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摘要：
導航定位技術與遙感技術是兩種主要的獲取空間信息的技術手段。導航主要解決目標點的連續定位問題，遙感主要解決面狀目標幾何和物理參數的反演，二者各有特色，優勢互補，走向融合是這兩項技術的發展趨勢。導航與遙感技術結合從協同和集成層面走向深層次的融合，並且衍生出新的理論和方法。本文從協同、集成和融合3個層面論述了導航與遙感融合的技術理論及其應用，並給出了導航與遙感技術功能相互轉化的統一表徵方法。未來如果從系統設計層面考慮導航與遙感融合的需求，可以突破現有導航遙感融合的技術瓶頸，促進這兩項技術的深度融合發展。
關鍵詞 ：導航；遙感；融合；GNSS反射；GNSS氣象學
導航定位技術與遙感技術是兩種主要的獲取空間信息的技術手段。相比傳統的信息獲取手段，導航和遙感能快速、高效、實時地獲取海量時空信息資源，可為諸多領域提供天地一體化信息服務。導航和遙感是最具應用價值和發展潛力的時空信息採集獲取手段，位置信息和遙感數據是最具泛在性的智能信息服務要素。導航技術側重於獲取點目標連續的位置和運動狀態，而遙感技術則側重於獲取面目標的狀態信息，二者的融合能夠有效地提升空間數據獲取效率，提升空間數據的可靠性。
隨著導航和遙感技術的不斷發展，時空信息的綜合應用，以及數據服務業務的逐步普及，導航和遙感的結合成為必然發展趨勢。導航技術與遙感技術相互融合相互滲透，逐漸形成新的交叉領域和學科。李德仁院士從天基信息實時服務系統的角度提出定位、導航、授時、遙感、通信(PNTRC)五位一體的融合構想，從天基信息的獲取、傳輸、綜合應用等角度論述了導航與遙感技術融合的意義和必要性。楊元喜院士指出導航技術的發展趨勢是彈性PNT框架和綜合PNT體系，從多源融合的角度論述了未來PNT體系對雷達，光學影像等遙感技術的需求。
導航遙感融合可根據其融合機理劃分為3個層次：協同、集成和融合，關係如圖1所示。協同層面的融合是指導航技術與遙感技術合作完成一項任務。例如在災害應急任務中，既需要遙感技術獲取受災情況，進行災害影響評估與分析，又需要導航技術用於救援人員和救災物資運送的指揮和調配。在很多應用場合，導航技術和遙感技術各司其職，又相互協作，缺一不可。典型導航與遙感協同的應用包括災害應急、地質災害監測等。
圖 1 導航、遙感技術融合技術脈絡
集成層面的融合是指將導航與遙感技術從設備或者平臺的層面集成在一起，協同實現一項特定的功能。導航與遙感的集成使得導航和遙感技術在流程上存在先後順序，例如導航技術為影像傳感器提供位置和姿態信息，輔助影像排列，拼接以及無控定位。在集成的層面，導航技術和遙感技術是除了合作，還存在一定的相互依賴關係。典型的導航、遙感集成的應用包括無控測圖、移動測量等。
導航與遙感深層次融合是指突破導航與遙感技術功能的界限，實現功能上的跨界，具體可劃分為利用遙感技術提升導航性能和利用導航信號開展遙感任務兩種融合方式。導航與遙感的融合模式可以利用遙感和導航技術的統一模型表達他們功能上的轉換。在融合的層面，遙感和導航是互聯互通的兩項空間信息獲取技術，融合突破了這兩項技術固有的特點和界限，典型的融合應用包括視覺/GNSS緊耦合定位，GNSS氣象，GNSS遙感，GNSS SAR等。一方面GNSS導航信號為大氣探測和目標檢測提供了全球可用的，低成本的信號源；另一方面，視覺定位作為一種定位手段，具備低成本，抗幹擾等特性，能夠豐富和擴展導航定位的手段，彌補衛星導航技術的不足。
導航/遙感技術的協同
導航與遙感技術的協同是指這兩種技術在任務級別的協同。導航技術與遙感技術在信息獲取方面各有側重，優勢互補，具有廣闊的應用空間，典型的應用包括災害應急保障，地質災害監測等。
01
導航遙感協同災害應急保障
災害應急保障需要導航技術和遙感技術協同服務。導航定位服務在災害應急保障中的作用體現在兩個方面：一是為救災人員和救援物資的調度提供位置和線路信息，優化救援力量部署，提升救援效率；二是為機載遙感平臺提供位置姿態信息，輔助應急遙感數據的獲取。以北鬥系統為代表的衛星導航技術是災害應急測繪中主要的導航技術手段。遙感技術的作用也體現在兩個方面：一是第一時間獲取應急區域災情信息，為應急救援決策提供依據；另一方面，遙感技術是災害影響評估和災後恢復效果的評估依據。災害應急的遙感手段相對豐富，包括航空光學影像，機載LiDAR數據，機載SAR數據，傾斜攝影數據等。
