天繪二號衛(wèi)星系統(tǒng)定位精度淺析

李世忠，葉 宇，范煒康，叢 琳，高敬坤，邵 龍

1. 中國資源衛(wèi)星應用中心，北京 100094； 2. 西安電子科技大學，陜西 西安 710126

干涉合成孔徑雷達(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)是合成孔徑雷達的一個重要應用方面，它基于干涉測量的理論和方法，采用微波傳感器為有效載荷進行對地觀測，能夠滿足用戶任務全天時、全天候?qū)Φ匦?、地面認知的需要，并且可高度自動化地生成全球高精度地表三維模型及地面測量高程，受到了世界各國的高度重視。按平臺的不同，天基InSAR系統(tǒng)可分為單平臺雙天線InSAR、重復軌道InSAR和分布式InSAR 3種系統(tǒng)，3種系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取方式不同，具有各自的優(yōu)勢和關(guān)鍵技術(shù)，但工作原理基本相同，都是通過以相近的視角兩次對地面同一目標區(qū)域成像，利用兩幅圖像干涉相位和成像幾何參數(shù)計算出目標地形的高度。

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，多顆衛(wèi)星協(xié)同工作的分布式InSAR在提高高程精度、減小單星設計難度方面表現(xiàn)出更多優(yōu)勢[1-4]。在星載InSAR系統(tǒng)方面，國外科研人員主要基于TanDEM-X衛(wèi)星系統(tǒng)開展相應數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究，文獻[5—8]對相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法進行了研究分析。國內(nèi)科研人員對InSAR技術(shù)的研究主要基于仿真分析或借助少量國外星載干涉數(shù)據(jù)，由于國外所提供的實測數(shù)據(jù)數(shù)量及類型有限，無法全面預測全球?qū)崪y數(shù)據(jù)處理過程中可能面臨的難題及技術(shù)壁壘，更多的是從事一些跟蹤研究[2-3，9-12]。

2019年4月，我國首發(fā)InSAR衛(wèi)星系統(tǒng)天繪二號發(fā)射在軌后，填補了我國星載微波干涉測繪領(lǐng)域的空白，文獻[13]對系統(tǒng)設計與實現(xiàn)進行了說明介紹。天繪二號衛(wèi)星以兩顆編隊衛(wèi)星為平臺，以高分辨率的合成孔徑雷達和高精度的星間相對狀態(tài)測量設備等為有效載荷，全天候、全天時、快速獲取全球雷達影像和輔助測量數(shù)據(jù)，快速、高效制作數(shù)字表面模型(digital surface model，DSM)、雷達正射影像(orthorectified radar image，ORI)等測繪產(chǎn)品，系統(tǒng)在軌高精度衛(wèi)星近距離編隊運行、試驗場高精度三維幾何干涉定標和InSAR立體測繪規(guī)?；a(chǎn)在國內(nèi)均為首創(chuàng)，為使國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域科研人員針對天繪二號開展更深層、更廣泛的處理與應用技術(shù)研究，本文結(jié)合系統(tǒng)研制建設及在軌測試、數(shù)據(jù)處理情況，對衛(wèi)星系統(tǒng)定位精度進行了初步淺析，更好地推進天繪二號系統(tǒng)有效支撐全球地理信息框架構(gòu)建，為經(jīng)濟建設和社會發(fā)展提供服務。

1 天繪二號衛(wèi)星

天繪二號衛(wèi)星系統(tǒng)由兩顆衛(wèi)星組成繞飛編隊，在時間、空間、相位三同步保證下，以一發(fā)雙收、條帶成像的方式獲取同一場景的InSAR回波數(shù)據(jù)，同時對星間狀態(tài)進行高精度測量。為保證高程測量精度，系統(tǒng)設計了低、中、高緯度3種編隊構(gòu)形，滿足了不同地區(qū)的任務需求。天繪二號衛(wèi)星實現(xiàn)了我國從“單星SAR成像”向“多星編隊協(xié)同干涉”質(zhì)的飛躍，具備了對全球開展全天時、全天候的高程測繪能力和雷達正射影像的全自主獲取能力，填補了我國天基InSAR系統(tǒng)的空白。

1.1 衛(wèi)星平臺

天繪二號衛(wèi)星系統(tǒng)在單SAR衛(wèi)星平臺和有效載荷的基礎(chǔ)上，新增衛(wèi)星編隊、控制及時間、空間、相位三同步技術(shù)，為滿足系統(tǒng)使用要求及工作壽命期的供電需要，衛(wèi)星系統(tǒng)選擇太陽同步凍結(jié)回歸軌道，主要參數(shù)見表1。

