shè)計涉及系統(tǒng)相干性、基線設(shè)計、衛(wèi)星編隊設(shè)計、雙星協(xié)同工作及確保產(chǎn)品精度的高精度基線測量和相位誤差控制等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 系統(tǒng)相干性設(shè)計與優(yōu)化

為了能用干涉法在兩幅SAR的復(fù)數(shù)影像間求取出反映地面高度的相位差，要求這兩幅SAR復(fù)數(shù)影像之間必須是相干的。相干性要求是InSAR測高得以實施的前提，相干性是InSAR中最關(guān)鍵的因素。取得、保持和提高相干性，一直是貫穿InSAR系統(tǒng)始終的基本和核心的問題。

相關(guān)性不僅關(guān)系系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)是否能形成干涉，還影響相位精度，相位精度與信號相關(guān)系數(shù)的關(guān)系為[26-27]

(7)

式中，N為參與影像處理的視數(shù)。

InSAR系統(tǒng)是依靠相干性來完成測量的，因此希望能得出盡可能大的相干系數(shù)。但在系統(tǒng)取得干涉復(fù)影像對的過程中，諸多的因素和環(huán)節(jié)都在影響相干性損耗，也就是去相干。

引起去相干的因素有[6]：①信噪比去相干γSNR；②基線去相干γB；③多普勒去相干γd；④處理去相干γp；⑤時間去相干γt；⑥幾何去相干γV；⑦大氣去相干γA。

這些去相干與整個系統(tǒng)的總?cè)ハ喔搔胻ot之間的關(guān)系為

γtot=γSNR·γB·γd·γp·γt·γV·γA

(8)

對于基于編隊衛(wèi)星InSAR系統(tǒng)，基線去相干、多普勒去相干、處理去相干、時間去相干、大氣去相干影響可以忽略或消除。因此系統(tǒng)設(shè)計時，相干性損耗的因素中系統(tǒng)設(shè)計重點要關(guān)注信噪比去相干和幾何去相干。幾何去相干將在3.2節(jié)基線選擇中分析。

信噪比去相干是由雷達進入接收通道的信號中不可避免地帶有噪聲，而噪聲是不相干成分，噪聲的存在降低了整個信號的相干性。噪聲所引起的相干性損耗通過信噪比體現(xiàn)，它們的關(guān)系為[29]

(9)

式中，SNR為信噪比，可表示為[1]

(10)

(11)

式中，(r，ψ，φ)為地面(x′,y′)在天線極坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；ψ為波束指向與天線法線的夾角；ε0、μ0分別為自由空間的介電常數(shù)和磁導(dǎo)數(shù)；E(x′,y′)為地面點(x′,y′)電場分布。

由于地面后向散射系數(shù)隨地面場景不同而變化，信噪比無法描述SAR系統(tǒng)的性能，由此引入等效噪聲系數(shù)(系統(tǒng)靈敏度NEσ0)概念，其表達式為

(12)

由式(12)可知，對于一個SAR系統(tǒng)，衛(wèi)星軌道高度、雷達工作波長、分辨率及成像帶寬是確定的，分辨率和成像帶寬決定雷達天線面積，地面后向散射系數(shù)與系統(tǒng)設(shè)計無關(guān)，故提高信噪比主要是靠提高雷達平均發(fā)射功率，即發(fā)射功率越大，雷達接收的信號也越強，等效噪聲系數(shù)越小，信噪比去相干越?。煌瑫r也要盡量減少SAR系統(tǒng)鏈路引起的噪聲，以提高系統(tǒng)的噪聲溫度。

等效噪聲系數(shù)與地面場景無關(guān)，可以直接反映SAR系統(tǒng)獲得怎樣的影像效果，是SAR系統(tǒng)重要參數(shù)，TanDEM-X系統(tǒng)均值為-22 dB、最差為-19 dB，天繪二號均值為-24 dB、最差為-20 dB。天繪二號等效噪聲系數(shù)優(yōu)于TanDEM-X系統(tǒng)。

為了減少信噪比去相干，在基于衛(wèi)星編隊InSAR系統(tǒng)設(shè)計時，盡量提高系統(tǒng)平均發(fā)射功率，減少SAR系統(tǒng)鏈路引起的噪聲，使等效噪聲系數(shù)盡可能小，同時雙星間需要實現(xiàn)空間同步。在一發(fā)雙收模式下，為了使被動接收雷達能收到強信號，要求被動接收雷達天線腳印與發(fā)射雷達天線腳印一致，這就是空間同步，具體要求在3.4節(jié)協(xié)同工作中介紹。

3.2 基線設(shè)計

基線是InSAR的必要前提。因為有基線，才造成了地面一點到兩個天線的不同距離，才產(chǎn)生了相位差，所以沒有基線便沒有InSAR[2]。干涉原理要求系統(tǒng)基線的設(shè)計必須滿足InSAR影像的信號之間具有相干性并可進行干涉測量。為了確保主輔雷達信號之間具有相干性，基線長度有一個最大值的限制，這個最大基線長度稱為極限基線(或臨界基線)。極限基線Bc可以表示為[2]

(13)