衛星導航與遙感技術協同保障在我國災害應急救援領域中的作用隨著對應急測繪的時效性要求提升而變得更加明顯。2008年汶川地震應急救災中，北鬥一號導航系統為救援部隊提供了準確的震中位置和救援位置，保障了第一時間救援的效率。遙感技術保障方面，則調集了9架無人機，直升機和國內外多顆遙感衛星不斷獲取災區影像。2010年青海玉樹地震主要採用了無人機快速遙感處理，災後21 h就完成了災區正射影像圖的製作。地震災害會破壞地面相控點和坐標基準，因此結合衛星導航技術實現無控測圖，在應急地圖製作、災後空間基準恢復等工作中尤其重要。衛星導航和遙感技術融合還在甘肅舟曲特大山洪泥石流災害，彝良縣地震和利比亞撤僑等應急事件中發揮了巨大作用。
02
導航遙感協同地質災害監測與預警
地質災害的監測和預警需要對災區進行長時間高時空解析度，高精度的觀測，然而目前很難有單一技術能夠滿足要求。以GNSS/InSAR技術融合為代表的導航定位技術與遙感觀測技術的融合，可以優勢互補，提升時間和空間解析度，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個層面：①GNSS技術為InSAR提供大氣改正和精密軌道，幫助InSAR消弱誤差影響或者輔助InSAR相位解纏。②利用GNSS時間序列變化特徵和InSAR提供的空間變化信息內插獲得高時空解析度的變化特徵。③GNSS技術與InSAR技術這兩種獨立的形變監測技術相互檢核，提升災害監測的可靠性。GNSS和InSAR融合的技術已廣泛地應用於滑坡監測與預警，同震三維形變場反演，地表沉降監測，礦山沉陷監測，水壩形變監測等。甘肅黑方臺滑坡的成功預警是InSAR技術和GNSS形變監測技術聯合應用的結果。
導航/遙感技術的集成
導航與遙感的典型集成應用場景是GNSS、INS等導航技術為遙感平臺提供位置和姿態信息，輔助遙感傳感器成像。隨著集成度的提高，導航與遙感的集成方式也有所改變。按集成的載體平臺劃分，可分為天基導航、遙感集成，空基導航、遙感集成和地基導航、遙感集成。
01
天基導航、遙感集成
天基導航、遙感集成手段主要有兩種：一是導航技術為遙感平臺提供位置姿態信息；二是導航與遙感功能共享衛星平臺。
第1種集成手段的典型應用是測繪衛星的無控制點定位問題。無控制點攝影測量技術能夠大幅縮減成圖的野外工作量，提升成圖效率和成圖時效性，因此是攝影測量學科的發展方向，也是一個國際難題。光學衛星影像無控定位首先需要確定傳感器的位置和姿態，這主要依靠GNSS精密定軌技術和基於星敏感器、陀螺儀的姿態確定技術。光學衛星影像的無控定位實現方法主要有兩種：一種是直接前方交會，另一種是光束法平差。直接前方交會法是將GNSS定軌結果和星敏感器/INS提供的姿態作為已知值，通過兩張相片交會確定地面目標的坐標。光束法平差是利用多個相片的光束關係，聯合求解地面目標的坐標，並且求解衛星軌道和姿態改正數。光束法平差是更為嚴密的攝影測量方法，獲得的無控定位精度也優於直接前方交會法。對於直接前方交會法，導航技術提供的遙感平臺軌道和姿態直接決定了無控定位的精度。對於光束法平差，雖然軌道和姿態參數也參與平差計算，但無控定位只能消除不同成像位置之間的相對誤差，平差後絕對空間基準的精確性仍然依靠導航技術提供的位置和姿態信息。近年來，導航技術提供的軌道和姿態參數精度有所提升，也促進了衛星無控定位的精度的提升。21世紀初，世界上最先進的光學遙感衛星SPOT5、Cartosat-1、ALOS等衛星全色立體影像解析度在2.5~5 m的水平，其無控定位精度在數十米至上百米的水平。國外高解析度遙感衛星IKONOS、Quickbird、OrbView-3等獲取的全色影像解析度均優於1 m，但其無控定位精度在10~30 m。近年來，我國衛星無控定位精度有了跨越式發展，達到了國際先進水平。我國的資源三號衛星的無控定位精度達到平面6 m，高程5 m；天繪一號03星無控定位精度達到平面3.7 m，高程2.4 m。隨著合成孔徑雷達(SAR)衛星技術的發展，對衛星的姿態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，需要保證衛星兩次成像時位置和姿態具有良好的一致性，這對GNSS精密定軌的實時性提出了更高的要求。
