陳銳志,王 磊,李德仁,陳 亮,付文舉

武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079

導(dǎo)航定位技術(shù)與遙感技術(shù)是兩種主要的獲取空間信息的技術(shù)手段。相比傳統(tǒng)的信息獲取手段，導(dǎo)航和遙感能快速、高效、實(shí)時(shí)地獲取海量時(shí)空信息資源，可為諸多領(lǐng)域提供天地一體化信息服務(wù)。導(dǎo)航和遙感是最具應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Φ臅r(shí)空信息采集獲取手段，位置信息和遙感數(shù)據(jù)是最具泛在性的智能信息服務(wù)要素。導(dǎo)航技術(shù)側(cè)重于獲取點(diǎn)目標(biāo)連續(xù)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而遙感技術(shù)則側(cè)重于獲取面目標(biāo)的狀態(tài)信息，二者的融合能夠有效地提升空間數(shù)據(jù)獲取效率，提升空間數(shù)據(jù)的可靠性。

隨著導(dǎo)航和遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，時(shí)空信息的綜合應(yīng)用，以及數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)的逐步普及，導(dǎo)航和遙感的結(jié)合成為必然發(fā)展趨勢。導(dǎo)航技術(shù)與遙感技術(shù)相互融合相互滲透，逐漸形成新的交叉領(lǐng)域和學(xué)科。李德仁院士從天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)的角度提出定位、導(dǎo)航、授時(shí)、遙感、通信(PNTRC)五位一體的融合構(gòu)想，從天基信息的獲取、傳輸、綜合應(yīng)用等角度論述了導(dǎo)航與遙感技術(shù)融合的意義和必要性[1-2]。楊元喜院士指出導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢是彈性PNT框架[3]和綜合PNT體系[4]，從多源融合的角度論述了未來PNT體系對(duì)雷達(dá)，光學(xué)影像等遙感技術(shù)的需求。

導(dǎo)航遙感融合可根據(jù)其融合機(jī)理劃分為3個(gè)層次：協(xié)同、集成和融合，關(guān)系如圖1所示。協(xié)同層面的融合是指導(dǎo)航技術(shù)與遙感技術(shù)合作完成一項(xiàng)任務(wù)。例如在災(zāi)害應(yīng)急任務(wù)中，既需要遙感技術(shù)獲取受災(zāi)情況，進(jìn)行災(zāi)害影響評(píng)估與分析，又需要導(dǎo)航技術(shù)用于救援人員和救災(zāi)物資運(yùn)送的指揮和調(diào)配。在很多應(yīng)用場合，導(dǎo)航技術(shù)和遙感技術(shù)各司其職，又相互協(xié)作，缺一不可。典型導(dǎo)航與遙感協(xié)同的應(yīng)用包括災(zāi)害應(yīng)急[5-6]、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等。

圖1 導(dǎo)航、遙感技術(shù)融合技術(shù)脈絡(luò)Fig.1 The roadmap of the fusion of navigation and remote sensing technologies

集成層面的融合是指將導(dǎo)航與遙感技術(shù)從設(shè)備或者平臺(tái)的層面集成在一起，協(xié)同實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)特定的功能。導(dǎo)航與遙感的集成使得導(dǎo)航和遙感技術(shù)在流程上存在先后順序，例如導(dǎo)航技術(shù)為影像傳感器提供位置和姿態(tài)信息，輔助影像排列，拼接以及無控定位。在集成的層面，導(dǎo)航技術(shù)和遙感技術(shù)是除了合作，還存在一定的相互依賴關(guān)系。典型的導(dǎo)航、遙感集成的應(yīng)用包括無控測圖[7]、移動(dòng)測量[8]等。

導(dǎo)航與遙感深層次融合是指突破導(dǎo)航與遙感技術(shù)功能的界限，實(shí)現(xiàn)功能上的跨界，具體可劃分為利用遙感技術(shù)提升導(dǎo)航性能和利用導(dǎo)航信號(hào)開展遙感任務(wù)兩種融合方式。導(dǎo)航與遙感的融合模式可以利用遙感和導(dǎo)航技術(shù)的統(tǒng)一模型表達(dá)他們功能上的轉(zhuǎn)換。在融合的層面，遙感和導(dǎo)航是互聯(lián)互通的兩項(xiàng)空間信息獲取技術(shù)，融合突破了這兩項(xiàng)技術(shù)固有的特點(diǎn)和界限，典型的融合應(yīng)用包括視覺/GNSS緊耦合定位，GNSS氣象，GNSS遙感，GNSS SAR等。一方面GNSS導(dǎo)航信號(hào)為大氣探測和目標(biāo)檢測提供了全球可用的，低成本的信號(hào)源；另一方面，視覺定位作為一種定位手段，具備低成本，抗干擾等特性，能夠豐富和擴(kuò)展導(dǎo)航定位的手段，彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的不足。

1 導(dǎo)航/遙感技術(shù)的協(xié)同

導(dǎo)航與遙感技術(shù)的協(xié)同是指這兩種技術(shù)在任務(wù)級(jí)別的協(xié)同。導(dǎo)航技術(shù)與遙感技術(shù)在信息獲取方面各有側(cè)重，優(yōu)勢互補(bǔ)，具有廣闊的應(yīng)用空間，典型的應(yīng)用包括災(zāi)害應(yīng)急保障，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等。

1.1 導(dǎo)航遙感協(xié)同災(zāi)害應(yīng)急保障

災(zāi)害應(yīng)急保障需要導(dǎo)航技術(shù)和遙感技術(shù)協(xié)同服務(wù)。導(dǎo)航定位服務(wù)在災(zāi)害應(yīng)急保障中的作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是為救災(zāi)人員和救援物資的調(diào)度提供位置和線路信息，優(yōu)化救援力量部署，提升救援效率；二是為機(jī)載遙感平臺(tái)提供位置姿態(tài)信息，輔助應(yīng)急遙感數(shù)據(jù)的獲取。以北斗系統(tǒng)為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是災(zāi)害應(yīng)急測繪中主要的導(dǎo)航技術(shù)手段。遙感技術(shù)的作用也體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是第一時(shí)間獲取應(yīng)急區(qū)域?yàn)?zāi)情信息，為應(yīng)急救援決策提供依據(jù)；另一方面，遙感技術(shù)是災(zāi)害影響評(píng)估和災(zāi)后恢復(fù)效果的評(píng)估依據(jù)。災(zāi)害應(yīng)急的遙感手段相對(duì)豐富，包括航空光學(xué)影像，機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)，機(jī)載SAR數(shù)據(jù)，傾斜攝影數(shù)據(jù)等。

