JPH11510914A

JPH11510914A - 衛星信号を処理することによりジオイド測定とジオイド画像生成との少なくとも一方を行う方法及び装置

Info

Publication number: JPH11510914A
Application number: JP10504542A
Authority: JP
Inventors: ディディエ、マソネ
Original assignee: サントル、ナショナル、デチュード、スパシアル
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 1999-09-21
Also published as: FR2749398A1; US6130644A; DE69725547T2; FR2749398B1; EP0852734B1; EP0852734A1; WO1998007046A1; DE69725547D1

Abstract

(57)【要約】衛星信号を処理することによりジオイド測定とジオイド画像生成との少なくとも一方を行う方法及び装置を提供する。少なくとも１つの指向性アンテナ（２）を用いて、衛星から送られて地面から反射された無線信号を捕らえ、測地測量値と、指向性アンテナが向けられている地帯の画像との少なくとも一方を得るために、衛星からの無線信号に対応する基準信号を用いて前記信号を処理することを特徴とする、ジオイド測定と地球画像生成との少なくとも１つを行う方法。

Description

【発明の詳細な説明】衛星信号を処理することによりジオイド測定とジオイド画像生成との少なくとむ一方を行う方法及び装置本発明は、衛星からの衛星信号を処理することにより、ジオイド測定とジオイド画像生成との少なくとも一方を行う方法及び装置に関するものである。従来、マイクロ波周波数におけるジオイド測定または地球画像生成は、衛星ＥＲＳ−１などの観測衛星に搭載されていることが分かる種類の合成開口レーダ（ＳＡＲ）を用いて行われる。特に、ＳＡＲ画像に干渉計を応用することにより、地面の地震による変形、地震、火山の噴火、等・・・を追跡することが可能である。地球の画像を生成し、かつジオイド測定のための衛星レーダ干渉計技術とその技術の応用とについて説明するために、下記の種々の刊行物を参照すると有利である。「宇宙に配備したレーダの干渉計法によるエトナ火山の風化（Deflation of M ount Etna monitored by spaceborne radar interferometry）」、Didier Masso nnei他、Letters to Nature、Vol．375、No．6532、1995年５月15日号。「ランダー地震の１年後の歪みのレーダ干渉計法マッピング（Radar interfer ometric mapping of deformation in the year after the Landers earthquake ）」、Didier Massonnet他、Letters to Nature、Vol．369、1994年５月19日号。「1993年５月17日のカリホルニア、ユーレカ・バレイのＭ＝６．１地震の同震波線上歪みフィールドの衛星レーダ干渉計マップ（satellite radar interferom etric map of the coseismic deformation field of the M=6.1 Eureka Valley ，California earthquake of May17，1993）」、Didier Massonne、Kurt L.Feig l、 Geophysical Research Letters、Vol．22、No．12、ｐｐ．1541〜1544、1995年６月15日号。「レーダ干渉計法によりマップされたランダー地震の変位フィールド（The di splacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometr y）」、Didier Massonnet他、Letters to Nature、Vol．