式中，τ為地面坡度。

極限基線與視角和地形坡度有關(guān)，隨著視角的增大，極限基線增大；隨著地形坡度的加大，基線極限減小[2]。星載InSAR極限基線的長度通常在千米量級，如SRTM(X-SAR)的極限基線約1 km，Tandem-X計劃和天繪二號的極限基線約7 km。極限基線不是InSAR系統(tǒng)工作基線，使InSAR系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)時的基線稱為最優(yōu)基線，最優(yōu)基線才是系統(tǒng)設(shè)計需要的基線。最優(yōu)基線和極限基線關(guān)系為[31]

BOP=(1-γOP(1+SNR-1))·BC

(14)

式中，γOP=0.618-1.171·SNR-1為最佳相干系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗估計的方法，最優(yōu)基線通常選擇極限基線的20%～60%[32]。這是在比較理想情況下的理論關(guān)系，在實際設(shè)計最佳基線時，還需考慮植被幾何去相干和高山區(qū)干涉條紋太密難以處理等問題。

植被幾何去相干主要是體散射去相干，體散射去相干與植被高度和模糊高度有關(guān)，可表示為[33-34]

(15)

圖4 模糊高度與幾何去相干關(guān)系

由式(15)可知，高度模糊越大，植被幾何去相干越小。高度模糊可以從式(4)干涉相位差引起的高程誤差獲得，可表達為

(16)

由于式(16)中r1?Bsin(β-θ)，故式(16)可表示為

(17)

根據(jù)模糊高度定義，mΦ=2π代入式(17)，則hamb可表示為

(18)

式中，B⊥=Bcos(β-θ)為有效基線或垂直基線，是設(shè)計基線的重要參數(shù)，有效基線和模糊高度成反比關(guān)系。

系統(tǒng)在設(shè)計基線時，模糊高度是需要考慮的重要因素。模糊高度不僅能反映植被的體散射問題，還能很好反映干涉條紋稀密程度。對于森林區(qū)，模糊高度越大，幾何去相干越小。同時，模糊高度是一個干涉條紋所對應(yīng)的地面高度值，故模糊高度越大，干涉條紋越稀，數(shù)據(jù)處理難度低，尤其是高山區(qū)的數(shù)據(jù)處理，在相同基線條件下，地面坡度越大，干涉條紋越密。因此，從相干性和數(shù)據(jù)處理方面分析，模糊高度越大越好。但對于一個InSAR系統(tǒng)并不是模糊高度越大越好，因為從產(chǎn)品精度誤差傳遞公式(4)、式(5)可知，基線越長，產(chǎn)品精度越高。

因此，系統(tǒng)在基線設(shè)計時，對不同的地面區(qū)域可以設(shè)計不同的基線，高山區(qū)和較茂盛森林區(qū)域，可以選用短基線；較平的巖石、裸土、草地及農(nóng)田等可以選用長基線，使獲取的產(chǎn)品具有較高的精度。TanDEM-X系統(tǒng)就選用了模糊高度為45 m、有效基線為190～330 m，及模糊高度為30 m、有效基線為285～495 m兩種基線模式進行獲取影像；同樣，天繪二號開始選用了模糊高度約為26 m、有效基線為350～650 m進行影像獲取，由于熱帶雨林、高山區(qū)域獲取影像干涉質(zhì)量較差，后來改用模糊高度約為58 m、有效基線為150～300 m進行影像獲取，由圖4可知，當(dāng)穿透樹高為10 m時，相干性從0.85提升到了0.96，較好地改善了獲取影像的干涉質(zhì)量。由式(4)可知，受基線長度影響，高程精度下降一半左右，但這主要用于山區(qū)，其高程精度要求也相對較低，從天繪二號在軌結(jié)果可知，選取的基線可滿足產(chǎn)品精度要求。

3.3 衛(wèi)星編隊設(shè)計

衛(wèi)星編隊技術(shù)是確保形成干涉所需基線的關(guān)鍵，包括編隊構(gòu)型設(shè)計、編隊保持控制、編隊構(gòu)型重構(gòu)、安全設(shè)計4部分內(nèi)容。

3.3.1 編隊構(gòu)型設(shè)計[3]

對于近距離繞飛編隊衛(wèi)星系統(tǒng)，為了確保編隊構(gòu)型穩(wěn)定，主、輔兩星回歸周期需相同，軌道傾角差Δa應(yīng)為0，則輔星相對于主星的相對運動可以通過軌道坐標(biāo)系(Hill坐標(biāo)系，即X軸為地心指向主星質(zhì)心方向，Y軸為衛(wèi)星飛行方向，Z軸為右手法則方向)下輔星與主星的相對位置來描述，即

(19)

式中，p=aδe，l=a(cotiΔiy+Δu)，s=aδi。

相對偏心率矢量Δe為

(20)

相對傾角矢量Δi為

(21)

式中，軌道根數(shù)皆為平根；a、e、i、Ω、ω和M分別代表半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點赤經(jīng)、近地點幅角和平近點角；下標(biāo)“1”表示主星，下標(biāo)“2”表示輔星。δe和θFF分別是Δe的大小和相位；δi和ΨFF分別是Δi的大小和相位；Δu為兩星相對平緯度幅角。

由式(19)可知，通過輔星相對主星運動軌跡在XHOHYH平面內(nèi)投影橢圓的短半軸p、輔星相對主星運動軌跡在ZH向上振幅s、相對偏心率矢量的相位角θFF、相對傾角矢量的相位角ΨFF、主星相對編隊構(gòu)型幾何中心在主星切向上偏移量l參數(shù)設(shè)計，即可進行編隊構(gòu)型設(shè)計。

