高分辨率SAR卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法

高分辨率sar卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法
技术领域
1.本发明属于高分辨率sar卫星定标技术领域，具体涉及一种高分辨率sar卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法。

背景技术：

2.星载sar雷达系统收发信号时，雷达信号会出现信号畸变，包括通道串扰、幅度和相位不一致等。同时不同sar系统具有较明显的差异，诸如工作方式、工作频段、发射接收通道、幅度相位不平衡、天线串扰、天线方向图、成像算法、系统噪声等，加之电磁波传播特性和地形等复杂背景的影响，导致sar系统对同一目标获取的信息有极大的差别。为了获取标准一致且稳定的合成孔径雷达图像，sar系统定标过程必不可少。
3.随着星载sar系统的试验越来越多、应用越来越广，获得的合成孔径雷达数据也越来越丰富，地物后向散射机理也被人们理解得越来越透彻。而随着定标器件和定标技术的不断迭代进步，星载sar系统的定标精度也越来越高。特别是面向高分辨率sar卫星多种模式下的高精度定标，地面定标器需根据sar卫星的运动姿态进行自动追踪，并实时调整定标器的姿态角以对准sar雷达波的照射方向。此时，地面定标器在姿态实时变动过程中，会造成雷达波相位中心的改变。因此，为了实现sar卫星高精度几何定标，需要开展高精度的相位中心坐标测量，以解决干涉sar在国土安全测绘、地质灾害监测等过程中微小形变测量参考基准精度不够的问题。
4.现有的sar卫星定标器主要为固定式人工角反射器和分体式人工角反射器，在定标过程中角反射器的位置保持固定不变直至sar卫星过境，其雷达波相位中心测量方法主要是利用gnss测量或全站仪测量等方法对角反射器三个三角面相交顶点的坐标进行定位，即为雷达波相位中心坐标位置。这种相位中心坐标测量方法同样也是三轴旋转伺服云台角反射器雷达波相位中心的常用方法，在开展高分辨率sar卫星定标时，存在的主要缺点如下所述：采用固定式或分体式人工角反射器进行sar卫星定标时，通常是在sar卫星过境之前，设定好一个固定的姿态角对准sar卫星雷达波照射期间的中点位置，即相对于定标器的零多普勒点。此时，人工角反射器的雷达波相位中心点为三个三角面的相交顶点，然后将该顶点利用铅垂线投影到地面之后，采用常规的大地测量方法，测出该顶点地面投影点的大地测量坐标。然而，这种定标方式仅适用于条带扫描模式的sar卫星定标，针对聚束或滑动聚束模式的sar卫星定标时，人工角反射器需要不断根据卫星的姿态参数调整自身的对准角度值。另外，当sar卫星过境时的姿态角参数改变或面向其它型号sar卫星定标时，固定式或分体式人工角反射器需要进行姿态角的变换，此时的相位中心也需要按照上述方法进行重新测量。因此，在野外测定sar卫星定标器的雷达波相位中心时，将会大大增加测量的工作量，提高了测量成本，并且无法保障相位中心点实时位置的准确测量精度。
5.面向高分辨率sar卫星多种工作模式下的高精度定标工作，本发明采用了自主设计并研制的三轴旋转伺服云台角反射器系统，可根据sar卫星姿态参数进行角度的动态调
整。此时，实时精确的测量雷达波相位中心的坐标成为该类型定标器的难点问题。若按照传统的大地测量方法进行测量，需要根据角反射器的姿态调整做出及时精确的测量，不仅耗费大量的人力物力，而且无法获取雷达波相位中心的实时位置。

