星载双天线干涉SAR系统总体技术研究

干涉SAR卫星测绘方式主要有重复轨道多航过干涉SAR、双天线单航过干涉SAR、编队飞行干涉SAR三种方式,其中过双天线单航干涉SAR能够获得较高的干涉测绘效率、较好的高程测量精度。文章针对星载双天线干涉SAR系统开展了轨道高度与高程测绘精度的关系分析、载荷工作机理及高程测量精度分析、天线伸展臂的抖动对干涉性能的影响分析等总体技术研究,并进行了关键技术分析。     

基于双星编队SAR三轨法差分干涉技术的基线设计

将单星重复轨道三轨法差分干涉扩展到双星编队,对正侧视下合成孔径雷达差分干涉(DInSAR)技术的基线设计进行了研究。在测量坐标系中,将位于主星距离高度平面内的简化基线扩展为空间矢量,根据空间几何关系得到正侧视下双星编队SAR三轨差分干涉法的空间基线模型。建立了编队SAR测高程时基线设计公式,以及基线矢量到DInSAR测形变所需基线的转换公式,基于该模型首次从应用角度分析了基线对编队SAR三轨法差分干涉测形变的误差传播特性。给出了基于基线比的基线设计方法:测高程时,基线选择以临界基线为上限,综合考虑测高精度和灵敏度确定基线;测形变时,为降低误差对形变精度的影响,基线比应尽量小(基线比为0.25时编队SAR三轨法DInSAR形变测量精度最高),即地形图像对的垂直有效基线应尽量大,形变图像对的基线应尽量小。用ALOS-2卫星参数进行了仿真计算,所得编队基线和重复轨道基线误差要求分别为毫米级和厘米级。研究对DInSAR系统中基线参数设计有更直观的理论指导意义和实际应用价值。     

国外SAR卫星最新进展与趋势展望

为推进我国合成孔径雷达(SAR)卫星的发展并与国际接轨,介绍了德国TanDEM-X系统、意大利Cosmo-SkyMed星座、日本ALOS-2卫星、欧空局Sentinel-1星座等国外目前典型在轨SAR卫星的系统特点、任务现状、数据产品和典型应用,给出了农业变化检测、超高精度地表高程数据、联合航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)数据研究冰原地区长时间变化、海冰提取与速度估计、CLOSEYE项目、灾害快速响应与监测、超大区域地表微小形变监测、建筑物高程测量等应用实例。分析了国际上CSG星座、NISAR卫星、TanDEM-L系统和RadarSAT星座等下一代系统的组成、工作模式和主要目标。展望了未来SAR卫星系统的低成本、轻型化、多模式、分布式、高分辨发展趋势。     

基于CEI的高精度相位干涉测量试验

基于被动式干涉测量的卫星轨道测定在测量精度、星上资源利用等方面具有明显优势。首先阐述群时延辅助的高精度相位干涉测量算法,然后利用连线干涉测量(CEI)系统对地球同步轨道(GEO)卫星实施观测试验,最后对试验数据进行相位干涉测量处理与轨道符合验证。结果表明,相位干涉测量可以获得皮秒量级的随机误差,远远优于群时延随机误差;修正系统性误差后,干涉测量得到的几何时延与卫星精密星历得到的理论几何时延差异仅约0.1ns,为利用干涉测量技术实现高精度卫星轨道确定奠定了基础。     

同步轨道共位卫星差分CEI测量技术

同步轨道卫星共位是指在一个地球同步轨道±0．1°的窗口上放置2颗或2颗以上的卫星。文章介绍了同步轨道卫星多星共位的必要性和差分连接端站干涉测量的原理,对同步轨道共位卫星位置测量精度进行分析,得出结论：差分连接端站干涉测量技术能够满足同步轨道共位卫星位置测量的要求。     