1.2 衛(wèi)星工作模式

衛(wèi)星主要采用繞飛編隊InSAR測高工作模式，如圖1所示。兩顆SAR衛(wèi)星按照設計的繞飛編隊構(gòu)形，在滿足基線要求的時間內(nèi)，各星載SAR按時間、空間、相位三同步的方式，單航過、一發(fā)雙收地獲取地面同一地區(qū)的條帶SAR相干回波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下傳后由地面進行InSAR測高處理。

圖1 繞飛編隊InSAR測高工作模式Fig.1 InSAR altimetry mode for circling formation

2 定位誤差模型及數(shù)據(jù)處理流程

2.1 InSAR定位模型

一發(fā)雙收分布式InSAR通過兩幅SAR天線對同一地區(qū)進行觀測，在獲取同一地區(qū)兩幅復影像中提取相位差，形成干涉條紋圖，然后利用解纏后的相位提取地面高程信息。分布式衛(wèi)星SAR系統(tǒng)InSAR測高空間幾何關(guān)系如圖2所示。

圖2 InSAR定位原理Fig.2 InSAR positioning principle

在空間直角坐標系下，考慮影像中某一目標點矢量Ρ，引入矢量Sk、B、Vk分別表示雷達天線相位中心的位置、兩雷達天線相位中心基線及速度；引入標量λ、ρk、fk分別為雷達波長、雷達天線相位中心到目標點斜距和多普勒中心頻率，設斜距ρ2=ρ1+Δρ，下標k=1、2表示主星雷達和輔星雷達。InSAR定位處理即結(jié)合主星斜距方程、主星多普勒方程和干涉相位方程來聯(lián)立求解目標點矢量Ρ

(1)

引入Φ表示雷達天線干涉相位，將基線矢量B=S2-S1、斜距差Δρ=Φλ/2π代入式(1)整理可得InSAR定位方程

(2)

2.2 誤差鏈路傳遞

在定位方程中，各個參量誤差按照一定系數(shù)傳遞到目標點矢量Ρ的高程定位誤差和平面定位誤差中，影響定位精度因素的主要參量包括：主星SAR位置測量誤差、主星SAR速度測量誤差、主星斜距測量誤差、干涉相位誤差、星間基線測量誤差[11-16]。

分析式(1)和式(2)，設x代表其中任一標量參數(shù)，對等式左右兩邊分別關(guān)于x求偏導并代入Δρ=Φλ/2π后，整理可得

(3)

(4)

(5)

分別令x等于ρ1、Φ、Bx、By、Bz、S1x、S1y、S1z、V1x、V1y、V1z，即可得到各個參數(shù)誤差導致的高程誤差表達式，而平面誤差是目標點空間位置誤差矢量與高程誤差矢量之差的模，即平面誤差為Δxy=|ΔP-Δh·α|，聯(lián)合式(4)、式(5)同樣可以得到平面誤差與各參數(shù)傳遞關(guān)系。為分析簡化，上述誤差傳遞公式可概要表達為：

(1) 主星SAR天線相位中心定位誤差傳遞公式，由主星SAR定位測量誤差引起的高程誤差ΔhS1

(6)

由主星SAR定位測量誤差引起的平面誤差ΔxyS1為

(7)

(2) 主星SAR速度測量誤差傳遞公式，由主星SAR速度測量誤差引起的高程誤差ΔhV1為

(8)

由主星SAR速度測量誤差引起的平面誤差ΔxyV1為

(9)

(3) 主星斜距測量誤差傳遞公式，由主星斜距測量誤差引起的高程誤差Δhρ1為

(10)

由主星斜距測量誤差引起的平面誤差Δxyρ1為

(11)

(4) 干涉相位誤差傳遞公式，由干涉相位誤差引起的高程誤差ΔhΦ為

(12)

由干涉相位誤差引起的平面誤差ΔxyΦ為

(13)

(5) 星間基線測量誤差傳遞公式，由星間基線測量誤差引起的高程誤差ΔhB為

(14)

由星間基線測量誤差引起的平面誤差為

(15)

根據(jù)誤差綜合原理，對應的高程絕對定位精度誤差、平面絕對定位精度誤差計算公式為

(16)

(17)

2.3 數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)星載InSAR成像機理、誤差傳遞鏈路等，地面數(shù)據(jù)處理的基本步驟包括：復影像配準、干涉相位生成、去平地效應、相位濾波、相位解纏、絕對相位確定、初始DSM生成、DSM編輯與鑲嵌、正射影像糾正、正射影像鑲嵌與勻色等[17-18]，詳細處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Data processing flowchart

(1) 復影像配準。在實際干涉處理過程中，由于兩幅圖像的相干像元存在著一定程度的偏移、拉伸和旋轉(zhuǎn)，同一坐標網(wǎng)格的圖像像素并不對應于地面同一散射單元。因此，在影像對提取干涉相位前，需要對兩幅影像進行配準，確保用于干涉的像素對應地面同一散射單元。系統(tǒng)利用雷達幾何法進行圖像預配準處理、采用基于幅度互相關(guān)法的粗配準處理、采用基于相位的互相關(guān)法的精配準處理等步驟來獲取配準偏移量，以支撐復影像配準[19-22]。