364、No．6433、1993年６月８日号。「衛星レーダ干渉図における地質学的現象の弁別（Discrimination of geophy sical phenomena in satellite radar interferometry）」、Didier Massonnet 、Kurt L．Feigl、Geophysical Research Letters、Vol．22、No．12．ｐｐ．15 37〜1540、1995年６月15日号。下記の刊行物を参照することもできる。「受動反射計及び干渉計システム（Paris）：大洋高度測量への応用（A passi ve reflectometry and interferometry system(Paris)：application to ocean altimetry）」、Martin-Meira M,E.S.A.Journal、Vol．17、No．４、1993年１月１日号、ｐｐ．331-355。この文献は画像を使用しない高度計算法を記述している。地上の幾何学者が一般にそのような技術の専門家でないと仮定すれば、それらの幾何学者は衛星搭載のＳＡＲによる地球の観測に使用することが困難であることを知る。本発明の目的は、衛星搭載のＳＡＲ技術と同じ情報にアクセスできるようにし、しかも地上で使用することが非常に容易である画像生成及びジオイド測定を行うための方法及び装置を提案することである。反射された信号を基準信号と比較することは、他の応用、例えば、ドイツ特許第42 10 823 号明細書で提案されているような、航空機の着陸支援のために無線画像を決定する場合に使用する技術である。しかし、その明細書では、反射信号と基準信号とが動いているシステム（航空機）から得られるために、基準放射を観測できる時間間隔に制約を加えて、データ処理を複雑にする。その理由は、受信器の運動パラメータを考慮する必要があり、したがって、精密な測定が不可能になるからである。特に、その構成では異なる日に得た信号を比較することが不可能であり、２日間に亘る大地の動きに関する測地情報を得ることができず、三次元情報を得ることもでき難い。本発明は、地面に対して固定されている少なくとも１つの指向性アンテナを用いて、衛星から送られて地面から反射された無線信号を捕らえ、測地測量値と、指向性アンテナが向けられている地帯の画像との少なくとも一方を得るために、衛星から送られた無線信号に対応する基準信号を用いて前記信号を処理することを特徴とする、ジオイド測定方法と地球画像生成方法との少なくとも１つを提案するものである。有利なことに、特に、単一の指向性アンテナにより異なる日に撮られた画像に対して、または異なる場所に設置されているアンテナにより同時に撮られた画像に対して干渉計による処理も行われる。したがって、操作すべき最少の機器で、地上の幾何学者は精密な測地測量と、三次元内の変位するフィールドの測定とを行うことが可能である。この方法は、単一または技術的に可能な任意の組合わせで撮る、下記の種々の特徴に組合わされるから有利である。すなわち、基準信号が、指向性アンテナの近くに配置されているアンテナにより衛星から直接捕らえられた無線信号である。基準信号と、指向性アンテナにより捕らえられた衛星からの反射された無線信号との間で相関処理が行われ、それと共に、捕らえられた信号を送る衛星の２つの測定値の間の変位を考慮して位相補正を行う。衛星から反射された無線信号はＧＰＳ無線位置決定信号またはＳＡＲ信号である。本発明は、地面に対して固定され、かつ地面に向けられた指向性アンテナと、このアンテナの出力端に設けられ、地面で反射されてアンテナにより受信された後で、衛星からの無線信号を受信することを可能にする受信器手段と、アンテナが向けられている地帯の測地測量値と画像との少なくとも一方を、受信した前記信号と、基準信号との関数として決定するためのプロセッサ手段とを備えたことを特徴とする、ジオイド測定と地球画像形成との少なくとも１つを行う装置をも提供するものである。この装置は、基準信号として作用するために、指向性アンテナの近くに配置されて、衛星から無線信号を直接受けるアンテナを含むから有利である。