机载机SAR图像与GPS数据的复合改造研究

2010-05-21黄伟锋李茂堂刘博扬

中国水利水电科学研究院学报 2010年2期

黄伟锋，李茂堂，刘博扬

（中国水利水电科学研究院遥感技术应用中心，北京 100048）

我国是世界上自然灾害类型多、发生频率高和造成损失严重的国家。我国政府已将制定突发公共事件应对措施、主动防范风险提高到维护国家安全、社会稳定和保障人民群众利益的重要位置。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，首次设立了公共安全领域［1］。2006年1月份国务院发布的《国家突发公共事件总体应急预案》中，水旱灾害被列为自然灾害类突发公共事件的首位，并首批发布了《国家防汛抗旱应急预案》。开展“航空遥感实时传输系统地面接收机改造”项目的研究，可以实时给出抗洪抗旱第一线的实时灾情资料，这对于有效提高重大水旱灾害预测和应急处置能力，为防灾指挥部门科学决策，减少灾害造成的生命财产损失，具有重要的应用价值和现实意义。而SAR图像与GPS数据复合改造是“航空遥感实时传输系统”项目改造中重要的一个环节［2］。

1 机载实时数据处理系统

“航空遥感实时传输系统”是一个具有快速、准确、实时的以灾害监测为重点的运行系统。该系统通过卫星将飞机上合成孔径雷达所监测的地面灾情图像实时传输到水利部遥感中心和其它有关单位，实现了3m合成孔径雷达图像（SAR）和GPS数据的实时复合传输（见图1）［3］。

机载实时数据处理系统是由高性能工业计算机、雷达成像系统图像数据接口板（简称成像器接口板）、数据实时压缩器（简称数据压缩器）、合成孔径雷达图像与GPS数据复合器（简称GPS数据复合器）、数据实时加密器（简称数据加密器）、数据实时传输同步通信板（简称同步通信板）等功能部件组成。机载实时数据处理系统用于对雷达成像系统输出的图像数据进行实时接收，并将实时接收的图像数据进行分类、编码和高倍率压缩，之后经过高倍率压缩的图像数据与所得到的GPS数据复合，再加密、打包，通过数据实时传输同步通信板发送给卫星通信系统进行信道编码和中频调制，并将调制后的数据上变频、功率放大，经机载自跟踪发射天线向通信卫星发出。卫星数据传输采用C波段，传输的数据速率为64kbps（千比特每秒）。

2 SAR图像与GPS数据复合改造内容

2.1 GPS接收数据的工作原理 24颗GPS卫星在高空上以12h的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X，Y，Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，即X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。GPS接收机可接收到用于授时的准确至纳秒级的时间信息，用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历，计算定位时所需卫星坐标的广播星历以及GPS系统信息，如卫星状况等。

2.2 复合改造内容在“九五”期间，已经在机载实时数据处理系统中进行了SAR图像与GPS数据的复合改造研究，但是安装在飞机上的GPS接收机受到干扰时，复合就会出现错误。因此要对原有的软件进行更新和优化，其内容主要包括：（1）GPS数据中的错误数据快速查找模块研制；（2）SAR图像和GPS数据软件的自动纠错模块研制；（3）SAR图像和GPS数据复合软件优化。

3 GPS数据与SAR图像复合产生误差的原因

3.1 SAR图像与GPS数据复合和传输的工作原理在国家科技部组织的“八五”重大科技攻关期间，“航空遥感实时传输系统”中飞机上所安装的GPS接收机为TNL 2100型接收机，该接收机数据更新速度为每秒钟一次。在航空遥感实时传输系统中，合成孔径雷达（SAR）图像与GPS数据复合和传输的工作原理是，在飞机飞行过程中，当启动合成孔径雷达开始工作时，飞机上所安装的GPS接收机将获得的GPS数据送给合成孔径雷达成像系统，合成孔径雷达成像系统对GPS数据进行处理，然后将处理后的GPS数据复合到所获得的合成孔径雷达图像条带之前的数据块中，并且在每个合成孔径雷达图像条带之前只插入1次GPS数据。飞机飞行1个条带需要数分钟，有时可长达1、2个小时，并且由于系统结构原因，GPS的采样时间未能与合成孔径雷达发射信号到达地面的时间进行同步，因此在正常情况下，不考虑GPS本身的精度，在同步较好的情况下造成的误差值虽然在1s以内，但是每个飞行条带中的所有位置都是靠每个条带之前数据头中的GPS数据推算得到的，这样所造成的累积误差很大。在同步不好的情况下，误差会更大。另外，在合成孔径雷达图像和GPS数据复合期间如果出现干扰和其它错误，就会使整个飞行条带失去GPS数据，因此由地面接收系统所接收的合成孔径雷达图像就无法利用GPS数据进行有关处理［4］。

3.2 SAR图像与GPS数据复合产生错误的原因由飞机上所获取的合成孔径雷达图像和GPS数据，还要通过航空遥感实时传输系统实时传输到地面的实时接收系统。在实时传输和实时接收过程中，由于干扰等因素，可能会出现GPS数据丢失或者误码的现象。GPS数据是描述所传送遥感图像地理位置的信息，如果这些数据传错或丢失，则所传送图像的意义和价值都将大大降低。因此，在现有的系统和结构中，如何使每个合成孔径雷达图像条带中都包含有正确的GPS数据，如何使合成孔径雷达图像和GPS数据做到同步，是需要急需解决的问题。