(2) 干涉相位生成。SAR影像中每一個像點是由實部和虛部組成的復圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)依據(jù)共軛相乘運算法則對兩幅SAR復圖像進行干涉處理，計算出每一個同名點的相位差，即可生成包括幅度和相位在內(nèi)的復干涉相位圖。

(3) 去除平地效應。由于干涉SAR成像時，平坦地區(qū)產(chǎn)生的干涉條紋和地形起伏引起的條紋疊加在一起，導致干涉條紋密集且復雜，增加了后續(xù)相位解纏的難度。因此，在InSAR數(shù)據(jù)處理中，必須要對干涉條紋圖去除平地效應，保證為后續(xù)濾波、解纏提供高質(zhì)量的干涉條紋圖。系統(tǒng)根據(jù)精密軌道數(shù)據(jù)等幾何關(guān)系計算出無高程變化的平地相位，并將平地相位從干涉相位中分離出去，以降低條紋密度[17]。

(4) 相位濾波。在InSAR數(shù)據(jù)處理過程中，由于受各種因素的干擾，導致干涉條紋不清晰，出現(xiàn)“毛刺”等現(xiàn)象，周期不連續(xù)降低了后續(xù)相位解纏的效率及精度，這些誤差會沿著相位解纏繼續(xù)傳播，最終影響DSM產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，在相位解纏前，必須對干涉條紋圖有效地濾除噪聲，提高信噪比。系統(tǒng)默認方法為基于坡度估計的濾波算法，如果希望快速得到濾波結(jié)果，可以采用均值濾波算法[23]。

(5) 相位解纏。通過干涉圖獲取的相位差其實只是相位主值，其范圍分布在(-π,π]之間，為了得到真實的相位差，需要在這個值的基礎(chǔ)上加上或者減去2kπ，這個過程即為相位解纏。相位解纏是InSAR數(shù)據(jù)處理過程中一項重要的環(huán)節(jié)，獲取的解纏相位值將直接影響DSM產(chǎn)品的高程精度[24-25]。系統(tǒng)默認方法是基于加權(quán)枝切線的相位解纏算法，在處理結(jié)果不理想時，可以依次選擇基于網(wǎng)絡流的相位解纏算法和基于最小生成樹的相位解纏算法。

(6) 絕對相位確定。解纏之后生成的干涉相位與絕對干涉相位仍然相差一個整周期數(shù)，需要求出絕對模糊數(shù)，與解纏相位進行相應的運算，才能得到最終的絕對干涉相位[26]。系統(tǒng)默認方法是基于雙頻數(shù)據(jù)估計模糊數(shù)，如果數(shù)據(jù)中不包括雙頻信息，或基于雙頻數(shù)據(jù)的估計結(jié)果不正確，則依次選擇基于控制點的模糊數(shù)估計方法、基于先驗DEM的模糊數(shù)估計方法和基于配準偏移量的模糊數(shù)估計方法處理。

(7) 初始DSM生成。結(jié)合干涉相位方程、斜距方程和多普勒方程來求解目標點三維坐標，從絕對相位到獲得DSM產(chǎn)品還需要經(jīng)過兩步：① 目標定位，得到絕對干涉相位后，還需解算InSAR定位方程完成地面定位，才能得到目標點在斜距域中的高程信息，完成相位到高程的轉(zhuǎn)換；② 地理編碼，通過相位到高程的轉(zhuǎn)換得到地面目標點的位置數(shù)據(jù)，依然是在主圖像的斜距域上的，還要進行地理編碼，將斜平面高程投影到地平面上才能得到初始的DSM。

(8) DSM編輯與鑲嵌。利用解纏相位反演的高程值會受到相位噪聲、疊掩、陰影等不確定因素的影響，從而使獲取的DSM存在粗差。為了獲取質(zhì)量較好、滿足生產(chǎn)規(guī)范和圖幅要求的DSM，需要對DSM進行粗差剔除、水域置平、地物編輯、條帶相互補充漏洞、條帶拼接鑲嵌等處理。

(9) 正射影像糾正。SAR影像的透視收縮、疊掩和陰影等幾何特征不利于用戶對影像特征的理解和專題信息的提取，因此SAR影像在應用前需要對其幾何畸變進行校正。系統(tǒng)基于F.Leberl模型根據(jù)成像時的距離條件和多普勒頻移條件建立SAR成像瞬間相對嚴格的物像關(guān)系進行影像糾正處理[27-28]。