衛星から基準信号を受けるアンテナは非指向性アンテナである。それは使用される無線信号を送る衛星へ向けられる指向性アンテナとすることもできる。本発明のその他の特徴及び利点は、下記の説明から更に分かるであろう。この説明はまったく例示のためのものであって、限定するものではない。その説明は添付図面を参照して読むべきである。図１は本発明の実施形態を示す線図である。図２は相関長を決定する時に考慮すべきパラメータを示す線図である。図３は本発明が提案する方法の干渉計的処理を示す線図である。図４は与えられた地帯上の三次元運動を観測するために本発明をどのように実施するかを示す。図１は、無線信号を所定の周波数帯で地球へ向けて送信する衛星Ｓを示す。地上では、本発明の装置は受信器Ｒで構成される。この受信器は観測すべき地帯Ｚの付近に配置され、図１では放射パターン１と２により表されている２個のアンテナを有する。当然、受信器Ｒは地上に直接置くこともできれば、例えば、係留気球に載せることにより地面に対してほぼ固定することができる。アンテナの一方は高くて無指向性のアンテナである（放射パターン１）。それは衛星Ｓにより地面へ向けて送られた信号を受信する。このようにして受信された信号は基準信号として作用する。他のアンテナ（放射パターン２）は指向性アンテナであって、画像を形成したり、測地測量を行うことを希望する地面の地帯を観測する。したがって、この第２のアンテナは地面により後方散乱されたものとして信号を受信する。衛星Ｓと、それが送る無線信号とは任意の種類のものとすることができる。理解されたであろうが、本発明は、既存の宇宙システムにより送られた無線信号を使用することにより、画像または測地測量値を得ることを可能にするという利益を提供するものである。例えば、有利なことに、受信器ＲはＧＰＳ衛星群中の衛星Ｓにより送られた無線位置決定信号を受けることができる。または実際に、衛星Ｓは衛星ＥＲＳ−１とすることができ、受けた無線信号はそれのＳＡＲレーダにより送られた信号である。特にＧＰＳ衛星に対して適用されるように、複数の衛星が同じ周波数帯で送信している場合は、衛星の種々の送信器により送信されている信号の間の干渉を避けるために、高いアンテナに多少の指向性を持たせる必要があることに気がつくであろう。受信器Ｒは、アンテナが受信した無線信号を適切に増幅するための手段と、検出すべき空間信号に整合させられた入力フィルタと、ベースバンド中の信号を回復するように、送信器搬送波に受信信号を混合するための手段とを含む。搬送波は、どのような誤差も信号の帯域幅よりはるかに小さくするために十分な確度で再生される。受信器Ｒは、このようにして得たベースバンド信号をサンプリングするための手段も含む。動作帯域幅を保持するために、サンプリング間隔はｃ／Ｂより小さい。ここで、ｃは光の速度、Ｂは送信器の帯域幅（ＥＲＳ：１５ＭＨｚ、ＧＰＳ：２０ＭＨｚ）である。以下の説明全体を通じて、Ｍ（ｋ）とＳ（ｋ）はそれぞれ、高いアンテナから出力されたサンプルされた信号（衛星から送られた信号）と、指向性アンテナにより出力されたサンプルされた信号（エコー信号）とを示し、ｋはサンプル指標付け（sample indexing）に対応する整数の指数（integer index）である。受信器Ｒは、相関処理と、画像計算処理と、干渉計的処理とを行うための手段を含む。それらの各種の処理について以下に詳しく説明する。１）相関を生ずる線であるように、ＭとＳは相関させられ、対応する信号Ｌが、所定の時間中、すなわち、線Ｌ_nにおけるインデックス整数ｎにおいて、計算される。ここで、＊は複素共役演算を示し、「length」は以下に詳細に説明する相関長さである。この線Ｌ_nはｉの存在する種々の値と同数のサンプルにより構成される。実際には、線は観測される地帯をカバーするだけで十分であり、したがって、サンプルの数は観測される地帯の深さをセル解像力（cell resolution）のサイズで除したものに等しいように選択される。それは一般にｃ／Ｂに近い。