黃偉鋒，李茂堂，劉博揚(yáng)

（中國水利水電科學(xué)研究院 遙感技術(shù)應(yīng)用中心，北京 100048）

我國是世界上自然災(zāi)害類型多、發(fā)生頻率高和造成損失嚴(yán)重的國家。我國政府已將制定突發(fā)公共事件應(yīng)對(duì)措施、主動(dòng)防范風(fēng)險(xiǎn)提高到維護(hù)國家安全、社會(huì)穩(wěn)定和保障人民群眾利益的重要位置?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，首次設(shè)立了公共安全領(lǐng)域［1］。2006年1月份國務(wù)院發(fā)布的《國家突發(fā)公共事件總體應(yīng)急預(yù)案》中，水旱災(zāi)害被列為自然災(zāi)害類突發(fā)公共事件的首位，并首批發(fā)布了《國家防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案》。開展“航空遙感實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)地面接收機(jī)改造”項(xiàng)目的研究，可以實(shí)時(shí)給出抗洪抗旱第一線的實(shí)時(shí)災(zāi)情資料，這對(duì)于有效提高重大水旱災(zāi)害預(yù)測和應(yīng)急處置能力，為防災(zāi)指揮部門科學(xué)決策，減少災(zāi)害造成的生命財(cái)產(chǎn)損失，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。而SAR圖像與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合改造是“航空遙感實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)”項(xiàng)目改造中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)［2］。

1 機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

“航空遙感實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)”是一個(gè)具有快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的以災(zāi)害監(jiān)測為重點(diǎn)的運(yùn)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過衛(wèi)星將飛機(jī)上合成孔徑雷達(dá)所監(jiān)測的地面災(zāi)情圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿窟b感中心和其它有關(guān)單位，實(shí)現(xiàn)了3m合成孔徑雷達(dá)圖像（SAR）和GPS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)復(fù)合傳輸（見圖1）［3］。

機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是由高性能工業(yè)計(jì)算機(jī)、雷達(dá)成像系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)接口板（簡稱成像器接口板）、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)壓縮器（簡稱數(shù)據(jù)壓縮器）、合成孔徑雷達(dá)圖像與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合器（簡稱GPS數(shù)據(jù)復(fù)合器）、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)加密器（簡稱數(shù)據(jù)加密器）、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸同步通信板（簡稱同步通信板）等功能部件組成。機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于對(duì)雷達(dá)成像系統(tǒng)輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收，并將實(shí)時(shí)接收的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、編碼和高倍率壓縮，之后經(jīng)過高倍率壓縮的圖像數(shù)據(jù)與所得到的GPS數(shù)據(jù)復(fù)合，再加密、打包，通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸同步通信板發(fā)送給衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行信道編碼和中頻調(diào)制，并將調(diào)制后的數(shù)據(jù)上變頻、功率放大，經(jīng)機(jī)載自跟蹤發(fā)射天線向通信衛(wèi)星發(fā)出。衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸采用C波段，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率為64kbps（千比特每秒）。

2 SAR圖像與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合改造內(nèi)容

2.1 GPS接收數(shù)據(jù)的工作原理 24顆GPS衛(wèi)星在高空上以12h的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測到4顆以上的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測點(diǎn)的位置（X，Y，Z）。考慮到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)，即X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。GPS接收機(jī)可接收到用于授時(shí)的準(zhǔn)確至納秒級(jí)的時(shí)間信息，用于預(yù)報(bào)未來幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷，計(jì)算定位時(shí)所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。

2.2 復(fù)合改造內(nèi)容 在“九五”期間，已經(jīng)在機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行了SAR圖像與GPS數(shù)據(jù)的復(fù)合改造研究，但是安裝在飛機(jī)上的GPS接收機(jī)受到干擾時(shí)，復(fù)合就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此要對(duì)原有的軟件進(jìn)行更新和優(yōu)化，其內(nèi)容主要包括：（1）GPS數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)快速查找模塊研制；（2）SAR圖像和GPS數(shù)據(jù)軟件的自動(dòng)糾錯(cuò)模塊研制；（3）SAR圖像和GPS數(shù)據(jù)復(fù)合軟件優(yōu)化。

