GNSS和InSAR組合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

顏芳 孫芳 黃鑫 徐銳 岳雷

摘? ?要：GNSS接收機因其高精度的點位監(jiān)測在地表位移形變監(jiān)測領(lǐng)域的市場逐年增加。目前，已成為研究熱點的InSAR技術(shù)在地面形變監(jiān)測方面具有高空間分辨率和連續(xù)覆蓋的特點。文章將這兩種技術(shù)進行組合設(shè)計，重點描述了組合系統(tǒng)的組成、原理、現(xiàn)場設(shè)備的設(shè)計、云平臺處理軟件設(shè)計，并在涿州園區(qū)進行試驗驗證，后期可推廣應(yīng)用于形變監(jiān)測領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng);接收機;合成孔徑雷達干涉測量;

1? ? 項目背景

監(jiān)測各類地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象（如滑坡、地面沉降、采空塌陷）所引發(fā)的三維地表位移，對于準確認識地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生機制、運動過程和發(fā)展趨勢，具有重要的意義，近年來各類地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測項目中越來越多地采用了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收機進行三維地表位移的監(jiān)測。但GNSS監(jiān)測存在面定位精度不高的問題，將結(jié)合合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）[1-2]高空間分辨率和連續(xù)覆蓋的特點，形成點面結(jié)合的三維地表位移監(jiān)測系統(tǒng)，既突破單一監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用局限，又極大地提高了三維形變監(jiān)測結(jié)果的時空分辨率[3]。

2? ? 總體方案

2.1? 系統(tǒng)組成

GNSS和InSAR組合監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備和云平臺數(shù)據(jù)處理軟件組成，現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備安裝在災(zāi)害監(jiān)測點附近，主要包括GNSS接收機和角反射器。云平臺數(shù)據(jù)處理軟件可對GNSS接收機和角反射器的數(shù)據(jù)進行處理。其組成框架如圖1所示。

2.2? 原理介紹

GNSS接收機用來測量地表的三維形變，在一個變形區(qū)域內(nèi)布設(shè)一個GNSS基準站和若干個GNSS觀測站，接收視場內(nèi)的所有衛(wèi)星數(shù)據(jù)（包括GPS、北斗、GLONASS），并通過4G無線通信網(wǎng)絡(luò)將采集的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)上傳至云平臺。

角反射器是InSAR中的輔助測量工具，可增強星載雷達的反射，作為監(jiān)測區(qū)域在InSAR影像中的“地面控制點”[4]，用于精確配準InSAR影像[4]，以提高區(qū)域形變監(jiān)測的準確性。角反射器最好布設(shè)在GNSS觀測站5 m以內(nèi)的范圍。人工按照衛(wèi)星的觀測周期（一般為7～14天），從云端下載衛(wèi)星數(shù)據(jù)，然后通過InSAR數(shù)據(jù)處理軟件進行處理。

GNSS數(shù)據(jù)處理軟件負責接收GNSS接收機的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，進行解算得到觀測站的坐標值，并與初始測量值進行對比，得到觀測站X，Y，Z 3個方向上的位移變化值。

InSAR數(shù)據(jù)處理軟件利用GNSS接收機得到的三維坐標值對衛(wèi)星InSAR影像進行精確配準，然后進行解譯處理，得到角反射器安裝區(qū)域的高程變化。原理架構(gòu)如圖2所示。

3? ? 現(xiàn)場設(shè)備設(shè)計

3.1? GNSS接收機設(shè)計

GNSS接收機主要由太陽能充電管理電路、電源管理系統(tǒng)、MCU主控模塊、GNSS板卡、GNSS天線、4G模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和調(diào)試接口等組成。其組成框架如圖3所示。

為了提高接收機的處理速度并降低設(shè)備的功耗，最終準備采用ST公司的STM32L系列單片機實現(xiàn)，它是超低功耗高性能微控制單元（Microcontroller Unit，MCU），采用Cortex-M4內(nèi)核，工作頻率為80 MHz，有3個串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）接口、4個通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口和1個低功耗的UART接口;帶有日歷功能的32位RTC小于1 μA的實時時鐘，1 s精度;多路12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）通道等，主要用于各種低功耗應(yīng)用如物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）等。