第2種集成方式是針對目前我國衛星資源的覆蓋能力有限，響應速度慢，協同能力不足的現狀，文獻[2]提出的「通信，遙感，導航」一體化的天基信息實時服務系統。天基的衛星資源需要一星多用，多星組網，多網融合，最終按需提供智能服務。天基實時服務系統要求天基衛星資源能夠同時提供定位、導航、授時、遙感、通信(PNTRC)這5種服務。
武漢大學2018年6月發射的珞珈一號科學實驗衛星是探索通信、導航、遙感一體化技術的一次成功的嘗試。該衛星搭載130 m解析度的夜光遙感相機和低軌衛星導航增強載荷，同時具備星地之間50 Mbps的通信傳輸能力用於星上數據下傳，衛星的主要載荷如圖 2所示。珞珈一號衛星拍攝的夜光遙感影像免費向社會發布，累計提供超過31萬景/次的夜光遙感數據，並且形成了夜光遙感數據全國一張圖。此外，該衛星還開展了首次低軌衛星導航增強試驗，驗證結果顯示採用低成本星載時鐘生成的測距信號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。通過實踐驗證了低軌衛星導航增強的技術方案的可行性並分析了未來發展所面臨的挑戰，為我國發展低軌衛星導航增強系統獲取了寶貴的經驗。
圖 2 珞珈一號衛星夜光遙感與導航增強載荷集成示意
02
空基導航、遙感集成
除了星基平臺外，空基導航、遙感的集成也是重要的研究和發展方向，主要集成的平臺包括無人機和近地空間浮空器等。與星基平臺相比，空基平臺最大的特點是需要由控制系統來維持平臺的位置和姿態。因此導航作為平臺控制系統的輸入，擔負著維持平臺飛行安全的責任。空基平臺比星基平臺更加靈活，且飛行高度更低，這有利於提高遙感影像的解析度。空基導航遙感集成技術廣泛地應用於氣象監測預報，國土資源調查與城市管理，海事動態監測，災害預報、監測與評估，精細農業，海洋權益保障等領域。空基導航、遙感集成方式主要是導航系統為遙感載荷提供位置姿態信息。得益於高精度衛星導航定位技術的發展，基於無人機的大比例無控測圖已經達到平面5 cm, 高程8 cm的精度，可以滿足1:500測圖要求。此外，基於近地空間浮空器的遙感和導航增強系統在區域導航信號的功率增強和抗幹擾方面具有巨大的發展潛力，目前也處於技術可行性論證階段。
03
地基導航、遙感集成
地基導航、遙感集成技術具有平臺多樣化，技術手段多樣化和應用場景多樣化等特點。由於地面環境複雜，障礙物多，因此地基平臺導航的難度和重要性遠高於空基和天基平臺。根據集成系統中遙感技術的角色，可以將地基導航、遙感集成系統劃分為信息採集型和環境感知型兩類。信息採集型即利用遙感技術採集環境的物理和幾何屬性，包括街景數據採集，移動測圖等，適用於測繪，城市管理等應用。環境感知型是利用遙感技術感知周圍的環境用來避障，路徑規劃等。特別是對於移動機器人，自動駕駛等新興應用領域，導航與環境感知已經成為其核心技術。
移動測圖系統主要利用GNSS，視頻相機，慣性導航系統或者航位推算系統進行融合，能夠在平臺移動的過程中實時提供平臺的位置和姿態信息。在移動過程中平臺上搭載的各類傳感器設備採集各種環境的幾何、物理和屬性信息，並賦予其空間屬性。與傳統人工測量和調繪相比，移動測量具備高效率，低成本，勞動強度低，成果全面，可靠性高等特點，可廣泛應用於基礎測繪、電子地圖測繪和修測，公路GIS與路產管理，道路裂縫檢測，電力GIS數據採集，鐵路資產管理等領域。
