機載機SAR圖像與GPS數據的復合改造研究

黃偉鋒，李茂堂，劉博揚

（中國水利水電科學研究院 遙感技術應用中心，北京 100048）

我國是世界上自然災害類型多、發(fā)生頻率高和造成損失嚴重的國家。我國政府已將制定突發(fā)公共事件應對措施、主動防范風險提高到維護國家安全、社會穩(wěn)定和保障人民群眾利益的重要位置?！秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》中，首次設立了公共安全領域［1］。2006年1月份國務院發(fā)布的《國家突發(fā)公共事件總體應急預案》中，水旱災害被列為自然災害類突發(fā)公共事件的首位，并首批發(fā)布了《國家防汛抗旱應急預案》。開展“航空遙感實時傳輸系統(tǒng)地面接收機改造”項目的研究，可以實時給出抗洪抗旱第一線的實時災情資料，這對于有效提高重大水旱災害預測和應急處置能力，為防災指揮部門科學決策，減少災害造成的生命財產損失，具有重要的應用價值和現(xiàn)實意義。而SAR圖像與GPS數據復合改造是“航空遙感實時傳輸系統(tǒng)”項目改造中重要的一個環(huán)節(jié)［2］。

1 機載實時數據處理系統(tǒng)

“航空遙感實時傳輸系統(tǒng)”是一個具有快速、準確、實時的以災害監(jiān)測為重點的運行系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過衛(wèi)星將飛機上合成孔徑雷達所監(jiān)測的地面災情圖像實時傳輸到水利部遙感中心和其它有關單位，實現(xiàn)了3m合成孔徑雷達圖像（SAR）和GPS數據的實時復合傳輸（見圖1）［3］。

機載實時數據處理系統(tǒng)是由高性能工業(yè)計算機、雷達成像系統(tǒng)圖像數據接口板（簡稱成像器接口板）、數據實時壓縮器（簡稱數據壓縮器）、合成孔徑雷達圖像與GPS數據復合器（簡稱GPS數據復合器）、數據實時加密器（簡稱數據加密器）、數據實時傳輸同步通信板（簡稱同步通信板）等功能部件組成。機載實時數據處理系統(tǒng)用于對雷達成像系統(tǒng)輸出的圖像數據進行實時接收，并將實時接收的圖像數據進行分類、編碼和高倍率壓縮，之后經過高倍率壓縮的圖像數據與所得到的GPS數據復合，再加密、打包，通過數據實時傳輸同步通信板發(fā)送給衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行信道編碼和中頻調制，并將調制后的數據上變頻、功率放大，經機載自跟蹤發(fā)射天線向通信衛(wèi)星發(fā)出。衛(wèi)星數據傳輸采用C波段，傳輸的數據速率為64kbps（千比特每秒）。

2 SAR圖像與GPS數據復合改造內容

2.1 GPS接收數據的工作原理 24顆GPS衛(wèi)星在高空上以12h的周期環(huán)繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到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)星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X，Y，Z）?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數，即X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。GPS接收機可接收到用于授時的準確至納秒級的時間信息，用于預報未來幾個月內衛(wèi)星所處概略位置的預報星歷，計算定位時所需衛(wèi)星坐標的廣播星歷以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。

2.2 復合改造內容 在“九五”期間，已經在機載實時數據處理系統(tǒng)中進行了SAR圖像與GPS數據的復合改造研究，但是安裝在飛機上的GPS接收機受到干擾時，復合就會出現(xiàn)錯誤。因此要對原有的軟件進行更新和優(yōu)化，其內容主要包括：（1）GPS數據中的錯誤數據快速查找模塊研制；（2）SAR圖像和GPS數據軟件的自動糾錯模塊研制；（3）SAR圖像和GPS數據復合軟件優(yōu)化。