"高分四号"卫星正射校正精度分析

探究"高分四号"(GF-4)卫星影像在无精确控制点情况下进行基于有理函数模型的正射校正时,地形因素、参考影像以及高程数据对其结果的精度影响,并给出最适合GF-4卫星正射校正的经验性结论;文章分别对不同地形、不同分辨率的Landsat8参考影像以及不同分辨率的DEM数据进行正射校正实验,并从自动生成的控制点个数以及均方根误差两方面进行了精度分析。结果表明基于有理函数模型的正射校正对于不同的地形有着不同的校正效果,山地整体效果上略好于平原与城市;参考影像的全色波段与GF-4卫星影像的空间分辨率比例在0.8～1.0之间时,正射校正效果最佳;DEM对于GF-4卫星影像垂直方向正射校正效果显著,且分辨率越高校正效果越好。GF-4卫星影像的正射校正精度高低不仅与自身图像所包含的地形地貌有关,而且其参考影像与DEM数据的分辨率也会对精度有影响,宜选用分辨率相近的参考影像以及较高分辨率的DEM数据参与GF-4卫星的正射校正。     

高分三号卫星总体设计验证

高分三号(GF-3)卫星是我国民用"高分辨率对地观测系统重大专项"中唯一一颗微波成像卫星,也是我国第1颗1m分辨率C频段多极化合成孔径雷达(SAR)卫星,其定量化指标要求高,同时具有雷达天线质量、尺寸大,热控要求高,脉冲功率大,构型布局复杂等技术特点和难点。文章围绕GF-3卫星技术难点,系统阐述了卫星高定量化、高扩展性等总体设计特点及设计验证方法,并采用系统建模、模拟分析、地面试验和在轨测试等多种措施,确保卫星优良的图像质量和定量化应用能力,使其具备一定的在轨扩展能力。GF-3卫星设计和研制过程中采用的验证方法,可为后续SAR卫星的总体设计提供参考。     

Ka波段机载双模式干涉SAR系统设计及测量精度分析

为解决传统干涉合成孔径雷达(SAR)系统只能顺轨干涉或交轨干涉,无法兼顾高精度高程测量和速度测量的问题,开展了Ka波段机载双模式干涉SAR系统设计与干涉测量精度分析。基于Ka波段电磁波波长短、干涉相位敏感度好的特点,利用较短的干涉基线在同一干涉SAR系统中实现高精度干涉测高与测速,并介绍了所设计的Ka波段机载双模式干涉SAR验证系统。仿真结果表明:该系统具备高效率、高精度干涉测量能力,可获得亚米级的绝对测高精度和0.1 m/s的测速精度。     

高分三号卫星水利应用及示范应用系统设计开发

高分三号(GF-3)卫星具有全天时、全天候的对地观测能力,在水利行业领域具有巨大的应用潜力和优势。本文首先介绍了GF-3卫星在地表水体监测、洪涝监测、干旱灾害监测、水利工程监测等方面的理论方法和技术流程。在此基础上,进一步设计并开发了GF-3卫星水利示范应用系统,系统以水利业务网为运行管理环境,集成水资源监测评价和管理分系统、水旱灾害监测分系统、水利工程监测和评价分系统、基础空间数据库建设与更新分系统,支撑GF-3卫星数据的水利示范应用。最后通过GF-3卫星水利应用示范的开展,实现系统的业务化运行和水利应用专题产品的自动化生产和共享服务,提供4类14种专题产品,从而提高GF-3卫星数据的水利行业应用水平。     

欧洲两颗遥感卫星协同使用

1995年4月20日欧空局第二颗遥感卫星,ERS-2,发射升空,进入780km高的极轨道。ERS-2将同以前发射的ERS-1协同工作。ERS-1是1991年7月16日发射入轨的。两颗星协同工作,将使得该卫星的雷达高度计的测量点的数量增加一倍,从而使科学家能以极高的精度绘制地图。 协同工作还可以发挥合成孔径雷达(SAR)干涉测量的潜力。当连续通过同一轨道时可获得两个或更多个SAR图像。根据这些图像提供的相位差,可以得到地球表面地形的精确信息。     