合成孔径雷达成像系统的输出有3种，即：磁带输出、辅助口输出和视频信号输出。因为合成孔径雷达成像系统图像数据与GPS数据复合传输是在辅助口之后进行的，因此仅考虑辅助口的输出方式。在辅助接口输出的数据以突发方式进行，且每隔3.5s左右以高速传输的方法输出一个图像数据块。对于6m分辨率，每个图像块由180行组成；对于3m分辨率，每个图像块由360行组成。

辅助接口输出图像数据时帧同步字为8行，并且帧同步字中含有测绘带序数、处理日期和时间等信息，它只是在每个条带之前才输出。数据的图像段含有32个字节的注释部分，注释部分包括线序数、图像带增益、图像产品增益选择和计算惯性导航系统（INS）速度误差系数的估计值ΔV。

根据以上分析可知，由于GPS接收机更新速度较慢（每秒钟1次），如果仅在每个条带的帧同步字中给出GPS数据，则很难做到使GPS的输出时间和合成孔径雷达成像系统得到地面图像数据时的时刻相同步，如果在正常的情况下，会产生1s的误差。如果在不正常的情况下，比如图像条带中丢失了部分GPS数据，或者在卫星传输中图像帧同步字出错，则会出现更大的误差，甚至使整个图像条带无法利用GPS数据进行相关处理的不利局面。

另外，当飞机飞行速度变化时，脉冲重复频率（PRF）也要变化，因此合成孔径雷达成像系统图像数据获取的时间也要发生变化，这也给GPS的复合带来了更大的困难和误差。

4 GPS数据与SAR图像复合改造的方法

GPS数据与SAR图像复合软件优化所采取的方法是，根据飞机飞行速度等有关参数，确定GPS两次采用之间可能出现的最大误差，然后将每次所采样的GPS数据按照一定的规则与前一次所采样的GPS数据进行比较，快速确定该次所采样的GPS数据是否正确，然后按照递推原理等方法进行校正和处理。

合成孔径雷达成像系统每3.2s左右输出180（或360）行图像块数据，其数据输出时序如图2所示。图2中CLK是合成孔径雷达成像系统图像数据输出的时钟信号；PLOT是合成孔径雷达成像系统图像数据输出的起始信号，利用CLK信号和PLOT信号可以建立合成孔径雷达图像数据与GPS数据之间的联系，从而实现消除误差的目的。合成孔径雷达成像系统图像数据与GPS数据复合单元的框图见图3。

5 GPS数据与SAR图像复合实验及结果

为了定量地测试合成孔径雷达图像与GPS数据复合的实际效果，设计了专用软件进行实际测试。其方法是，利用合成孔径雷达成像系统输出图像数据时的起始信号和GPS输出数据时的起始信号之间的关系，得到合成孔径雷达图像数据头信号与GPS数据到来时间的间隔（记为time1），同时也得到了合成孔径雷达两个图像数据头信号之间的时间间隔（记为time2）。其测试结果见表1。

表1 对接实验时记录的时间间隔（部分）

由表1中所记录的结果可以看出，time2在3.000290s和3.999969s内变化。如果飞机速度为210m/s左右，雷达扫描180行（对于3m分辨率为360行）的时间约为3.5s。根据有关公式及方法，可得到合成孔径雷达成像系统输出的图像数据与GPS输出数据复合的时间，使每个图像块的起始点的经纬度也可以相应得到。这样就达到了合成孔径雷达图像与GPS数据复合改造的要求。

为了测试合成孔径雷达图像与GPS数据复合的实际效果，设计了测试系统进行实际测试。模拟测试系统如图4所示，由雷达成像系统模拟器、被测试的机载实时数据处理系统、卫星通信系统和地面接收系统4部分组成。雷达成像系统模拟器模拟合成孔径雷达成像系统所发出的SAR雷达图像，然后通过接收板送给被测试的机载实时数据处理系统，被测试的机载实时数据处理系统仿照在飞机上的操作进行测试。卫星通信系统将机载实时数据处理系统送来的测试图像发射给通信卫星，再由通信卫星发送到地面实时处理系统。

机载机接收到模拟机发送的图像后，对数据进行压缩，然后与GPS数据进行复合，通过卫星系统转发给地面接收系统，地面接收系统由一台计算机来实现，当打开地面接收图像软件后，可以看到如图5所示的图像。在图5可以看到，雷达成像系统所发送的图像和GPS数据，合成孔径雷达图像与GPS数据复合取得了良好的实际效果。

6 结语

机载实时数据处理系统是“航空遥感实时传输系统”中的一个环节，也是我国的自主创新产品，能够在飞机上完成SAR图像的实时处理、实时压缩、SAR图像与GPS图像的实时复合与传输、测试图像的实时显示和实时传输。GPS数据与SAR图像复合的工作性能直接影响到整个系统效益的发挥。对GPS数据与SAR图像复合进行改造，将使“航空遥感实时传输系统”能够更加有效地发挥其作用。