GNSS-R形变监测技术综述

严颂华，唐凤雨，陈永谦，李 焱

(武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430070)

0 引言

山体滑坡和地表沉降是破坏程度严重的地质灾害，每年在世界范围内发生频繁且破坏力巨大。在预警体系中，通过对形变量这一直接反映地表稳定性以及运动状态的物理量进行厘米级甚至毫米级的监测，得到其发展过程，对科学研究及防灾减灾都具有重要意义。

在形变监测技术方面，传统大地测量方法例如基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS) 直达信号的方法已运用广泛，即在建筑物、山坡等形变体上布放多个GNSS天线，通过对天线的高精度差分定位来实现形变监测。该技术属于点观测，只能估算天线所在点的形变参数，适用于桥梁、大坝等重点监测对象，无法实现大面积观测。该方法需要把GNSS天线固定在形变体上，属于接触式观测，在某些形变危险点无法布设。非接触测量方法常被使用但有其缺点，如三维激光扫描法能够得到形变的三维数据，缺点是成本高、容易受天气影响。地基干涉合成孔径雷达(GB-InSAR)也被广泛用于形变监测，优点是分辨率较高，但成本也高。星载SAR作为地质灾害识别与监测的主力装备[1]，能够长时间地工作，且具有较大的监测范围和较高的空间分辨率，但是受到SAR卫星较长重返周期的限制，无法提供短时间内连续的形变信息。

随着GNSS星座的不断增加和GNSS-R遥感的发展，研究者们也在前期应用的基础上将该技术拓展到了形变监测领域。本文的特色在于主要介绍GNSS-R遥感从海面遥感延伸到陆地遥感和形变的过程，阐述GNSS-R形变监测的3种典型方法 (基于成像、镜反射、以及目标探测的监测方法)的由来、执行过程和优缺点。最后总结出挑战和未来可以值得研究之处，期望能为相关从业人员提供参考和借鉴。

1 GNSS-R遥感应用

GNSS-R技术的基本思想是利用双基地雷达的概念，即GNSS卫星持续不断地向地面发射L波段的导航电波信号，经过地面反射后，被星载/机载/地基接收机接收，从这些回波中提取电波的参数，可以反演或估计出地面物体的信息。这种技术也称为被动雷达或者外辐射源雷达技术。

GNSS-R技术已经被广泛运用于地球表面遥感中。杨东凯等[2]构建了利用GPS散射信号的机载海面风场反演系统。严颂华等[3]利用该技术反演土壤湿度。孙越强等[4]提出了基于树模型的机器学习方法反演海面风速。张云、尹聪等[5-6]在渤海区域做了多次海冰监测。近些年来各航天大国先后发射搭载反射接收机的卫星，如美国发射了CYGNSS星座，欧空局发射了TDS-1卫星，航天五院发射了“捕风”AB星，天津云遥公司发射了商业星载GNSS-R海洋反射探测载荷，GNSS-R技术进一步在时间和空间维度上得到扩展。例如Hammond 等[7]利用TDS-1卫星的数据得到了3年内海面风速的时间变化规律，Nguyen等[8]基于商业的Spire星座，在掩星数据之外收集了掠入射情况下的GNSS反射事件，从中提取了海面测高信息，测高精度达到3 cm。 Cartwright 等[9]使用33个月的TDS-1的数据研究北极和南极区域的海冰分布，与欧空局发布的海冰聚集度产品相比，吻合度超过96%。Gerlein等[10]利用CYGNSS的数据研究了内陆水体的变化，反映湖泊和水体的扩展和收缩过程，结果和MODIS产品相符，由于CYGNSS的全球性和短周期性，能够在半个月的时间间隔内产生一个水灾分布产品。这些研究成果极大地鼓舞了GNSS-R研究者拓展该技术到形变监测应用的信心，也提供了技术积累。

