導(dǎo)航與遙感技術(shù)融合綜述

陳銳志,王 磊,李德仁,陳 亮,付文舉

武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)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(shì)。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(shì)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(lái)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(chǎng)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(cè)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(wú)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(wú)控測(cè)圖[7]、移動(dòng)測(cè)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(kāi)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(jué)/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(cè)和目標(biāo)檢測(cè)提供了全球可用的，低成本的信號(hào)源；另一方面，視覺(jué)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(shì)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(cè)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(cè)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(guó)災(zāi)害應(yīng)急救援領(lǐng)域中的作用隨著對(duì)應(yīng)急測(cè)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(wú)人機(jī)，直升機(jī)和國(guó)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(shù)地震主要采用了無(wú)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(wú)控測(cè)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(cè)與預(yù)警

地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警需要對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高時(shí)空分辨率，高精度的觀測(cè)，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(cè)技術(shù)的融合，可以優(yōu)勢(shì)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(cè)技術(shù)相互檢核[17]，提升災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(cè)與預(yù)警，同震三維形變場(chǎng)反演[18-21]，地表沉降監(jiān)測(cè)[22-23]，礦山沉陷監(jiān)測(cè)[11,24]，水壩形變監(jiān)測(cè)[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(cè)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(chǎng)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(cè)繪衛(wèi)星的無(wú)控制點(diǎn)定位問(wèn)題。無(wú)控制點(diǎn)攝影測(cè)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(cè)量學(xué)科的發(fā)展方向，也是一個(gè)國(guó)際難題[27]。光學(xué)衛(wèi)星影像無(wú)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(wú)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(guò)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(cè)量方法，獲得的無(wú)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(wú)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(wú)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(lái)，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(wú)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(wú)控定位精度在數(shù)十米至上百米的水平。國(guó)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(wú)控定位精度在10～30 m[28]。近年來(lái)，我國(guó)衛(wèi)星無(wú)控定位精度有了跨越式發(fā)展，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)的資源三號(hào)衛(wèi)星的無(wú)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(wú)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(guó)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(guò)31萬(wàn)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(guó)一張圖。此外，該衛(wèi)星還開(kāi)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(cè)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(guò)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(lái)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，為我國(guó)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(wú)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(lái)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(cè)預(yù)報(bào)，國(guó)土資源調(diào)查與城市管理[33]，海事動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，災(zāi)害預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)與評(píng)估，精細(xì)農(nóng)業(yè)[34]，海洋權(quán)益保障等領(lǐng)域[35]。空基導(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(wú)人機(jī)的大比例無(wú)控測(cè)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(cè)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?，目前也處于技術(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(chǎng)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(cè)圖等，適用于測(cè)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(lái)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(cè)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(guò)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(guò)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(cè)量和調(diào)繪相比，移動(dòng)測(cè)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(cè)繪[41-42]、電子地圖測(cè)繪和修測(cè)[8]，公路GIS與路產(chǎn)管理[43]，道路裂縫檢測(cè)，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(jué)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(wú)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(cè)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(jué)、三維激光掃描傳感器的SLAM技術(shù)在室內(nèi)三維測(cè)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(guò)提取特征點(diǎn)的幾何信息進(jìn)行測(cè)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(guò)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(jué)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(lái)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(wú)人機(jī)導(dǎo)航[46-48]。對(duì)于自動(dòng)駕駛應(yīng)用，可以通過(guò)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(chǎng)合，通常需要利用視覺(jué)信息匹配來(lái)提升GNSS定位的可靠性，例如視覺(jué)輔助無(wú)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(jué)里程計(jì)導(dǎo)航主要使用視覺(jué)傳感器技術(shù)，通過(guò)單目視覺(jué)，雙目立體視覺(jué)，多目立體視覺(jué)，全景視覺(jué)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(jué)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(jué)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(wú)人機(jī)導(dǎo)航等領(lǐng)域[53]。在視覺(jué)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(jué)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(chǎng)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(jué)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(lái)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(méi)有直接參與定位計(jì)算[59]。