環境感知型導航與遙感技術結合，利用GNSS技術解決絕對定位以及電子地圖匹配，再利用雷達，三維雷射掃描，視覺等技術手段實現避障、環境感知和目標識別等，用於保障無人系統的安全。特別是同時定位與地圖創建(SLAM)技術，允許機器人在未知環境中實現導航和測圖。其主要思想是：依靠已創建的地圖信息進行自身定位，再根據定位結果更新地圖。SLAM技術被認為是真正實現機器人自主性的核心環節。SLAM技術能夠獲得相對坐標系定位結果，要獲得絕對坐標系坐標仍然需要外部導航定位手段的輸入，例如與GNSS系統融合。目前基於視覺、三維雷射掃描傳感器的SLAM技術在室內三維測圖、機器人導航等領域已得到廣泛應用。
遙感增強的導航定位技術
遙感技術與導航技術深層次的融合是突破各自功能界限的融合，包括利用遙感技術輔助導航和利用導航信號進行遙感兩大類。這兩類技術能夠突破各自的功能界限，因為他們在本質上存在一定的聯繫。本文梳理出導航與遙感技術的統一化表徵模型，如圖 3所示。遙感技術用於導航主要是通過提取特徵點的幾何信息進行測距，而利用導航信號成像的核心技術則是將導航信號進行二維分塊並離散化。圖3中涉及的技術將劃分為遙感增強的導航技術和GNSS遙感兩部分內容分別論述。
圖3 導航與遙感技術的統一化表徵
遙感技術增強的導航定位技術是指利用光學相機，雷射雷達等遙感成像技術與傳統的導航定位技術融合，以提升導航定位的精度、可用性和可靠性等。根據融合原理可劃分為鬆耦合技術和緊耦合技術。
01
遙感/導航鬆耦合定位技術
遙感影像定位分為兩種形式，一種是特徵點的空間坐標已知，則可以利用共線方程對相機進行絕對定位定姿，這種方式通常稱為影像匹配導航(SMN)技術。在特徵點坐標未知的情況下，可以通過多張相片的同名點進行相機相對定位，這種方式通常稱為視覺裡程計(VO)技術。遙感、導航技術的鬆耦合定位是利用相機和GNSS、INS等導航設備分別確定載體坐標信息，再進行融合來提升定位精度、可用性、可靠性的技術。根據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組合導航主要用於車輛導航和無人機導航。對於自動駕駛應用，可以通過識別影像中的交通標誌，人工編碼標誌等特徵，並且利用這些標誌的幾何信息輔助GNSS技術和INS技術定位。GNSS定位適合提供絕對的定位信息，而影像匹配導航特別適合於局部精確導航，因此影像匹配可在一定程度上彌補GNSS導航性能的不足。SMN能夠在GNSS的基礎上進一步提升精細導航能力，實現自動駕駛防撞、避障、變道導航等。在一些可靠性精度要求較高的場合，通常需要利用視覺信息匹配來提升GNSS定位的可靠性，例如視覺輔助無人機自主著陸。GNSS/SMN技術與慣性導航技術(INS)、地形匹配導航技術(TAN)等組合應用可以提升複雜環境下自主導航能力。
視覺裡程計導航主要使用視覺傳感器技術，通過單目視覺，雙目立體視覺，多目立體視覺，全景視覺以及多傳感器組合應用等方式獲取載體相對運動信息。單獨使用視覺進行導航定位計算量大，而且容易造成誤差累計，受環境光線影響明顯，因此通常使用視覺與慣性導航，GNSS導航等技術融合進行導航定位，用於車輛和無人機導航等領域。在視覺裡程計的基礎上可以進一步擴展建圖功能，形成視覺的同時，也實現定位和建圖(vSLAM)，該技術可廣泛地應用於行星車等特殊場合。利用VO得到的精確的載體相對位移量做約束，可以提升GNSS動態定位的精度。
02
遙感/導航緊耦合定位技術
導航、遙感緊耦合定位技術是指聯合利用遙感信息和導航信號確定用戶位置的技術。目前視覺與導航緊耦合定位的方式主要有兩種：一種是利用對天的相機實時獲取信號遮擋信息，然後輔助算法鑑別接收到的衍射和繞射GNSS信號，降低非視距信號(NLOS)帶來的誤差，從而提升GNSS在城市峽谷等區域的定位精度。該方法中遙感影像僅用於輔助質量控制，並沒有直接參與定位計算。