2 GNSS-R形变监测技术的优势

GNSS-R用于形变监测时具有以下优势：

(1) 导航信号可以实现全球覆盖。导航系统由多个轨道的多颗卫星在太空不间断地运动，例如2020年7月我国正式开通的北斗卫星导航系统目前在轨运行的有数十颗，包括三种卫星：静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)和中圆地球轨道(MEO)卫星，联合其他导航系统可以组成一个探测网，使地球上任何一点都能够被覆盖到，在很大程度上提高了监测区域的灵活性。GNSS卫星、目标和接收机三者构成了多基地的雷达系统，因此可获得多视角后向散射与非后向散射信息、便于实现多维形变量观测。

(2) 导航卫星短的重返周期可以保证地面图像的相干性。目前GPS与北斗卫星导航系统的IGSO卫星和MEO卫星的重返周期为一天，远远优于现有SAR卫星的重返周期，可以避免由于时间跨度长而导致的时间去相干和空间去相干。

(3) 导航卫星所使用的频段为L波段，该波段对云层和地表植被具有一定的穿透能力，因此可以克服天气障碍，全天候工作其波长为数十厘米，进行形变监测时精度可以达到厘米级别。此外，导航系统都设置有双频信号，可以通过多频组合的方式来获取水汽信息，从而解决水汽引起的相位延迟问题，有助于提高形变测量精度。

(4) 导航系统设有高精度的原子钟系统，所以GNSS卫星信号本身具备高精度的标准时间信息，因此可以通过接收导航卫星直达信号来实现收发两端的时间同步。此外，导航卫星信号的捕获与跟踪技术已经非常成熟，能够确保收发两端的相位同步，在实现相位提取乃至形变测量上有保证。

(5)北斗卫星导航系统现在是多颗卫星形成多基地发射，系统有3个频段同时工作，可以利用多角度、多方位、多频段信号监测，提高形变测量精度和空间分辨率。

3 GNSS-R形变监测技术研究现状

GNSS-R技术在海面风场和土壤湿度应用方面已经发展多年，但是在形变方面的应用并不成熟。2013年Liu等[11]提出了利用GNSS构成的双基地雷达实现SAR成像,并利用这种图像在2个连续时刻的细微变化来测量地面变化，称之为CCD(Coherent Change Detection)方法。 2015年Zeng等[12]提出了基于空基表面成像雷达的沉降监视技术，其基本思路是利用2个地面站来接收同一颗卫星的信号，其中一个作为基准站来去掉大气层和电离层误差，而另外一个站则用来模拟形变，通过抽取峰值回波信号的相位来获得由于路径引起的相位差，再根据几何关系计算形变的大小。2019年 Yang等[13]提出利用坡面反射以及双通道独立处理的软件接收机思路来反演形变。2021年Li等[14]提出利用北斗GEO卫星的几何不变性，以金属板作为反射目标板，结合多通道接收机进行形变测量的思路。

由于GPS系统布设较早，以前的算法大多围绕该系统的运动卫星来构思，由于导航信号不像SAR信号专门为高分辨雷达所设计，其频带带宽、发射功率相比专用雷达而言存在诸多限制，因此在形变研究方面还处于起步阶段。表1给出了目前GNSS-R 形变监测技术的主要情况。

表1 目前GNSS-R 形变监测技术的主要情况Tab.1 Main situation of current GNSS-R deformation monitoring technology

4 GNSS-R形变监测的几种典型方法

4.1 基于成像的形变监测方法

英国伯明翰大学和北京理工大学共同提出了空基双基地类SAR成像(Space-Surface Bistatic Synthetic Aperture Radars),即SS-BSAR的理论，并进一步提出了基于成像图的形变监测方法。该方法类似于星载SAR数据的干涉方法，SS-BSAR理论是其研究基础。