3 GPS數(shù)據(jù)與SAR圖像復(fù)合產(chǎn)生誤差的原因

3.1 SAR圖像與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合和傳輸?shù)墓ぷ髟?在國家科技部組織的“八五”重大科技攻關(guān)期間，“航空遙感實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)”中飛機(jī)上所安裝的GPS接收機(jī)為TNL 2100型接收機(jī)，該接收機(jī)數(shù)據(jù)更新速度為每秒鐘一次。在航空遙感實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)中，合成孔徑雷達(dá)（SAR）圖像與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合和傳輸?shù)墓ぷ髟硎?，在飛機(jī)飛行過程中，當(dāng)啟動(dòng)合成孔徑雷達(dá)開始工作時(shí)，飛機(jī)上所安裝的GPS接收機(jī)將獲得的GPS數(shù)據(jù)送給合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)，合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理后的GPS數(shù)據(jù)復(fù)合到所獲得的合成孔徑雷達(dá)圖像條帶之前的數(shù)據(jù)塊中，并且在每個(gè)合成孔徑雷達(dá)圖像條帶之前只插入1次GPS數(shù)據(jù)。飛機(jī)飛行1個(gè)條帶需要數(shù)分鐘，有時(shí)可長達(dá)1、2個(gè)小時(shí)，并且由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原因，GPS的采樣時(shí)間未能與合成孔徑雷達(dá)發(fā)射信號(hào)到達(dá)地面的時(shí)間進(jìn)行同步，因此在正常情況下，不考慮GPS本身的精度，在同步較好的情況下造成的誤差值雖然在1s以內(nèi)，但是每個(gè)飛行條帶中的所有位置都是靠每個(gè)條帶之前數(shù)據(jù)頭中的GPS數(shù)據(jù)推算得到的，這樣所造成的累積誤差很大。在同步不好的情況下，誤差會(huì)更大。另外，在合成孔徑雷達(dá)圖像和GPS數(shù)據(jù)復(fù)合期間如果出現(xiàn)干擾和其它錯(cuò)誤，就會(huì)使整個(gè)飛行條帶失去GPS數(shù)據(jù)，因此由地面接收系統(tǒng)所接收的合成孔徑雷達(dá)圖像就無法利用GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)處理［4］。

3.2 SAR圖像與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因 由飛機(jī)上所獲取的合成孔徑雷達(dá)圖像和GPS數(shù)據(jù)，還要通過航空遙感實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛娴膶?shí)時(shí)接收系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)接收過程中，由于干擾等因素，可能會(huì)出現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)丟失或者誤碼的現(xiàn)象。GPS數(shù)據(jù)是描述所傳送遙感圖像地理位置的信息，如果這些數(shù)據(jù)傳錯(cuò)或丟失，則所傳送圖像的意義和價(jià)值都將大大降低。因此，在現(xiàn)有的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)中，如何使每個(gè)合成孔徑雷達(dá)圖像條帶中都包含有正確的GPS數(shù)據(jù)，如何使合成孔徑雷達(dá)圖像和GPS數(shù)據(jù)做到同步，是需要急需解決的問題。

合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)的輸出有3種，即：磁帶輸出、輔助口輸出和視頻信號(hào)輸出。因?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)成像系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合傳輸是在輔助口之后進(jìn)行的，因此僅考慮輔助口的輸出方式。在輔助接口輸出的數(shù)據(jù)以突發(fā)方式進(jìn)行，且每隔3.5s左右以高速傳輸?shù)姆椒ㄝ敵鲆粋€(gè)圖像數(shù)據(jù)塊。對(duì)于6m分辨率，每個(gè)圖像塊由180行組成；對(duì)于3m分辨率，每個(gè)圖像塊由360行組成。

輔助接口輸出圖像數(shù)據(jù)時(shí)幀同步字為8行，并且?guī)阶种泻袦y繪帶序數(shù)、處理日期和時(shí)間等信息，它只是在每個(gè)條帶之前才輸出。數(shù)據(jù)的圖像段含有32個(gè)字節(jié)的注釋部分，注釋部分包括線序數(shù)、圖像帶增益、圖像產(chǎn)品增益選擇和計(jì)算慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）速度誤差系數(shù)的估計(jì)值ΔV。

根據(jù)以上分析可知，由于GPS接收機(jī)更新速度較慢（每秒鐘1次），如果僅在每個(gè)條帶的幀同步字中給出GPS數(shù)據(jù)，則很難做到使GPS的輸出時(shí)間和合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)得到地面圖像數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)刻相同步，如果在正常的情況下，會(huì)產(chǎn)生1s的誤差。如果在不正常的情況下，比如圖像條帶中丟失了部分GPS數(shù)據(jù)，或者在衛(wèi)星傳輸中圖像幀同步字出錯(cuò)，則會(huì)出現(xiàn)更大的誤差，甚至使整個(gè)圖像條帶無法利用GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理的不利局面。

另外，當(dāng)飛機(jī)飛行速度變化時(shí)，脈沖重復(fù)頻率（PRF）也要變化，因此合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間也要發(fā)生變化，這也給GPS的復(fù)合帶來了更大的困難和誤差。