衛(wèi)星導(dǎo)航與遙感技術(shù)協(xié)同保障在我國災(zāi)害應(yīng)急救援領(lǐng)域中的作用隨著對(duì)應(yīng)急測繪的時(shí)效性要求提升而變得更加明顯。2008年汶川地震應(yīng)急救災(zāi)中，北斗一號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)為救援部隊(duì)提供了準(zhǔn)確的震中位置和救援位置，保障了第一時(shí)間救援的效率[5]。遙感技術(shù)保障方面，則調(diào)集了9架無人機(jī)，直升機(jī)和國內(nèi)外多顆遙感衛(wèi)星不斷獲取災(zāi)區(qū)影像[9]。2010年青海玉樹地震主要采用了無人機(jī)快速遙感處理，災(zāi)后21 h就完成了災(zāi)區(qū)正射影像圖的制作。地震災(zāi)害會(huì)破壞地面相控點(diǎn)和坐標(biāo)基準(zhǔn)，因此結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)無控測圖，在應(yīng)急地圖制作、災(zāi)后空間基準(zhǔn)恢復(fù)等工作中尤其重要。衛(wèi)星導(dǎo)航和遙感技術(shù)融合還在甘肅舟曲特大山洪泥石流災(zāi)害，彝良縣地震和利比亞撤僑等應(yīng)急事件中發(fā)揮了巨大作用[9]。

1.2 導(dǎo)航遙感協(xié)同地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警

地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)警需要對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行長時(shí)間高時(shí)空分辨率，高精度的觀測，然而目前很難有單一技術(shù)能夠滿足要求。以GNSS/InSAR技術(shù)融合為代表的導(dǎo)航定位技術(shù)與遙感觀測技術(shù)的融合，可以優(yōu)勢互補(bǔ)，提升時(shí)間和空間分辨率，獲得更多的空間形變信息,提高形變信息的可靠性[10-11]。GNSS與InSAR的融合方法可大致分為3個(gè)層面：①GNSS技術(shù)為InSAR提供大氣改正和精密軌道[12-15]，幫助InSAR消弱誤差影響或者輔助InSAR相位解纏[16]。②利用GNSS時(shí)間序列變化特征和InSAR提供的空間變化信息內(nèi)插獲得高時(shí)空分辨率的變化特征。③GNSS技術(shù)與InSAR技術(shù)這兩種獨(dú)立的形變監(jiān)測技術(shù)相互檢核[17]，提升災(zāi)害監(jiān)測的可靠性。GNSS和InSAR融合的技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于滑坡監(jiān)測與預(yù)警，同震三維形變場反演[18-21]，地表沉降監(jiān)測[22-23]，礦山沉陷監(jiān)測[11,24]，水壩形變監(jiān)測[25]等。甘肅黑方臺(tái)滑坡的成功預(yù)警是InSAR技術(shù)和GNSS形變監(jiān)測技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的結(jié)果[26]。

2 導(dǎo)航/遙感技術(shù)的集成

導(dǎo)航與遙感的典型集成應(yīng)用場景是GNSS、INS等導(dǎo)航技術(shù)為遙感平臺(tái)提供位置和姿態(tài)信息，輔助遙感傳感器成像。隨著集成度的提高，導(dǎo)航與遙感的集成方式也有所改變。按集成的載體平臺(tái)劃分，可分為天基導(dǎo)航、遙感集成，空基導(dǎo)航、遙感集成和地基導(dǎo)航、遙感集成。

2.1 天基導(dǎo)航、遙感集成

天基導(dǎo)航、遙感集成手段主要有兩種：一是導(dǎo)航技術(shù)為遙感平臺(tái)提供位置姿態(tài)信息；二是導(dǎo)航與遙感功能共享衛(wèi)星平臺(tái)。

第1種集成手段的典型應(yīng)用是測繪衛(wèi)星的無控制點(diǎn)定位問題。無控制點(diǎn)攝影測量技術(shù)能夠大幅縮減成圖的野外工作量，提升成圖效率和成圖時(shí)效性，因此是攝影測量學(xué)科的發(fā)展方向，也是一個(gè)國際難題[27]。光學(xué)衛(wèi)星影像無控定位首先需要確定傳感器的位置和姿態(tài)，這主要依靠GNSS精密定軌技術(shù)和基于星敏感器、陀螺儀的姿態(tài)確定技術(shù)。光學(xué)衛(wèi)星影像的無控定位實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：一種是直接前方交會(huì)，另一種是光束法平差[28]。直接前方交會(huì)法是將GNSS定軌結(jié)果和星敏感器/INS提供的姿態(tài)作為已知值，通過兩張相片交會(huì)確定地面目標(biāo)的坐標(biāo)。光束法平差是利用多個(gè)相片的光束關(guān)系，聯(lián)合求解地面目標(biāo)的坐標(biāo)，并且求解衛(wèi)星軌道和姿態(tài)改正數(shù)。光束法平差是更為嚴(yán)密的攝影測量方法，獲得的無控定位精度也優(yōu)于直接前方交會(huì)法。對(duì)于直接前方交會(huì)法，導(dǎo)航技術(shù)提供的遙感平臺(tái)軌道和姿態(tài)直接決定了無控定位的精度。對(duì)于光束法平差，雖然軌道和姿態(tài)參數(shù)也參與平差計(jì)算，但無控定位只能消除不同成像位置之間的相對(duì)誤差，平差后絕對(duì)空間基準(zhǔn)的精確性仍然依靠導(dǎo)航技術(shù)提供的位置和姿態(tài)信息。近年來，導(dǎo)航技術(shù)提供的軌道和姿態(tài)參數(shù)精度有所提升，也促進(jìn)了衛(wèi)星無控定位的精度的提升。21世紀(jì)初，世界上最先進(jìn)的光學(xué)遙感衛(wèi)星SPOT5、Cartosat-1、ALOS等衛(wèi)星全色立體影像分辨率在2.5～5 m的水平，其無控定位精度在數(shù)十米至上百米的水平。國外高分辨率遙感衛(wèi)星IKONOS、Quickbird、OrbView-3等獲取的全色影像分辨率均優(yōu)于1 m，但其無控定位精度在10～30 m[28]。近年來，我國衛(wèi)星無控定位精度有了跨越式發(fā)展，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。我國的資源三號(hào)衛(wèi)星的無控定位精度達(dá)到平面6 m，高程5 m[29]；天繪一號(hào)03星無控定位精度達(dá)到平面3.7 m，高程2.4 m[7]。隨著合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)與軌道控制的要求也逐步提升。為了保障兩次成像之間具有良好的相干特性，需要保證衛(wèi)星兩次成像時(shí)位置和姿態(tài)具有良好的一致性，這對(duì)GNSS精密定軌的實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。