技术实现要素：

6.针对上述技术问题，本发明提供一种高分辨率sar卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法，将采用自主设计并研制的三轴旋转伺服云台角反射器系统，并根据sar卫星姿态参数进行角度的动态调整，实现对sar卫星雷达波信号的高精度定标。在此基础上，本发明提出了一种三轴旋转伺服云台角反射器雷达波相位中心的高精度测量方法，构建了角反射器独立坐标系，并实现了与大地测量坐标系之间的转换。
7.本发明面向高分辨率sar卫星不同工作模式（条带、扫描、聚束等）下对定标器的需求，采用自主设计并研制的三轴旋转伺服云台角反射器系统，实现了定标器对sar卫星雷达波束照射角的动态适应性调整。在此基础上，构建了该定标器的三维独立坐标系，提出了一种用于雷达波相位中心的高精度快速定位方法。该方法仅需要一次性测量云台中心点的大地测量坐标，无需对角反射器顶点进行多次测量，即可实时获取雷达波相位中心的精确坐标，大大降低了测量工作量，提升了作业效率，实现了sar卫星高精度定标工作时雷达波相位中心的实时定位。
8.当前常用的sar卫星定标器主要是固定式和分体式人工角反射器，需要在卫星过境之前，根据卫星的入射角对人工角反射器的姿态参数进行相应的调整，并且在定标观测过程中，无法对人工角反射器进行其他调整。因此，在面向聚束或滑动聚束工作模式下的高分辨率sar卫星定标时，上述两类定标器已无法使用。本发明采用的基于三轴旋转伺服云台的角反射器系统，可根据卫星的姿态参数对角反射器进行实时的调整，以更好的追踪卫星的入射雷达波，进而保障sar卫星在不同工作模式下的定标，用于雷达波相位中心的高精度快速定位方法，实现对雷达波相位中心精确坐标的实时获取。
9.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种高分辨率sar卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法，包括如下步骤：s1、设计可实现三轴旋转的伺服云台的角反射器系统，根据sar卫星局地入射角实时调整角反射器的姿态参数；s2、根据角反射器的结构特征构建三维独立坐标系，并计算角反射器顶点及雷达波相位中心点在三维独立坐标系中的初始坐标；s3、根据角反射器的三维独立坐标系构建三轴旋转矩阵，并构建角反射器顶点及雷达波相位中心点的三维独立坐标与三轴旋转角的解算方程；s4、构建角反射器的三维独立坐标系与大地测量坐标系之间的坐标转换关系，实现角反射器顶点及雷达波相位中心点大地测量坐标的获取。
10.进一步地，所述步骤s1包括：s11、采用可实现三轴旋转的伺服云台作为角反射器的底座，并通过连接杆和固定连接垫片，维持顶部的角反射器的稳定性，并根据旋转角做出及时精准的姿态调整，所述连接杆的顶点与角反射器的连接点在角反射器底面三角形顶点的角平分线上，角反射器底面三角形顶点为角反射器的三个三角面相交点；
s12、利用三个铝制金属等腰直角三角形网块，将三个等腰直角三角形直角边进行拼接，构建成角反射器的主体，直角边长度为1.5米，并通过固定连接垫片将主体与连接杆绑定，所述连接杆的另一头与可实现三轴旋转的伺服云台系统连接。
11.进一步地，所述步骤s2包括：s21、以可实现三轴旋转的伺服云台的旋转中心作为原点o，以东方向e作为x轴，高度向h作为z轴，南方向s作为y轴构建东向归零独立坐标系；s22、根据基于可实现三轴旋转的伺服云台的角反射器设计参数，获取等腰直角三角形的边长、三个三角面相交顶点与连接杆顶点之间的距离、连接杆顶点与可实现三轴旋转的伺服云台的旋转中心之间的距离；s23、根据可实现三轴旋转的伺服云台的角反射器设计参数，计算角反射器的四个顶点在东向归零独立坐标系中的坐标值。
12.进一步地，所述步骤s3包括：s31、根据s2中构建的东向归零独立坐标系，以顺时针旋转为正方向构建三轴旋转矩阵；s32、分别构建绕东向归零独立坐标系x、y、z轴旋转时所对应的旋转矩阵，建立东向归零独立坐标系中任一点经三轴旋转后的坐标解算方程；s33、任意设定绕东向归零独立坐标系x、y、z轴旋转的角度值，并根据角反射器四个顶点的初始坐标值解算经任意旋转角之后的东向归零独立坐标系中的坐标值。
13.进一步地，所述步骤s4包括：s41、根据基于三轴旋转的伺服云台的东向归零独立坐标系x、y、z轴的指向与大地测量坐标系相同坐标轴指向的关系，以及坐标原点位置，确定两种坐标系之间的转换关系；s42、采用大地测量手段测定三轴旋转的伺服云台的旋转中心点即东向归零独立坐标系原点的大地测量坐标值；s43、根据角反射器四个顶点在东向归零独立坐标系中的坐标值，即相对于东向归零独立坐标系坐标原点的坐标增量，加上东向归零独立坐标系坐标原点在大地测量坐标系中的坐标值，即得到角反射器四个顶点的大地测量坐标，其中三个三角面相交顶点为雷达波相位中心点。