基于改进的切比雪夫多项式轨道的 SAR影像正射纠正

在利用SAR(合成孔径雷达)严格几何模型(距离-多普勒)进行影像正射纠正时,为消除卫星轨道误差对影像正射纠正精度的影响,提出了一种新的卫星轨道模型——切比雪夫多项式。首先利用切比雪夫多项式对SAR影像元数据中提供的若干卫星轨道状态矢量进行拟合,以获得影像成像期间内卫星轨道状态矢量关于时间的函数关系式;然后利用少量地面控制点修正切比雪夫多项式拟合的参数;最后将修正之后的卫星轨道模型用于SAR严格几何模型的正射纠正,从而提高正射纠正影像的定位精度。结合SAR的几何成像参数、数字高程模型,选择广西桂林某地区的Radarsat-2卫星拍摄的SAR影像进行试验,利用所提出的方法与传统正射纠正方法进行对比,试验结果得出正射纠正精度在40m以内,定位精度优于传统方法。     

动态新闻

<正>高分三号卫星干涉测量实现可监测亚厘米级地面沉降据中国航天科技集团公司网站2017年3月25日报道,高分三号(GF-3)卫星入轨以来,获取了近10万景C频段多极化海洋和陆地SAR图像,为国内外资源普查、台风预警、灾害评估、作物估产、极地考察等众多应用部门提供数据支持。近日,中国航天科技集团五院张庆君研究员团队联合武汉大学地球空间信息技术协同创新中心、英国纽卡斯尔大学李振洪教授团队在合成孔径雷达干涉测量(InSAR)     

连线干涉测量信号处理方法及实验验证

干涉测量技术是深空探测任务中高精度获取导航数据观测量的重要技术手段。阐述连线干涉测量原理,详细推导干涉测量信号处理算法,用于准确提取反映航天器测角信息的时延观测量。分析信号处理数学模型,通过仿真验证算法的有效性。由于连线干涉测量具有严格的时间同步特性,同时消除了传播介质公共误差对信号的影响,通过搭建连线干涉测量实验系统实际采集地球同步卫星信号进行分析,结果表明实验成功获取了清晰的干涉条纹,得到高精度的时延观测量信息,从而验证了连线干涉测量信号处理方法的有效性。     

基于单基线干涉测量的GEO卫星轨道测定与验证

干涉测量具有被动式测量特点,对空间非合作目标轨道监测具有天然优势。利用5.5公里基线干涉测量系统,针对GEO卫星开展了差分干涉测量实验。引入群时延辅助的相时延处理技术,GEO卫星干涉测量噪声约9.4ps。基于"2小时标校-13小时跟踪-2小时标校"的长时差分观测模式,GEO卫星干涉测量误差约0.267ns,定轨解算星历与精密星历最大径向偏差为35.7公里。结果表明,单基线干涉测量可以收敛解算GEO卫星轨道,实现较高精度的GEO卫星轨道被动式监测。     

高分三号卫星在洪涝和滑坡灾害应急监测中的应用

在介绍合成孔径雷达(SAR)在洪涝和滑坡灾害监测中应用方法的基础上,采用高分三号(GF-3)卫星SAR数据对2017年吉林永吉"7·13"特大洪水灾害和四川茂县的"6·24"特大山体滑坡灾害开展应急监测。监测结果显示:洪水淹没区主要集中在吉林市境内的温德河和鳌龙河附近,永吉县境内和吉林市市辖区淹没面积(均不包含城市淹没区)分别为19.82km2和8.70km2;滑坡体长度为2620m,最大滑坡宽度为1135m,滑坡体面积为1.76km2,与无人机航拍影像的监测结果基本一致。应用结果表明,GF-3卫星具有较好的灾害应急监测能力,能够为中国的防灾减灾领域提供有力的数据支撑和信息服务。     