3 GPS數據與SAR圖像復合產生誤差的原因

3.1 SAR圖像與GPS數據復合和傳輸的工作原理 在國家科技部組織的“八五”重大科技攻關期間，“航空遙感實時傳輸系統(tǒng)”中飛機上所安裝的GPS接收機為TNL 2100型接收機，該接收機數據更新速度為每秒鐘一次。在航空遙感實時傳輸系統(tǒng)中，合成孔徑雷達（SAR）圖像與GPS數據復合和傳輸的工作原理是，在飛機飛行過程中，當啟動合成孔徑雷達開始工作時，飛機上所安裝的GPS接收機將獲得的GPS數據送給合成孔徑雷達成像系統(tǒng)，合成孔徑雷達成像系統(tǒng)對GPS數據進行處理，然后將處理后的GPS數據復合到所獲得的合成孔徑雷達圖像條帶之前的數據塊中，并且在每個合成孔徑雷達圖像條帶之前只插入1次GPS數據。飛機飛行1個條帶需要數分鐘，有時可長達1、2個小時，并且由于系統(tǒng)結構原因，GPS的采樣時間未能與合成孔徑雷達發(fā)射信號到達地面的時間進行同步，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，但是每個飛行條帶中的所有位置都是靠每個條帶之前數據頭中的GPS數據推算得到的，這樣所造成的累積誤差很大。在同步不好的情況下，誤差會更大。另外，在合成孔徑雷達圖像和GPS數據復合期間如果出現(xiàn)干擾和其它錯誤，就會使整個飛行條帶失去GPS數據，因此由地面接收系統(tǒng)所接收的合成孔徑雷達圖像就無法利用GPS數據進行有關處理［4］。

3.2 SAR圖像與GPS數據復合產生錯誤的原因 由飛機上所獲取的合成孔徑雷達圖像和GPS數據，還要通過航空遙感實時傳輸系統(tǒng)實時傳輸到地面的實時接收系統(tǒng)。在實時傳輸和實時接收過程中，由于干擾等因素，可能會出現(xiàn)GPS數據丟失或者誤碼的現(xiàn)象。GPS數據是描述所傳送遙感圖像地理位置的信息，如果這些數據傳錯或丟失，則所傳送圖像的意義和價值都將大大降低。因此，在現(xiàn)有的系統(tǒng)和結構中，如何使每個合成孔徑雷達圖像條帶中都包含有正確的GPS數據，如何使合成孔徑雷達圖像和GPS數據做到同步，是需要急需解決的問題。

合成孔徑雷達成像系統(tǒng)的輸出有3種，即：磁帶輸出、輔助口輸出和視頻信號輸出。因為合成孔徑雷達成像系統(tǒng)圖像數據與GPS數據復合傳輸是在輔助口之后進行的，因此僅考慮輔助口的輸出方式。在輔助接口輸出的數據以突發(fā)方式進行，且每隔3.5s左右以高速傳輸的方法輸出一個圖像數據塊。對于6m分辨率，每個圖像塊由180行組成；對于3m分辨率，每個圖像塊由360行組成。

輔助接口輸出圖像數據時幀同步字為8行，并且?guī)阶种泻袦y繪帶序數、處理日期和時間等信息，它只是在每個條帶之前才輸出。數據的圖像段含有32個字節(jié)的注釋部分，注釋部分包括線序數、圖像帶增益、圖像產品增益選擇和計算慣性導航系統(tǒng)（INS）速度誤差系數的估計值ΔV。

根據以上分析可知，由于GPS接收機更新速度較慢（每秒鐘1次），如果僅在每個條帶的幀同步字中給出GPS數據，則很難做到使GPS的輸出時間和合成孔徑雷達成像系統(tǒng)得到地面圖像數據時的時刻相同步，如果在正常的情況下，會產生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數據，或者在衛(wèi)星傳輸中圖像幀同步字出錯，則會出現(xiàn)更大的誤差，甚至使整個圖像條帶無法利用GPS數據進行相關處理的不利局面。

另外，當飛機飛行速度變化時，脈沖重復頻率（PRF）也要變化，因此合成孔徑雷達成像系統(tǒng)圖像數據獲取的時間也要發(fā)生變化，這也給GPS的復合帶來了更大的困難和誤差。

4 GPS數據與SAR圖像復合改造的方法

GPS數據與SAR圖像復合軟件優(yōu)化所采取的方法是，根據飛機飛行速度等有關參數，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數據按照一定的規(guī)則與前一次所采樣的GPS數據進行比較，快速確定該次所采樣的GPS數據是否正確，然后按照遞推原理等方法進行校正和處理。