SS-BSAR的成像结构及图像序列用于形变监测示意如图1所示。

(a) SS-BSAR 成像结构

(b) 形变监测图1 SS-BSAR 成像结构图及图像序列用于形变监测示意Fig.1 Schematic diagram of SS-BSAR imaging structure and image sequence for deformation monitoring

该方法包含2个步骤：第一步，SS-BSAR成像，即处于不同接收平台上的反射接收机(星载/机载/地基)接收从地表反射的信号，利用运动的GNSS卫星形成合成孔径，从而配合后向投影成像算法，形成合成孔径图像；第二步，利用以1天为重返周期的合成孔径图像序列，检测相位的变化，达到形变监测的目的。

SS-BSAR成像主要利用IGSO/MEO卫星的运动，研究进展迅速。2005年Zeng等[15]给出了不同轨道下卫星对地成像的距离向和方位向分辨率分析。2007年Antoniou 等[16]提出了条带式合成孔径成像的算法，之后在文献[17]中进一步提出了一种机载情况下快速成像的方法。2012年Zhou等[18]给出了一种预处理方法来增强成像中同步的效果，Liu 等[19]则研究了采用地基静态接收机在长相干积累时间下点扩散函数的方位分布。2014年Zhang 等[20]研究了重返情况下2幅影像的空间去相关情况，2015年Ma等[21]研究了运用伽利略卫星时成像分辨率提高的方法。同一年，文献[22]研究了多角度条件下成像融合的方法。2016年Santi等[23]提出了利用多卫星成像提高分辨率的方法。

利用SS-BSAR成像图,研究者提出了基于干涉的形变监测算法，即针对成像序列，进行同名点匹配，然后计算匹配图像对的相位差别，并与基线结合进行形变测量。2018年Liu等[24]利用SS-BSAR的概念，提出了一个3维形变测量的方法，其基本思路是依据干涉SAR的方案，利用IGSO卫星的周期为1天的重返轨道，在每天近乎同一个时刻，采集15 min的数据，对地面反射物进行成像，然后寻找永久散射体，求取永久散射体的相位。在实验设计中，首先利用2行轨道参数TLE 计算IGSO卫星的轨迹，然后根据卫星的运动轨迹，按照星载GNSS-R的分辨率理论，计算其在地面的成像分辨率。之后选择地面成像分辨率较高的下午4点作为实验时间段，根据位置精度强弱度(Position Dilution of Precision，PDOP)理论选择北斗二代IGSO1，2，4，5卫星作为实验星。最后，根据后一天和前一天相位的差别来估计形变。实验采用精密度达到0.01 mm的形变台搭载转发器，利用人工调节形变台改变转发器的位置模拟形变，针对转发器实施成像。在2016年5月—6月间记录了16组数据，其中包含2次10 mm的位移和一次20 mm的位移。实验结果表明，精度优于0.5 cm。

该方法实施的主要问题是需要很强的反射信号，特别是在3个维度的方向都具有很强反射的形变体，需要在大量的现场实验和环境中去寻找，因此需要进行更多的野外现场实验。

4.2 基于镜反射的形变监测方法

香港理工大学提出利用边坡斜面构成的镜反射现象，通过软件接收机进行形变探测。该方法起源于GNSS-R海面高度探测技术，由于海面是大面积的水平面上下移动，而形变监测则假设坡面沿着法向移动。利用GNSS卫星构造镜面反射测量坡面位移示意如图2所示。 利用2个斜面L1和L2来表示形变前后的地表，而形变量则用ddif来表示。GNSS卫星发射的信号在斜面上以镜反射的方式返回，被反射天线接收，同样在接收机中进行处理。该方法借鉴了GNSS-R对海面高度的估计技术。

图2 利用GNSS卫星构造镜面反射测量坡面位移示意Fig.2 Using GNSS satellite to construct specular reflection to measure slope displacement

