[科普中国]-机载遥感

概述简介

机载遥感是指在高空的飞机平台上，运用各种传感器（如摄影仪、扫描仪和雷达等等）获取地表信息，通过数据的传输和处理，从而实现观测地面物体形状、大小、位置、性质及其环境的相互关系的一种综合性技术。1

优点虽然航天遥感是当今遥感技术的主流，但在一些领域，采用机载遥感技术具有独特优势。首先，灵活性明显高于卫星遥感。侦查卫星或者是商业遥感卫星目前的资源是有限的，卫星过顶周期和过顶时间通常是固定的，对地观测的频度相对较低，对于突发性问题不能给出及时的遥感图像；其次，机载遥感造价明显低于卫星遥感。每次卫星的发射需要大量的资源，也需要大量的准备时间，而且每颗卫星的使用寿命也是有限的，一旦卫星发生问题，则很难补救，而机载遥感虽然也有受天气的影响等不足，但具有明显的价格优势；再次，机载遥感可以获得灵活的遥感图像分辨率。虽然卫星遥感的图像分辨率有的已达米级甚至亚米级，但通常是固定的，不如飞机的近地遥感那样可灵活设置图像分辨率，获得高清晰的图像。1

机载遥感平台的机动和快速反应能力，使得其在各种紧急事物的处理上成为必备手段之一，比如军事应用上的战场侦察、重大自然灾害的实时监测等。为了进一步提高遥感数据应用的时效性，对获取的遥感图像等信息进行实时传输、实时处理显得尤为必要。此外，机载遥感数据实时传输的某些应用，要求传输过程具有高度保密性、隐蔽性和抗干扰能力。而这些在目前的实际机载遥感系统中远没有得到较好的解决。

发展现状在机载遥感应用方面，当前较多的是无人机用于遥感，国外把自控无人机称为UAV（Unmanned Aerial Vehicle）。随着在海湾战争和阿富汗战争中的突出表现，

近年来关于无人机的报道和相关文献才大量涌现，其中最为著名的机型包括美国的全球鹰、捕食者等（Btyenburgh，1999）。无人机系统在科学、商业领域的应用是近十年来才开始的，1992 年，Holland 等提出了自重小于20 公斤、利用GPS 自动驾驶、长航时、微小型飞机平台的概念，主要应用目的是对无人区进行大气探测。到1990 年Joanne 的文章中讨论了商业高空无人机遥感所引起的相关法律问题，1999 年Rodrigo 等提出了一种低速、长航时民用遥控飞行器的初步设计方案，可见在国外关于UAV 的民用研究，特别是在遥感领域的应用研究也正处于起步的阶段。目前各种类型的UAV 在国外被广泛地用于精准农业、海洋环境快速评估、交通管理和大气监测等领域。作为载体的UAV 也处于不断的发展之中，并且新型的平台不断出现。

国内对无人机遥感的研究也有十余年时间，1999 年，中国测绘科学研究院在国家863课题资助下对无人机海监遥感系统关键技术进行了研究，开发了UAVRS-I型低空无人机遥感监测系统，2003 年在国土资源部资助下完成了“UAVRS-II 型低空无人机遥感监测系统”的研制；北京大学与贵州航空工业集团于2005 年合作研制成功了多用途无人遥感机； 2006 年，中国测绘科学研究院研制的“UAVRS-10Y”型遥感无人机试验证机研制成功。

另外，国内一些文献也对无人机用于遥感的关键技术进行了探讨，相继提出了遥感平台设计、影像实时处理与下传、遥感数据地面接收与处理等多项关键问题并提出了技术方案；研究了机载SAR 图像压缩传输的关键技术，设计了基于JPEG2000 标准的SAR 图像压缩算法；并通过对无人机航片的分析提出了遥感影像获取及处理相关技术。相对而言，有人机用于遥感由于技术相对成熟，在文献中探讨的较少。1

用无人机进行遥感的主要优势体现在它可以使驾驶员从各种危险环境中摆脱出来，但从我国的现状来看，无人机技术发展还处于初级阶段，远未达到大规模实用化的地步，因此其在航空遥感方面的可用性和可靠性都大打折扣。而一般机载航空遥感系统更加实用和可行，可以有效满足当前森林防火等领域的紧迫需求。

实时传输模式传输模式是机载遥感影像空地传输的重要问题。机载遥感数据的空地实时传输模式，主要有机——地模式、机——星——地模式以及机——机——地模式三种。

机-地模式机-地模式是我国机载遥感数据实时传输系统中最先采用的模式。即飞机将机载遥感器的数据经过处理后通过机载天线直接发送给固定/移动的数据接收站。也有的系统在固定/移动接收站接收到传输的遥感信息后，进一步通过卫星信道或者本地电信网络将信息传送到遥远地区的用户，如图所示。

机——地传输模式的优势是传输信道容量较大，遥感信息可以不压缩或者以低倍率压缩发送到地面站，可以得到无损的或者失真很小的遥感图像。但是其缺点也很明显，包括：实时传输距离有限，由于飞机作业空域受飞机最大飞行距离限制所致；飞行作业地域受到限制，原因是飞机续航能力有限造成的；受气候、和天气影响较大。1

机——星——地模式中科院空间中心的姜景山院士针对机——地模式的缺点，率先在上世纪八十年代初提出了一种全新的机——星——地传输模式。机——星——地传输模式采用卫星作为数据实时传输的中继站，遥感信息经过处理后经由机载的卫星天线发给地球同步轨道卫星，卫星转发后由地面的接收站完成数据的接收。1