（1）太陽能充電管理電路可對太陽能電池的最大功率點進行跟蹤，自動調(diào)整充電電流，對深度放電的電池進行涓流充電，具備充電狀態(tài)、充電結(jié)束狀態(tài)指示和電池溫度檢測功能。

（2）電源管理單元主要用于將電池電壓轉(zhuǎn)換為各模塊需要的工作電壓，并通過單片機控制各模塊的供電，以降低系統(tǒng)功耗。

（3）GNSS板卡選用三系統(tǒng)全頻板卡，靜態(tài)精度：水平不大于（±2.5±1）×10-6，垂直不大于（±5±1）×10-6;采樣頻率可根據(jù)現(xiàn)場的要求進行設(shè)定，默認值設(shè)為10 s。

（4）GNSS天線為全頻天線，采用抗多路徑干擾設(shè)計。

（5）數(shù)據(jù)存儲模塊采用SD卡存儲的方式，可根據(jù)客戶的要求配置SD卡的容量。

（6）調(diào)試接口采用RS232接口，方便維護。

（7）4G模塊選用移遠的EC20 R2.1 Mini PCIe來實現(xiàn)。該模塊支持標準的AT指令集3GPP TS 27.007，27.005及移遠通信增強型AT命令;其工作電壓：3.0～3.6 V;支持USIM和SIM：1.8 V和3.3 V;尺寸：（51.0±0.15）mm×（30.0±0.15）mm×（4.9±0.2）mm;正常工作溫度：﹣35～﹢75 ℃;擴展工作溫度：﹣40～﹢80 ℃。該模塊在網(wǎng)絡(luò)注冊時的功耗約為70 mA，網(wǎng)絡(luò)注冊成功但無數(shù)據(jù)交互的功耗為15～19 mA，睡眠階段的功耗約為3 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)階段的功耗約為100 mA。

3.2? 角反射器設(shè)計

本方案中擬選用三面角的角反射器[6-7]，材料為鋁板和鍍鋅鐵皮雙層結(jié)構(gòu)，鋁板厚3 mm，外加鍍鋅鐵皮（1 mm厚）以保護反射面（鋁板），邊側(cè)加三角角鋼加固;3塊金屬板之間的相互垂直角度加工公差不超過±1;在棱邊設(shè)置了3個活動關(guān)節(jié)，通過伸縮桿來調(diào)節(jié)人工角反射器（Corner Reflector，CR）的仰角;在頂?shù)滋幵O(shè)置了一個漏水孔，使積水不至于影響其反射路線;為獲得雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS），可根據(jù)雷達數(shù)據(jù)軌道信息來調(diào)整角反射器的底邊方位角，并使角反射器的底邊與衛(wèi)星飛行方向平行。角反射器的示意和實物如圖4—5所示。

4? ? 云平臺數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計

云平臺數(shù)據(jù)處理軟件包括GNSS數(shù)據(jù)處理軟件和InSAR數(shù)據(jù)處理軟件，GNSS數(shù)據(jù)處理軟件可對GNSS接收機的數(shù)據(jù)進行靜態(tài)實時解算，并按照設(shè)定的周期輸出高精度的三維坐標值。InSAR數(shù)據(jù)處理軟件采用sarmap公司的SARscape軟件，它是國際知名的雷達圖像處理軟件。該軟件架構(gòu)于專業(yè)的ENVI遙感圖像處理軟件之上，提供完整的SAR數(shù)據(jù)處理功能，全面支持雷達干涉測量（InSAR/DInSAR）數(shù)據(jù)處理和分析，輸出SAR圖像產(chǎn)品、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和地表形變圖等信息。

本系統(tǒng)將GNSS數(shù)據(jù)處理軟件解算的GNSS觀測站的高精度三維坐標值（X，Y，H）帶入到SARscape軟件中，不僅能對InSAR的影像進行插值，還能快速識別該GNSS觀測站附近的角反射器，并利用角反射器的三維坐標對衛(wèi)星的干涉基線進行重新估算，從而提高觀測精度。