3.3.2 編隊構(gòu)型保持控制[3]

編隊構(gòu)型在空間攝動的影響下會逐漸發(fā)散偏離標(biāo)稱值，從而影響衛(wèi)星系統(tǒng)工作，需要進行保持控制。編隊構(gòu)型是由兩顆衛(wèi)星的相對軌道根數(shù)決定，因此編隊構(gòu)型控制最終變成對編隊衛(wèi)星的相對軌道根數(shù)調(diào)整控制。根據(jù)相對運動控制方程，對各相對軌道根數(shù)調(diào)整分成軌道面外參數(shù)調(diào)整和軌道面內(nèi)參數(shù)調(diào)整。編隊構(gòu)型平面外控制參數(shù)主要為相對傾角矢量的調(diào)整，控制方式采用單脈沖控制方式，根據(jù)需要的調(diào)整量，選擇相應(yīng)的點火位置，進行平面外參數(shù)的控制。平面內(nèi)控制采用三脈沖控制方式，實現(xiàn)對相對偏心率矢量、相對半長軸、相對緯度幅角等平面內(nèi)參數(shù)的控制?？刂仆屏Σ捎们邢蛲屏?，由不同編隊推力器組合來實現(xiàn)。在編隊構(gòu)型保持控制期間，系統(tǒng)一般處于無法獲取數(shù)據(jù)狀態(tài)。

編隊構(gòu)型保持控制包括星地聯(lián)合控制和星上自主控制兩種模式。星地聯(lián)合控制模式中，地面控制中心基于測控站獲得兩星相對狀態(tài)信息與設(shè)定任務(wù)的編隊構(gòu)型信息計算偏離值，由偏離值確定星上推力器的控制時機與控制量大小，通過上注指令，對輔星實施保持控制；星上自主控制模式中，由星上星間測量分系統(tǒng)獲取兩星相對狀態(tài)信息，衛(wèi)星根據(jù)相對狀態(tài)信息與設(shè)定任務(wù)的編隊構(gòu)型信息獲取偏離值，確定星上推力器的控制時機與控制量大小，對輔星實施保持控制。

3.3.3 編隊構(gòu)型重構(gòu)[3]

編隊構(gòu)型重構(gòu)主要完成各種編隊構(gòu)型之間的相互轉(zhuǎn)換，采用星地大回路控制方式。在進行編隊構(gòu)型重構(gòu)時，首先采用單脈沖控制方式進行軌道面外軌道參數(shù)的控制，然后采用兩脈沖或三脈沖控制方式進行軌道面內(nèi)的參數(shù)控制。

在進行編隊重構(gòu)時，由于理想構(gòu)型在編隊沿航向的距離相差較大，半長軸的偏差會引起衛(wèi)星編隊的構(gòu)型沿航向長期的漂移，出于燃料節(jié)省的考慮，軌道面內(nèi)的參數(shù)控制時采用多軌沿航向漂移實現(xiàn)編隊重構(gòu)。

3.3.4 安全設(shè)計[3]

安全設(shè)計可以從構(gòu)型設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計和防撞規(guī)避措施3個層次進行設(shè)計。

為了最大限度地減小兩星發(fā)生碰撞概率，衛(wèi)星編隊構(gòu)型設(shè)計采用等半長軸、等傾角非共面的設(shè)計原則。目前所設(shè)計的編隊構(gòu)型均滿足該原則，并且保證了兩星在XHOHYH面內(nèi)相對距離大于150 m。

控制系統(tǒng)防撞設(shè)計主要從相對導(dǎo)航與編隊控制策略的工作狀態(tài)檢查與驗證、推力器限噴措施設(shè)計、編隊初始化安全接近設(shè)計、單機可靠性措施以及故障診斷進行專項設(shè)計，防止由于相對導(dǎo)航與控制算法驗證不足、推力器限噴措施不到位、單機和系統(tǒng)故障等導(dǎo)致的兩星碰撞風(fēng)險。

防撞規(guī)避措施是指一旦出現(xiàn)兩星相距小于安全閾值的緊急情況下，衛(wèi)星系統(tǒng)即采取撤離控制措施，避免碰撞的發(fā)生。為了盡快拉開兩星的相對距離，采用主星單脈沖切向噴氣的控制方式。

在系統(tǒng)設(shè)計衛(wèi)星編隊時，首先應(yīng)考慮滿足系統(tǒng)對基線的要求，其次應(yīng)考慮衛(wèi)星安全問題，最后應(yīng)考慮編隊構(gòu)型的穩(wěn)定性，減少編隊構(gòu)型保持控制周期，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取效率。天繪二號編隊構(gòu)型采用等半長軸、等傾角非共面設(shè)計原則(兩顆衛(wèi)星高度一致，相對傾角矢量的相位角ΨFF固定為90°)，通過選擇主、輔星之間的赤經(jīng)差(輔星相對主星運動軌跡在ZH向上振幅s不同)，使兩星之間在軌道平面外拉開(在赤道附近編隊構(gòu)型參數(shù)z向分量最大)，這種構(gòu)型設(shè)計具有很強的被動穩(wěn)定性，可以保證衛(wèi)星的防碰撞安全性。