図１では、衛星Ｓから距離Ｄ₁、及び受信器Ｒから距離Ｄ₂である地面の点Ｐが記されている。衛星Ｓと受信器Ｒとの間の距離をＤと書く。そうすると点Ｐはサンプルに対応する。そのサンプルに対してはｉ＝（Ｄ₁＋Ｄ₂−Ｄ）・Ｂ／ｃである。相関長さ「length」は、送信器が不連続に動作するならばパルス中のサンプル数に等しく、例えば約１７００Ｈｚのパルス率で３０μｓのパルスを送信する衛星ＥＲＳ−１のＳＡＲ送信器からの信号を受ける時は、この長さ「length」は７００に等しく、送信器が連続型であれば（ＧＰＳの場合におけるように）、１つの線から次へ行くために要する時間に対応するサンプルの数に等しく、この時間の逆数をここでは「繰り返し疑似周波数」と呼ぶ。この時間を計算する方法を図２を参照して説明する。衛星Ｓの進む向き（図１と図２における矢印）に幅Ｌの観測地帯の上を送られる信号を許容できるやり方でサンプルするために、信号が相関を外れるようになる度に新しい測定値が取られる。すなわち、位置Ｓ₁から位置Ｓ₂へ衛星の位置が変化する時は、衛星から観測される地帯の終りまでの視線の長さの間の差が波長に等しい量だけ変化することを意味する。すなわち、［（Ｄ_d−Ｄ_c）−（Ｄ_b−Ｄ_a）］＜λ ここで、（Ｄ_d−Ｄ_c）と（Ｄ_b−Ｄ_a）はそれぞれ位置Ｓ₁とＳ₂に対して、衛星から観測される地帯の終りまでの間の視線の長さの差、λは疑似ランダム信号の波長である。幅が１０ｋｍである観測される地帯の垂直上方に位置しているＧＰＳ衛星については、計算された繰り返し疑似周波数は１０Ｈｚであって、線の間の時間０．１秒と、２００万のオーダーの相関長さ「length」とを与える。送信している衛星がそれの天頂位置から離れて動くと、疑似周波数は低くなる（したがって、上で与えた値「length」を依然として適用できる）。幅が５ｋｍである地帯を観測している衛星ＥＲＳ−１の不連続の場合に同じ基準が適用されるとすると、繰り返し疑似周波数が８５０Ｈｚ、すなわち、送信器により実際に加えられる周波数の半分より低くてはならない。これは、衛星と地球の間で往復経路をたどった信号を適切にサンプルするためにシステムが構成されているという事実により説明される。往復経路をたどると距離の全ての変化が２倍になる。このシステムを用いることの他の特徴は、観測される地帯の幅が５ｋｍより広ければ、それの疑似周波数が変化しないことである。その理由は、いずれにしてもＥＲＳ衛星が５ｋｍだけの幅に信号を送り、それにより任意の時刻に観測される地帯に制約を課すからである。いずれにしても、上記のように、不連続システムはそれの繰り返し周波数（ＥＲＳの場合には１７００Ｈｚ）を装置に課す。基準信号は高周波アンテナにより直接取り出されるから、受信器はそれが用いる信号のフォーマットについての正確な知識を持つ必要はないことがわかるであろう。特に、必要なコードについての正確な知識なしにＧＰＳシステムを用いて本発明を実施できる。更に、元の信号と、地面からの信号との間の相関は、観測される地帯に同時に放射する種々のＧＰＳ衛星からの寄与を分離もすることがわかるだろう。２）画像の決定画像決定は、合成開口レーダに対して従来実施された処理に類似する線処理を用いて上記処理を仕上げる。これに関して、下記の刊行物を参照すると有利なことがある。「ＣＮＥＳ汎用ＳＡＲ相関器（CNES general-purpose SAR correlator）」、D .Massonnet、M.Rossi、F.Adragna、IEEE(TGARS)、Vol．32、No．3(05-1994)を参照することによりそれの教示がここに含まれる。例えば、処理は、観測される地帯の各点に対して次のステップを含むことができる。各上記線において点のサンプル数ｉの特徴が計算され；数が分数であれば、ｉに正確に対応する複素サンプル（complex sample）を得るために線は希望により再びサンプルされ；線が基準差に対して獲得された時における、例えば、距離Ｄ₁＋Ｄ₂−Ｄが最小であった時に計算された、位相差２π（Ｄ₁＋Ｄ₂−Ｄ）だけ、結果として得られた複素数（complex number）の位相が修正され；各線中の前記点について得られた複素数が加え合わされる。