第2種集成方式是針對(duì)目前我國衛(wèi)星資源的覆蓋能力有限，響應(yīng)速度慢，協(xié)同能力不足的現(xiàn)狀，文獻(xiàn)[2]提出的“通信，遙感，導(dǎo)航”一體化的天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)。天基的衛(wèi)星資源需要一星多用，多星組網(wǎng)，多網(wǎng)融合，最終按需提供智能服務(wù)。天基實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)要求天基衛(wèi)星資源能夠同時(shí)提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)、遙感、通信(PNTRC)這5種服務(wù)。

武漢大學(xué)2018年6月發(fā)射的珞珈一號(hào)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是探索通信、導(dǎo)航、遙感一體化技術(shù)的一次成功的嘗試。該衛(wèi)星搭載130 m分辨率的夜光遙感相機(jī)和低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)載荷，同時(shí)具備星地之間50 Mbps的通信傳輸能力用于星上數(shù)據(jù)下傳，衛(wèi)星的主要載荷如圖2所示。珞珈一號(hào)衛(wèi)星拍攝的夜光遙感影像免費(fèi)向社會(huì)發(fā)布，累計(jì)提供超過31萬景/次的夜光遙感數(shù)據(jù)，并且形成了夜光遙感數(shù)據(jù)全國一張圖。此外，該衛(wèi)星還開展了首次低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果顯示采用低成本星載時(shí)鐘生成的測距信號(hào)在高仰角條件下偽距和載波相位精度分別為1.5 m和1.7 mm[30-31]。通過實(shí)踐驗(yàn)證了低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)的技術(shù)方案的可行性并分析了未來發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，為我國發(fā)展低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)獲取了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[32]。

圖2 珞珈一號(hào)衛(wèi)星夜光遙感與導(dǎo)航增強(qiáng)載荷集成示意Fig.2 Illustration of the integration of night light and navigation augmentation payloads on Luojia-1A satellite

2.2 空基導(dǎo)航、遙感集成

除了星基平臺(tái)外，空基導(dǎo)航、遙感的集成也是重要的研究和發(fā)展方向，主要集成的平臺(tái)包括無人機(jī)和近地空間浮空器等。與星基平臺(tái)相比，空基平臺(tái)最大的特點(diǎn)是需要由控制系統(tǒng)來維持平臺(tái)的位置和姿態(tài)。因此導(dǎo)航作為平臺(tái)控制系統(tǒng)的輸入，擔(dān)負(fù)著維持平臺(tái)飛行安全的責(zé)任?？栈脚_(tái)比星基平臺(tái)更加靈活，且飛行高度更低，這有利于提高遙感影像的分辨率?？栈鶎?dǎo)航遙感集成技術(shù)廣泛地應(yīng)用于氣象監(jiān)測預(yù)報(bào)，國土資源調(diào)查與城市管理[33]，海事動(dòng)態(tài)監(jiān)測，災(zāi)害預(yù)報(bào)、監(jiān)測與評(píng)估，精細(xì)農(nóng)業(yè)[34]，海洋權(quán)益保障等領(lǐng)域[35]?？栈鶎?dǎo)航、遙感集成方式主要是導(dǎo)航系統(tǒng)為遙感載荷提供位置姿態(tài)信息。得益于高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，基于無人機(jī)的大比例無控測圖已經(jīng)達(dá)到平面5 cm,高程8 cm的精度，可以滿足1∶500測圖要求[36]。此外，基于近地空間浮空器的遙感和導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)在區(qū)域?qū)Ш叫盘?hào)的功率增強(qiáng)和抗干擾方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ壳耙蔡幱诩夹g(shù)可行性論證階段[37-39]。

2.3 地基導(dǎo)航、遙感集成

地基導(dǎo)航、遙感集成技術(shù)具有平臺(tái)多樣化，技術(shù)手段多樣化和應(yīng)用場景多樣化等特點(diǎn)。由于地面環(huán)境復(fù)雜，障礙物多，因此地基平臺(tái)導(dǎo)航的難度和重要性遠(yuǎn)高于空基和天基平臺(tái)。根據(jù)集成系統(tǒng)中遙感技術(shù)的角色，可以將地基導(dǎo)航、遙感集成系統(tǒng)劃分為信息采集型和環(huán)境感知型兩類。信息采集型即利用遙感技術(shù)采集環(huán)境的物理和幾何屬性，包括街景數(shù)據(jù)采集，移動(dòng)測圖等，適用于測繪，城市管理等應(yīng)用。環(huán)境感知型是利用遙感技術(shù)感知周圍的環(huán)境用來避障，路徑規(guī)劃等。特別是對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人，自動(dòng)駕駛等新興應(yīng)用領(lǐng)域，導(dǎo)航與環(huán)境感知已經(jīng)成為其核心技術(shù)[40]。

移動(dòng)測圖系統(tǒng)主要利用GNSS，視頻相機(jī)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或者航位推算系統(tǒng)進(jìn)行融合，能夠在平臺(tái)移動(dòng)的過程中實(shí)時(shí)提供平臺(tái)的位置和姿態(tài)信息。在移動(dòng)過程中平臺(tái)上搭載的各類傳感器設(shè)備采集各種環(huán)境的幾何、物理和屬性信息，并賦予其空間屬性。與傳統(tǒng)人工測量和調(diào)繪相比，移動(dòng)測量具備高效率，低成本，勞動(dòng)強(qiáng)度低，成果全面，可靠性高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪[41-42]、電子地圖測繪和修測[8]，公路GIS與路產(chǎn)管理[43]，道路裂縫檢測，電力GIS數(shù)據(jù)采集，鐵路資產(chǎn)管理等領(lǐng)域[44]。