5? ? 試驗驗證

5.1? 試驗設(shè)備

在涿州工業(yè)園區(qū)安裝了兩套GNSS接收機和一套CR，兩套GNSS接收機分別配置為基準站和觀測站。在靠近GNSS觀測站5 m的距離范圍內(nèi)布設(shè)了一臺反射器，角反射器針對哨兵1號衛(wèi)星布設(shè)。設(shè)備如圖6所示。

5.2? 試驗結(jié)果

5.2.1? GNSS觀測站的3個方向的變化曲線

GNSS觀測站和基準站的原始數(shù)據(jù)采集周期設(shè)定為10 s，星歷周期為60 s，數(shù)據(jù)解算周期為1 h。為驗證GNSS是否能測試到高程的變化，設(shè)計了一個15 mm的墊塊，在2018年7月3日將GNSS觀測站的高程調(diào)高了15 mm。圖7—9選取了GNSS觀測站從2018年6月24日到2018年7月5號的數(shù)據(jù)，x，y，h方向分別為高斯投影北、東、高3個方向的坐標值，測試結(jié)果如下。

5.2.2? 通過InSAR監(jiān)測涿州區(qū)域的形變曲線

本次試驗獲取了從2018年1月—11月的20景哨兵影像?？赡苁荂R的設(shè)計和安裝問題，導致其在SAR影像上的十字星特征不明顯。

經(jīng)過IN-SAR形變計算，獲得監(jiān)測區(qū)域的平均形變?nèi)鐖D10所示，最小變化區(qū)間為-10.569～-2.221，最大形變區(qū)間在-89.877～-60.062，標記為2的點代表角反射器安裝的區(qū)域，其變形區(qū)間在-33.228 633 65～-21.302 676 48?？梢钥闯?，大部分形變變化在-10.569～-2.221之間。

5.2.3? 數(shù)據(jù)分析

可以看出，GNSS觀測站的x方向最大變化值約為4 mm，y方向最大變化值約為5 mm，h方向在2018年7月3號調(diào)整了15 mm，未調(diào)整高度前h方向的最大變化值為5 mm，可以明顯地看出調(diào)整前后數(shù)據(jù)有15 mm的形變趨勢。圖10中標記為2的點代表角反射器的安裝位置，因角反射器設(shè)計和安裝的誤差，從SAR影像中未能獲取到角反射器明顯的十字星，故通過SAR影像獲取的涿州監(jiān)測區(qū)域的平均形變也是存在一定誤差的。

6? ? 結(jié)語

本系統(tǒng)簡要描述了一套集GNSS技術(shù)和InSAR技術(shù)的組合監(jiān)測系統(tǒng)，通過在涿州園區(qū)進行測試，驗證了GNSS技術(shù)的mm級形變監(jiān)測能力。盡管角反射器的設(shè)計和安裝位置不夠理想，給后期SAR影像的處理帶來了一定的困難，但也從側(cè)面反映了該組合系統(tǒng)不僅可以監(jiān)測一些高精度點位上的形變量，而且可以測試一定區(qū)域的形變?？紤]到InSAR技術(shù)對角反射器的設(shè)計、安裝、選點及后期數(shù)據(jù)處理有很高的要求，要進行大面積推廣，需有專業(yè)的機構(gòu)進行指導。后期會對這套裝置進行設(shè)計完善，確保這套點面測量相結(jié)合的監(jiān)測系統(tǒng)盡快推向市場。

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GNSS and InSAR integrated monitoring system design

Yan Fang， Sun Fang， Huang Xin， Xu Rui， Yue Lei

（Aerospace Science & Industry Inertial Technology Co.， Ltd.， Beijing 100070， China）

Abstract：The market of GNSS receiver in the field of surface displacement deformation monitoring is increasing year by year because of its high precision point monitoring. At present， the InSAR technology， which has become a research hotspot， has the characteristics of high spatial resolution and continuous coverage in ground deformation monitoring. In this paper， the combination design of these two technologies is carried out， focusing on the composition， principle， field equipment design and cloud platform processing software design， and the test verification is carried out in Zhuozhou Park， which can be popularized and applied in the field of deformation monitoring in the later stage.

Key words：global navigation satellite system; receiver; interferometric synthetic aperture radar; angle reflector