3.4 雙星協(xié)同工作設(shè)計

在一發(fā)雙收SAR工作模式下，主輔雷達之間必須要相互協(xié)調(diào)、相互配合，才能實現(xiàn)工作目的。

首先，輔雷達要想取得所需目標(biāo)的回波，就需要精確預(yù)知回波到達時間，以便在恰當(dāng)?shù)臅r間對進入天線的電磁波進行采樣。這就要求輔雷達必須事先知道主雷達發(fā)射各脈沖的精確時刻，并使自己與主雷達在時間上精確配合，確保主輔星SAR錄取的回波在距離向重合，這就是時間同步[2]。同時，時間同步還可以使輔雷達在主雷達發(fā)射時關(guān)閉接收通道，能很好地規(guī)避主雷達直達泄露干擾。沒有時間同步，輔星接收不到雷達信號。

其次，合成孔徑雷達是相干體制雷達，它要求參與孔徑合成的所有回波脈沖之間在相位上保持確定和可知的關(guān)系，成像處理要依據(jù)這些相位間的關(guān)系對所有的回波進行相干積累，才能實現(xiàn)孔徑的合成。因此，在多基SAR中，輔雷達必須要掌握主雷達所發(fā)射的各脈沖的相位，并使自己的本振與發(fā)射的各脈沖在相位上保持穩(wěn)定和可知的關(guān)系，才可能對自己收到的回波實現(xiàn)SAR成像。使輔雷達的本振信號與主雷達的發(fā)射信號在相位上保持關(guān)系就是相位同步[2]。沒有相位同步，就無法實現(xiàn)輔雷達SAR成像。

最后，幾何上分開放置的主輔雷達天線，在雷達工作時必須同時指向同一目標(biāo)，輔雷達才可能收到目標(biāo)的回波，使回波信號最優(yōu)，主輔星回波信號相干性最好。主輔雷達間在天線波束指向上的這種配合要求，就是多基雷達系統(tǒng)的空間同步。沒有空間同步，輔星接收不到高質(zhì)量信號。

為此，為了實現(xiàn)InSAR測高，主輔雷達間必須建立起時間、空間及相位三同步關(guān)系。

3.4.1 時間同步

時間同步的目的是使雙星SAR之間工作時間一致，以便在同一時間點上錄取地面回波，確保主輔星SAR錄取的回波在距離向的重合。時間同步對InSAR系統(tǒng)性能的影響主要是對系統(tǒng)地面測繪帶寬的影響，若時間同步有誤差，將使測繪帶寬變窄[2]。時間同步如圖5所示。

圖5 時間同步

由圖5可知，在沒有時間同步誤差情況下，若雷達A1從地面點P開始接收回波信號，則雷達A2也將從地面點P開始接收回波信號；若時間同步存在順延誤差Δt，則當(dāng)雷達A1從地面點P開始接收回波信號時，雷達A2也將從地面點P′開始接收回波信號，從而引起地面成像區(qū)域的變化，而兩個雷達獲取地面重疊部分才能形成干涉，故時間同步的要求根據(jù)系統(tǒng)對地面測繪帶寬的要求而定[2]。Q點為以A1P長為半徑劃弧與A1P′的交點，則有

(22)

雷達接收到目標(biāo)的回波，需經(jīng)歷發(fā)射和返回雙向路程，故時間同步要求Δt有

(23)

式中，c為光速。天繪二號時間同步指標(biāo)要求不大于85 ns，側(cè)視角指標(biāo)為35°～46°，根據(jù)式(22)、式(23)，對測繪帶寬影響最大為9.2 m，影響較小。天繪二號測繪帶重疊度指標(biāo)為3 km，不會出現(xiàn)獲取數(shù)據(jù)條帶間漏縫問題。

時間同步實現(xiàn)可分為建立和保持兩部分[3]。

時間同步建立，它是指在某一時間點，兩同步時鐘的時間讀數(shù)相同。天繪二號通過星間測量分系統(tǒng)提供的高穩(wěn)定基準頻率信號、高精度PPS秒脈沖信號、PPS秒脈沖間的高精度時差數(shù)據(jù)，經(jīng)SAR載荷雷達射頻子系統(tǒng)，產(chǎn)生高穩(wěn)時鐘信號后送雷達控制子系統(tǒng)，作為定時基準時鐘，并產(chǎn)生系統(tǒng)所需高穩(wěn)定時間。高精度時差數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星綜合電子送雷達控制子系統(tǒng)，由時差數(shù)據(jù)控制監(jiān)控定時模塊對超前的PPS秒脈沖進行延時控制。通過PPS秒脈沖觸發(fā)雷達控制子系統(tǒng)的監(jiān)控定時模塊，產(chǎn)生高一致的雷達定時信號，實現(xiàn)雙星時間同步建立[3]。

時間同步建立后，在一次成像工作時間內(nèi)，需進行時間同步保持。它表示完成時間同步建立后，主輔星時間的變化需保持一致性。時間同步保持是通過星間測量分系統(tǒng)提供的高穩(wěn)定基準頻率信號的高精度和它們之間的高一致性，維持主輔星SAR定時信號之間的差別。高穩(wěn)定基準頻率信號可以采用銣鐘馴服晶振實現(xiàn)，銣鐘具有長穩(wěn)特性，而晶振具有短穩(wěn)特性，用銣鐘馴服晶振實現(xiàn)基準頻率信號的長期高穩(wěn)定性[3]。

