轨道误差对InSAR 数据处理的影响

轨道参数是InSAR 数据处理中一个重要的参数,对从最初的图像配准到最后的高程值或形变值图像生成都有着重要的影响.含有误差的轨道参数造成基线误差以残差条纹的形式存在于干涉图中.完全去除残差条纹要求轨道绝对精度低于1mm,目前的定轨精度远不能满足要求.这里推导了轨道误差和残差干涉条纹的关系,分析了轨道误差对高程值和形变值影响的特点,提出采用二次多项式拟合的方法去除残差干涉条纹,并以巴姆地区的 ENVISAT 数据证明了提出方法的有效性.     

相对轨道根数的重轨InSAR卫星基线分析与控制

星载重轨干涉SAR卫星在高程测绘和形变测量中有着全天时全天候和大范围的优势,其中干涉基线是决定干涉性能的重要指标,而卫星重访轨道对干涉基线起着决定性的作用。通过对现有高分三号干涉数据轨道参数的分析,发现干涉基线相比国外先进卫星过长且稳定性有待提高。本文通过对相对轨道根数和机动控制的分析,得到满足重轨干涉SAR系统要求的稳定基线。以第一次观测的轨道为参考轨道,基于在摄动情况下重复观测轨道与参考轨道的相对轨道根数,计算得到重轨干涉基线的变化规律,并对不同纬度的观测目标进行了样例分析。在基线变化规律的基础上,利用机动速度和相对轨道根数的关系,进一步计算得到满足基线状态需求的机动控制方法。通过实际数据分析,给出了相对轨道根数变化对初始理想构型的影响,验证了重轨干涉基线变化规律符合本文的分析,并利用仿真样例给出了使得重轨干涉基线达到预期要求的机动控制方案。实际数据和仿真实验表明该模型能够通过可长时间观测并准确获得的轨道根数直接计算基线状态,并能从干涉基线需求出发,快速准确的得出对卫星的控制策略。     

VLBI在GEO卫星精密定轨中的应用

影响GEO轨道确定精度的原因主要有两方面:一是高轨卫星的几何跟踪条件受到局部测轨网的限制;二是卫星相对于地面的动力学约束信息较弱.利用一个针对GEO卫星的简化动力法定轨的协方差分析模型,研究了联合测距跟踪网和甚长基线干涉测量(VLBI)对定轨精度的改善情况.指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨精度的主要误差源;当附加一条东西向VLBI基线时,仅利用不定期的少量VLBI高精度数据就能够显著改善测距偏差对轨道的影响,从而保证了卫星的整体位置解算精度.     

SAR卫星轨道数据精度对Doris获取DEM精度的影响研究

本文介绍了InSAR卫星轨道状态矢量内插方法,基于荷兰Delft大学开发的Doris雷达干涉软件分析了SAR卫星轨道数据误差对基线参数、参考椭球面相位、地形干涉相位和数字高程模型(DEM)精度的影响。以西藏玛尼地区为例,采用ERS1/2卫星数据,利用Doris软件,分别生成了基于欧空局(ESA)粗略轨道数据和荷兰Delft大学精密轨道数据的数字高程模型(DEM),并以SRTMDEM为基准对其精度进行了对比分析。结果表明,基于粗轨数据获取的DEM明显存在系统偏差,而基于精轨数据获取的DEM与SRTM DEM吻合的很好,相对于前者,精度提高5倍。     

VLBI在GEO卫星精密定轨中的应用

影响GEO轨道确定精度的原因主要有两方面:一是高轨卫星的几何跟踪条件受到局部测轨网的限制;二是卫星相对于地面的动力学约束信息较弱。利用一个针对GEO卫星的简化动力法定轨的协方差分析模型,研究了联合测距跟踪网和甚长基线干涉测量(VLBI)对定轨精度的改善情况。指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨精度的主要误差源;当附加一条东西向VLBI基线时,仅利用不定期的少量VLBI高精度数据就能够显著改善测距偏差对轨道的影响,从而保证了卫星的整体位置解算精度。     