このようにして、合成開口部レーダの画像に類似する、複素数で構成された画像が得られる。他の処理方式ももちろん可能である。衛星の進む向きに垂直な方向における画像の解像力はｃ／Ｂのオーダーである。送信器の位置、及び装置の照準軸に対するそれの軌道の方向とに応じて解像力は変化することがある。衛星の進む向きに対する解像力は、地帯を観測して処理する時間に依存する。この向きでは、解像力セル（resolution cell）の寸法は、地帯の幅Ｌを、観測時間と繰り返し疑似周波数の最低制限値との積で除したものにほぼ等しい。得られた画像の信号対雑音比が不十分であるとすると、画素の近くで直角検波（quadrature detection）を行うことにより画像の輪郭（amplitude appearance ）を改善できる。この操作によって放射計法による画質（radiometric quality ）を解像力の細かさの低下（detriment of fineness of resolution）まで向上させる。干渉計による処理のためには、それでも、複雑な画像を他の画像に組合わせる位置に置くように保持して、おそらくその後でその組合わせの平均を取ることにより信号を改善することが必要である。３）干渉計による処理同じ受信器Ｒにより異なる日に得た画像、または異なる場所に配置されている２台の受信器Ｒにより同時に得た画像、を干渉計技術により組合わせることができる。その技術自体は知られているからここでは特に詳しく説明はしない。干渉計技術の応用の例については上記文献、並びにレーダ干渉計法：限界及び可能性（Radar intrferometry：limits and potential）」、D.Messonnet、The． Rabaute、IEEE（TGARS）、Vol．31、No．２（1993年３月）を参照すると有利である。それらの文献において引用されている種々の刊行物を参照することも有利である。本発明の重要な利点は、衛星の軌道が反復する必要がある精度に干渉計技術が課す諸条件を緩和することにあることを観察できる。それらの条件は参考文献［５］に一般的な事項で記述されている。その緩和はおよそ半分であって、その理由は電波が単一の経路のみに沿って進行するという事実にある。更に正確にいえば、波長λに等しいか、それより大きい経路長の差に達しない、各画像における発生の違い（difference of incidence）で地面解像力セル（g round resolution cell）を観察しなければならない。これを図３に示す。この図で、単一の解像力セルＣＲについての波面Ｆ₁とＦ₂を見ることができる。解像力セルの寸法はそれぞれ「ａ」と「ｂ」であり、干渉計に対する条件｜ｂ−ａ｜＜λであることを要する。ＥＲＳ−１に対しては、２つの軌道が１ｋｍのオーダーである間に得られた画像に、それら２つの軌道の間の制限する差が干渉計法を適用することを可能にする、この条件はそれの軌道の６０％に対して満たされる。ＥＲＳレーダ信号を受信することにより本発明を実施して得られた画像に対しては、この制限は２ｋｍまで拡がる。そのような状況の下では、ほとんど全ての軌道を使用できる。ＧＰＳ送信器に対しては、干渉計法についての諸条件内に留めるために、公称軌道に対する差を約２５０ｋｍより大きくしないことが必要である。したがって、この技術を少なくとも下記の状況に適用できる。ＧＰＳ衛星群は２４の衛星を含む。それらの衛星の軌道は６つの軌道面内に含まれる。各軌道面には４個の衛星が含まれる。それらの軌道面は星に対して固定される。軌道は１２時間軌道である。例えば、ＧＰＳ衛星が地帯の天頂にあった時に得た画像と他の画像との間で比較を行うとすると、その地帯が動いて６つの軌道面の１つに再び入ることを待つ必要がある。特に、１日が経過した後で、その地帯は同じ衛星の下の同じ軌道面内に再びほぼ入るが、４分の差があり（太陽日と恒星日の差のために）、一方、同じ長さの時間中の地球の回転によりたかだか１１０ｋｍの差を生じさせられる。種々のＧＰＳ衛星の間で干渉計法の組合わせを行うことができる他の場合が無数に存在する。