14.本发明的有益效果为：本发明采用基于三轴旋转伺服云台的角反射器系统，可根据卫星的姿态参数对角反射器进行实时的调整，以更好的追踪卫星的入射雷达波，进而保障sar卫星在不同工作模式下的定标。提出一种用于三轴旋转伺服云台的角反射器雷达波相位中心的快速定位方法，实现对雷达波相位中心大地测量坐标的高精度实时获取。
15.本发明采用自主设计并研制的三轴旋转伺服云台角反射器系统，实现了定标器对sar卫星雷达波束照射角的动态适应性调整，提出了一种用于雷达波相位中心的高精度快速定位方法，实现了sar卫星高精度定标工作时雷达波相位中心大地测量坐标的实时定位。
附图说明
16.图1为三轴旋转伺服云台角反射器雷达波相位中心大地坐标精确定位流程图。
17.图2为三轴旋转伺服云台角反射器几何结构示意图。
18.图3为三轴旋转伺服云台角反射器三维独立坐标系构建图。
19.图4为三轴旋转伺服云台角反射器下视视角几何参数图。
具体实施方式
20.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
21.如图1所示，本发明的一种高分辨率sar卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法，包括如下步骤：在步骤s1中，设计一种可三轴旋转的伺服云台与角反射器的连接，连接杆可带动角反射器主体实现快速精准的姿态调整，通过姿态角的调整实现对sar卫星的实时追踪，并采用等腰直角三角形铝制金属块制造高分辨sar卫星定标器。
22.在步骤s2中，是为了便于实现角反射器顶点及雷达波相位中心在大地测量坐标系中坐标值的快速解算，构建一个以三轴旋转伺服云台旋转中心作为原点o，以东方向（e）作为x轴，高度向（h）作为z轴，南方向（s）作为y轴的东向归零独立坐标系，其为三维独立坐标系。在该三维独立坐标系下，三个坐标轴的指向与大地测量坐标系一致，仅y轴指向相反，这样既能便捷快速的计算出角反射器顶点随三轴旋转角变化的实时独立坐标，又能实现独立坐标系与大地测量坐标系之间的快速转换。
23.在步骤s3中，根据角反射器的三维独立坐标系构建相应的三轴旋转矩阵，三轴旋转矩阵构建时，以三维独立坐标系第i象限作为视角象限，规定绕各坐标轴顺时针旋转为正方向，从而确定旋转矩阵内部参数的正负号，并根据三轴旋转矩阵构建独立坐标系中任一点的坐标解算方程。
24.在步骤s4中，将所解算得到的角反射器顶点及雷达波相位中心点在独立坐标系中的坐标转换到大地测量坐标系中，通过测量三维独立坐标系原点的大地测量坐标值，仅需要对独立坐标系原点进行平移到大地测量坐标原点，并将独立坐标系中y轴方向坐标值取反，即可实现角反射器独立坐标系中所有顶点坐标与其所对应的大地测量坐标值之间的快速转换。
25.如图2所示，基于三轴旋转伺服云台角反射器系统主要包括上部的角反射器的主体、中部的连接杆和底部的伺服云台，连接杆与底部的伺服云台中间的三轴旋转圆球连接，顶部通过一块固定连接垫片与角反射器的底面连接，且连接点位于角反射器的底面的角平分线上，在角反射器实时追踪sar卫星雷达波过程中，雷达波相位中心点即为p1点。其它三个顶点分别为p2、p3、p4，角平分线与顶点p2、p3形成的直线的交点是p5。
26.根据sar卫星的局地入射角变化，伺服云台的三轴旋转圆球做出相应的旋转角度调整，并通过连接杆实时带动顶部的角反射器运动。在旋转运动过程中，整个角反射器可看作是绕着一个中心点进行的姿态调整，该中心点即为三轴旋转圆球的中心。
27.如图3和图4所示，首先以三轴旋转伺服云台角反射器系统的三轴旋转圆球中心点作为坐标原点o，以东方向（e）作为x轴，高度向（h）作为z轴，南方向（s）作为y轴构建东向归零坐标系。角反射器四个顶点分别为p1~p4，连接杆与角反射器地面的连接点为p0，这些点
的位置如图3的右图所示，初始位置时，底部三角面中的的角平分线为顶点p1、p5形成的直线p1p5，其与东方向的x轴平行。
28.在本发明中，以顺时针旋转为正定义三轴旋转角的正负号，由此可得角反射器分别绕x、y、z轴旋转时的旋转矩阵如下所示：绕x轴旋转：(1)绕y轴旋转：(2)绕z轴旋转：(3)以上公式中、、分别为绕x、y、z轴旋转的角度值，根据本发明中角反射器与三轴旋转伺服云台角反射器系统之间的几何关系，如图3和图4所示，等腰直角三角形的直角边长p1p2=1.5米，则经计算可得顶点p2、p5形成的直线p2p5=1.061米，在本发明中，连接点与雷达波相位中心点p1的距离p0p1=0.4米，独立坐标系原点o到角反射器底面的距离op0=0.1米。利用这些几何参数可以得到在东向归零时四个顶点的初始坐标分别为：p1=(-0.4,0,0.1); p2=( 0.661,1.061,0.1)p3=( 0.661,-1.061,0.1); p4=(-0.4,0,1.6)则角反射器四个顶点分别绕x、y、z轴旋转、、角度后的坐标为：(4)因此，在测定独立坐标系原点o的大地测量坐标后，其它四个顶点的大地测量坐标