環(huán)境感知型導(dǎo)航與遙感技術(shù)結(jié)合，利用GNSS技術(shù)解決絕對(duì)定位以及電子地圖匹配，再利用雷達(dá)，三維激光掃描，視覺等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)避障、環(huán)境感知和目標(biāo)識(shí)別等，用于保障無人系統(tǒng)的安全。特別是同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建(SLAM)技術(shù)，允許機(jī)器人在未知環(huán)境中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和測圖。其主要思想是：依靠已創(chuàng)建的地圖信息進(jìn)行自身定位，再根據(jù)定位結(jié)果更新地圖[45]。SLAM技術(shù)被認(rèn)為是真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主性的核心環(huán)節(jié)。SLAM技術(shù)能夠獲得相對(duì)坐標(biāo)系定位結(jié)果，要獲得絕對(duì)坐標(biāo)系坐標(biāo)仍然需要外部導(dǎo)航定位手段的輸入，例如與GNSS系統(tǒng)融合。目前基于視覺、三維激光掃描傳感器的SLAM技術(shù)在室內(nèi)三維測圖、機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。

3 遙感增強(qiáng)的導(dǎo)航定位技術(shù)

遙感技術(shù)與導(dǎo)航技術(shù)深層次的融合是突破各自功能界限的融合，包括利用遙感技術(shù)輔助導(dǎo)航和利用導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行遙感兩大類。這兩類技術(shù)能夠突破各自的功能界限，因?yàn)樗麄冊(cè)诒举|(zhì)上存在一定的聯(lián)系。本文梳理出導(dǎo)航與遙感技術(shù)的統(tǒng)一化表征模型，如圖3所示。遙感技術(shù)用于導(dǎo)航主要是通過提取特征點(diǎn)的幾何信息進(jìn)行測距，而利用導(dǎo)航信號(hào)成像的核心技術(shù)則是將導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行二維分塊并離散化。圖3中涉及的技術(shù)將劃分為遙感增強(qiáng)的導(dǎo)航技術(shù)和GNSS遙感兩部分內(nèi)容分別論述。

圖3 導(dǎo)航與遙感技術(shù)的統(tǒng)一化表征Fig.3 Unified Expression of the navigation and the remote sensing techniques

遙感技術(shù)增強(qiáng)的導(dǎo)航定位技術(shù)是指利用光學(xué)相機(jī)，激光雷達(dá)等遙感成像技術(shù)與傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位技術(shù)融合，以提升導(dǎo)航定位的精度、可用性和可靠性等。根據(jù)融合原理可劃分為松耦合技術(shù)和緊耦合技術(shù)。

3.1 遙感/導(dǎo)航松耦合定位技術(shù)

遙感影像定位分為兩種形式，一種是特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)已知，則可以利用共線方程對(duì)相機(jī)進(jìn)行絕對(duì)定位定姿，這種方式通常稱為影像匹配導(dǎo)航(SMN)技術(shù)。在特征點(diǎn)坐標(biāo)未知的情況下，可以通過多張相片的同名點(diǎn)進(jìn)行相機(jī)相對(duì)定位，這種方式通常稱為視覺里程計(jì)(VO)技術(shù)。遙感、導(dǎo)航技術(shù)的松耦合定位是利用相機(jī)和GNSS、INS等導(dǎo)航設(shè)備分別確定載體坐標(biāo)信息，再進(jìn)行融合來提升定位精度、可用性、可靠性的技術(shù)。根據(jù)遙感影像定位方式不同，融合定位模式也可分為GNSS/SMN融合和GNSS/VO融合兩大類。

GNSS/SMN組合導(dǎo)航主要用于車輛導(dǎo)航和無人機(jī)導(dǎo)航[46-48]。對(duì)于自動(dòng)駕駛應(yīng)用，可以通過識(shí)別影像中的交通標(biāo)志，人工編碼標(biāo)志等特征，并且利用這些標(biāo)志的幾何信息輔助GNSS技術(shù)和INS技術(shù)定位[49]。GNSS定位適合提供絕對(duì)的定位信息，而影像匹配導(dǎo)航特別適合于局部精確導(dǎo)航，因此影像匹配可在一定程度上彌補(bǔ)GNSS導(dǎo)航性能的不足。SMN能夠在GNSS的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升精細(xì)導(dǎo)航能力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛防撞、避障、變道導(dǎo)航等。在一些可靠性精度要求較高的場合，通常需要利用視覺信息匹配來提升GNSS定位的可靠性，例如視覺輔助無人機(jī)自主著陸[50]。GNSS/SMN技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù)(INS)、地形匹配導(dǎo)航技術(shù)(TAN)等組合應(yīng)用可以提升復(fù)雜環(huán)境下自主導(dǎo)航能力[51-52]。

視覺里程計(jì)導(dǎo)航主要使用視覺傳感器技術(shù)，通過單目視覺，雙目立體視覺，多目立體視覺，全景視覺以及多傳感器組合應(yīng)用等方式獲取載體相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息。單獨(dú)使用視覺進(jìn)行導(dǎo)航定位計(jì)算量大，而且容易造成誤差累計(jì)，受環(huán)境光線影響明顯，因此通常使用視覺與慣性導(dǎo)航，GNSS導(dǎo)航等技術(shù)融合進(jìn)行導(dǎo)航定位，用于車輛和無人機(jī)導(dǎo)航等領(lǐng)域[53]。在視覺里程計(jì)的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步擴(kuò)展建圖功能，形成視覺的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)定位和建圖(vSLAM)，該技術(shù)可廣泛地應(yīng)用于行星車等特殊場合[54-55]。利用VO得到的精確的載體相對(duì)位移量做約束，可以提升GNSS動(dòng)態(tài)定位的精度[56-58]。

3.2 遙感/導(dǎo)航緊耦合定位技術(shù)

導(dǎo)航、遙感緊耦合定位技術(shù)是指聯(lián)合利用遙感信息和導(dǎo)航信號(hào)確定用戶位置的技術(shù)。目前視覺與導(dǎo)航緊耦合定位的方式主要有兩種：一種是利用對(duì)天的相機(jī)實(shí)時(shí)獲取信號(hào)遮擋信息，然后輔助算法鑒別接收到的衍射和繞射GNSS信號(hào)，降低非視距信號(hào)(NLOS)帶來的誤差，從而提升GNSS在城市峽谷等區(qū)域的定位精度。該方法中遙感影像僅用于輔助質(zhì)量控制，并沒有直接參與定位計(jì)算[59]。