(10) 正射影像鑲嵌與勻色。受干涉像對大小的影響，需要將由干涉處理獲取的多幅正射影像進行鑲嵌處理，以此滿足測繪任務的需求。由于入射角的不同和輻射校正誤差等因素的影響，不同軌道獲取的正射影像存在色調(diào)差異，從而導致拼接后存在明顯的拼接線，須對其進行勻色處理。系統(tǒng)影像拼接的基本過程包括特征提取、影像匹配、重疊區(qū)影像配準，并采用SIFT算法進行重疊區(qū)配準。

3 仿真分析與在軌測試

天繪二號衛(wèi)星系統(tǒng)在軌運行時，主、輔星形成繞飛編隊構(gòu)形，采用一發(fā)雙收的方式開展InSAR測高工作，在星載SAR之間滿足時間、空間、相位三同步要求的前提下，當星間基線滿足設定范圍條件時，兩個SAR所收到的地面回波之間具有較好的相干性，此時編隊衛(wèi)星以單航過、一發(fā)雙收的方式進行干涉回波錄取，數(shù)據(jù)下傳后由地面進行DSM生成處理。衛(wèi)星系統(tǒng)方案設計階段定位精度仿真及在軌定位精度測試情況如下。

3.1 方案設計階段定位精度仿真分析

根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)設計和任務要求，綜合考慮各項誤差影響，結(jié)合上述定位誤差模型的建立，本節(jié)重點針對不同基線長度及入射角進行仿真。

3.1.1 仿真條件及誤差因素分析

仿真輸入條件為：軌道高度520 km、波長0.031 m、衛(wèi)星速度7 km/s，在主基線區(qū)域分別選取700、800、900、1000 m有效基線長度，700～1050 m中緯度構(gòu)形進行；結(jié)合研制技術(shù)水平，并留有余量，衛(wèi)星初樣方案設計階段按系統(tǒng)全壽命期最惡劣情況各項誤差源控制分配考慮，同時與GNSS相關(guān)計算取超快星歷數(shù)據(jù)分析。

(1) 主星SAR定位測量誤差：這里指主星SAR天線相位中心位置，它利用GNSS觀測數(shù)據(jù)進行衛(wèi)星定位，并根據(jù)GNSS與SAR天線相位中心位置關(guān)系，通過坐標轉(zhuǎn)換獲取SAR天線相位中心位置。影響衛(wèi)星定位測量精度的誤差源包括GNSS星歷誤差、GNSS載波相位誤差、GNSS地面安裝誤差、GNSS天線相位中心穩(wěn)定度、GNSS天線形變誤差及電離層傳播時延差，綜合考慮系統(tǒng)全壽命期衛(wèi)星平臺及GNSS與SAR兩類載荷各種不可控因素與惡化情況(如發(fā)射引起的各載荷關(guān)系不穩(wěn)定性)，SAR天線相位中心定位測量誤差分配為分米級，可按超快速星歷1 m代入仿真分析。

(2) 主星SAR速度測量誤差：這里主星SAR速度參考點為雷達天線相位中心位置，主星速度是通過地面事后動力學定軌方法獲得，由于動力學定軌中采用了軌道模型平滑約束，因此速度的求解精度一般要比運動學或幾何方法要高。前期CHAMP衛(wèi)星實測的數(shù)據(jù)表明，使用事后精密星歷數(shù)據(jù)，利用動力學方法得到的速度與德國地學中心GFZ科學軌道的外符合精度進行互差比較，分別為R方向約0.3 mm/s、T方向約0.3 mm/s、N方向約0.1 mm/s、三維外符合精度約0.4 mm/s，綜合考慮系統(tǒng)全壽命期、GNSS轉(zhuǎn)換到SAR天線相位中心及使用超快星歷進行數(shù)據(jù)處理等因素，分配5 mm/s(1σ)的絕對測速精度。

(3) 主雷達斜距誤差：斜距測量精度是指SAR載荷天線相位中心到地面成像目標點距離的確定精度。斜距測量誤差包含SAR載荷定時信號誤差和大氣傳播時延引起的斜距誤差。其中SAR分系統(tǒng)引入的斜距誤差來自于星上中央電子設備和天線傳輸兩方面，斜距精度可以轉(zhuǎn)換為回波延遲時間的測量精度，即由于雷達設備內(nèi)部時鐘抖動造成的延遲時間測量誤差；SAR雷達發(fā)射和接收脈沖兩次經(jīng)過電離層和平流層，此時光速將小于真空速度。如果利用真空光速和雷達時延計算雷達斜距，將導致斜距值過估計，因此需要針對大氣傳播時延作專項分析和系統(tǒng)修正，綜合考慮星上設備系統(tǒng)全壽命期變化及大氣傳播時延修正殘余，斜距精度誤差分配控制應不大于4 m。

