| 标题 | 一种弹载SAR运动补偿中偏差量的测量方法 |
| 范文 | 宋见+王新龙 摘 要：为了提高SAR成像的分辨率，提出了一种基于导弹质心位置SINS/SAR/CNS的导航 数据来取代GPS测量数据实现对天线相位中心处IMU的校正，从而精确测量SAR运动补偿中偏 差量的方法。通过SAR天线运动偏差曲线图可以清晰地看出，该方法能够有效地限制IMU导航 解算的发散，偏差量的绝对测量精度和相对测量精度均能满足SAR对运动补偿精度的要求。 关键词：合成孔径雷达；运动补偿；SINS/SAR/CNS组合导航；运动偏差；IMU 中图分类号：TN959.2+1 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）01-0007-07 AMethodforMeasuringDeviationUsedin MissileBorneSARMotionCompensation SONGJian，WANGXinlong （SchoolofAstronautics，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China） Abstract：InordertoimproveSARimagingresolution，thispaperpresentsamethodtocorrectIMU inantennaphasecenterusingSINS/SAR/CNSnavigationdatainsteadthatofGPS，soastomeasuremore accuratedeviationofSARmotioncompensation.ThemotiondeviationcurvesofSARantennaclearlyshow thatthismethodiseffectivetorestrictthedivergentofIMUnavigationmeasurements，andboththeabso lutemeasurementprecisionandrelativemeasurementprecisionofmotiondeviationcanmeettherequire mentofSARmotioncompensation. Keywords：syntheticapertureradar；motioncompensation；SINS/SAR/CNSintegratednavigation； motiondeviation；IMU 0 引 言 合成孔径雷达（SAR）作为一种主动式微波成 像雷达，能够全天时、全天候对地进行观测。根据 合成孔径原理，SAR的理想工作条件是合成孔径 时间内天线平台保持匀速直线平飞运动。但是导 弹飞行过程中受到任务所需机动、气流和设备性 能等因素的影响，使得SAR平台的运动轨迹与理 想轨迹存在一定偏差，该偏差会进一步影响回波信号的相干性，使SAR成像分辨率下降，成像模 糊甚至不能成像，因此实时获取SAR天线的运动 偏差是SAR运动补偿的首要条件，更是保证SAR 正常工作的前提[1-2]。 早期的SAR系统直接利用载体质心处的主惯 导系统（M-SINS，MasterSINS）作为运动偏差的测 量设备，而M-SINS是根据载体质心处的导航要 求设计的，且导航误差随时间积累，故不能准确地 测量SAR天线的实时运动偏差。现代高分辨率 SAR系统皆在天线相位中心（APC，AntennaPhase Center）附近安装一个小型子捷联式惯性测量装置 （S-IMU，SlaveIMU），专门用来测量SAR天线的 实时运动信息。由于陀螺和加速度计具有测量误差，使得由它们组成的S-IMU导航解算后的误差 随时间积累，因此必须对其进行不断校正。文献 [3]通过SINS/DGPS组合导航系统，使S-IMU提 供的位置精度长期保持在1m，在GPS测量间隔内 的相对位置精度能够达到厘米级。文献[4]利用二 维平面双星定位系统，使用最小二乘法对S-IMU 解算误差进行了补偿，通过两者组合测得载机平 台沿距离向的位置偏差。但是双星定位系统和GPS 一样都容易受到敌方干扰，从而不适用于弹载 SAR的运动补偿。 基于上述问题，本文提出了一种基于导弹质 心处M-SINS/SAR/CNS组合导航数据来校正 APC附近的S-IMU，从而获取用于SAR运动补偿 偏差量的方法。 1 SAR运动补偿原理 SAR成像期间内导弹实际飞行轨迹如图1所 示。 SAR选择正侧视成像，otxtytzt为地理坐标系 （东北天）；oaxayaza为天线坐标系：oa位于SAR相 位中心，oaxa为雷达天线的指向方向（斜距方向）， oaya为SAR平台飞行方向，za与xa，ya符合右手定 则；R（t）为理想斜距，R（t）+ΔR（t）为实际斜距。 