另一種是文獻(xiàn)[60]提出的視覺基站與GNSS緊耦合定位的方法，該方法將遙感影像與GNSS導(dǎo)航信號(hào)統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)緊耦合定位，定位原理見圖4。光學(xué)影像中空間坐標(biāo)已知的特征點(diǎn)可視作視覺基站，這些基站可以理解為發(fā)射可見光測距信號(hào)的偽衛(wèi)星基站。利用相方坐標(biāo)與物方坐標(biāo)之間的比例關(guān)系可以計(jì)算出相機(jī)到視覺基站的幾何距離，再聯(lián)合GNSS信號(hào)測量得到的幾何距離進(jìn)行聯(lián)合定位解算?；谟跋竦亩ㄎ煌ǔＳ糜诮嚯x場合，主要是室內(nèi)場景。在戶外場景中，受相機(jī)分辨率的影響，視覺定位的精度隨物方距離增加而顯著下降。GNSS信號(hào)能夠提供相對(duì)高精度的距離觀測值，但在很多復(fù)雜場景又無法單獨(dú)定位。聯(lián)合這兩類距離觀測值既可以提高視覺獨(dú)立定位的精度，又可以提升GNSS信號(hào)被遮擋環(huán)境中定位的可用性。視覺信號(hào)具有良好的抗干擾特性，因此該方法適用于地理環(huán)境和電磁環(huán)境復(fù)雜區(qū)域的導(dǎo)航定位。視覺基站可以是棱鏡，編碼牌等合作目標(biāo)，也可以是建筑物的角點(diǎn)等非合作目標(biāo)。視覺基站系統(tǒng)布設(shè)簡單，成本低，不受供電影響。用戶終端使用GNSS接收機(jī)和相機(jī)，具有成本低，便于攜帶的優(yōu)勢。通過視覺與GNSS緊耦合的方式，有利于提升PNT服務(wù)的堅(jiān)韌性，可用性和抗干擾性。

圖4 GNSS與遙感緊耦合定位原理Fig.4 Illustration of the tightly coupled GNSS and remote sensing for positioning

4 GNSS遙感技術(shù)

導(dǎo)航衛(wèi)星可以提供全球覆蓋、免費(fèi)、連續(xù)的L波段的微波信號(hào)，在用于導(dǎo)航定位的同時(shí)，該信號(hào)也被視作一種大氣和反射面的探測信號(hào)，成為一種低成本的，非合作的遙感微波信號(hào)源。研究利用GNSS信號(hào)探測和感知環(huán)境的學(xué)科稱為GNSS遙感學(xué)科。根據(jù)GNSS衛(wèi)星信號(hào)應(yīng)用方式，GNSS遙感可分為GNSS折射遙感和GNSS反射遙感兩類。GNSS折射遙感是利用大氣對(duì)GNSS直射信號(hào)的折射效應(yīng)反演大氣參數(shù)，GNSS反射遙感則利用GNSS反射信號(hào)的峰值功率，波形后沿，時(shí)間延遲等參量來探測或者反演反射面性質(zhì)。

4.1 GNSS折射遙感技術(shù)

GNSS折射遙感技術(shù)是指利用大氣對(duì)GNSS直射信號(hào)的折射效應(yīng)反演大氣的變化特性。當(dāng)GNSS信號(hào)穿過大氣層時(shí)，受到大氣中的自由電子和大氣分子的影響，改變了信號(hào)傳播路徑，發(fā)生了折射，從而導(dǎo)致額外的信號(hào)傳播延遲。這種大氣導(dǎo)致的信號(hào)延遲對(duì)于定位而言是誤差源，但是也可以用于對(duì)流層和電離層參數(shù)的反演。這種利用大氣對(duì)GNSS直射信號(hào)的折射效應(yīng)反演大氣參數(shù)的遙感技術(shù)統(tǒng)稱GNSS折射遙感技術(shù)。GNSS折射遙感技術(shù)根據(jù)觀測對(duì)象不同可分為GNSS對(duì)流層遙感技術(shù)和GNSS電離層遙感技術(shù)。GNSS對(duì)流層探測的主要任務(wù)是反演大氣中的水汽含量，也稱作GNSS氣象學(xué)(GNSS/MET)。根據(jù)GNSS觀測平臺(tái)不同，GNSS氣象學(xué)又可分為地基GNSS氣象學(xué)和天基GNSS氣象學(xué)。根據(jù)大氣探測產(chǎn)品表達(dá)形式可劃分為二維大氣產(chǎn)品和三維大氣產(chǎn)品。本文以對(duì)流層探測為例(水汽反演)介紹幾類有代表性的GNSS折射遙感技術(shù)。

4.1.1 地基GNSS水汽反演

GNSS衛(wèi)星信號(hào)穿越地球大氣層時(shí)，受大氣折射影響使信號(hào)傳播速度減弱和路徑彎曲，造成傳播時(shí)間延遲。這種延遲分為對(duì)流層延遲和和電離層延遲兩種。其中對(duì)流層延遲分為主要由干空氣引起的流體靜力學(xué)延遲和水汽造成的濕延遲[61]。靜力學(xué)延遲可通過氣象參數(shù)比較精確地計(jì)算，而大氣中所含的水汽由于時(shí)空變化特性復(fù)雜，無法模型化，通常是利用GNSS信號(hào)延遲來估計(jì)。水汽造成的信號(hào)延遲與大氣可降水量PWV(precipitable water vapor)之間存在確定的函數(shù)關(guān)系，因此可以利用估計(jì)得到的GNSS信號(hào)延遲來探測大氣水汽含量，也通常稱為GNSS氣象學(xué)(GNSS/MET)。

傳統(tǒng)的地基GNSS水汽反演方法是將GNSS接收天線架設(shè)在精確坐標(biāo)已知的點(diǎn)上，這樣就可以精確地計(jì)算站星之間的幾何距離。通過精密鐘差產(chǎn)品和參數(shù)估計(jì)的形式處理衛(wèi)星和接收機(jī)端鐘差影響，再進(jìn)行利用電離層估計(jì)或采用無電離層組合的方式消除電離層的影響，然后利用氣象信息扣除靜力學(xué)延遲分量，最后利用對(duì)流層投影函數(shù)估計(jì)對(duì)流層天頂方向的濕延遲分量，再將其換算成大氣可降水量PWV。GNSS水汽反演可以采用雙差觀測模型，星間單差觀測模型和非差觀測模型。傳統(tǒng)的地基GNSS水汽反演得到的是測站天頂方向的總延遲，具有高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)，反演精度可達(dá)1～2 mm量級(jí)[62]。地基GNSS水汽反演只能反映測站附近的可降水量情況，要反演整個(gè)區(qū)域的可降水量，則需要聯(lián)合解算多個(gè)地面站形成的站網(wǎng)。GNSS水汽反演不受氣溶膠、云和降水的影響,能夠彌補(bǔ)衛(wèi)星和地面可見光、紅外、微波遙感在這方面的缺陷[63]。地基GNSS水汽反演技術(shù)對(duì)于改進(jìn)區(qū)域及全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)相當(dāng)重要,并使得GPS/MET技術(shù)成為大氣遙感的最有效的方法之一。