(4) 干涉相位誤差：影響干涉相位誤差的主要因素是衛(wèi)星載荷SAR數(shù)據(jù)獲取引起的相位誤差、數(shù)據(jù)處理引入的相位誤差以及影像去相干引入的相位誤差。① SAR數(shù)據(jù)獲取引起的相位誤差包括主輔雷達的時延誤差，以及兩雷達之間的相位同步誤差，總體分配誤差指標為14°。一方面，時延相位誤差是由于硬件電路的不穩(wěn)定導致的通道等效時延相位在工作期間的隨機變化量，通過載荷試驗結(jié)果表明，在雷達開機工作4 min時間內(nèi)，主輔雷達隨機性相位不超過2°；另一方面，相位同步誤差具有隨時間慢漂的性質(zhì)，相位同步誤差源包括多普勒相位、正反向發(fā)射延遲、星間基線、同步信號與探測信號的通道差別、同步信號的信噪比、補償相位的采樣與恢復誤差及同步喇叭天線方向圖的相位變化等，理論及仿真分析“系統(tǒng)性+隨機性”小于10°。②數(shù)據(jù)處理引入的相位誤差是指地面數(shù)據(jù)處理導致的相位誤差，采用路徑解纏的方法一般不會引入誤差，對質(zhì)量較差的陰影、低相干區(qū)進行二次解纏可能會引入誤差，目前給相位解纏處理分配的相位誤差為6°，干涉相位濾波的相位誤差為3°、成像處理引入的相位誤差為3°。③影像去相干誤差主要包括配準去相干、體散射去相干、基線去相干、信噪比去相干、多普勒去相干及量化噪聲去相干，綜合考慮系統(tǒng)全壽命期及系統(tǒng)改正殘差，影像去相干相位噪聲平地約為22°、山地約為38°。

(5) 星間基線測量誤差：星間基線測量指的是利用主輔星GNSS的原始觀測數(shù)據(jù)及相應的精密星歷和精密鐘差等數(shù)據(jù)，經(jīng)高精度事后載波相位差分處理，獲取GNSS天線相位中心高精度的三維相對位置和相對速度，并通過坐標轉(zhuǎn)換獲取兩星SAR天線相位中心的基線。星間基線測量精度是制約InSAR定位精度的最大誤差源，基線測量精度能否保證直接影響了衛(wèi)星系統(tǒng)指標實現(xiàn)。星間基線測量的誤差源有3大類：第1類是GNSS測量誤差，主要包括GNSS接收天線相位中心穩(wěn)定度、GNSS天線安裝位置地面測量誤差、GNSS載波相位誤差、衛(wèi)星平臺變形引起的GNSS位置變化誤差、電離層傳播相對時延誤差及GNSS精密星歷誤差；第2類是SAR天線相位中心測量誤差，主要包括SAR天線相位中心穩(wěn)定度、SAR天線安裝位置地面測量誤差及衛(wèi)星平臺變形引起的SAR位置變化誤差；第3類是坐標轉(zhuǎn)換引起的誤差，由GNSS測量基線向干涉基線轉(zhuǎn)換過程中引入的，主要包括衛(wèi)星平臺姿態(tài)測量誤差。綜合考慮星上設備系統(tǒng)全壽命期變化及系統(tǒng)惡化，星間基線測量精度指標分配1.2 cm。

3.1.2 不同入射角和基線長度的精度仿真

根據(jù)地球南北緯度之間陸地坡度信息統(tǒng)計，為有效避免SAR成像盲區(qū)、疊掩區(qū)現(xiàn)象，在開展InSAR測繪工作的時候，衛(wèi)星設計了中心入射角分別為32.42°、33.44°、35.04°、36.54°、37.89°、38.89°、40.04°、40.96°的8個波位用于對地成像，本節(jié)重點針對基線長度及SAR入射角開展理論仿真。

3.1.2.1 絕對平面精度

(1) 平地場景：平地區(qū)域絕對平面精度隨基線長度變短而變差，理論分析結(jié)果優(yōu)于12 m，結(jié)果如圖4所示。

圖4 絕對平面精度分析結(jié)果(平地區(qū)域)Fig.4 Analysis results of absolute plane accuracy(plane area)

(2) 山地場景：山地區(qū)域絕對平面精度隨基線長度變短而變差，理論分析結(jié)果優(yōu)于12 m，結(jié)果如圖5所示。

圖5 絕對平面精度分析結(jié)果(山地區(qū)域)Fig.5 Analysis results of absolute plane accuracy(mountain area)

3.1.2.2 絕對高程精度

(1) 平地場景：平地地區(qū)絕對高程精度隨基線長度變短而變差，隨入射角變大而變差，理論分析結(jié)果優(yōu)于10 m，結(jié)果如圖6所示。

圖6 絕對高程精度分析結(jié)果(平地區(qū)域)Fig.6 Analysis results of absolute elevation accuracy(plane area)