時間同步功能的實現(xiàn)，需要在高穩(wěn)定基準頻率信號、高精度秒脈沖信號、雙星間秒脈沖信號的高精度時延差數(shù)據(jù)的保障下實現(xiàn)。

3.4.2 空間同步

空間同步目的是主輔星接收的回波相干性最優(yōu)。使SAR天線的波束在地面有足夠的重疊，以保障被動接收的輔星能夠獲取高信噪比的SAR回波信號[3]；或使主輔星波束腳印照射在同一個測繪帶內(nèi)并使回波多普勒中心頻率相同，以保障較高的多普勒去相干。由此，實現(xiàn)空間同步有最大能量法和最大相干法兩種方案，這兩種方案在距離向要求是相同的，其區(qū)別就是方位向要求不同，如圖6所示。

圖6 空間同步示意圖

最大能量法的同步方案，即“輔瞄主”模式，通過對輔星導(dǎo)引規(guī)律的偏置，在不考慮波束指向誤差的情況下，可使輔星波束腳印與主星波束腳印重合，從而使輔星接收到的回波能量達到最大。該方案下，主輔星波束中心指向測繪帶中心同一點，這時系統(tǒng)信噪比去相干影響較小，但對多普勒去相干影響較大。

與最大能量法相比，最大相干法并不要求主輔星波束中心同時指向地面同一點，而要求主輔星分別按照各自的偏航、俯仰二維導(dǎo)引規(guī)律將波束腳印照射在同一個測繪帶內(nèi)，并使主輔星回波多普勒中心頻率相同，保證較高的多普勒去相干。一般情況下，同步后的波束在方位向不完全重疊，主輔星波束中心不指向同一點，輔星信噪比會有所下降，因此會影響信噪比去相干[3]。

Tandem-X系統(tǒng)采用最大能量法，而天繪二號兩種方案均有?？臻g同步在衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制精度和SAR天線波束指向精度的保障下，依靠平臺姿態(tài)控制調(diào)整指向來實現(xiàn)?？臻g同步要求可以從天線波束指向偏差引起的信噪比去相干和從主輔星回波多普勒中心頻率不同引起的多普勒去相干進行分析。

由式(10)、式(11)可知，SAR回波的信噪比與波束指向與天線法線的夾角ψ有關(guān)，當(dāng)ψ=0時，天線增益最大，SAR回波的信噪比也最大。當(dāng)空間同步不好時，輔雷達天線指向與主雷達天線指向不一致，即輔雷達的ψ不能為0，從而使回波的信噪比下降。參考天繪二號參數(shù)，對于一般的田地地面，信噪比為7～8 dB，若天線波束指向錯開天線足跡的10%，信噪比下降0.2 dB左右，根據(jù)式(9)、式(13)，信噪比去相干為0.91，按4視處理，產(chǎn)生相位誤差為9°，在可收受范圍內(nèi)，天繪二號空間同步要求不大于7%波束寬度，影響會更小，可以滿足空間同步要求。

多普勒去相干的大小與兩個回波的中心多普勒差ΔfDC和方位壓縮用的多普勒帶寬BA有關(guān)，可表示為[6]

(24)

(25)

確保主輔星回波多普勒中心頻率相同通過衛(wèi)星偏航、俯仰二維導(dǎo)引實現(xiàn)，而偏航、俯仰二維導(dǎo)引精度即為衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制精度。則根據(jù)式(25)，從多普勒去相干情況可以對衛(wèi)星姿態(tài)控制提要求，以確保最大相干法空間同步精度。天繪二號雷達天線方位向長度為5.04 m，波長為3.12 cm，若多普勒去相干要求不超過0.95，則Δζ應(yīng)優(yōu)于0.017。而Δζ為主輔雷達波束中心指向差，需要主輔兩星控制，故衛(wèi)星平臺控制精度應(yīng)優(yōu)于0.012°，天繪二號衛(wèi)星平臺控制精度為優(yōu)于0.01°，可以滿足空間同步要求。

3.4.3 相位同步

相位同步的目的是建立主輔星SAR間共同的相對相位參考，消除主輔星SAR信號源不一致引起的誤差，使主輔星SAR的回波信號具有相參性，確保獲得滿足干涉測高要求的相位差[3]。相位同步一般采用兩衛(wèi)星間雙向信號直接進行傳輸?shù)姆椒ǎ@取主、輔雷達射頻載波之間補償相位差，可分為星上雙向信號交替?zhèn)鬏數(shù)耐叫盘柌蓸雍偷孛鏀?shù)據(jù)處理補償兩部分。星上部分主要完成主、輔星SAR載頻相位差信息的獲??；地面部分主要完成輔星SAR回波的相位補償。

根據(jù)相位同步原理，補償?shù)南辔徊钪登蠼馊缦隆?/p>

設(shè)主星雷達的頻率源相位為

φ1=2πf1t+φ01+n1(t)

(26)

輔星雷達的頻率源相位為

φ2=2πf2t+φ02+n2(t)

(27)

輔星雷達接收到主星雷達的地面回波相位為

n2(t)-n1(t)

(28)