4.1.2 地基GNSS水汽層析技術(shù)

傳統(tǒng)地基GNSS水汽反演只能獲取測站處天頂方向的總水汽含量，不能反映水汽的垂直結(jié)構(gòu)信息。而水汽的垂直分布對(duì)于提高天氣預(yù)報(bào)精度，研究水汽循環(huán)和微氣候成因非常關(guān)鍵[64]。GNSS水汽層析技術(shù)允許利用GNSS信號(hào)傳播路徑上總延遲來反演水汽分布的垂直結(jié)構(gòu)[65-66]。與二維地基水汽反演不同的是，三維水汽層析使用的是傾斜路徑水汽含量SWV而不是天頂方向水汽總含量PWV。SWV可表示為[67]

SWV(ε,φ)=Mw(ε)·PWV+

∏(ΔLg(ε,φ)+r)

(1)

式中,ε、φ是信號(hào)路徑的高度角和方位角；Mw(·)是濕投影函數(shù)；∏是對(duì)流層延遲到水汽含量的轉(zhuǎn)換系數(shù)；ΔLg(·)是水平梯度；r是GNSS載波相位驗(yàn)后殘差。

SWV可以表達(dá)為單位面積上大氣中的絕對(duì)濕度沿著傾斜路徑方向的積分，可表達(dá)為

(2)

式中,ρs為液態(tài)水密度；HA為水汽密度；s為傾斜路徑。

考慮到天上有多顆導(dǎo)航衛(wèi)星，地面有多個(gè)測站的情況，則可以在區(qū)域內(nèi)形成多條信號(hào)傳播路徑。為了將GNSS SWV觀測值與三維水汽場建立聯(lián)系，可以引入計(jì)算機(jī)層析成像(CT)的概念，即將連續(xù)的積分路徑離散化，拆分成若干個(gè)網(wǎng)格單元。每個(gè)單元格都是空間內(nèi)的一個(gè)六面體，假設(shè)六面體內(nèi)的水汽密度相同，均為xj,第i條信號(hào)路徑在第j個(gè)格網(wǎng)內(nèi)傳播路徑長度為Δsij，則離散化后的SWV可表示為

(3)

將一個(gè)時(shí)間段內(nèi)所有的SWV集合起來聯(lián)合求解各個(gè)格網(wǎng)單元中的水汽密度xi就可以獲得三維水汽場?？紤]到?jīng)]有觀測值的格網(wǎng)單元會(huì)造成觀測系數(shù)方程不適定，可以通過施加水平方向約束，垂直方向約束和頂層約束來解決。

4.1.3 天基GNSS水汽探測技術(shù)

天基GNSS水汽探測主要是利用星載GNSS接收機(jī)接收GNSS折射信號(hào)來反演大氣特性，通常稱作GNSS掩星探測技術(shù)GNSS-RO(GNSS radio occultation)[68]。GNSS-RO可實(shí)現(xiàn)大氣層和電離層探測，具有高精度、高垂直分辨率、長期穩(wěn)定、全球覆蓋、全天候等優(yōu)勢，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)大氣探測手段的不足，其探測資料對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、臨近空間環(huán)境監(jiān)測與研究、氣候與全球變化研究、大氣模式研究和數(shù)據(jù)同化等具有重要的科學(xué)意義。

GNSS-RO的原理如圖5所示。掩星事件的幾何關(guān)系可以用電波彎曲角α，碰撞參數(shù)a和電波與大氣的正切半徑rt表示。其中正切半徑表示電波射線與地心間最短距離，碰撞參數(shù)a=nr。n為大氣折射指數(shù)，r為射線離地心距離。假設(shè)大氣折射指數(shù)在局部是球?qū)ΨQ分布，則大氣折射指數(shù)可由Abel積分變換公式計(jì)算如下[69]

(4)

式中,a0為當(dāng)前掩星觀測對(duì)應(yīng)的碰撞參數(shù)。

圖5 GNSS掩星觀測原理Fig.5 Illustration of the principle of the GNSS occultation observation

GNSS-RO數(shù)據(jù)處理首先計(jì)算大氣折射導(dǎo)致的多余信號(hào)傳播路徑，并換算成附加多普勒頻移，再進(jìn)一步計(jì)算信號(hào)彎曲角。經(jīng)過一系列的誤差修正和參數(shù)優(yōu)化，再利用Abel積分變換得到掩星觀測點(diǎn)的大氣折射指數(shù)，并進(jìn)一步反演出大氣密度剖面、氣壓剖面、氣溫剖面、水汽剖面等信息?；趲缀喂鈱W(xué)的反演方法通常垂直分辨率較低，低層大氣處理時(shí)也易出現(xiàn)多徑現(xiàn)象。為了克服這些問題，又提出接收信號(hào)復(fù)振幅的無線電全息反演方法和克服低層大氣多路徑問題的組合反演方法[70]等。

GNSS-RO在大氣垂直剖面獲取方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，目前已經(jīng)作為大氣數(shù)據(jù)同化的主要數(shù)據(jù)源之一，廣泛地應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)，大氣探測，氣候變化監(jiān)測等領(lǐng)域[71-73]。我國2013年發(fā)射的氣象衛(wèi)星風(fēng)云-3C裝備有國際首臺(tái)北斗/GPS兼容的掩星探測接收機(jī)，并成功地獲取了大量的掩星觀測數(shù)據(jù)[74]。

4.1.4 GNSS電離層探測技術(shù)

GNSS信號(hào)穿過大氣層造成的延遲包括對(duì)流層延遲和電離層延遲兩部分。普遍認(rèn)為距離地面高度60 km以下的部分主要是對(duì)流層的影響，而60～2000 km的區(qū)域主要受電離層的影響[75]。電離層誤差和對(duì)流層誤差區(qū)別對(duì)待是因?yàn)槎咝再|(zhì)不同，對(duì)流層延遲與信號(hào)頻率無關(guān)，而電離層一階項(xiàng)延遲則與頻率平方成反比。電離層對(duì)GNSS信號(hào)的影響比對(duì)流層更加顯著，而且更加難以建模。

