GNSS和InSAR组合监测系统设计
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作者:颜芳 孙芳 黄鑫 徐锐 岳雷
摘 要：GNSS接收机因其高精度的点位监测在地表位移形变监测领域的市场逐年增加。目前，已成为研究热点的InSAR技术在地面形变监测方面具有高空间分辨率和连续覆盖的特点。文章将这两种技术进行组合设计，重点描述了组合系统的组成、原理、现场设备的设计、云平台处理软件设计，并在涿州园区进行试验验证，后期可推广应用于形变监测领域。
关键词：全球导航卫星系统;接收机;合成孔径雷达干涉测量;
1 项目背景
监测各类地质灾害现象（如滑坡、地面沉降、采空塌陷）所引发的三维地表位移，对于准确认识地质灾害现象的发生机制、运动过程和发展趋势，具有重要的意义，近年来各类地质灾害监测项目中越来越多地采用了全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收机进行三维地表位移的监测。但GNSS监测存在面定位精度不高的問题，将结合合成孔径雷达干涉测量技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）[1-2]高空间分辨率和连续覆盖的特点，形成点面结合的三维地表位移监测系统，既突破单一监测技术的应用局限，又极大地提高了三维形变监测结果的时空分辨率[3]。
2 总体方案
2.1 系统组成
GNSS和InSAR组合监测系统由现场监测设备和云平台数据处理软件组成，现场监测设备安装在灾害监测点附近，主要包括GNSS接收机和角反射器。云平台数据处理软件可对GNSS接收机和角反射器的数据进行处理。其组成框架如图1所示。
2.2 原理介绍
GNSS接收机用来测量地表的三维形变，在一个变形区域内布设一个GNSS基准站和若干个GNSS观测站，接收视场内的所有卫星数据（包括GPS、北斗、GLONASS），并通过4G无线通信网络将采集的卫星观测数据上传至云平台。
角反射器是InSAR中的辅助测量工具，可增强星载雷达的反射，作为监测区域在InSAR影像中的“地面控制点”[4]，用于精确配准InSAR影像[4]，以提高区域形变监测的准确性。角反射器最好布设在GNSS观测站5 m以内的范围。人工按照卫星的观测周期（一般为7～14天），从云端下载卫星数据，然后通过InSAR数据处理软件进行处理。
GNSS数据处理软件负责接收GNSS接收机的卫星观测数据，进行解算得到观测站的坐标值，并与初始测量值进行对比，得到观测站X，Y，Z 3个方向上的位移变化值。
InSAR数据处理软件利用GNSS接收机得到的三维坐标值对卫星InSAR影像进行精确配准，然后进行解译处理，得到角反射器安装区域的高程变化。原理架构如图2所示。
3 现场设备设计
3.1 GNSS接收机设计
GNSS接收机主要由太阳能充电管理电路、电源管理系统、MCU主控模块、GNSS板卡、GNSS天线、4G模块、数据存储模块和调试接口等组成。其组成框架如图3所示。
为了提高接收机的处理速度并降低设备的功耗，最终准备采用ST公司的STM32L系列单片机实现，它是超低功耗高性能微控制单元（Microcontroller Unit，MCU），采用Cortex-M4内核，工作频率为80 MHz，有3个串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）接口、4个通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口和1个低功耗的UART接口;带有日历功能的32位RTC小于1 μA的实时时钟，1 s精度;多路12位模拟/数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）通道等，主要用于各种低功耗应用如物联网（Internet of Things，IoT）等。
（1）太阳能充电管理电路可对太阳能电池的最大功率点进行跟踪，自动调整充电电流，对深度放电的电池进行涓流充电，具备充电状态、充电结束状态指示和电池温度检测功能。
（2）电源管理单元主要用于将电池电压转换为各模块需要的工作电压，并通过单片机控制各模块的供电，以降低系统功耗。
（3）GNSS板卡选用三系统全频板卡，静态精度：水平不大于（±2.5±1）×10-6，垂直不大于（±5±1）×10-6;采样频率可根据现场的要求进行设定，默认值设为10 s。
（4）GNSS天线为全频天线，采用抗多路径干扰设计。
（5）数据存储模块采用SD卡存储的方式，可根据客户的要求配置SD卡的容量。
（6）调试接口采用RS232接口，方便维护。
（7）4G模块选用移远的EC20 R2.1 Mini PCIe来实现。该模块支持标准的AT指令集3GPP TS 27.007，27.005及移远通信增强型AT命令;其工作电压：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;正常工作温度：﹣35～﹢75 ℃;扩展工作温度：﹣40～﹢80 ℃。该模块在网络注册时的功耗约为70 mA，网络注册成功但无数据交互的功耗为15～19 mA，睡眠阶段的功耗约为3 mA，发送数据阶段的功耗约为100 mA。
3.2 角反射器设计