粗／精轨道数据对卫星InSAR DEM精度影响的对比分析

本文在介绍InSAR系统中卫星轨道状态矢量内插方法的基础上，从理论和实际两方面分析了轨道数据误差对参考椭球面相位、地形干涉相位和数字高程模型（DEM）精度的影响。以上海局部地区作为实验场，采用ERS-1／2卫星SAR影像数据，分别使用欧洲空间局粗略轨道数据和荷兰Delft大学空间研究中心精密轨道数据进行了干涉处理，生成了两种情况下的DEM，并对相关精度进行了对比与分析。研究结果表明，使用精轨数据建立的DEM的精度明显高于基于粗轨数据建立的DEM的精度。     

多分辨率分析的InSAR轨道误差去除算法

针对传统的多项式模型去除InSAR轨道误差时,只能去除由于基线不准导致的平地相位残余误差,而对于基线误差引起的与高程相关的地形相位误差仍保留在干涉图中,提出了一种多分辨率分析的干涉相位轨道误差去除方法.从InSAR成像几何结构出发,分析轨道误差的空间特征,推导了由基线误差引起的平地相位误差及地形相位误差;再通过多分辨率分析把轨道误差与对流层延迟误差相位、外部DEM引起的地形误差相位、噪声相位等进行滤除,最后采用最小二乘计算多项式模型参数,可以更精细的估计出轨道误差相位,吸收与地形相关的误差.结果表明,经过改正的干涉图与DEM的相关系数仅0.033 8,相对于线性模型和二次多项式模型的0.165 5和0.071 9,对地形相关轨道误差的去除改善程度达到79.1％和53.0％,能够更好地去除轨道误差,提高了轨道误差估计精度,吸收了与地形相关的误差.     

InSAR高程模型及其精度分析

提出了一种改进的InSAR高程模型，建立了高程和干涉相位的直接关系，并对公式推导中一般采用的平行射线近似处理方法所引入的高程误差进行了量化分析。结果表明，对于星载雷达而言，平行射线近似误差不能忽略。给出了近似误差与基线参数的确定性关系及相应的误差传播曲线，有助于误差纠正和重建高精度DEM。另外，基于改进的高程模型，推导出了高程测量误差传播公式，明确了基线长度和方向对测高精度的影响，对合理选择干涉像对具有指导意义。     

高程及卫星轨道误差对Z坐标的影响

从Z坐标与高程的关系入手,分析讨论了卫星轨道误差及高程误差对Z坐标精度的影响.结果表明:高程误差对Z坐标的影响随着纬度的增高而增大,在南北半球具有互相抵偿性;卫星轨道径向误差是影响高程精度的重要因素,对高程的影响与基线长成正比.文中提出了改善Z坐标精度的有效途径,针对GPS数据处理中如何合理选择IGS站,以便有效提高Z坐标的精度提供了一定的理论依据.     

基于Kalman滤波的星载双天线InSAR基线误差估计

星载干涉合成孔径雷达（InSAR）基线的高精度测定是获取地面数字高程信息的关键技术。对双天线InSAR系统,采用光学相机和激光测距仪相结合实时动态测量基线。由于存在仪器误差和几何误差等,为满足干涉基线的确定精度,基于基线测量系统,构建状态方程和测量方程,并结合天线支撑臂模态分析,设计了Kalman滤波器,确定干涉基线的长度和指向。模拟仿真结果显示,该滤波器能够有效地估计干涉基线长度和指向,满足基线确定精度要求。     

星载寄生式InSAR系统相关性及相对测高精度分析

结合星载寄生式干涉合成孔径雷达(InSAR)的工作原理及高稳定频率源的工作特性,给出了时间和频率同步误差模型。基于该误差模型,分析了时间和频率同步误差对干涉相位的影响,首次推导了同步误差导致的信号去相关。基于星载寄生式InSAR系统的空间几何关系和图像信号模型,详细分析了热噪声、模糊、量化噪声、基线、方位向、配准误差及体散射等去相关效应,给出了考虑上述全部去相关因素时系统的相对测高精度,并仿真分析了以Envisat为主星的寄生式InSAR系统在ASAR雷达7个不同波位下的相对测高性能。理论分析和仿真结果表明,在合理选择轨道和雷达参数的前提下,系统可以达到很好的测高精度。     