基于GNSS信號(hào)的電離層探測主要利用電離層延遲的頻率相關(guān)特性。利用GNSS信號(hào)提取電離層的方法主要有兩種：一種是基于無幾何距離組合觀測值的方法；另一種是基于精密單點(diǎn)定位參數(shù)估計(jì)的方法[76-77]?；跓o幾何距離組合觀測值法是利用無幾何距離組合消除觀測值中所有頻率無關(guān)的項(xiàng)，再扣除衛(wèi)星端和接收機(jī)端的碼間偏差，從而得到電離層觀測值。一般會(huì)使用相位平滑偽距的方式抑制偽距噪聲對(duì)電離層估值的影響?；诰軉吸c(diǎn)定位參數(shù)估計(jì)的方法是直接利用原始雙頻觀測值形成觀測方程，同時(shí)估計(jì)接收機(jī)坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差、對(duì)流層參數(shù)、電離層延遲和模糊度參數(shù)。如果接收天線的坐標(biāo)精確已知，可以通過約束坐標(biāo)參數(shù)的方法提升電離層估計(jì)精度。地基電離層探測估計(jì)的結(jié)果是衛(wèi)星視線方向的總延遲(STEC)?？紤]到電離層的厚度影響，直接將STEC通過投影函數(shù)轉(zhuǎn)換為測站天頂方向總延遲(VTEC)會(huì)導(dǎo)致顯著的誤差。因此一般會(huì)采用薄殼假設(shè)模型，將STEC壓縮為信號(hào)傳播路徑與薄殼交點(diǎn)(穿刺點(diǎn)，即IPP)處的傾斜延遲，在利用投影函數(shù)轉(zhuǎn)換為IPP處的天頂延遲用于電離層建模[78]。

地基GNSS電離層探測與地基水汽探測類似，都只能反演二維的電子密度分布。與地基水汽反演方法類似，也可以采用電離層層析的方式研究電離層三維空間密度[79]。天基的掩星觀測也可以用于反演電子密度垂直剖面[80],但是電離層總延遲的計(jì)算方法與水汽總延遲計(jì)算方法有所不同?？紤]到GNSS電離層層析系統(tǒng)中的不適定問題，可以采用正則化算法，正交函數(shù)法，奇異值分解法和廣義奇異值分解法，混合重建法等方法，通過施加電子密度平滑約束解決。此外，GNSS電離層層析還可以使用代數(shù)重構(gòu)的方法提高計(jì)算效率。GNSS電離層反演具有時(shí)間分辨率和垂直分辨率高、精度可靠的特點(diǎn)，在電離層監(jiān)測和預(yù)報(bào)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[71,81]。此外，GNSS電離層反演還可以用于電離層擾動(dòng)監(jiān)測，震前電離層異常監(jiān)測[82-83]以及海嘯引起的電離層擾動(dòng)等[84-85]。

4.2 GNSS反射遙感技術(shù)

GNSS反射遙感(GNSS-R)技術(shù)是指通過測量GNSS反射信號(hào)的峰值功率，波形后沿，時(shí)間延遲等參量來探測或者反演反射面的物理或者幾何性質(zhì)。GNSS-R的應(yīng)用領(lǐng)域從相對(duì)單一的海洋應(yīng)用逐漸過渡到復(fù)雜的陸地遙感應(yīng)用，觀測平臺(tái)從地基/岸基等靜止平臺(tái)逐步發(fā)展到飛機(jī)/衛(wèi)星等移動(dòng)平臺(tái)。按照觀測模式劃分，GNSS-R可分為雙天線模式和單天線模式兩種。其中雙天線模式采用向上的低增益右旋圓極化(RHCP)天線和向下的高增益左旋圓極化(LHCP)天線，分別接收直射和反射信號(hào)；單天線模式是利用一副天線同時(shí)接收直射和反射信號(hào)。單天線模式在信號(hào)處理時(shí)通常采用一定的方式扣除直射信號(hào)從而分離出反射信號(hào)進(jìn)行觀測，主要用于地基觀測[86]。

4.2.1 GNSS-R高度變化測量技術(shù)

GNSS-R測量反射面的高度變化是利用反射信號(hào)測量反射面的幾何信息，主要有兩種模式：干涉模式和反射模式[87]。干涉模式是指利用同一個(gè)接收天線接收直射和反射信號(hào)的疊加信號(hào)。由于直射信號(hào)和反射信號(hào)的干涉現(xiàn)象導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度出現(xiàn)高頻的振蕩。通過趨勢項(xiàng)擬合的方法扣除直射信號(hào)的影響，再利用信號(hào)強(qiáng)度振蕩頻率與反射面高度的關(guān)系反演反射面的高度。反射模式通常是利用兩個(gè)接收天線分別接收直射和反射信號(hào)，通過求解反射信號(hào)的接收時(shí)延作為觀測值，再利用接收機(jī)、衛(wèi)星與反射面的幾何關(guān)系求解反射面的高度。從接收平臺(tái)的角度劃分，可分為地基和空基兩類。這一類的應(yīng)用有海面高度反演[88-89]、海浪波高反演[90]、積雪厚度反演[87-88]等。

4.2.2 GNSS-R反射面特性感知技術(shù)

GNSS-R反射面特性感知技術(shù)主要是利用GNSS反射信號(hào)強(qiáng)度對(duì)于反射面參數(shù)的敏感性來反演反射面的特性，典型的應(yīng)用包括土壤濕度反演，海冰監(jiān)測，海面風(fēng)場的反演等[86,91]。測量得到的地表GNSS反射信號(hào)功率與地面的若干幾何和物理特征參數(shù)相關(guān)，包括反射面的復(fù)介電常數(shù)，反射面物理溫度，反射面的粗糙程度等。利用GNSS-R技術(shù)反演反射面特性的方法可分為空基和地基兩種：空基GNSS-R測量范圍大，但載噪比受到大氣的影響較顯著，另外測區(qū)內(nèi)反射面條件不一致也會(huì)影響反演結(jié)果；地基GNSS-R受大氣影響小，便于安裝，但是測量范圍僅限于幾平方米至幾十平方米。