本方案中拟选用三面角的角反射器[6-7]，材料为铝板和镀锌铁皮双层结构，铝板厚3 mm，外加镀锌铁皮（1 mm厚）以保护反射面（铝板），边侧加三角角钢加固;3块金属板之间的相互垂直角度加工公差不超过±1;在棱边设置了3个活动关节，通过伸缩杆来调节人工角反射器（Corner Reflector，CR）的仰角;在顶底处设置了一个漏水孔，使积水不至于影响其反射路线;为获得雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS），可根据雷达数据轨道信息来调整角反射器的底边方位角，并使角反射器的底边与卫星飞行方向平行。角反射器的示意和实物如图4—5所示。 4 云平台数据处理软件设计
云平台数据处理软件包括GNSS数据处理软件和InSAR数据处理软件，GNSS数据处理软件可对GNSS接收机的数据进行静态实时解算，并按照设定的周期输出高精度的三维坐标值。InSAR数据处理软件采用sarmap公司的SARscape软件，它是国际知名的雷达图像处理软件。该软件架构于专业的ENVI遥感图像处理软件之上，提供完整的SAR数据处理功能，全面支持雷达干涉测量（InSAR/DInSAR）数据处理和分析，输出SAR图像产品、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和地表形变图等信息。
本系统将GNSS数据处理软件解算的GNSS观测站的高精度三维坐标值（X，Y，H）带入到SARscape软件中，不仅能对InSAR的影像进行插值，还能快速识别该GNSS观测站附近的角反射器，并利用角反射器的三维坐标对卫星的干涉基线进行重新估算，从而提高观测精度。
5 试验验证
5.1 试验设备
在涿州工业园区安装了两套GNSS接收机和一套CR，两套GNSS接收机分别配置为基准站和观测站。在靠近GNSS观测站5 m的距离范围内布设了一台反射器，角反射器针对哨兵1号卫星布设。设备如图6所示。
5.2 试验结果
5.2.1 GNSS观测站的3个方向的变化曲线
GNSS观测站和基准站的原始数据采集周期设定为10 s，星历周期为60 s，数据解算周期为1 h。为验证GNSS是否能测试到高程的变化，设计了一个15 mm的垫块，在2018年7月3日将GNSS观测站的高程调高了15 mm。图7—9选取了GNSS观测站从2018年6月24日到2018年7月5号的数据，x，y，h方向分别为高斯投影北、东、高3个方向的坐标值，测试结果如下。
5.2.2 通过InSAR监测涿州区域的形变曲线
本次试验获取了从2018年1月—11月的20景哨兵影像。可能是CR的设计和安装问题，导致其在SAR影像上的十字星特征不明显。
经过IN-SAR形变计算，获得监测区域的平均形变如图10所示，最小变化区间为-10.569～-2.221，最大形变区间在-89.877～-60.062，标记为2的点代表角反射器安装的区域，其变形区间在-33.228 633 65～-21.302 676 48。可以看出，大部分形变变化在-10.569～-2.221之间。
5.2.3 数据分析
可以看出，GNSS观测站的x方向最大变化值约为4 mm，y方向最大变化值约为5 mm，h方向在2018年7月3号调整了15 mm，未调整高度前h方向的最大变化值为5 mm，可以明显地看出调整前后数据有15 mm的形变趋势。图10中标记为2的点代表角反射器的安装位置，因角反射器设计和安装的误差，从SAR影像中未能获取到角反射器明显的十字星，故通过SAR影像获取的涿州监测区域的平均形变也是存在一定误差的。
6 结语
本系统简要描述了一套集GNSS技术和InSAR技术的组合监测系统，通过在涿州园区进行测试，验证了GNSS技术的mm级形变监测能力。尽管角反射器的设计和安装位置不够理想，给后期SAR影像的处理带来了一定的困难，但也从侧面反映了该组合系统不仅可以监测一些高精度点位上的形变量，而且可以测试一定区域的形变。考虑到InSAR技术对角反射器的设计、安装、选点及后期数据处理有很高的要求，要进行大面积推广，需有专业的机构进行指导。后期会对这套装置进行设計完善，确保这套点面测量相结合的监测系统尽快推向市场。
[参考文献]
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[2]何敏.合成孔径雷达干涉测量技术及其在形变灾害监测中的应用[J].水电自动化与大坝监测，2005（2）：45-48.
[3]金双根，朱文耀.GPS观测数据提高InSAR干涉测量精度的分析[J].遥感信息，2001（4）：8-11.
[4]谌华.CR-InSAR大气校正模型研究及其初步应用[D].北京：中国地震局地质研究所，2006.
[5]谌华，甘卫军.利用GPS与InSAR融合提高形变监测精度方法研究[J].大地测量与地球动力学，2010（3）：59-62.
[6]姜山.三角形三面角反射器加工公差对其单站RCS影响研究[J].航空兵器，2006（4）：24-27.
[7]袁礼海.SAR辐射定标精度设计与分析[J].雷达科学与技术，2009（1）：35-39.
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
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