Interferometric Baseline Performance Estimations for Multistatic Synthetic Aperture Radar Configurations Derived from GRACE GPS Observations

Recent studies have demonstrated the usefulness of global positioning system (GPS) receivers for relative positioning of formation-flying satellites using dual-frequency carrier-phase observations. The accurate determination of distances or baselines between satellites flying in formation can provide significant benefits to a wide area of geodetic studies. For spaceborne radar interferometry in particular, such measurements will improve the accuracy of interferometric products such as digital elevation models (DEM) or surface deformation maps. The aim of this study is to analyze the impact of relative position errors on the interferometric baseline performance of multistatic synthetic aperture radar (SAR) satellites flying in such a formation. Based on accuracy results obtained from differential GPS (DGPS) observations between the twin gravity recovery and climate experiment (GRACE) satellites, baseline uncertainties are derived for three interferometric scenarios of a dedicated SAR mission. For cross-track interferometry in a bistatic operational mode, a mean 2D baseline error (1σ) of 1.4 mm is derived, whereas baseline estimates necessary for a monostatic acquisition mode with a 50 km along-track separation reveal a 2D uncertainty of approximately 1.7 mm. Absolute orbit solutions based on reduced dynamic orbit determination techniques using GRACE GPS code and carrier-phase data allows a repeat-pass baseline estimation with an accuracy down to 4 cm (2D 1σ). To assess the accuracy with respect to quality requirements of high-resolution DEMs, topographic height errors are derived from the estimated baseline uncertainties. Taking the monostatic pursuit flight configuration as the worst case for baseline performance, the analysis reveals that the induced low-frequency modulation (height bias) fulfills the relative vertical accuracy requirement (σ<1 m linear point-to-point error) according to the digital terrain elevation data level 3 (DTED-3) specifications for most of the baseline constellations. The use of a GPS-based reduced dynamic orbit determination technique improves the baseline performance for repeat-pass interferometry. The problem of fulfilling the DTED-3 horizontal accuracy requirements is still an issue to be investigated. DGPS can be used as an operational navigation tool for high-precision baseline estimation if a geodetic-grade dual-frequency spaceborne GPS receiver is assumed to be the primary instrument onboard the SAR satellites. The possibility of using only single-frequency receivers, however, requires further research effort.Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) research fellow until Sept. 2004 at the Microwaves and Radar Institute, Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) e.V., 82234 Weßling, Germany     

单基线TanDEM-X InSAR相干性反演森林高度EI北大核心CSCD

由RVoG模型演变的SINC函数模型运用到TanDEM-X InSAR数据反演森林高度时面临观测信息不足的问题,且无法适应不同的森林场景。本文针对这一问题,提出小范围LiDAR数据辅助下基于TanDEM-X InSAR相干性的森林高度反演方法,此方法无须全局高精度DEM产品提供地表相位信息而仅利用相干性即可获取森林高度信息。为验证此方法的可行性,采用西班牙境内两个典型试验区的TanDEM-X InSAR数据进行验证,并利用LiDAR树高数据进行精度评定。结果表明,单基线TanDEM-X InSAR相干性可用于反演森林高度,两个试验区的精度分别为2.34 m和1.74 m。     

考虑基线去相关的编队InSAR测高精度分析

针对主星带辅星群编队InSAR的双站、斜视、空间基线等特点，首先建立绝对测高误差与相对测高误差模型；重点分析了基线去相关对干涉相位误差的影响；对干涉车轮和钟摆编队的测高性能、对测高精度与基线矢量的关系进行仿真分析；其次与两种经典近似几何关系下的测高精度分析进行对比。仿真结果表明：干涉测高精度必须考虑基线去相关的影响；相对测高精度明显优于绝对测高精度；经典近似几何给分析测高精度带来很大误差。     