假定导弹飞行的航向角为φ，SAR天线视角为 θ0（雷达天线指向与垂直基准的夹角），将地理坐 标系原点平移至oa点，则地理坐标系到天线坐标 系之间的转换矩阵为 aytxty 前向速度偏差分量ΔVay主要影响前行过程中 雷达脉冲在整个成像时间段内采样的均匀性。通 过SAR天线前向速度偏差可求得前向实时的真实 速度Vay。根据变化的Vay可以不断地控制雷达脉冲 重复频率（PRF），即 fPR=k·Vay （4） 式中：fPR为雷达脉冲重复频率（PRF）；k为PRF的 调整系数。 这样就可以利用即时调整的fPR来补偿由于采 样不均而造成的SAR成像在方位向上的畸变。 1.2 天线视线向位置偏差补偿 2 SAR运动补偿中偏差量的获取 根据运动补偿原理可知，实时准确获取SAR 天线脱离理想轨迹的运动偏差是保证SAR运动补 偿质量的前提。当前SAR运动补偿普遍采用的方 案是利用APC附近安装的GPS或DGPS提供的位 置和速度信息来阻尼S-IMU，但此方案由于GPS 或DGPS的抗干扰性能差而不适用于弹载SAR的 运动补偿。 将主IMU、星敏感器和自身携带的高度表均 安装在导弹的质心M处，SAR平台安装在S处， 天线位于SAR平台上且斜指向下，S-IMU安装在 SAR平台上且尽可能靠近SAR天线。S′为S在导 弹横截面上的投影，l为SAR平台相对于M-SINS 的安装距离，即MS=l；θl，φl分别为SAR平台相对 于导弹横截面的安装俯仰角和相对于导弹纵截面 的安装方位角。相关部件安装示意图如图2所示。 安装在S点的SAR系统成像之后，通过与弹 载地图库的图像匹配过程和导航参数传递过程， 可以实时获得导弹质心M点处的水平位置信息。 安装在导弹质心的星敏感器可以提供导弹姿态角 信息，将两者对导弹质心的M-SINS进行组合校 正，可以得到导弹高精度的位置和速度信息。基于 此，本文提出了一种新的SAR运动补偿中偏差量 的获取方案：将M-SINS/SAR/CNS提供的位置和 速度信息通过杆臂参数传递过程传递到APC处， 对安装在APC处的S-IMU进行校正，可以解算 出SAR天线的实际运动信息，将该信息减去相对于成像起点做匀速直线平飞运动的理想值，就得 到了天线实时的运动偏差。图3为基于M-SINS/ SAR/CNS的运动补偿示意图。 图中P，V，ψ分别表示位置、速度和姿态角矢 量；下标M，S分别表示导弹质心和SAR相位中心； Δ表示偏差；aS，ωS为S-IMU输出的加速度和角 速度矢量；Lsar，λsar为SAR图像经图像匹配和参数 传递后得到的M点纬度和经度。 通过运动补偿，SAR成像的分辨率就会得到 提高，提供的载体位置信息也就更为准确，使得M -SINS/SAR/CNS组合效果更好。 2.1 M-SINS/SAR/CNS组合导航模型 图3所示的基于M-SINS/SAR/CNS的运动 补偿方案中，若想对S-IMU的导航解算进行校 正，首先应获得准确的M-SINS/SAR/CNS组合导 航数据。由于各传感器获得不同的导航参数，故可 以将不同测量值进行统一处理，用集中Kalman滤 波器来实现导弹质心位置的组合导航。图4为M- SINS/SAR/CNS组合导航示意图。 图4中Pi=[Li，λi，hi]为M-SINS输出的导 弹质心的纬度，经度和高度；ψi=[θi，γi，φi]为M -SINS输出的导弹俯仰，滚转和航向角；ha为高度 表测量的导弹质心高度；ψC=[θC，γC，φC]为星敏 感器测量的导弹姿态。 2.1.1 状态方程的建立 系统的状态方程为M-SINS的参数误差方程 和器件误差方程。导航坐标系选择为东北天地理 坐标系。建立的状态方程为[7] X·（t）=F（t）X（t）+G（t）W（t）（8） 式中：n代表导航坐标系，i代表地心惯性坐标系， e代表地球坐标系；f为加速度计测量信息；ω代表 相应的角速度。 2.1.2 量测方程的建立 2.2.1 杆臂参数传递过程 M-SINS/SAR/CNS组合导航解算得到导弹质 心的运动参数，而S-IMU安装在APC附近，两者 位置不同。相比于机载SAR系统，导弹的安装空间 有限，导弹质心到APC之间距离较短，因此可以 假定M-SINS与SAR天线平台之间属于刚性连 接，即可将M-SINS/SAR/CNS解算得出的导航数 据通过杆臂参数传递过程传递到APC处，进而实 时校正S-IMU的导航解算。 SAR平台的安装距离l，安装俯仰角θl和安装 方位角φl如图2所示，则S点在载体坐标系下相 对于M点的坐标为 式中：Rm，Rn分别为地球椭球体子午圈和卯酉圈的 主曲率半径。 