4 GPS數(shù)據(jù)與SAR圖像復(fù)合改造的方法

GPS數(shù)據(jù)與SAR圖像復(fù)合軟件優(yōu)化所采取的方法是，根據(jù)飛機(jī)飛行速度等有關(guān)參數(shù)，確定GPS兩次采用之間可能出現(xiàn)的最大誤差，然后將每次所采樣的GPS數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則與前一次所采樣的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，快速確定該次所采樣的GPS數(shù)據(jù)是否正確，然后按照遞推原理等方法進(jìn)行校正和處理。

合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)每3.2s左右輸出180（或360）行圖像塊數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)輸出時(shí)序如圖2所示。圖2中CLK是合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)輸出的時(shí)鐘信號(hào)；PLOT是合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)輸出的起始信號(hào)，利用CLK信號(hào)和PLOT信號(hào)可以建立合成孔徑雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)消除誤差的目的。合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合單元的框圖見圖3。

5 GPS數(shù)據(jù)與SAR圖像復(fù)合實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了定量地測試合成孔徑雷達(dá)圖像與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合的實(shí)際效果，設(shè)計(jì)了專用軟件進(jìn)行實(shí)際測試。其方法是，利用合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)輸出圖像數(shù)據(jù)時(shí)的起始信號(hào)和GPS輸出數(shù)據(jù)時(shí)的起始信號(hào)之間的關(guān)系，得到合成孔徑雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)頭信號(hào)與GPS數(shù)據(jù)到來時(shí)間的間隔（記為time1），同時(shí)也得到了合成孔徑雷達(dá)兩個(gè)圖像數(shù)據(jù)頭信號(hào)之間的時(shí)間間隔（記為time2）。其測試結(jié)果見表1。

表1 對(duì)接實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄的時(shí)間間隔（部分）

由表1中所記錄的結(jié)果可以看出，time2在3.000290s和3.999969s內(nèi)變化。如果飛機(jī)速度為210m/s左右，雷達(dá)掃描180行（對(duì)于3m分辨率為360行）的時(shí)間約為3.5s。根據(jù)有關(guān)公式及方法，可得到合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)輸出的圖像數(shù)據(jù)與GPS輸出數(shù)據(jù)復(fù)合的時(shí)間，使每個(gè)圖像塊的起始點(diǎn)的經(jīng)緯度也可以相應(yīng)得到。這樣就達(dá)到了合成孔徑雷達(dá)圖像與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合改造的要求。

為了測試合成孔徑雷達(dá)圖像與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合的實(shí)際效果，設(shè)計(jì)了測試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測試。模擬測試系統(tǒng)如圖4所示，由雷達(dá)成像系統(tǒng)模擬器、被測試的機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)4部分組成。雷達(dá)成像系統(tǒng)模擬器模擬合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)所發(fā)出的SAR雷達(dá)圖像，然后通過接收板送給被測試的機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，被測試的機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)仿照在飛機(jī)上的操作進(jìn)行測試。衛(wèi)星通信系統(tǒng)將機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)送來的測試圖像發(fā)射給通信衛(wèi)星，再由通信衛(wèi)星發(fā)送到地面實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。

機(jī)載機(jī)接收到模擬機(jī)發(fā)送的圖像后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，然后與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合，通過衛(wèi)星系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給地面接收系統(tǒng)，地面接收系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)打開地面接收?qǐng)D像軟件后，可以看到如圖5所示的圖像。在圖5可以看到，雷達(dá)成像系統(tǒng)所發(fā)送的圖像和GPS數(shù)據(jù)，合成孔徑雷達(dá)圖像與GPS數(shù)據(jù)復(fù)合取得了良好的實(shí)際效果。

6 結(jié)語

機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是“航空遙感實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)”中的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是我國的自主創(chuàng)新產(chǎn)品，能夠在飛機(jī)上完成SAR圖像的實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)壓縮、SAR圖像與GPS圖像的實(shí)時(shí)復(fù)合與傳輸、測試圖像的實(shí)時(shí)顯示和實(shí)時(shí)傳輸。GPS數(shù)據(jù)與SAR圖像復(fù)合的工作性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)效益的發(fā)揮。對(duì)GPS數(shù)據(jù)與SAR圖像復(fù)合進(jìn)行改造，將使“航空遙感實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)”能夠更加有效地發(fā)揮其作用。

［1］劉曉茹，劉玲花，高繼軍，等.基于GPRS技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)集成研究［J］.中國水利水電科學(xué)研究學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，5（1）：75-79.

［2］路京選.水利遙感應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展回顧與展望［J］.中國水利水電科學(xué)研究學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，6（3）：224-230.

［3］李茂堂.航空遙感實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)及應(yīng)用［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2007.

［4］張曉紅，李茂堂.航跡顯示在實(shí)時(shí)SAR圖像傳輸中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)軟件與應(yīng)用，2007，24（1）：112-114.