對(duì)于土壤濕度反演的應(yīng)用而言，可以利用GNSS反射信號(hào)的地表反射功率和直射信號(hào)功率的比值求解地表垂直分量的反射系數(shù)。然后再根據(jù)反射系數(shù)求解土壤的介電常數(shù)，最后通過土壤的介電常數(shù)模型求解土壤濕度。目前已有大量的學(xué)者利用GNSS-R技術(shù)開展了土壤濕度測量的試驗(yàn)[92-93]，結(jié)果表明，平坦的地表?xiàng)l件下，GNSS-R與土壤濕度計(jì)測量的結(jié)果具有良好的一致性。GNSS-R技術(shù)還可以用于檢測反射面粗糙程度變化，例如根據(jù)海面與冰面的電磁波散射特性差異來檢測海冰的變化[94]。類似地，可以根據(jù)海面風(fēng)場對(duì)海面散射系數(shù)的影響反演海面風(fēng)場[95-97]。

4.2.3 GNSS信號(hào)目標(biāo)探測技術(shù)

利用GNSS-R進(jìn)行反射面特性研究通常都是定性的描述，如果反射面特性復(fù)雜，則會(huì)影響反演效果。利用GNSS信號(hào)成像的技術(shù)能夠提升反演的空間分辨率，甚至用于目標(biāo)探測與識(shí)別，具有廣闊的應(yīng)用前景。GNSS信號(hào)成像技術(shù)也稱作GNSS合成孔徑雷達(dá)(GNSS SAR)技術(shù)。根據(jù)GNSS信號(hào)接收平臺(tái)不同，可分為空基GNSS SAR技術(shù)和地基GNSS SAR技術(shù)。由于GNSS信號(hào)并不是為成像設(shè)計(jì)的，因此用于成像時(shí)，具有一定的技術(shù)挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：①信號(hào)調(diào)制方式不同；②信號(hào)帶寬窄；③信號(hào)不是脈沖形式;④GNSS信號(hào)能量低;⑤雙基地SAR。GNSS SAR的工作原理見圖6。接收機(jī)同時(shí)接收直射信號(hào)和反射信號(hào)用于時(shí)間同步，然后將反射信號(hào)進(jìn)行二維分塊，利用回波時(shí)延的緩變特性進(jìn)行二維成像。

圖6 GNSS SAR成像原理Fig.6 Illustration of the principle of GNSS SAR imaging

GNSS SAR的關(guān)鍵技術(shù)是將GNSS連續(xù)波劃分成等效脈沖信號(hào)，再將脈沖信號(hào)進(jìn)行二維分塊處理。對(duì)于成像區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的回波信號(hào)，其多普勒相位和回波時(shí)延隨時(shí)間變化特性不同。因此，二維分塊后回波信號(hào)表達(dá)式可近似地表示為[98]

(5)

式中，t和η分別為快時(shí)間和慢時(shí)間；αk和τk(t)分別表示第k個(gè)目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)的幅度衰減因子和傳輸延遲時(shí)間；θk(η+t)表示回波信號(hào)的多普勒相位；Ts為合成孔徑時(shí)間；T為等效脈沖重復(fù)間隔。

GNSS SAR成像中，直射信號(hào)的接收與反射信號(hào)的接收共用一套本振信號(hào)從而保證兩個(gè)通道之間的時(shí)間同步，通過直射信號(hào)提取多普勒信息和距離徙動(dòng)參數(shù)。根據(jù)衛(wèi)星和接收機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系確定成像場景反射信號(hào)的幾何關(guān)系。再根據(jù)直射信號(hào)的多普勒信息和距離徙動(dòng)參數(shù)以及直射與反射信號(hào)的幾何關(guān)系獲得回波信號(hào)的多普勒參數(shù)和距離徙動(dòng)參數(shù)，用于回波信號(hào)的聚焦成像[99]。

GNSS SAR成像技術(shù)主要用于目標(biāo)檢測[100]和海面監(jiān)測[101]。受到成像分辨率的限制，GNSS SAR主要用于大目標(biāo)的檢測，例如根據(jù)海面和海冰表面粗糙程度不同的特性，通過研究GNSS反射信號(hào)在時(shí)延-多普勒映射(DDM)圖上的散射能量空間分布，可用于識(shí)別海冰的邊界[102]。GNSS SAR成像還可以用于檢測一些靜態(tài)[103]和動(dòng)態(tài)的目標(biāo)[98]。

5 總結(jié)與發(fā)展趨勢

本文梳理了導(dǎo)航與遙感技術(shù)融合的3個(gè)層次，即協(xié)同、集成和融合。從導(dǎo)航與遙感協(xié)同的角度，導(dǎo)航技術(shù)側(cè)重于連續(xù)的點(diǎn)測量，而遙感技術(shù)則主要是低時(shí)間分辨率的面測量，二者協(xié)同能夠提高空間信息獲取的效率。從導(dǎo)航與遙感集成的層面，從天基、空基和地基3個(gè)角度討論了集成方法和主要應(yīng)用。天基和空基平臺(tái)的集成從過去的導(dǎo)航輔助遙感成像模式走向一星多用和導(dǎo)航、遙感功能級(jí)別的集成。地基平臺(tái)的集成的目的從地理空間信息的獲取走向無人系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的感知。在導(dǎo)航與遙感技術(shù)融合層面，遙感輔助導(dǎo)航定位能夠提升導(dǎo)航定位對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性和抗干擾特性。在彈性PNT框架中，遙感技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢將在導(dǎo)航服務(wù)中扮演越來越重要的角色。GNSS遙感技術(shù)也逐漸形成門類齊全的學(xué)科，包括折射遙感和反射遙感兩類。折射遙感利用大氣對(duì)天基和地基GNSS信號(hào)的折射效應(yīng)反演水汽含量和電子密度分布。地基的GNSS遙感又劃分為二維反演和三維反演。GNSS大氣探測技術(shù)具有高時(shí)間分辨率、高垂直分辨率、高精度和低成本的特點(diǎn)，在氣象學(xué)，空間物理甚至災(zāi)害預(yù)警方面展現(xiàn)出巨大的潛力。GNSS反射遙感是通過接收GNSS反射信號(hào)的強(qiáng)度、時(shí)延、波形后沿等特性反演海洋和陸地的幾何和物理性質(zhì)，甚至通過二維分塊的方式，也可以成像用于目標(biāo)探測，具備了合成孔徑雷達(dá)的功能。

導(dǎo)航信號(hào)和遙感數(shù)據(jù)都用于提供導(dǎo)航服務(wù)和遙感服務(wù)，雖然導(dǎo)航和遙感在深層次融合方面取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，但是各自在性能方面也存在約束和技術(shù)瓶頸。未來的導(dǎo)航與遙感的融合將從現(xiàn)在的平臺(tái)集成，功能集成走向未來信號(hào)層面的集成。