另一種是文獻[60]提出的視覺基站與GNSS緊耦合定位的方法，該方法將遙感影像與GNSS導航信號統一起來，實現緊耦合定位，定位原理見圖 4。光學影像中空間坐標已知的特徵點可視作視覺基站，這些基站可以理解為發射可見光測距信號的偽衛星基站。利用相方坐標與物方坐標之間的比例關係可以計算出相機到視覺基站的幾何距離，再聯合GNSS信號測量得到的幾何距離進行聯合定位解算。基於影像的定位通常用於近距離場合，主要是室內場景。在戶外場景中，受相機解析度的影響，視覺定位的精度隨物方距離增加而顯著下降。GNSS信號能夠提供相對高精度的距離觀測值，但在很多複雜場景又無法單獨定位。聯合這兩類距離觀測值既可以提高視覺獨立定位的精度，又可以提升GNSS信號被遮擋環境中定位的可用性。視覺信號具有良好的抗幹擾特性，因此該方法適用於地理環境和電磁環境複雜區域的導航定位。視覺基站可以是稜鏡，編碼牌等合作目標，也可以是建築物的角點等非合作目標。視覺基站系統布設簡單，成本低，不受供電影響。用戶終端使用GNSS接收機和相機，具有成本低，便於攜帶的優勢。通過視覺與GNSS緊耦合的方式，有利於提升PNT服務的堅韌性，可用性和抗幹擾性。
圖4 GNSS與遙感緊耦合定位原理
GNSS遙感技術
導航衛星可以提供全球覆蓋、免費、連續的L波段的微波信號，在用於導航定位的同時，該信號也被視作一種大氣和反射面的探測信號，成為一種低成本的，非合作的遙感微波信號源。研究利用GNSS信號探測和感知環境的學科稱為GNSS遙感學科。根據GNSS衛星信號應用方式，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GNSS直射信號的折射效應反演大氣參數，GNSS反射遙感則利用GNSS反射信號的峰值功率，波形後沿，時間延遲等參量來探測或者反演反射面性質。
01
GNSS折射遙感技術
GNSS折射遙感技術是指利用大氣對GNSS直射信號的折射效應反演大氣的變化特性。當GNSS信號穿過大氣層時，受到大氣中的自由電子和大氣分子的影響，改變了信號傳播路徑，發生了折射，從而導致額外的信號傳播延遲。這種大氣導致的信號延遲對於定位而言是誤差源，但是也可以用於對流層和電離層參數的反演。這種利用大氣對GNSS直射信號的折射效應反演大氣參數的遙感技術統稱GNSS折射遙感技術。GNSS折射遙感技術根據觀測對象不同可分為GNSS對流層遙感技術和GNSS電離層遙感技術。GNSS對流層探測的主要任務是反演大氣中的水汽含量，也稱作GNSS氣象學(GNSS/MET)。根據GNSS觀測平臺不同，GNSS氣象學又可分為地基GNSS氣象學和天基GNSS氣象學。根據大氣探測產品表達形式可劃分為二維大氣產品和三維大氣產品。本文以對流層探測為例(水汽反演)介紹幾類有代表性的GNSS折射遙感技術。
1.1 地基GNSS水汽反演
GNSS衛星信號穿越地球大氣層時，受大氣折射影響使信號傳播速度減弱和路徑彎曲，造成傳播時間延遲。這種延遲分為對流層延遲和和電離層延遲兩種。其中對流層延遲分為主要由幹空氣引起的流體靜力學延遲和水汽造成的溼延遲。靜力學延遲可通過氣象參數比較精確地計算，而大氣中所含的水汽由於時空變化特性複雜，無法模型化，通常是利用GNSS信號延遲來估計。水汽造成的信號延遲與大氣可降水量PWV(precipitable water vapor)之間存在確定的函數關係，因此可以利用估計得到的GNSS信號延遲來探測大氣水汽含量，也通常稱為GNSS氣象學(GNSS/MET)。
傳統的地基GNSS水汽反演方法是將GNSS接收天線架設在精確坐標已知的點上，這樣就可以精確地計算站星之間的幾何距離。通過精密鐘差產品和參數估計的形式處理衛星和接收機端鐘差影響，再進行利用電離層估計或採用無電離層組合的方式消除電離層的影響，然後利用氣象信息扣除靜力學延遲分量，最後利用對流層投影函數估計對流層天頂方向的溼延遲分量，再將其換算成大氣可降水量PWV。GNSS水汽反演可以採用雙差觀測模型，星間單差觀測模型和非差觀測模型。傳統的地基GNSS水汽反演得到的是測站天頂方向的總延遲，具有高時間解析度的特點，反演精度可達1~2 mm量級。地基GNSS水汽反演只能反映測站附近的可降水量情況，要反演整個區域的可降水量，則需要聯合解算多個地面站形成的站網。GNSS水汽反演不受氣溶膠、雲和降水的影響, 能夠彌補衛星和地面可見光、紅外、微波遙感在這方面的缺陷[63]。地基GNSS水汽反演技術對於改進區域及全球數值天氣預報相當重要, 並使得GPS/MET技術成為大氣遙感的最有效的方法之一。
1.2 地基GNSS水汽層析技術