式中，fi為主輔星SAR的標(biāo)稱中心頻率；φ0i為主輔星載頻的初相；ni為主輔星相位噪聲；ri為主輔星到地面目標(biāo)點距離；t為一個相位同步交替?zhèn)鬏斶^程的起始時刻；c為光速[3]。

根據(jù)InSAR測量原理，與高程相關(guān)的干涉相位應(yīng)只與雷達回波歷程r1、r2有關(guān)，故相位同步目的是在輔星的相位φ12中去除掉φc值[3]

φc=2π(f2-f1)t+φ02-φ01+n2(t)-n1(t)

(29)

從兩衛(wèi)星間直接傳輸?shù)碾p向信號的載波相位中獲取相位φc并進行補償?shù)倪^程即為相位同步。

相位同步的星上部分由相位同步信號、相位同步信號鏈路等組成。同步信號用于相位同步信號的產(chǎn)生；相位同步鏈路又分為載荷內(nèi)部的硬件鏈路與兩星之間空間鏈路兩個組成部分，共同完成相位同步信號在兩星之間的相互發(fā)射、接收與數(shù)據(jù)記錄，其中空間鏈路通過喇叭天線形成兩星相對位置的空間覆蓋。相位同步工作由星間狀態(tài)測量分系統(tǒng)、SAR分系統(tǒng)共同承擔(dān)。星間狀態(tài)測量分系統(tǒng)為有效載荷提供高穩(wěn)定的頻率基準，保證獨立工作在兩星上的頻率基準高精度地相對一致，為有效載荷相位同步奠定了基礎(chǔ)。SAR分系統(tǒng)采用同步喇叭雙向傳輸相位同步信號的方案，獲取主、輔星SAR載波間相位差信息；即主星將相位同步脈沖信號通過星間鏈路發(fā)送給輔星，經(jīng)輔星解調(diào)后采集相位同步信號并隨雷達回波數(shù)據(jù)下傳至地面；同樣，主星也接收、解調(diào)輔星發(fā)來的同步脈沖信號，并下傳至地面[3]。

相位同步的地面部分是在主輔星InSAR數(shù)據(jù)成像處理前，從回波數(shù)據(jù)中提取相位同步數(shù)據(jù)，恢復(fù)出主、輔星SAR載波間相位差值，補償輔星SAR回波的相位，實現(xiàn)相位同步[3]。相位同步工作如圖7所示。

圖7 相位同步工作

天繪二號和TanDEM-X系統(tǒng)均采用該方法。相位同步直接產(chǎn)生相位誤差，其要求可以根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)品精度要求指標(biāo)分配確定，天繪二號指標(biāo)要求為不大于10°。

在系統(tǒng)設(shè)計時，為了使相位同步信號能夠完全攜帶SAR探測信號的幅相特征，要求相位同步信號與SAR探測信號的形式盡可能相同。可以采用相位同步信號和SAR探測信號由相同的信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的方案，并使相位同步信號與SAR探測信號的時寬、帶寬等參數(shù)完全相同。如此設(shè)計，既不額外增加信號產(chǎn)生的硬件電路，又使相位同步信號盡可能多地攜帶與探測信號相同的系統(tǒng)相位信息。

在雷達工作期間，最先建立時間同步，然后依靠兩個高穩(wěn)頻率基準保持到成像結(jié)束；空間同步在時間同步之后進行，隨后周期性進行調(diào)整；相位同步在空間同步的后期開始，然后在雷達回波錄取期間周期性進行。雷達系統(tǒng)干涉成像回波的錄取在三同步的保持期間進行[3]。

3.5 基線精密測量及控制

基線測量對InSAR系統(tǒng)產(chǎn)品精度影響最大，深受系統(tǒng)設(shè)計者關(guān)注?；€測量有基于合作目標(biāo)的測距測角和基于GNSS的相位差分相對定軌兩種方法。由于基于衛(wèi)星編隊InSAR系統(tǒng)的衛(wèi)星相對位置隨時在變化，使基于合作目標(biāo)的測距測角方法實現(xiàn)難度較大。同時，InSAR系統(tǒng)對基線測量要求較高，天繪二號和TanDEM-X系統(tǒng)分別提出了4 mm左右的精度要求，兩顆衛(wèi)星之間的距離基本大于500 m，這就要求測角精度優(yōu)于1.65″，實現(xiàn)該指標(biāo)難度較大。天繪二號和TanDEM-X系統(tǒng)都選擇了采用基于GNSS的相位差分相對定軌方法實現(xiàn)基線測量測量，在軌運行結(jié)果表面可以實現(xiàn)4 mm的指標(biāo)要求。

由于GNSS獲取的觀測數(shù)據(jù)來自GNSS天線相位中心，相對定軌定的是衛(wèi)星質(zhì)心位置，而InSAR處理使用的基線是SAR天線相位中心連線，故需把GNSS觀測數(shù)據(jù)從天線相位中心位置轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星質(zhì)心，再把相對定軌后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到SAR天線相位中心位置，完成星間高精度狀態(tài)測量。基線測量的主要過程包括GNSS和SAR天線相位中心的確定、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、相對定軌4部分[3]。

