DE69903070T2

DE69903070T2 - Satellitenverfahren zur erzeugung eines digitalen geländemodells mittels radarinterferometrie

Info

Publication number: DE69903070T2
Application number: DE69903070T
Authority: DE
Inventors: Frederic Adragna
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1998-12-15
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: WO2000036434A1; FR2787185B1; US6552678B1; DE69903070D1; EP1141747B1; FR2787185A1; EP1141747A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Satellitenverfahren und -system, das einfach, zuverlässig und zur Erzeugung eines digitalen Geländemodells (DGM) des gesamten oder eines Teils des Erdballs mit sehr hoher Auflösung einsatzfähig ist.
Die Erfindung basiert auf der Anwendung der Radarabbildung mit hoher Auflösung, die die bekannten Vorteile hat (permanent, Absolutortung, ...), und der Interferometrietechnik, die ebenfalls wohlbekannte Vorteile hat (sehr hohe Genauigkeit, einfache Anwendung), die jedoch gelegentlich an hemmenden Einschränkungen leidet: Phasenrauschen, das durch die Hochfrequenzausbreitung durch die Atmosphäre und die Ionosphäre induziert wird, Kohärenzverlust über der Vegetation und ausgeprägten Reliefen.
Die Erfindung zielt darauf ab, diese Einschränkungen vollständig zu eliminieren und Auflösungen in der Horizontale und der Höhe kleiner als 5 m zu erzielen, beispielsweise 2 m horizontal und 0,5 m vertikal, oder sogar kleiner.
Diese hohen Auflösungen und die Absolutortung ermöglichen vorteilhafte Anwendungen bei der Weltkartographie und der Topographie.
Es sind Satellitensysteme zum Erzeugen eines digitalen Geländemodells des gesamten oder eines Teils des Erdballs mittels Radarinterferometrie vorgeschlagen worden, die aus zwei Satelliten gebildet sind, die in Formation entlang zweier benachbarter Umlaufbahnen fliegen und mit entsprechenden Radaren synthetischer Öffnung ausgestattet sind, wie es beispielsweise in dem Artikel "Interferometrie Radar: Principe, Applications et Limitations" von Frédéric ADRAGNA (Dez. 1997) und im Artikel "Mapping the World's Topography using Radar Interferometry: the Topsar Mission" von Howard A. ZEBKER et al. (IEEE Proceeding, Vol. 82, Nr. 12, Dez. 1994) beschrieben ist.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Satellitenverfahren und -system mit zwei in Formation fliegenden Satelliten zu definieren, die jedoch keinerlei Synchronisation der Radarsignale der beiden Satelliten benötigen.
Erfindungsgemäß gelangt man hierzu, indem jeder Satellit mit einem Radar hoher Auflösung und synthetischer Öffnung ausgestattet ist und indem man die beiden Satelliten hintereinander derart umlaufen läßt, daß ihre Radare unabhängig voneinander einen gleichen Geländestreifen unter einem Anstellwinkel von wenigstens 40º beobachten, mit einem Zeitintervall von höchstens 10 Sekunden, vorzugsweise höchstens 4 Sekunden, vorzugsweise wenigstens 2 Sekunden, zwischen ihren jeweiligen Beobachtungen.
Die untere Grenze des Intervalls hängt von der Wellenlänge und der Auflösung der Radare ab.
Da sich die Erde in dem genannten Intervall dreht, existiert eine seitliche Umlaufbahnverschiebung (einstellbar).
Diese Verschiebung erzeugt einen leichten Stereoeffekt, mit dem das Relief der Erde dank der Interferometrietechnik erhalten werden kann.
Die beiden Satelliten können vorteilhaft je einen Radar- Sender-Empfänger umfassen.
Vorzugsweise sind ihre beiden Radare identisch.
Der Beobachtungswinkel ist vorzugsweise auf einen Winkel im Intervall von 40-60º fixiert.