傳統地基GNSS水汽反演只能獲取測站處天頂方向的總水汽含量，不能反映水汽的垂直結構信息。而水汽的垂直分布對於提高天氣預報精度，研究水汽循環和微氣候成因非常關鍵[64]。GNSS水汽層析技術允許利用GNSS信號傳播路徑上總延遲來反演水汽分布的垂直結構。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
(1)
式中, ε、ϕ是信號路徑的高度角和方位角；Mw(·)是溼投影函數；∏是對流層延遲到水汽含量的轉換係數；ΔLg(·)是水平梯度；r是GNSS載波相位驗後殘差。
SWV可以表達為單位面積上大氣中的絕對溼度沿著傾斜路徑方向的積分，可表達為
(2)
式中, ρs為液態水密度；HA為水汽密度；s為傾斜路徑。
考慮到天上有多顆導航衛星，地面有多個測站的情況，則可以在區域內形成多條信號傳播路徑。為了將GNSS SWV觀測值與三維水汽場建立聯繫，可以引入計算機層析成像(CT)的概念，即將連續的積分路徑離散化，拆分成若干個網格單元。每個單元格都是空間內的一個六面體，假設六面體內的水汽密度相同，均為xj, 第i條信號路徑在第j個格網內傳播路徑長度為Δsij，則離散化後的SWV可表示為
(3)
將一個時間段內所有的SWV集合起來聯合求解各個格網單元中的水汽密度xi就可以獲得三維水汽場。考慮到沒有觀測值的格網單元會造成觀測係數方程不適定，可以通過施加水平方向約束，垂直方向約束和頂層約束來解決。
1.3 天基GNSS水汽探測技術
天基GNSS水汽探測主要是利用星載GNSS接收機接收GNSS折射信號來反演大氣特性，通常稱作GNSS掩星探測技術GNSS-RO(GNSS radio occultation)[68]。GNSS-RO可實現大氣層和電離層探測，具有高精度、高垂直解析度、長期穩定、全球覆蓋、全天候等優勢，可彌補傳統大氣探測手段的不足，其探測資料對數值天氣預報、臨近空間環境監測與研究、氣候與全球變化研究、大氣模式研究和數據同化等具有重要的科學意義。
GNSS-RO的原理如圖5所示。掩星事件的幾何關係可以用電波彎曲角α，碰撞參數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a=nr。n為大氣折射指數，r為射線離地心距離。假設大氣折射指數在局部是球對稱分布，則大氣折射指數可由Abel積分變換公式計算如下
圖5 GNSS掩星觀測原理
(4)
式中, a0為當前掩星觀測對應的碰撞參數。
GNSS-RO數據處理首先計算大氣折射導致的多餘信號傳播路徑，並換算成附加都卜勒頻移，再進一步計算信號彎曲角。經過一系列的誤差修正和參數優化，再利用Abel積分變換得到掩星觀測點的大氣折射指數，並進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。基於幾何光學的反演方法通常垂直解析度較低，低層大氣處理時也易出現多徑現象。為了克服這些問題，又提出接收信號復振幅的無線電全息反演方法和克服低層大氣多路徑問題的組合反演方法等。
GNSS-RO在大氣垂直剖面獲取方面具有獨特的優勢，目前已經作為大氣數據同化的主要數據源之一，廣泛地應用於天氣預報，大氣探測，氣候變化監測等領域。我國2013年發射的氣象衛星風雲-3C裝備有國際首臺北鬥/GPS兼容的掩星探測接收機，並成功地獲取了大量的掩星觀測數據。
1.4 GNSS電離層探測技術
GNSS信號穿過大氣層造成的延遲包括對流層延遲和電離層延遲兩部分。普遍認為距離地面高度60 km以下的部分主要是對流層的影響，而60~2000 km的區域主要受電離層的影響。電離層誤差和對流層誤差區別對待是因為二者性質不同，對流層延遲與信號頻率無關，而電離層一階項延遲則與頻率平方成反比。電離層對GNSS信號的影響比對流層更加顯著，而且更加難以建模。