针对海面高度的研究由来已久，2011年Fabra等[25]计算了同极化和交叉极化反射信号的差分相位，考虑海冰表面的粗糙度因素，将海冰表面高度估计的结果与北极潮位模型AOTIM-5 得到的结果比较，误差在10 cm左右。2016年Lestarquit等[26]使用加泰罗尼亚通信中心研究的开源软件接收机，采用主从式结构，在生成DDM图的基础上提取出反射信号的相位，然后通过几何关系来计算高度。实验设备布置于60 m高的灯塔上，通过在平静海域的高度测量，验证了接收机的可行性，之后的飞行实验表明均方根误差在9.47 cm。2017年Liu等[27]分析了海面高风速条件下瑞典翁萨拉天文台的数据，利用载波相位来去除非相干成分，从而留下相干成分来观测海面高度。2019年Hu等[28]分析了低轨卫星摄动对海面高度反演的影响，指出摄动会引起约3.4 m的平均误差。2020年Wu等[29]利用岸基接收机分别生成直达信号和反射信号的DDM图，然后从伪码延迟和载波相位延迟的角度讨论了风速小于1.5 m/s时海面高度值，表明载波相位法的精度远高于伪码测距法的精度，均方根误差在8 cm左右。

在此基础上的GNSS-R形变监测研究方案[30]首先估计直达信号与反射信号由于距离差引起的额外的载波相位差，然后估计斜面的位移。具体实施是通过直达天线和反射天线将直达与反射信号采集后，在硬件接收机中完成信号放大、下变频和模数转换后，得到离散的时域信号，送入软件接收机。在软件接收机中对每个通道进行单独的跟踪，通过调节本地锁相环路中的数字控制振荡器NCO 完成时间、频率和相位的同步，通过相干积分来得到载波相位。比较直达信号与反射信号的载波相位差得到传播路径的延时，计算形变量。

该方法的最大特点是需要维持直达和反射信号都具有足够的信噪比，从而保证2个信号可以单独被跟踪，如同2个差分接收机。同时，该方法还需要假设反射面变化发生在卫星信号的相干时间内运动卫星引起的相位变化趋势才会被去掉。因此该方法只适合于短期内快速形变监测，实际应用场景还需要进一步拓展。

4.3 基于目标探测的形变监测方法

基于目标探测的形变监测示意如图3所示。武汉大学从目标探测的角度出发，尝试将形变体看成一个目标，采用双通道接收机，但是在信号处理时将形变体视为探测目标，首先进行距离压缩，然后在同一距离元内进行目标相位识别，从而监测形变。

图3 基于目标探测的形变监测示意Fig.3 Deformation monitoring based on target detection

该方法的基础是目标探测，是GNSS-R双基地雷达的一个典型应用。2017年Ma 等[31]利用GNSS机会信号构造双基地雷达探测海洋表面目标，发展了信号处理算法，并通过海边船只实验证明了该算法的正确性。2018年Pastina等[32]指出增加相干积累时间才能够得到足够的信噪比来检测目标，并给出了一种帧间补偿的方法来累积长相干积累时间内的能量。同年，Ma等[33]提出了一种利用多颗卫星和单个接收机对反射目标定位的理论框架，表明即使发射卫星在移动，该方法仍然能够适用。2019年Santi等[34]提出了一种利用多颗卫星的被动多站雷达系统，即利用空间多样性和长相干积分时间提高信噪比，同时也增加定位的精度，利用伽利略卫星和莱茵河上的船只进行实验验证了这一想法。2020年Gu等[35]将超分辨率分析方法结合GEO卫星用于GNSS-R目标探测。

GNSS-R形变量监测实际上是检测目标在同一距离元内相位的变化。文献[14]主要利用北斗卫星导航系统的GEO卫星，这种卫星相对观测者具有固定的仰角和方位角，因此几何结构固定，可以避免由于卫星运动带来的相位变化，从而很好地反映形变引起的相位变化规律。其方案是针对斜坡形变体，同时考虑到发射卫星、形变体和固定接收机的几何构型，将双基地雷达尽量构造成一种准单站雷达的形式，然后采集信号。在下变频处理得到中频信号后，首先进行距离压缩，在距离上将形变体目标和其他目标区分开，然后针对形变体进行信噪比增强处理，之后进行相位抽取。没有发生形变的时，这个相位维持不变，而当发生形变时，这个相位会随之变化。通过相位和形变的几何转换关系可以将形变量估计出来。