机——机——地模式安装在小型机载平台上的遥感

器和数据实时传输系统将获取的遥感信息通过空中无线信道传输给空中的大型航空平台，大型航空平台通过机载上行站接收的数据通过卫星中继发送给全国各地的用户。机——机——地模式综合了上述两种传输模式的优点，既突破了机——地模式传输距离限制，也突破了机——星——地模式的传输数据速率限制。1

信道特性通信信道，通俗地讲就是通信时传递数据时所用的通道。一般数据传输按照传输介质的不同而分成两大类：有线通信和无线通信。

有线通信是用导线作为传输媒质的通信方式，有线数据传输形式多样，从短距离的RS-232，RS-485 总线传输到架设光缆、电缆、租用电信专线以及通过计算机网络进行传输。有线信道是现代通信网中最常用的信道之一，各项技术发展得最为成熟，因此传输性能稳定可靠、噪声电平低、保密性能较好。传统有线信道的传输媒体有双绞线、同轴电缆、光纤等，统称传输线。发展到今天，有线网路基本形成了以光纤介质传输为主，双绞线或者同轴电缆为辅的传输连接。

无线通信则不需要架设导线，而是利用无线电波在空间的传播来传递信息。无线数据传输也是一个庞大的系统，分为专用无线数据传输系统（包括红外、蓝牙技术、微波传输、卫星传输）；借用CDPD，GSM，CDMA 等公用网信息平台等多种方式。1

无线信道形式无线信道一般有下面三种形式：

①微波通信。这是一种利用微波波段的电磁波在对流层的视距范围内进行信息传输的通信方式。工作特点在于多路复用、射频工作和中继接力。与波长较长的无线电通信相比，优点有：工作频带宽、通信容量大；通信效果较好，灵活性大；受外界干扰小；投资省、见效快。但是易受地形、大气的影响，造成电波衰落。

②卫星通信。该方式利用人造地球卫星作为中继站，实现地球上两个或多个地球站之间的通信。与其它通信方式相比较，具有以下特点：覆盖区域大、通信距离远，具有多址连接能力；频带宽、容量大，通信机动灵活，稳定可靠；建站费用与距离无关。需要解决的问题有因电波传播距离远带来的传输时延过大的影响；实现多址连接需要多址技术；卫星工作应有高度的可靠性；不同通信系统之间存在的相互干扰等。

③短波通信。这是利用地面发射的无线电波在电离层反射，或者在电离层与地面之间经过多次反射而到达接收点的一种远距离通信方式。由于电离层的不稳定性，短波通信在传输质量上极不稳定。但是它在进行远距离通信的时候，仅需要不大的发射功率和适中的设备费用，并且具有抗毁性的中继系统—电离层。对于军事通信和移动通信有重要的实用价值。1

数据传输方式在通信信道上，数据传输通常有以下两种方式：

①基带传输。原始数据信号不仅包括直流分量在内的低频率分量，还包含许多其他频率成分的谐波分量，它所占用的频带称为基本频带，简称基带。直接利用基带信号通过传输信道进行传输的方式称为基带传输。

②频带传输。与基带传输相对应，将基带信号先以某一形式的载波进行调制之后，再通过信道的传输，称为频带传输。对大多数信道（尤其是无线信道）而言，并不能直接传输基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化，即调制。调制满足了信道传输的需要，还能实现多路复用，完成频率分配和减小噪声干扰的影响。一般采用正弦波进行调制，分为调幅、调频、调相三种基本调制方式。1

两种传输模式信道特性在机——地系统中，遥感监测飞机不仅作为影像获取的主要设备，同时也是传输系统的发送单元。经过对遥感影响的存储、压缩、加密处理后，数据可以适应一定的带宽传输，通过机载的接收单元进行上变频调制，经发射单元放大到合

适的射频脉冲，最后经天线传送出去。地面接收设备在一定的范围内便可以接收到实时的遥感数据。从机——地传输的工作模式看，其传输信道同样受到各种各样的因素干扰，但其干扰主要来自于低层大气衰减与噪声的干扰较大。在机——星——地系统中，同步轨道卫星作为传输系统的一个中继站，将通信系统分为上行链路（机载平台到卫星）和下行链路（卫星到地面接收站）两个部分。对于接收站而言，影响传输信道的因素可以归结为两大类：大气衰减与噪声和接收站周围的多径干扰。

机载站上行链路和地面站下行接收链路的电磁波传播都要穿越地球表面的大气层，大气层的存在给传输信道带来一定的影响。电离层电离出的自由电子对卫星通信有着显著的影响。对流层中大气的压力分布、温度分布、水分子的密度都会影响电磁波在穿越对流层时的折射效应。大气扰动引起的电磁波在对流层的折射系数变化与大气衰减都与天线的仰角有关，在天线工作仰角较高情况下（>5 度）它们的影响都很小。云雨引起的衰减与噪声，仅对10GHz 以上的频道影响显著。可见，对于固定的卫星接收站而言，通常接收站的合理选址，能够避免接收天线周围环境引起的多径干扰。

在机——星——地实时传输系统的应用中，有时需要使用车载移动站实时接收卫星转发数据。比如森林火灾、水灾的实时检测和临时现场指挥部、军事侦察应用中的小型移动指挥中心等。移动卫星信道除了前面固定信道中的大气衰减、云雨噪声的影响外，由于接收站周围环境的变化，还会带来衰落和多径效应，因此是时变的、随机信道，信道参数与接收站所处理的地理环境、季节、气象条件等因素有关；通常根据移动所处的不同场景，来分析、预测信道特性。1