2.2.2 S-IMU导航系统的校正模型 安装在APC附近的S-IMU一般由中等精度 的陀螺和加速度计组成，存在较大的定位误差发 散问题，且精度通常情况下要明显低于导弹质心 处的主惯导系统，因此要对S-IMU的惯导解算进 行实时校正，从而得到SAR天线准确的运动参数 信息。 将M-SINS/SAR/CNS传递到APC处的位置 和速度信息对S-IMU的导航解算过程进行校正。 校正过程仍然采用线性Kalman滤波，且状态方程 的建立如式（8）～（10），但此处的状态变量分别表 征SAR平台失准角、SAR天线的速度和位置误差、 S-IMU的陀螺和加速度计常值漂移。 将S-IMU解算的位置和速度与M-SINS/ SAR/CNS传递来的位置和速度的差值作为量测： M-SINS/SAR/CNS组合导航仿真条件：导弹 理想飞行轨迹的初始位置为北纬39°，东经117°，高 度为5000m；初始飞行速度为200m/s，航向正北， 飞行时间为1200s；M-SINS的陀螺常值漂移为0.01（°）/h，随机漂移为0.001（°）/h；加速度计零 偏为100μg，随机漂移为10μg；M-SINS的采样周 期为0.01s，SAR的匹配定位周期为5s，CNS定姿 周期1s；位置初始误差为20m，速度初始误差为0.2 m/s，姿态角初始误差为50″；SAR图像匹配的水平 定位精度为5m，高度表精度为5m，星敏感器测姿 精度为15″。M-SINS/SAR/CNS滤波周期为5s，期 间进行周期为1s的M-SINS/CNS滤波。M-SINS/ SAR/CNS的组合导航位置和速度误差曲线如图5～ 6所示。 由图5～6可以看出，稳定后的导弹位置误差 保持在2m以内，速度误差在0.02m/s以内，因 此采用M-SINS/SAR/CNS组合导航系统，能够为 S-IMU提供略等于DGPS精度的位置和速度校正 数据。 S-IMU导航解算校正过程仿真条件：陀螺常 值漂移为0.05（°）/h，随机漂移为0.005（°）/h； 加速度计零偏为0.0005g，随机漂移为0.00005g；M -SINS/SAR/CNS提供校正数据频率为1Hz，S- IMU的采样周期为0.01s；SAR天线的位置初始误 差均为10m，速度初始误差为0.01m/s，姿态角 初始误差均为50″。量测误差方差阵选择为：R= [（0.02m/s）2，（0.02m/s）2，（0.02m/s）2， （2m）2，（2m）2，（2m）2]。考虑到导弹飞行过程中的大气扰动和弹体振动的影响，在IMU导航解算 出的位置和速度信息中加入标准差分别为0.1m， 0.01m/s的高斯噪声项。杆臂参数传递过程中选 择l=2m，θl=-20°，φl=15°。SAR天线运动参 数的绝对测量误差如图7～9所示。 由图10～12可以清楚地看出，3个成像周期 内，位置测量误差的变化在5cm之内，速度测量 误差变化在0.001m/s以内，姿态角测量误差变化 在1″之内。对于雷达波长取在厘米范围的SAR系 统，该方案的天线运动参数的相对测量精度符合SAR对运动补偿的精度要求。结合文献[3]中的仿 真结果，该方案的精度能够达到使用DGPS来校正 S-IMU的运动补偿方案的精度。 4 结 论 [1]StevensDR，CummingIG，GrayAL.OptionsforAir borneInterferometricSARMotionCompensation[J].IEEE TransactionsonGeoscienceandRemoteSensing，1995，33 （2）：409-420. [2]FornaroG，FranceschettiG，PernaS.MotionCompensa tionErrors：EffectsontheAccuracyofAirborneSARIma ges[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronic System，2005，41（4）：1338-1352. [3]曹福祥，保铮，袁建平，等.用于SAR运动补偿的 DGPS/SINS组合导航系统研究[J].航空学报，2001， 22（2）：121-124. [4]郭振永，邓云凯，涂国防.基于IMU数据与双星定位系 统组合的机载SAR运动补偿[J].电子与信息学报， 2007，29（8）：1802-1804. [5]叶少华，周萌清.用真实IMU/GPS数据进行机载SAR 运动补偿处理[J].北京航空航天大学学报，2005，31 （10）：1063-1064. [6]徐晓丹，卢凌，何凯.机载SAR运动补偿系统设计及算 法研究[J].武汉理工大学学报，2002，26（6）：722- 723. [7]时磊，梁兴东.双向卡尔曼滤波器在机载SAR运动补 偿中的应用[J].科学技术与工程，2009，9（12）：3381 -3382. [8]张魁，王新龙.