(2) 山地場景：山地區(qū)域絕對高程精度隨基線長度變短而變差，隨入射角變大而變差，理論分析結(jié)果優(yōu)于10 m，結(jié)果如圖7所示。

圖7 絕對高程精度分析結(jié)果(山地區(qū)域)Fig.7 Analysis results of absolute elevation accuracy(mountain area)

通過方案階段理論仿真分析可知：中緯度地區(qū)700～1050 m構(gòu)型編隊情況無地面控制下，平面、高程絕對定位精度在主基線區(qū)域滿足1∶50 000比例尺地圖的任務要求(研制任務要求為平地高程優(yōu)于10 m、山地區(qū)域高程優(yōu)于15 m及平面優(yōu)于20 m)。

3.2 在軌定位精度測試

衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射入軌及系統(tǒng)調(diào)優(yōu)后，綜合考慮全球地形布局特點及在軌工作效率等要求，目前選取編隊構(gòu)形基線長度700～1050 m的中長基線運行。

本節(jié)定位精度相關(guān)指標測試重點針對上述影響定位精度誤差因素中能夠在軌實際測試的項進行。考慮到相位誤差影響因素多，在軌不能實際測試，其中相位同步誤差基本反映了系統(tǒng)自身SAR工作時相位誤差情況，故采用衛(wèi)星初樣、正樣研制過程中地面實際測試結(jié)果，相位同步周期選用雷達脈沖重復頻率PRF的中間值256，初樣星32次測試，結(jié)果為5.02°～8.31°，平均為6.11°；正樣星112次測試，結(jié)果為3.93°～8.91°，平均為6.28°，均優(yōu)于方案階段10°設計指標。

以下涉及GNSS處理均為事后獲取精密星歷，同時需注意前面章節(jié)主星位置測量及速度測量的參考位置均為SAR天線相位中心位置誤差分配，具體測試結(jié)果如下：

(1) 衛(wèi)星GNSS定位測量試驗。采用星上激光角反射器獲得的位置作為單星位置真值評估的依據(jù)，間接對原始測量數(shù)據(jù)進行評估，并作為對GNSS(事后精密星歷)定位處理精度復核的依據(jù)，在軌測試中僅考核衛(wèi)星徑向軌道確定精度。自2019年9月3日—2019年9月14日，采用上海天文臺上海站和長春站兩套激光測距設備對獲取的13段激光測距數(shù)據(jù)進行分析，A星和B星的激光SLR檢核殘差總均方根分別為2.71 cm和2.57 cm。

(2) 衛(wèi)星GNSS速度測量試驗。鑒于無法采用真值進行比對，此處采用星載GNSS獲得的數(shù)據(jù)進行不同方法的解算，并利用不同單位解算結(jié)果進行對比互差，作為單星速度評估依據(jù)，間接對原始測量數(shù)據(jù)進行評估，并作為事后處理精度的依據(jù)。A星5 d測試結(jié)果分別為：0.076、0.159、0.071、0.371、0.072 mm/s。B星5 d測試結(jié)果分別為：0.069、0.068、0.068、0.361、0.068 mm/s。

(3) 衛(wèi)星斜距測量試驗。在測試區(qū)布設角反射器，并精確測量其地理坐標，作為幾何控制點，要求一景影像內(nèi)布設不少于4個控制點(方位向、距離向各2個)。衛(wèi)星在軌對其成像，成像數(shù)據(jù)下傳地面后進行成像處理，利用定軌數(shù)據(jù)和主影像上控制點像點坐標計算得到測試結(jié)果，利用定軌數(shù)據(jù)和控制點地面坐標得到計算結(jié)果，將斜距的測試結(jié)果與計算結(jié)果進行比對，對不少于3個波位的多次成像結(jié)果進行統(tǒng)計計算。

整個測試分兩個階段，第1階段未進行基線定標和斜距定標，A星斜距精度中誤差測試2次分別為3.503、4.063 m；B星斜距精度中誤差測試4次分別為4.3、4.269、4.689、4.763 m。第2階段通過修正延時改正量(將理論延時改正量218.7 ns修改為217.739 8 ns)，對斜距進行校正消除約4 m系統(tǒng)誤差。而后利用干涉定標場再次測試斜距精度，A星斜距精度測試3次，分別為0.555、0.072、0.262 m，B星斜距精度測試14次，分別為0.106、0.237、0.024、0.112、0.107、0.227、0.129、0.164、0.058、0.068、0.126、0.156、0.729、0.791 m。

此外，利用收集到的少量澳大利亞角反射器控制點對南半球斜距精度進行了測試，與國內(nèi)布設的專用角反射器相比尺寸較小、生成影像不佳(取點精度受到一定影響)，測試結(jié)果平均值為1.2 m。