Reliable estimation of orbit errors in spaceborne SAR interferometry

An approach to improve orbital state vectors by orbit error estimates derived from residual phase patterns in synthetic aperture radar interferograms is presented. For individual interferograms, an error representation by two parameters is motivated: the baseline error in cross-range and the rate of change of the baseline error in range. For their estimation, two alternatives are proposed: a least squares approach that requires prior unwrapping and a less reliable gridsearch method handling the wrapped phase. In both cases, reliability is enhanced by mutual control of error estimates in an overdetermined network of linearly dependent interferometric combinations of images. Thus, systematic biases, e.g., due to unwrapping errors, can be detected and iteratively eliminated. Regularising the solution by a minimum-norm condition results in quasi-absolute orbit errors that refer to particular images. For the 31 images of a sample ENVISAT dataset, orbit corrections with a mutual consistency on the millimetre level have been inferred from 163 interferograms. The method itself qualifies by reliability and rigorous geometric modelling of the orbital error signal but does not consider interfering large scale deformation effects. However, a separation may be feasible in a combined processing with persistent scatterer approaches or by temporal filtering of the estimates.     

基于Kalman滤波的InSAR基线估计方法

针对目前SAR干涉测量中基线估计现存的问题,提出了利用Kalman滤波和配准参数进行基线估计的方法.所提出的方法具有不需地面控制点、不受地形限制和不依赖于轨道参数等优点,并可以估计时变的基线参数.利用南京地区的ERS-1/2 tandem数据进行了试验研究,并对提出的方法进行了验证.结果表明,在精确的卫星轨道数据和地面控制点不能获取时,所提出的方法仍能有效地估计InSAR基线.这在一定程度上补偿了轨道偏移带来的误差,为获取高精度的DEM奠定了基础.     

GPS相位测量轨道改进基线定位

利用GPS载波相位观测值进行基线测定具有重要意义。本文讨论了基线测定中卫星星历误差对定位结果的影响,提出了基线上轨道改进的定位方法,编制了基线测定的定位软件,并使用高精度基线上的实际观测资料进行了计算。计算结果表明在基线上用轨道改进定位方法是可行的,可以提高定位精度。     

雷达卫星自动成图的精密干涉测量关键技术

本文介绍用于未来自动成图的数字摄影测量智能化新方法之一：精密干涉测量新方法。它采用合成孔径雷达干涉（interferometric SAR,InSAR）技术获取极高精度的地形信息,现已成为最有效的全球测图手段之一。本文提出了面向全球测图的精密干涉测量系统技术,其中包含测量检校技术、数据处理技术及数据后处理技术。首先,需采用定标设备对几何及干涉参数进行测量检校,主要包括方位向时间延迟、距离向时间延迟、大气延迟及基线误差等。其次,需采用检校参数进行干涉数据处理,获取高精度DEM数据,干涉数据处理的关键技术包括相位初值确定方法等。最后,采用区域网平差、长短基线组合及升降轨融合等后处理技术完成全球DEM数据的生产和精度的逐步提升。本文采用6景覆盖陕西地区的TanDEM-X数据进行了数据处理及后处理试验,并获取了山地区域高程精度为5.07 m,低相干面积为0.8 km²的DEM数据,这为我国1∶50 000乃至1∶25 000比例尺全球测图提供了技术参考。     

高分辨率雷达卫星COSMO-SkyMed干涉测量生成DEM的实验研究

介绍了COSMO-SkyMed对地观测系统,分析了高分辨率SAR传感器和Tandem观测星座与相干性之间的关系,并利用间隔1 d的COSMO-SkyMed Tandem数据生成了祁连山区的DEM。提出通过对无地形变化的差分干涉相位进行滤波来提取大气和轨道误差引起的测量偏差,探讨了实验干涉数据去相干的因素,并将生成的DEM与ASTER GDEM进行了对比。