复杂约束条件下的高分三号卫星系统设计

高分三号(GF-3)卫星是中国首颗民用平面相控阵SAR卫星,配置一套大型平面相控阵雷达天线,由于载荷尺寸大、质量大、功耗大、热耗大和电磁复杂特点,在卫星系统设计过程中采用了面向复杂约束条件下的系统综合设计方法。文章在梳理GF-3卫星载荷约束的基础上,提出了SAR卫星系统设计思路,详细介绍了围绕SAR载荷开展的面向机、电、热、磁等方面系统设计方案的选择与优化过程,并重点在SAR天线体制、结构形式、热控方案、机构要求,以及供配电状态和太阳翼方案等方面,给出了系统综合设计结果。     

“高分四号”卫星影像辐射与几何精度评价

"高分四号"(GF-4)卫星是中国首颗高分辨率静止轨道面阵凝视光学遥感卫星,载荷首次采用面阵CMOS探测器在36 000km高轨成像、基于面阵成像构建在轨相对辐射校正模型、面阵相机光学畸变在轨检校。文章首先分析了影响GF-4卫星影像辐射质量(quality,以下同)与几何精度的关键因素,然后介绍了高轨面阵成像处理模型的构建技术,最后分析评价了GF-4卫星影像的辐射质量、几何质量和处理精度。结果表明:GF-4号卫星全色多光谱影像的平均行标准差、平均标准差和广义噪声等相对辐射精度指标均优于3%,典型地物信噪比平均优于40d B。影像内部畸变在垂轨和沿轨方向均优于0.8个像素。     

FY-3卫星应用和发展

回顾了风云三号(FY-3)卫星的应用和发展历程。介绍了FY-3卫星装载的成像、大气探测、辐射收支探测、大气成分监测和空间环境监测器5类仪器包,可实现从紫外、可见光、近红外、中红外、热红外到微波的多种电磁波谱段的遥感和探测。给出了地面应用系统生成的大气、陆地、海洋和空间天气等科学和应用领域的卫星遥感信息产品及其分辨率与精度。列举了部分典型的FY-3卫星数据在数值天气预报、臭氧和二氧化碳等大气成分和气候监测、生态环境和灾害监测等领域的应用结果。展望了未来FY-3卫星的发展,其中包含的4颗卫星,按晨昏、上午、下午近极地太阳同步轨道卫星3颗和倾斜轨道降水测量卫星1颗布局安排,组网完整的FY-3业务卫星的综合观测能力将有极大的提高,带动我国气象卫星应用进入成熟发展阶段。     

高分三号在轨测试降水同步观测试验分析

高分三号(GF-3)卫星在轨测试期间,国家卫星气象中心试验队于2016年11月11—30日在海南省三亚市组织实施了合成孔径雷达(SAR)降水星地同步观测试验,试验期间利用星载C频段合成孔径雷达,开展了GF-3针对降水特性测量;海口、三亚、西沙三部地基业务雷达开机测雨,海南多部自动气象站实时记录降水信息;移动降水测量点移动测量实时降水等信息;风云卫星收集整理了该区域气象观测资料。利用地面观测数据,将SAR观测降水进行对比分析,得到较好的一致性。首次开展的SAR降水星地同步观测试验结果为开发SAR测量降水拓展了新思路,也为米级高分辨率星载海上降水测量提供了技术基础。     

高分三号卫星减灾行业应用能力分析

高分三号(GF-3)卫星能够高时效地实现不同应用模式下1~500m分辨率、10~650km幅宽的微波遥感数据获取,为洪涝、地震、滑坡、泥石流等自然灾害监测和损失评估提供了有力支撑。在介绍高分三号卫星成像特点基础上,从地表参数反演、地物目标识别、变化检测3个方面,结合2017年度四川茂县山体滑坡、吉林洪涝灾害等重特大自然灾害,深入开展了GF-3卫星灾害要素监测、应急监测、损失评估及恢复重建监测等灾害管理全流程的应用能力分析,可为后期提升灾害监测与评估水平奠定基础。