(4) 星間基線測量試驗。在軌通過基線定標方法，利用地面控制信息確定星間基線測量誤差。星間事后相對測量精度6次試驗結(jié)果分別為5.873、7.319、7.272、5.013、7.579、2.676 mm。

(5) 根據(jù)在軌實測誤差仿真平地幾何精度?；谏鲜鲈谲墝崪y各項誤差因素取值范圍，平地(坡度2°)幾何精度檢測仿真計算結(jié)果如圖8所示。衛(wèi)星遠、近波位視角不同，這里給出分析結(jié)果包絡，分析結(jié)果顯示：裸土巖石地貌的低緯度地區(qū)(60°S～60°N)，衛(wèi)星相對高程精度優(yōu)于0.79 m，絕對高程精度優(yōu)于2.59 m，相對平面精度優(yōu)于0.79 m，絕對平面精度優(yōu)于2.79 m；裸土巖石地貌的高緯度地區(qū)(75°S～60°S、60°N～82°N)，衛(wèi)星相對高程精度優(yōu)于0.79 m，絕對高程精度優(yōu)于2.59 m，相對平面精度優(yōu)于0.99 m，絕對平面精度優(yōu)于3.49 m。

由于平地精度檢測場位于45°N左右，在該緯度帶裸土巖石地貌的平地區(qū)域，衛(wèi)星相對高程精度為0.49 m，絕對高程精度為1.79 m，相對平面精度為0.54 m，絕對平面精度為1.99 m。

(6) 根據(jù)在軌實測誤差仿真山地幾何精度?；谏鲜鲈谲墝崪y各項誤差因素取值范圍，山地(坡度15°)幾何精度檢測仿真計算結(jié)果如圖9所示，衛(wèi)星遠、近波位視角不同，這里給出分析結(jié)果包絡，分析結(jié)果顯示：裸土巖石地貌的低緯度地區(qū)(60°S～60°N)，衛(wèi)星相對高程精度優(yōu)于0.81 m，絕對高程精度優(yōu)于2.61 m，相對平面精度優(yōu)于0.81 m，絕對高程精度優(yōu)于2.81 m；裸土巖石地貌的高緯度地區(qū)(75°S～60°S、60°N～82°N)，衛(wèi)星相對高程精度優(yōu)于0.81 m，絕對高程精度優(yōu)于2.61 m，相對平面精度優(yōu)于1.01 m，絕對平面精度優(yōu)于3.51 m。

注：品紅色曲線為低緯度近端波位分析結(jié)果，紅色曲線為低緯度遠端波位分析結(jié)果；藍色曲線為高緯度近端波位分析結(jié)果，綠色曲線為高緯度遠端波位分析結(jié)果；同色兩條曲線分別表示衛(wèi)星升、降軌情況。圖8 平地區(qū)域定位精度仿真分析結(jié)果Fig.8 Analysis results of leveling positioning accuracy

注：品紅色曲線為低緯度近端波位分析結(jié)果，紅色曲線為低緯度遠端波位分析結(jié)果；藍色曲線為高緯度近端波位分析結(jié)果，綠色曲線為高緯度遠端波位分析結(jié)果；同色兩條曲線分別表示衛(wèi)星升、降軌情況。圖9 山地區(qū)域定位精度仿真分析結(jié)果Fig.9 Analysis results of mountain positioning accuracy

由于山地精度檢測場位于40°N左右，在該緯度帶，裸土巖石地貌的山地區(qū)域，衛(wèi)星相對高程精度為0.51 m，絕對高程精度為1.81 m，相對平面精度為0.56 m，絕對平面精度為2.01 m。

(7) 平地區(qū)域幾何精度實際檢測試驗。平地區(qū)域幾何精度檢測試驗在進行干涉定標后，利用平地幾何精度檢測場在場內(nèi)部署的四面角反射器開展幾何精度檢測。于2019年9月—2019年11月進行初步平地定位精度檢測，絕對精度、相對精度測試結(jié)果中誤差見表2。

表2 平地區(qū)域定位精度檢測結(jié)果

(8) 山地區(qū)域幾何精度實際檢測試驗。山地區(qū)域幾何精度檢測場利用場內(nèi)分散部署且已知坐標的10臺角反射器作為控制點，開展幾何精度檢測。于2019年9月—2019年11月進行初步山地區(qū)域定位精度檢測，絕對精度、相對精度測試結(jié)果中誤差見表3。

表3 山地區(qū)域定位精度檢測結(jié)果

3.3 測試分析

利用影響精度誤差項在軌測量值作為輸入開展的地面仿真分析，與測繪幾何精度在軌實際檢測結(jié)果比較可以得出如下結(jié)論：

(1) 幾何精度地面仿真分析結(jié)果與在軌實際檢測結(jié)果相當，地面仿真分析與衛(wèi)星在軌表現(xiàn)基本吻合。

(2) 由于受地面角反射器數(shù)量、測試周期和樣本等現(xiàn)實條件限制，以及受檢校場坡度、緯度、控制點測量精度等因素引入的測試誤差影響，測繪幾何精度在軌實測結(jié)果離散性略大于地面仿真分析結(jié)果。