3.5.1 GNSS天線相位中心確定

GNSS天線較小，相位中心可以直接在暗室進行標(biāo)定[3]。GNSS天線需要在衛(wèi)星底板上進行天線相位中心的標(biāo)定，由于衛(wèi)星底板尺寸大，要求測試系統(tǒng)靜區(qū)≥1.4 m，推算可知，遠場距離需要大于16.5 m。天繪二號選擇西安海天公司的SATIMO-SG128多探頭球面近場測試系統(tǒng)進行相位中心標(biāo)定，西安海天公司的SATIMO-SG128多探頭球面近場測試系統(tǒng)的工作頻帶覆蓋L波段，測試靜區(qū)2 m，滿足標(biāo)定要求。該天線測試系統(tǒng)通過半圓上的離散探頭采樣及被測天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動采集到天線多個切面的近場數(shù)據(jù)，經(jīng)過近遠場變換得到天線遠場方向圖，標(biāo)定天線相位中心。

GNSS天線相位中心穩(wěn)定度在設(shè)計時，采用十字交叉振子形式單元作為中心輻射體，同時采用阻抗變換設(shè)計、加載設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，確保天線寬頻點工作；通過對天線扼流圈深度和寬度，確保低仰角增益性能；在加工時，通過控制振子臂長度、扼流圈深度和寬度的誤差及對移相性能篩選，保證天線相位中心穩(wěn)定度。

3.5.2 SAR天線相位中心確定

由于天基SAR天線大，目前一般采用相控陣天線，這樣波束由多個T/R組件合成，相位中心無法直接在實驗室進行標(biāo)定，只能通過分析確定。IEEE標(biāo)準中天線相位中心的定義為：天線附近存在一個點，如果將它作為輻射遠場的球面圓心，則輻射球面上場分量的相位應(yīng)基本是個常數(shù)，至少在輻射的關(guān)鍵區(qū)域滿足。根據(jù)相控陣天線的特點與使用方式，相控陣天線的相位中心定義為：使得相控陣天線遠場能量波束寬度內(nèi)相位平坦的參考點，一般相位平坦度應(yīng)優(yōu)于2°。由此可以認為相控陣天線的相位中心應(yīng)為天線陣面幾何中心。

SAR天線相位中心確定為天線陣面幾何中心，需要天線陣面上的T/R組件均勻?qū)ΨQ分布。因此，確保其穩(wěn)定度主要靠控制天線陣面平整度、T/R組件位置加工精度及T/R組件性能一致性實現(xiàn)。

3.5.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是通過計算GNSS天線和SAR天線相位中心偏差實現(xiàn)的，天線相位中心偏差在慣性坐標(biāo)系中可表示為

rE=MOEMBOrS

(30)

式中，MOE為衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；MBO為衛(wèi)星本體坐標(biāo)系到衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，即衛(wèi)星姿態(tài)矩陣；rS為衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的GNSS天線或SAR天線相位中心坐標(biāo)矢量，該值在地面精確測定。

3.5.4 相對定軌

相對定軌可以消除或削弱許多共同誤差，從而得到高精度的基線信息，其基本原理如下。

B星相對A星的衛(wèi)星運動方程可表示為

(31)

式中，XAB為B星相對A星的狀態(tài)(包括相對位置、速度及動力學(xué)參數(shù))；XAB0為t0時刻B星相對A星的狀態(tài)。

δXAB(t)=MAB(t,t0)δXAB(t0)

(32)

δXAB(t)=MB(t,t0)δXAB(t0)

(33)

式中，MB(t,t0)為B星狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，若t時刻兩顆編隊衛(wèi)星同時共視了m顆GPS衛(wèi)星，則可形成m-1個雙差觀測方程

Y=H·δX+ε

(34)

式中，Y為雙差殘差；H為觀測矩陣；δX為估計參數(shù)。δX不僅包括位置參數(shù)，還包括速度及動力學(xué)參數(shù)。

將t時刻觀測方程映射到t0時刻

(35)

式中，δX0為初始位置、速度及動力學(xué)參數(shù)；M為編隊衛(wèi)星狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)重點關(guān)注GNSS和SAR天線相位的確定精度和穩(wěn)定性。天繪二號GNSS天線相位中心的安裝標(biāo)定精度為0.3 mm(三軸)，穩(wěn)定度為徑向2 mm；SAR天線相位中心的安裝標(biāo)定精度為0.3 mm(三軸)，穩(wěn)定度為(0.15，0.15，0.36 mm)。

3.6 相位誤差控制

基于衛(wèi)星編隊InSAR系統(tǒng)相位誤差主要包括SAR系統(tǒng)信號產(chǎn)生階段的信號源誤差、硬件設(shè)備傳輸過程的通道誤差及主輔信號間去相干引起的誤差。SAR系統(tǒng)的信號源誤差通過相位同步進行消除，相位同步和去相干問題前文已介紹，此處重點介紹SAR系統(tǒng)的通道誤差。SAR系統(tǒng)的通道誤差可以通過內(nèi)定標(biāo)進行標(biāo)定，并根據(jù)標(biāo)定值進行改正消除。

內(nèi)定標(biāo)是標(biāo)定雷達成像信號在SAR載荷發(fā)射與接收通道中的幅相變化。這些幅相變化疊加在回波信號上，不僅導(dǎo)致地面目標(biāo)的反射強度出現(xiàn)誤差，同時導(dǎo)致干涉相位出現(xiàn)誤差，直接影響測高精度[3]。