基於GNSS信號的電離層探測主要利用電離層延遲的頻率相關特性。利用GNSS信號提取電離層的方法主要有兩種：一種是基於無幾何距離組合觀測值的方法；另一種是基於精密單點定位參數估計的方法。基於無幾何距離組合觀測值法是利用無幾何距離組合消除觀測值中所有頻率無關的項，再扣除衛星端和接收機端的碼間偏差，從而得到電離層觀測值。一般會使用相位平滑偽距的方式抑制偽距噪聲對電離層估值的影響。基於精密單點定位參數估計的方法是直接利用原始雙頻觀測值形成觀測方程，同時估計接收機坐標、接收機鐘差、對流層參數、電離層延遲和模糊度參數。如果接收天線的坐標精確已知，可以通過約束坐標參數的方法提升電離層估計精度。地基電離層探測估計的結果是衛星視線方向的總延遲(STEC)。考慮到電離層的厚度影響，直接將STEC通過投影函數轉換為測站天頂方向總延遲(VTEC)會導致顯著的誤差。因此一般會採用薄殼假設模型，將STEC壓縮為信號傳播路徑與薄殼交點(穿刺點，即IPP)處的傾斜延遲，在利用投影函數轉換為IPP處的天頂延遲用於電離層建模。
地基GNSS電離層探測與地基水汽探測類似，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，也可以採用電離層層析的方式研究電離層三維空間密度。天基的掩星觀測也可以用於反演電子密度垂直剖面， 但是電離層總延遲的計算方法與水汽總延遲計算方法有所不同。考慮到GNSS電離層層析系統中的不適定問題，可以採用正則化算法，正交函數法，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重構的方法提高計算效率。GNSS電離層反演具有時間解析度和垂直解析度高、精度可靠的特點，在電離層監測和預報領域具有廣闊的應用前景。此外，GNSS電離層反演還可以用於電離層擾動監測，震前電離層異常監測[82-83]以及海嘯引起的電離層擾動等。
02
GNSS反射遙感技術
GNSS反射遙感(GNSS-R)技術是指通過測量GNSS反射信號的峰值功率，波形後沿，時間延遲等參量來探測或者反演反射面的物理或者幾何性質。GNSS-R的應用領域從相對單一的海洋應用逐漸過渡到複雜的陸地遙感應用，觀測平臺從地基/岸基等靜止平臺逐步發展到飛機/衛星等移動平臺。按照觀測模式劃分，GNSS-R可分為雙天線模式和單天線模式兩種。其中雙天線模式採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；單天線模式是利用一副天線同時接收直射和反射信號。單天線模式在信號處理時通常採用一定的方式扣除直射信號從而分離出反射信號進行觀測，主要用於地基觀測。
1. GNSS-R高度變化測量技術
GNSS-R測量反射面的高度變化是利用反射信號測量反射面的幾何信息，主要有兩種模式：幹涉模式和反射模式[87]。幹涉模式是指利用同一個接收天線接收直射和反射信號的疊加信號。由於直射信號和反射信號的幹涉現象導致信號強度出現高頻的振蕩。通過趨勢項擬合的方法扣除直射信號的影響，再利用信號強度振蕩頻率與反射面高度的關係反演反射面的高度。反射模式通常是利用兩個接收天線分別接收直射和反射信號，通過求解反射信號的接收時延作為觀測值，再利用接收機、衛星與反射面的幾何關係求解反射面的高度。從接收平臺的角度劃分，可分為地基和空基兩類。這一類的應用有海面高度反演、海浪波高反演、積雪厚度反演等。
2. GNSS-R反射面特性感知技術
GNSS-R反射面特性感知技術主要是利用GNSS反射信號強度對於反射面參數的敏感性來反演反射面的特性，典型的應用包括土壤溼度反演，海冰監測，海面風場的反演等。測量得到的地表GNSS反射信號功率與地面的若干幾何和物理特徵參數相關，包括反射面的復介電常數，反射面物理溫度，反射面的粗糙程度等。利用GNSS-R技術反演反射面特性的方法可分為空基和地基兩種：空基GNSS-R測量範圍大，但載噪比受到大氣的影響較顯著，另外測區內反射麵條件不一致也會影響反演結果；地基GNSS-R受大氣影響小，便於安裝，但是測量範圍僅限於幾平方米至幾十平方米。
對於土壤溼度反演的應用而言，可以利用GNSS反射信號的地表反射功率和直射信號功率的比值求解地表垂直分量的反射係數。然後再根據反射係數求解土壤的介電常數，最後通過土壤的介電常數模型求解土壤溼度。目前已有大量的學者利用GNSS-R技術開展了土壤溼度測量的試驗，結果表明，平坦的地表條件下，GNSS-R與土壤溼度計測量的結果具有良好的一致性。GNSS-R技術還可以用於檢測反射面粗糙程度變化，例如根據海面與冰面的電磁波散射特性差異來檢測海冰的變化。類似地，可以根據海面風場對海面散射係數的影響反演海面風場。