(3) 由于山地幾何精度檢測場坡度僅有12°左右，對定位精度影響有限，故平地、山地測試結(jié)果比較相近。

考慮到測試試驗樣本選取較小，測試區(qū)域僅限國內(nèi)，后續(xù)需要進一步加大測試范圍，尤其是高差坡度比較大的區(qū)域測試。

4 結(jié)論與思考

4.1 結(jié)論建議

本文針對我國首發(fā)的分布式微波干涉測繪衛(wèi)星系統(tǒng)—天繪二號衛(wèi)星的定位精度進行了初探和淺析，對衛(wèi)星地面方案設計階段及在軌實測處理精度進行了比對分析，開展了InSAR定位精度平地區(qū)域、山地區(qū)域?qū)嶋H在軌測試試驗，結(jié)果滿足1∶50 000比例尺地圖在平地區(qū)域、山地區(qū)域的技術(shù)規(guī)范要求(平地區(qū)域高程精度優(yōu)于10 m、山地區(qū)域高程精度優(yōu)于15 m及平面精度優(yōu)于20 m)。在影響定位精度因素的主星SAR位置測量誤差、主星SAR速度測量誤差、主星斜距測量誤差、干涉相位誤差、星間基線測量誤差5項中，星間基線測量誤差對定位精度的影響較大，對平面精度的影響比對高程精度的影響大，并且基線越短，引入的誤差越大，因此要求星間基線測量精度越高越好。

此外，結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對后續(xù)分布式微波干涉測繪衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取、處理及應用服務提出如下2點建議。

(1) 數(shù)據(jù)獲取處理方面：后續(xù)在數(shù)據(jù)獲取與處理方面嚴格控制、監(jiān)測基線測量精度和干涉相位精度的同時，注意結(jié)合衛(wèi)星編隊構(gòu)形、基線長短以及不同側(cè)視克服地形高度、坡度帶來SAR影像疊掩、陰影的問題，探索長基線立體SAR模式高精度控制點提取方法，微波立體測繪數(shù)據(jù)區(qū)域平差，光學、微波立體測繪數(shù)據(jù)及激光雷達數(shù)據(jù)融合等。

(2) 數(shù)據(jù)服務應用方面：目前的主要產(chǎn)品是DSM和雷達正射影像，還可以考慮挖掘SAR影像立體測圖、D-InSAR等方面的潛力，在山地形變探測、城市地面沉降、災情評估、交通監(jiān)測、冰川監(jiān)測、目標監(jiān)視等領(lǐng)域開展研究[29-37]。

4.2 思考認識

星載InSAR技術(shù)作為一種新興、實用的測繪技術(shù)，對測繪而言是一個跨時代的進步。與傳統(tǒng)光學測繪手段相比，無論是數(shù)據(jù)獲取方式、數(shù)據(jù)處理原理，還是作業(yè)處理流程，都存在巨大差異，必須建立全新的作業(yè)管理、規(guī)章、流程及質(zhì)量控制標準等，具體情況如下：

(1) 高效的數(shù)據(jù)獲取能力。作為主動式有源對地成像觀測手段，InSAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取不受光照條件和云雨霧的影響，可在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)全天候、全天時對地成像觀測；同時與傳統(tǒng)重復航過SAR數(shù)據(jù)進行干涉處理相比，影像相干性有質(zhì)的飛躍，數(shù)據(jù)可用率高。

(2) 極大降低了對衛(wèi)星姿態(tài)測量及控制精度要求。InSAR高程測量本質(zhì)上也是三角測量，數(shù)學解答過程也是恢復攝影時刻的過程。相比于光學攝影測量定位精度敏感于姿態(tài)角變化，雷達攝影測量屬距離成像，通過求解三角形邊長進行定位，無須處理視軸夾角，同時涉及坐標系較少、沒有轉(zhuǎn)角，坐標轉(zhuǎn)換簡單。

(3) InSAR影像幾何符合精度好，不存在光學成像CCD拼接、大視場光學鏡頭幾何畸變及立體線陣之間平行性等問題。

(4) InSAR數(shù)據(jù)處理基本實現(xiàn)全自動。由于InSAR處理基于干涉相位信息，而相位信息與地面點到主輔兩雷達天線相位中心距離有關(guān)，這反映的是地面幾何特性，基本可以實現(xiàn)100%正確匹配，因此，可大大提高數(shù)據(jù)處理速度。

(5) 實現(xiàn)了無地面控制測繪難題。天繪二號衛(wèi)星SAR載荷采用首尾雙頻工作，有效解決了相位解模糊問題。