內(nèi)定標(biāo)實現(xiàn)方法有延遲內(nèi)定標(biāo)和非延遲內(nèi)定標(biāo)兩種。在延遲內(nèi)定標(biāo)方法中，內(nèi)置了光纖延遲線、放大器等有源部件，開機相位具有隨機性，而且相位穩(wěn)定性差、溫漂大、鏈路對消性差，難以實現(xiàn)高精度內(nèi)定標(biāo)要求；在非延遲內(nèi)定標(biāo)方法中，采用全無源的設(shè)計，可實現(xiàn)更好的幅度和相位穩(wěn)定性，定標(biāo)精度高，但需要解決回波鏈路與定標(biāo)鏈路隔離度和不同模式下SAR載荷鏈路功率電平匹配等問題[3]。為了確保內(nèi)定標(biāo)相位精度，天繪二號和TanDEM-X系統(tǒng)均采用非延遲內(nèi)定標(biāo)技術(shù)。

內(nèi)定標(biāo)一般由內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)定標(biāo)器組成的定標(biāo)鏈路實現(xiàn)。內(nèi)定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計即可對SAR信號硬件通道進行定標(biāo)，也可對相位同步通道進行定標(biāo)。方案應(yīng)充分考慮不同定標(biāo)方式的信號流和信號電平的需要，保證內(nèi)定標(biāo)性能[3]。

內(nèi)定標(biāo)器用于標(biāo)定雷達開機期間，以及多次開機之間通道幅度和相位的變化量，并據(jù)此進行補償，因此內(nèi)定標(biāo)器的設(shè)計就成為影響雷達通道幅度和相位標(biāo)定性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。內(nèi)定標(biāo)器是內(nèi)定標(biāo)信號鏈路中的核心單元，它完成各種內(nèi)定標(biāo)模式的回路轉(zhuǎn)換和電平轉(zhuǎn)換[3]。

為了提高內(nèi)定標(biāo)的精度，可以采用首尾定標(biāo)結(jié)合成像中定標(biāo)的高精度內(nèi)定標(biāo)方法。該方法是在首尾定標(biāo)的基礎(chǔ)上，在SAR成像工作期間，周期性地插入內(nèi)定標(biāo)工作過程，以高精度地獲取成像工作期間雷達系統(tǒng)硬件通道的相位漂移規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)通過專門的內(nèi)定標(biāo)算法處理，最終實現(xiàn)高精度的內(nèi)定標(biāo)補償。

內(nèi)定標(biāo)技術(shù)相位誤差控制措施包括：①盡量簡潔設(shè)計、少用器件，優(yōu)選穩(wěn)相電纜組件，以盡量短的電長度設(shè)計內(nèi)定標(biāo)器；②主輔星SAR采用相同的軟硬件設(shè)計，通過地面測試和篩選，確保主輔星SAR硬件相位特性的高一致性；③通過采用長加電、提前開機預(yù)熱、有源部件溫度補償?shù)确绞?，使系統(tǒng)的相位特性變化在工作期間控制在可承受的范圍內(nèi)；④通過針對性的熱控系統(tǒng)設(shè)計，使內(nèi)定標(biāo)系統(tǒng)工作環(huán)境溫度控制在一定范圍內(nèi)，保證相位穩(wěn)定性和一致性[3]。

內(nèi)定標(biāo)直接產(chǎn)生相位誤差，其要求可以根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)品精度要求指標(biāo)分配確定，天繪二號指標(biāo)要求內(nèi)定標(biāo)器精度溫補后不大于0.5°，整個內(nèi)定標(biāo)相對相位穩(wěn)定性要求不大于2°。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)InSAR測量原理、產(chǎn)品精度誤差傳遞模型及衛(wèi)星編隊系統(tǒng)特點，從獲取系統(tǒng)干涉相位差數(shù)據(jù)和確保系統(tǒng)產(chǎn)品精度兩方面，系統(tǒng)梳理了基于衛(wèi)星編隊InSAR系統(tǒng)設(shè)計所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括系統(tǒng)相干性、基線設(shè)計、衛(wèi)星編隊設(shè)計、雙星協(xié)同工作及確保產(chǎn)品精度的高精度基線測量和相位誤差控制等。對于系統(tǒng)相干性關(guān)鍵技術(shù)，需要關(guān)注信噪去相干和幾何去相干；對于基線設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，需要關(guān)注產(chǎn)品精度與高山區(qū)數(shù)據(jù)處理難度、幾何去相干間矛盾；對于衛(wèi)星編隊設(shè)計技術(shù)，需要關(guān)注有效基線需求、衛(wèi)星防撞安全、編隊構(gòu)型的穩(wěn)定性等；對于雙星協(xié)同工作技術(shù)，需要關(guān)注時間、空間、相位三同步；對于高精度基線測量技術(shù)，需要關(guān)注GNSS和SAR天線相位中心確定和穩(wěn)定度；對于相位誤差控制，需要關(guān)注相位誤差控制措施。天繪二號衛(wèi)星在設(shè)計過程中，重點關(guān)注了本文所提關(guān)鍵技術(shù)，并對其中的重點關(guān)注要素進行了大量分析研究及仿真驗證，系統(tǒng)成功運行且性能測試指標(biāo)遠優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)[4]，驗證了本文提出的關(guān)鍵問題所涉及重點關(guān)注要素的正確性。