捷联惯性/天文组合导航信息融合方法 研究[J].航空兵器，2009（4）：13-14. 由图10～12可以清楚地看出，3个成像周期 内，位置测量误差的变化在5cm之内，速度测量 误差变化在0.001m/s以内，姿态角测量误差变化 在1″之内。对于雷达波长取在厘米范围的SAR系 统，该方案的天线运动参数的相对测量精度符合SAR对运动补偿的精度要求。结合文献[3]中的仿 真结果，该方案的精度能够达到使用DGPS来校正 S-IMU的运动补偿方案的精度。 4 结 论 [1]StevensDR，CummingIG，GrayAL.OptionsforAir borneInterferometricSARMotionCompensation[J].IEEE TransactionsonGeoscienceandRemoteSensing，1995，33 （2）：409-420. [2]FornaroG，FranceschettiG，PernaS.MotionCompensa tionErrors：EffectsontheAccuracyofAirborneSARIma ges[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronic System，2005，41（4）：1338-1352. [3]曹福祥，保铮，袁建平，等.用于SAR运动补偿的 DGPS/SINS组合导航系统研究[J].航空学报，2001， 22（2）：121-124. [4]郭振永，邓云凯，涂国防.基于IMU数据与双星定位系 统组合的机载SAR运动补偿[J].电子与信息学报， 2007，29（8）：1802-1804. [5]叶少华，周萌清.用真实IMU/GPS数据进行机载SAR 运动补偿处理[J].北京航空航天大学学报，2005，31 （10）：1063-1064. [6]徐晓丹，卢凌，何凯.机载SAR运动补偿系统设计及算 法研究[J].武汉理工大学学报，2002，26（6）：722- 723. [7]时磊，梁兴东.双向卡尔曼滤波器在机载SAR运动补 偿中的应用[J].科学技术与工程，2009，9（12）：3381 -3382. [8]张魁，王新龙.捷联惯性/天文组合导航信息融合方法 研究[J].航空兵器，2009（4）：13-14. 由图10～12可以清楚地看出，3个成像周期 内，位置测量误差的变化在5cm之内，速度测量 误差变化在0.001m/s以内，姿态角测量误差变化 在1″之内。对于雷达波长取在厘米范围的SAR系 统，该方案的天线运动参数的相对测量精度符合SAR对运动补偿的精度要求。结合文献[3]中的仿 真结果，该方案的精度能够达到使用DGPS来校正 S-IMU的运动补偿方案的精度。 4 结 论 [1]StevensDR，CummingIG，GrayAL.OptionsforAir borneInterferometricSARMotionCompensation[J].IEEE TransactionsonGeoscienceandRemoteSensing，1995，33 （2）：409-420. [2]FornaroG，FranceschettiG，PernaS.MotionCompensa tionErrors：EffectsontheAccuracyofAirborneSARIma ges[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronic System，2005，41（4）：1338-1352. [3]曹福祥，保铮，袁建平，等.用于SAR运动补偿的 DGPS/SINS组合导航系统研究[J].航空学报，2001， 22（2）：121-124. [4]郭振永，邓云凯，涂国防.基于IMU数据与双星定位系 统组合的机载SAR运动补偿[J].电子与信息学报， 2007，29（8）：1802-1804. [5]叶少华，周萌清.用真实IMU/GPS数据进行机载SAR 运动补偿处理[J].北京航空航天大学学报，2005，31 （10）：1063-1064. [6]徐晓丹，卢凌，何凯.机载SAR运动补偿系统设计及算 法研究[J].武汉理工大学学报，2002，26（6）：722- 723. [7]时磊，梁兴东.双向卡尔曼滤波器在机载SAR运动补 偿中的应用[J].科学技术与工程，2009，9（12）：3381 -3382. [8]张魁，王新龙.捷联惯性/天文组合导航信息融合方法 研究[J].航空兵器，2009（4）：13-14. |
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