另一種是文獻(xiàn)[60]提出的視覺(jué)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(lái)，實(shí)現(xiàn)緊耦合定位，定位原理見(jiàn)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(jué)基站，這些基站可以理解為發(fā)射可見(jiàn)光測(cè)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(jué)基站的幾何距離，再聯(lián)合GNSS信號(hào)測(cè)量得到的幾何距離進(jìn)行聯(lián)合定位解算。基于影像的定位通常用于近距離場(chǎng)合，主要是室內(nèi)場(chǎng)景。在戶外場(chǎng)景中，受相機(jī)分辨率的影響，視覺(jué)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(cè)值，但在很多復(fù)雜場(chǎng)景又無(wú)法單獨(dú)定位。聯(lián)合這兩類距離觀測(cè)值既可以提高視覺(jué)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(jué)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(jué)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(jué)基站系統(tǒng)布設(shè)簡(jiǎn)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(shì)。通過(guò)視覺(jué)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(cè)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(cè)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(lái)探測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(wú)法模型化，通常是利用GNSS信號(hào)延遲來(lái)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(lái)探測(cè)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(guò)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(wú)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(cè)模型，星間單差觀測(cè)模型和非差觀測(cè)模型。傳統(tǒng)的地基GNSS水汽反演得到的是測(cè)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(cè)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(jiàn)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(cè)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(lái)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(cè)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(cè)值與三維水汽場(chǎng)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(zhǎng)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(lái)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(chǎng)?？紤]到?jīng)]有觀測(cè)值的格網(wǎng)單元會(huì)造成觀測(cè)系數(shù)方程不適定，可以通過(guò)施加水平方向約束，垂直方向約束和頂層約束來(lái)解決。

4.1.3 天基GNSS水汽探測(cè)技術(shù)

天基GNSS水汽探測(cè)主要是利用星載GNSS接收機(jī)接收GNSS折射信號(hào)來(lái)反演大氣特性，通常稱作GNSS掩星探測(cè)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(cè)，具有高精度、高垂直分辨率、長(zhǎng)期穩(wěn)定、全球覆蓋、全天候等優(yōu)勢(shì)，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)大氣探測(cè)手段的不足，其探測(cè)資料對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、臨近空間環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)對(duì)應(yīng)的碰撞參數(shù)。

圖5 GNSS掩星觀測(cè)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(guò)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(cè)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(wèn)題，又提出接收信號(hào)復(fù)振幅的無(wú)線電全息反演方法和克服低層大氣多路徑問(wèn)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(shì)，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(cè)，氣候變化監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[71-73]。我國(guó)2013年發(fā)射的氣象衛(wèi)星風(fēng)云-3C裝備有國(guó)際首臺(tái)北斗/GPS兼容的掩星探測(cè)接收機(jī)，并成功地獲取了大量的掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)[74]。

4.1.4 GNSS電離層探測(cè)技術(shù)

GNSS信號(hào)穿過(guò)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(wú)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(cè)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(wú)幾何距離組合觀測(cè)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]。基于無(wú)幾何距離組合觀測(cè)值法是利用無(wú)幾何距離組合消除觀測(cè)值中所有頻率無(wú)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(cè)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(cè)值形成觀測(cè)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(guò)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(cè)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(guò)投影函數(shù)轉(zhuǎn)換為測(cè)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(cè)與地基水汽探測(cè)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(cè)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(wèn)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(guò)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(cè)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(cè)，震前電離層異常監(jiān)測(cè)[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(guò)測(cè)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(lái)探測(cè)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(guò)渡到復(fù)雜的陸地遙感應(yīng)用，觀測(cè)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(cè)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(cè)，主要用于地基觀測(cè)[86]。

4.2.1 GNSS-R高度變化測(cè)量技術(shù)

GNSS-R測(cè)量反射面的高度變化是利用反射信號(hào)測(cè)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(guò)趨勢(shì)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(guò)求解反射信號(hào)的接收時(shí)延作為觀測(cè)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(lái)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(cè)，海面風(fēng)場(chǎng)的反演等[86,91]。測(cè)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(cè)量范圍大，但載噪比受到大氣的影響較顯著，另外測(cè)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(cè)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(guò)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(kāi)展了土壤濕度測(cè)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(cè)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(cè)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(lái)檢測(cè)海冰的變化[94]。類似地，可以根據(jù)海面風(fēng)場(chǎng)對(duì)海面散射系數(shù)的影響反演海面風(fēng)場(chǎng)[95-97]。

4.2.3 GNSS信號(hào)目標(biāo)探測(cè)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(cè)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(jiàn)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(guò)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(chǎng)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(cè)[100]和海面監(jiān)測(cè)[101]。受到成像分辨率的限制，GNSS SAR主要用于大目標(biāo)的檢測(cè)，例如根據(jù)海面和海冰表面粗糙程度不同的特性，通過(guò)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(cè)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(shì)

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(cè)量，而遙感技術(shù)則主要是低時(shí)間分辨率的面測(cè)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(guò)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(wú)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(shì)將在導(dǎo)航服務(wù)中扮演越來(lái)越重要的角色。GNSS遙感技術(shù)也逐漸形成門(mén)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(cè)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(guò)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(guò)二維分塊的方式，也可以成像用于目標(biāo)探測(cè)，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(lái)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(lái)信號(hào)層面的集成。