合成孔徑雷達成像系統(tǒng)每3.2s左右輸出180（或360）行圖像塊數據，其數據輸出時序如圖2所示。圖2中CLK是合成孔徑雷達成像系統(tǒng)圖像數據輸出的時鐘信號；PLOT是合成孔徑雷達成像系統(tǒng)圖像數據輸出的起始信號，利用CLK信號和PLOT信號可以建立合成孔徑雷達圖像數據與GPS數據之間的聯(lián)系，從而實現(xiàn)消除誤差的目的。合成孔徑雷達成像系統(tǒng)圖像數據與GPS數據復合單元的框圖見圖3。

5 GPS數據與SAR圖像復合實驗及結果

為了定量地測試合成孔徑雷達圖像與GPS數據復合的實際效果，設計了專用軟件進行實際測試。其方法是，利用合成孔徑雷達成像系統(tǒng)輸出圖像數據時的起始信號和GPS輸出數據時的起始信號之間的關系，得到合成孔徑雷達圖像數據頭信號與GPS數據到來時間的間隔（記為time1），同時也得到了合成孔徑雷達兩個圖像數據頭信號之間的時間間隔（記為time2）。其測試結果見表1。

表1 對接實驗時記錄的時間間隔（部分）

由表1中所記錄的結果可以看出，time2在3.000290s和3.999969s內變化。如果飛機速度為210m/s左右，雷達掃描180行（對于3m分辨率為360行）的時間約為3.5s。根據有關公式及方法，可得到合成孔徑雷達成像系統(tǒng)輸出的圖像數據與GPS輸出數據復合的時間，使每個圖像塊的起始點的經緯度也可以相應得到。這樣就達到了合成孔徑雷達圖像與GPS數據復合改造的要求。

為了測試合成孔徑雷達圖像與GPS數據復合的實際效果，設計了測試系統(tǒng)進行實際測試。模擬測試系統(tǒng)如圖4所示，由雷達成像系統(tǒng)模擬器、被測試的機載實時數據處理系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)4部分組成。雷達成像系統(tǒng)模擬器模擬合成孔徑雷達成像系統(tǒng)所發(fā)出的SAR雷達圖像，然后通過接收板送給被測試的機載實時數據處理系統(tǒng)，被測試的機載實時數據處理系統(tǒng)仿照在飛機上的操作進行測試。衛(wèi)星通信系統(tǒng)將機載實時數據處理系統(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)送到地面實時處理系統(tǒng)。

機載機接收到模擬機發(fā)送的圖像后，對數據進行壓縮，然后與GPS數據進行復合，通過衛(wèi)星系統(tǒng)轉發(fā)給地面接收系統(tǒng)，地面接收系統(tǒng)由一臺計算機來實現(xiàn)，當打開地面接收圖像軟件后，可以看到如圖5所示的圖像。在圖5可以看到，雷達成像系統(tǒng)所發(fā)送的圖像和GPS數據，合成孔徑雷達圖像與GPS數據復合取得了良好的實際效果。

6 結語

機載實時數據處理系統(tǒng)是“航空遙感實時傳輸系統(tǒng)”中的一個環(huán)節(jié)，也是我國的自主創(chuàng)新產品，能夠在飛機上完成SAR圖像的實時處理、實時壓縮、SAR圖像與GPS圖像的實時復合與傳輸、測試圖像的實時顯示和實時傳輸。GPS數據與SAR圖像復合的工作性能直接影響到整個系統(tǒng)效益的發(fā)揮。對GPS數據與SAR圖像復合進行改造，將使“航空遙感實時傳輸系統(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技術的水質監(jiān)測系統(tǒng)集成研究［J］.中國水利水電科學研究學院學報，2007，5（1）：75-79.

［2］路京選.水利遙感應用技術研究進展回顧與展望［J］.中國水利水電科學研究學院學報，2008，6（3）：224-230.

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

［4］張曉紅，李茂堂.航跡顯示在實時SAR圖像傳輸中的實現(xiàn)與應用［J］.計算機軟件與應用，2007，24（1）：112-114.