In einer typischen Anwendung ist jeder Radarbildaufnehmer (der auf eine Proteus-Plattform verladen ist) maximal vereinfacht: ein einziger Anstellwinkel, eine feste und passive, daher leichte Antenne (5 · 1m, 50 kg), ein einzelner Funktionsmodus, eine einfache Abtastung (BAQ2- Kodierung: 2 · 2 Bits pro Pixel), wenig Leistung, jedoch hohe Auflösung (2 m).
An Bord ist eine reichhaltige Speicherkapazität erforderlich mit einem genauen Navigationssystem (ggf. selbständig), das für die Umlaufbahnsteuerung geeignet ist (benötigte Genauigkeit: 50 m) und für die Feinwiederherstellung der Umlaufbahn (für die Absolutortung des Produktes erforderlich).
Das System ist einsatzfähig, da die üblichen Einschränkungen der Interferometrie eliminiert sind:
- die üblicherweise am Boden dazwischenkommenden Änderungen existieren nicht, außer möglicherweise bei sehr starkem Regen oder Tagen mit starkem Wind über dem Wald (jedoch durch Kohärenzverlust erfaßt).
- der Brechungsindex der Atmosphäre ändert sich nicht über diese sehr kurzen Zeiten, außer bei außergewöhnlichen Wetterbedingungen (die Wahrscheinlichkeit ist geringer als 10 Minuten/Jahr).
- die hohe Auflösung (hohe Durchlaßbande) kombiniert mit dem starken Einfall ermöglicht, die Probleme mit dem Kohärenzverlust über bergigen Gebieten (Neigungen) zu beseitigen.
Die Höhenmehrdeutigkeit hängt von der zwischen den Umlaufbahnen gewählten Verschiebung ab und kann leicht während der Lebensdauer des Systems abhängig von der benötigten Höhengenauigkeit modifiziert werden.
Die Erfindung hat aufgrund folgender Eigenschaften äußerst große Vorteile:
- die erhaltenen, stark kohärenten Interferogramme hoher Auflösungen können automatisch in eine wahre Höhe übertragen werden,
- durch die Aufnahmen in steigenden und fallenden Umlaufbahnen kann das Endprodukt auf absolute Weise in drei Dimensionen ohne externe Festpunkte (ohne Bediener) erhalten werden.
Schließlich erlaubt die "Kohärenz" des Interferogramms die Charakterisierung des beobachteten Bodentyps (und die Erfassung der. Bereiche, bei denen die interferometrische Messung nicht zuverlässig ist)
- Kohärenz = 0: Meer, See, Fluß (Erfassung der Uferlinien...)
- schwache Kohärenz: starke Winde oder andere Probleme (DGM ist nicht zuverlässig: ungültig)
- mittlere Kohärenz: (Volumenrückstreuung) Wälder, ...
- gute Kohärenz: mäßig dichte Pflanzenbedeckung, Städte, ...
- Kohärenz = 100%: nackter Boden oder flache Vegetation
Über die herkömmlichen Pluspunkte der Radarinterferometrie (Berechnungserleichterung, Zuverlässigkeit der Messung, Absolutortung ohne externe Festpunkte, etc. ...) hat das erfindungsgemäße System folgende Vorteile:
- die hohe Auflösung ermöglicht die Höhenmessung von Gebäuden oder isolierten Bäumen. Wenn die Höhenmehrdeutigkeit geeignet gewählt ist (80-100 m), ist keinerlei Abarbeitung ("deroulement") der Interferrenzstreifen erforderlich.
- die 3D-Messung im urbanen Gebiet scheint zugänglich, trotz der Mehrfachreflektionen und der geometrischen Krümmungen ("repliements").
Es genügt, Aufnahmen im "Spot-Light"-Modus (durch Neigen AV/AR der Plattform) zu machen, um genau in der gleichen Konfiguration wie das amerikanische Flughafensystem IFSA- RE zu sein, dessen Auflösung 2 · 0,7 m ist.
Der Vorteil hinsichtlich der klassischen Stereoaufnahme liegt darin, daß keine geometrischen Deformationen zwischen zwei Bildern vorliegen.
Die Pixel können unmittelbar in Übereinstimmung gebracht werden. Nur die Phaseninformation liefert die Höhe.
Schließlich können durch Filtern des Interferogramms die vertikalen Abschnitte von den horizontalen Abschnitten unterschieden werden.