即可在原点o的基础上加上三轴坐标增量，需要注意的是，本坐标系以南方向为正，与大地测量坐标系北向为正相反，需要最后将y轴坐标的符号进行反向即可。
29.综上所述，本发明提出的一种高分辨率sar卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法，具有较好的适用性，可实现sar卫星高精度几何定标，解决干涉sar在国土安全测绘、地质灾害监测等过程中微小形变测量参考基准精度不够的难题。
30.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种高分辨率sar卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、设计可实现三轴旋转的伺服云台的角反射器系统，根据sar卫星局地入射角实时调整角反射器的姿态参数；s2、根据角反射器的结构特征构建三维独立坐标系，并计算角反射器顶点及雷达波相位中心点在三维独立坐标系中的初始坐标；s3、根据角反射器的三维独立坐标系构建三轴旋转矩阵，并构建角反射器顶点及雷达波相位中心点的三维独立坐标与三轴旋转角的解算方程；s4、构建角反射器的三维独立坐标系与大地测量坐标系之间的坐标转换关系，实现角反射器顶点及雷达波相位中心点大地测量坐标的获取。2.根据权利要求1所述的一种高分辨率sar卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法，其特征在于，所述步骤s1包括：s11、采用可实现三轴旋转的伺服云台作为角反射器的底座，并通过连接杆和固定连接垫片，维持顶部的角反射器的稳定性，并根据旋转角做出及时精准的姿态调整，所述连接杆的顶点与角反射器的连接点在角反射器底面三角形顶点的角平分线上，角反射器底面三角形顶点为角反射器的三个三角面相交点；s12、利用三个铝制金属等腰直角三角形网块，将三个等腰直角三角形直角边进行拼接，构建成角反射器的主体，直角边长度为1.5米，并通过固定连接垫片将主体与连接杆绑定，所述连接杆的另一头与可实现三轴旋转的伺服云台系统连接。3.根据权利要求2所述的一种高分辨率sar卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法，其特征在于，所述步骤s2包括：s21、以可实现三轴旋转的伺服云台的旋转中心作为原点o，以东方向e作为x轴，高度向h作为z轴，南方向s作为y轴构建东向归零独立坐标系；s22、根据基于可实现三轴旋转的伺服云台的角反射器设计参数，获取等腰直角三角形的边长、三个三角面相交顶点与连接杆顶点之间的距离、连接杆顶点与可实现三轴旋转的伺服云台的旋转中心之间的距离；s23、根据可实现三轴旋转的伺服云台的角反射器设计参数，计算角反射器的四个顶点在东向归零独立坐标系中的坐标值。4.根据权利要求3所述的一种高分辨率sar卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法，其特征在于，所述步骤s3包括：s31、根据s2中构建的东向归零独立坐标系，以顺时针旋转为正方向构建三轴旋转矩阵；s32、分别构建绕东向归零独立坐标系x、y、z轴旋转时所对应的旋转矩阵，建立东向归零独立坐标系中任一点经三轴旋转后的坐标解算方程；s33、任意设定绕东向归零独立坐标系x、y、z轴旋转的角度值，并根据角反射器四个顶点的初始坐标值解算经任意旋转角之后的东向归零独立坐标系中的坐标值。5.根据权利要求3所述的一种高分辨率sar卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法，其特征在于，所述步骤s4包括：s41、根据基于三轴旋转的伺服云台的东向归零独立坐标系x、y、z轴的指向与大地测量
坐标系相同坐标轴指向的关系，以及坐标原点位置，确定两种坐标系之间的转换关系；s42、采用大地测量手段测定三轴旋转的伺服云台的旋转中心点即东向归零独立坐标系原点的大地测量坐标值；s43、根据角反射器四个顶点在东向归零独立坐标系中的坐标值，即相对于东向归零独立坐标系坐标原点的坐标增量，加上东向归零独立坐标系坐标原点在大地测量坐标系中的坐标值，即得到角反射器四个顶点的大地测量坐标，其中三个三角面相交顶点为雷达波相位中心点。

技术总结

本发明提供一种高分辨率SAR卫星定标器雷达波相位中心精确定位方法，包括：设计具有三轴旋转的伺服云台的角反射器系统，根据SAR卫星局地入射角实时调整角反射器的姿态参数；根据角反射器的结构特征构建三维独立坐标系，并计算角反射器顶点及雷达波相位中心点在三维独立坐标系中的初始坐标；根据角反射器的三维独立坐标系构建相应的三轴旋转矩阵，并构建角反射器顶点及雷达波相位中心点的三维独立坐标与三轴旋转角的解算方程；构建角反射器三维独立坐标系与大地测量坐标系之间的坐标转换关系，实现角反射器顶点及雷达波相位中心点大地测量坐标的获取。本发明实现了SAR卫星高精度定标工作时雷达波相位中心大地测量坐标的实时定位。实时定位。实时定位。