3. GNSS信號目標探測技術
利用GNSS-R進行反射面特性研究通常都是定性的描述，如果反射面特性複雜，則會影響反演效果。利用GNSS信號成像的技術能夠提升反演的空間解析度，甚至用於目標探測與識別，具有廣闊的應用前景。GNSS信號成像技術也稱作GNSS合成孔徑雷達(GNSS SAR)技術。根據GNSS信號接收平臺不同，可分為空基GNSS SAR技術和地基GNSS SAR技術。由於GNSS信號並不是為成像設計的，因此用於成像時，具有一定的技術挑戰。主要體現在以下5個方面：①信號調製方式不同；②信號帶寬窄；③信號不是脈衝形式; ④GNSS信號能量低; ⑤雙基地SAR。GNSS SAR的工作原理見圖 6。接收機同時接收直射信號和反射信號用於時間同步，然後將反射信號進行二維分塊，利用回波時延的緩變特性進行二維成像。
圖6 GNSS SAR成像原理
GNSS SAR的關鍵技術是將GNSS連續波劃分成等效脈衝信號，再將脈衝信號進行二維分塊處理。對於成像區域內各個點的回波信號，其都卜勒相位和回波時延隨時間變化特性不同。因此，二維分塊後回波信號表達式可近似地表示為[98]
(5)
式中，t和η分別為快時間和慢時間；αk和τk(t)分別表示第k個目標區域對應的幅度衰減因子和傳輸延遲時間；θk(η+t)表示回波信號的都卜勒相位；Ts為合成孔徑時間；T為等效脈衝重複間隔。
GNSS SAR成像中，直射信號的接收與反射信號的接收共用一套本振信號從而保證兩個通道之間的時間同步，通過直射信號提取都卜勒信息和距離徙動參數。根據衛星和接收機的相對位置關係確定成像場景反射信號的幾何關係。再根據直射信號的都卜勒信息和距離徙動參數以及直射與反射信號的幾何關係獲得回波信號的都卜勒參數和距離徙動參數，用於回波信號的聚焦成像。
GNSS SAR成像技術主要用於目標檢測[100]和海面監測。受到成像解析度的限制，GNSS SAR主要用於大目標的檢測，例如根據海面和海冰表面粗糙程度不同的特性，通過研究GNSS反射信號在時延-都卜勒映射(DDM)圖上的散射能量空間分布，可用於識別海冰的邊界。GNSS SAR成像還可以用於檢測一些靜態和動態的目標。
總結與發展趨勢
本文梳理了導航與遙感技術融合的3個層次，即協同、集成和融合。從導航與遙感協同的角度，導航技術側重於連續的點測量，而遙感技術則主要是低時間解析度的面測量，二者協同能夠提高空間信息獲取的效率。從導航與遙感集成的層面，從天基、空基和地基3個角度討論了集成方法和主要應用。天基和空基平臺的集成從過去的導航輔助遙感成像模式走向一星多用和導航、遙感功能級別的集成。地基平臺的集成的目的從地理空間信息的獲取走向無人系統對環境的感知。在導航與遙感技術融合層面，遙感輔助導航定位能夠提升導航定位對複雜環境的適應性和抗幹擾特性。在彈性PNT框架中，遙感技術以其獨特的優勢將在導航服務中扮演越來越重要的角色。GNSS遙感技術也逐漸形成門類齊全的學科，包括折射遙感和反射遙感兩類。折射遙感利用大氣對天基和地基GNSS信號的折射效應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大氣探測技術具有高時間解析度、高垂直解析度、高精度和低成本的特點，在氣象學，空間物理甚至災害預警方面展現出巨大的潛力。GNSS反射遙感是通過接收GNSS反射信號的強度、時延、波形後沿等特性反演海洋和陸地的幾何和物理性質，甚至通過二維分塊的方式，也可以成像用於目標探測，具備了合成孔徑雷達的功能。
導航信號和遙感數據都用於提供導航服務和遙感服務，雖然導航和遙感在深層次融合方面取得了相當的進展，但是各自在性能方面也存在約束和技術瓶頸。未來的導航與遙感的融合將從現在的平臺集成，功能集成走向未來信號層面的集成。
來源：測繪學報，2019，48(12)：1507-1522.
DOI：10.11947/j.AGCS.2019.20190446
作者：陳銳志；王磊；李德仁
原標題：《學術 | 陳銳志：導航與遙感技術融合綜述》