BEISPIEL:

Das erfindungsgemäße System umfaßt zwei Minisatelliten S1, S2 (Fig. 1), die hintereinander in einem Abstand von etwa 15-30 km (2-4 Sekunden) umlaufen.
Die relative Genauigkeit auf der Bahn ist kleiner oder gleich 50 m, was keine Schwierigkeiten bereitet.
Die Wiederherstellung der Umlaufbahn muß so genau wie möglich sein. Die Satelliten umfassen genaue Navigationssysteme (GPS, Doris, ...).
Die Satelliten sind mit Sender-Empänger-Radaren ausgestattet, die identisch sind.
Zum Vereinfachen der Bodensegmente ("segment sol"), kann eine selbständige Satellitensteuerung vorgesehen werden.
Schließlich ist es wünschenswert, daß die Plattformen der Satelliten so ausgestaltet sind, daß sie den Anstellwinkel und den lokalen Modus (Neigung AV/AR) variieren können (für die 3D-Stadt).
- Höhe: 500 km,
- Sichtwinkel: 50º (um die "Layover" zu vermeiden. Die Schattenzonen werden ggf. ausgefüllt, indem steigende und fallende tlmlaufbahnen gekreuzt verwendet werden)
- Antennenlänge: 5 m · 1 m (X) oder 5 m · 2 m (C)
- Wellenlänge: X-Bande (oder C-Bande für eine bessere Kohärenz)
- Strahlungsleistung: ungefähr 4 kW Spitze (Neσ0 -18 dB)
- mittlere Verbrauchsleistung: ungefähr 1500 Watt (einige Minuten pro Umlaufbahn)
- Bildauflösung: 2 m · 2 m (Monoaufnahme); 2 m · 0,5 m (Spot Light)
- Radarrohdatenkodierung: BAQ2 : 2 · 2 Bit/Pixel (Magellantyp)
- Spurbreite: 50 km (hängt von der gewünschten Auflösung und der möglichen Datenrate ab)
- Datenrate des Geräts nach Kodierung: 350 Mbit/s,
- Datenrate der Fernmessung: 200 Mbit/s (ein Satellit nach dem anderen)
- Umlaufbahn: sonnensynchron mit etwa 6 h-18 h (Maximierung der Energie und Vereinfachung der Plattform)

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines digitalen Geländemodells mit sehr hoher Auflösung der gesamten oder eines Teils der Erdkugel über Radarinterferometrie mittels zweier Satelliten (S1, S2), die in Formation entlang zweier benachbarter Umlaufbahnen fliegen und mit entsprechenden Radaren ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, daß man jeden Satelliten mit einem Radar hoher Auflösung und synthetischer Öffnung ausstattet und daß man die beiden Satelliten hintereinander umlaufen läßt, derart, daß ihre Radare unabhängig voneinander einen gleichen Geländestreifen unter einem Anstellwinkel von wenigstens 40º beobachten, einem Zeitintervall von höchstens 10 Sekunden zwischen ihren jeweiligen Beobachtungen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Intervall höchstens 4 Sekunden beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Intervall wenigstens 2 Sekunden beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Beobachtungswinkel auf einen Winkel im Bereich von 40-60º eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem man die beiden Satelliten (S1, S2) mit einem Sender- Empfänger-Radar ausstattet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem man die beiden Satelliten mit identischen Radaren ausstattet.

7. Satellitensystem für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Satelliten (S1, S2) umfaßt, die mit jeweiligen Radaren hoher Auflösung und, synthetischer Öffnung ausgestattet sind, und so eingestellt sind, daß sie unabhängig voneinander einen gleichen Geländestreifen unter einem Anstellwinkel von wenigstens 4Cº beobachten, wobei die Satelliten derart programmiert sind, daß die Radare den gleichen Geländestreifen mit einem Zeitintervall von höchstens 10 Sekunden und wenigstens 2 Sekunden beobachten.

8. Satellitensystem nach Anspruch 7, bei dem jeder Radar ein Sender-Empfänger ist.

9. Satellitensystem nach Anspruch 8, bei dem die beiden Radare identisch sind.