该方法的优点是不需要设置转发器在形变体上，克服了转发器需要供电的问题。该方法的难点是需要寻找合适的反射体，能够具有较强的反射信号，从而保证反射信号的相位测量具有一定的稳定度和精度。

5 GNSS-R 形变测量面临的挑战

综合目前研究可见，在利用导航反射信号进行形变监测时面临着以下挑战：

(1) 导航卫星信号的反射功率比较弱。导航卫星距离地面遥远，信号到达地面时强度在-160 dBW 左右，经过地面目标散射之后，信号会变得更加微弱。陆地反射与海面反射还存在较大区别，因为海面空间尺度大，而地面结构复杂，造成接收机直接获得信号的信噪比不高，后续处理存在难度，需要深入研究。

(2) 导航卫星信号的带宽比较窄，导致空间分辨率差，给形变监测带来很大的困扰。传统的SAR成像在形变测量上能达到毫米级的分辨率，是因为其信号具有300 MHz以上的带宽。而目前在轨运行的导航系统所发射的信号带宽只有20.46 MHz，因此其成像在理论上能获得的最佳距离分辨率为几米。这种距离分辨率只适用于分辨率要求不高的场合，需要解决。

(3) 导航卫星信号的体制与普通SAR不同。导航卫星信号实际上是一种脉冲体制雷达的变形，其信号是伪随机编码的连续波信号，因此处理上与线性调频体制的雷达存在区别。

(4) 成像处理方式上不同。双基地雷达的成像体制与SAR卫星相对于地面的直线运动方式不同，导航卫星在长时间内相对于地面为曲线运动，只能在数十秒的时间内轨道认为近似直线，若要获得更高的增益，必须考虑卫星轨道的曲线而采用分段采集的方法进行接收。

6 结束语

GNSS-R形变研究是导航反射信号遥感研究领域中具有发展潜力的研究热点，本文对近年来公开发表的相关文献进行分析和总结以供借鉴。得益于各国蓬勃发展的导航星座系统和导航接收机硬软件的发展，GNSS-R形变研究沿着多条技术路线展开，采用的卫星从IGSO/MEO到GEO等不同轨道卫星变化，设备也从纯粹硬件到软硬件结合。后续应加强针对形变需求的算法研究，提高该技术的实用性和鲁棒性。

目前，GNSS-R形变监测技术才刚刚起步，本文认为其未来发展趋势和需要努力的方向如下：

(1) 推进测量精度由厘米级向毫米级发展

目前GNSS-R形变监测给出的测量精度都在厘米级，而且还取决于信号相位的稳定性和接收系统对于相位的辨识度。未来若建立物理模型，在考虑地表因素对形变测量结果的影响，如植被覆盖、地面高程、地表坡度的情况下，测量精度将会有望逐渐由厘米级精度提高到毫米级。

(2) 提高地表形变监测的时间连续性和空间分辨率

目前都是针对局部区域、短时间内的形变进行GNSS-R研究。未来在条件具备后，该技术将有可能提供针对大区域或全球范围的形变监测，在时间上也将能够提供连续不断的数据，确保对不同形变速度的形变体进行时间无缝的监测。

(3) 搭载平台由地基向机载和星载发展，提高其易用性

目前GNSS-R形变实验主要还在地面进行，采用的接收机都放置在地面，实际监测是小范围的，远远不能满足未来大范围形变监测的需要。未来接收机搭载在更高的平台上显然会增加形变探测的距离，如机载和星载平台，这样监测会更灵活高效。