例えば、６時間後または１２時間後に、あるいは、軌道面の変化（２時間ごとにＧＰＳ軌道面を通る地球上の任意の与えられた点）に組合わされた、恒星差（１５日で１時間に達する）を待った後で、２５０ｋｍ以内のより良い差である他のＧＰＳ衛星の下に位置することを可能にする。本発明の可能な用途の例を図４を参照して以下に説明する。図４は三次元中の運動をモニタすることが望まれる場所を示す。このために、その場所の複数の点Ａ１，Ａ２，Ａ３に配置されている３台の受信器を使用する。それら３台の各受信器は、モニタされている時間の期間の両端で測定を行う。その場所の三次元運動のモニタを可能にするように、それらの受信器の指向性アンテナ（それらのアンテナの放射パターンで表されている）が向けられる。その場所の与えられた点Ｐに対して、各受信器は距離Ｄ₁とＤ₂の和の変化を感知する。ここに、Ｄ₁はＰと送信している衛星との間の距離、Ｄ₂はＰと受信器との間の距離である。幾何学的にいえば、各受信器は、点Ｐに対して、点Ｐを通り、かつ、測定が行われている間における送信器の平均位置と、受信器の位置とに焦点を持つ回転楕円面に垂直なベクトルに沿う受信器の変位を測定する。３台の受信器を適切に配置することにより、点Ｐにおける任意の運動を３つの次元の全てで再構成することが可能であることが理解されるであろう。運動が鉛直方向のみであることが知られているならば、モニタされている時間の期間の両端で測定を行う１台の受信器を用いてその運動をより簡単に測定できる。各画像点に対して、測定値の対を比較すると、正規化されたベクトルＳＰの鉛直成分のみに起因すると考えることができる変位を与え、かつ、位相差の測定値が波長のｘ％を与えるならば、点Ｐの鉛直運動はｘ・λ／ＳＰ₂である。ＧＰＳを受信する時は、信号の２つの周波数を用いて電離層を通ることの影響を検出して、それを解消できる。複数の衛星、例えば、ＧＰＳ受信器で通例のように４個のＧＰＳ衛星を受信できるシステムを考えることも可能である。そのような受信器は、２つの周波数に同調された２台の受信器手段と、地面に向けられた大型アンテナとを有する。衛星へ機械的または電子的に向けられた小型指向性アンテナで受信器により基準無線信号を得ることも可能である。受信器によりこのようにして受信された信号により受信器の位置を決定することが可能にされ、その後で、変化する遅延時間をおいて、地面により反射された信号がデジタル化され（２０ＭＨｚで）、かつ混合され、それにより各衛星からの信号を弁別すること、及び距離Ｄ₁＋Ｄ₂（図１の記法を用いて）の関数としてそれらの信号を識別することを可能にする。またこの場合には、受信器はＧＰＳ基準信号を直接取り出すことが観察されるであろう。したがって、正確なコードに書く必要はない。更に、元の信号と地面から来る信号との相関により種々のＧＰＳ衛星からの寄与を分離もする。理解されたであろうように、本発明の装置により数多くの利点が得られる。それ自体がどのような無線信号も生じないとすると、特殊な許可も要することなくそれを組み込むことができる。ほとんどの送信器からの信号は小さい入射角度で地面で受信されるから、受信器が共通平面（地面）内に全体として配置されているとしても、このシステムは鉛直運動に対して特に良く感知する。測地測量には、画像形成レーダを用いて得られる画像に類似する画像が伴う。その画像は従来の画像ほど容易には解釈されないが、測地測量の視覚的表現を提供することにより可能な人工物を識別及び検出することを可能にする。

Claims

【特許請求の範囲】１．地面に対して固定されている少なくとも１つの指向性アンテナ（２）を用いて、衛星から送られて地面から反射された無線信号を捕らえ、測地測量値と、指向性アンテナが向けられている地帯の画像との少なくとも一方を得るために、衛星から送られた無線信号に対応する基準信号を用いて前記信号を処理することを特徴とする、ジオイド測定と地球画像生成との少なくとも１つを行う方法。２．単一の指向性アンテナにより異なる日に撮られた画像に対して、または異なる場所に設置されているアンテナにより同時に撮られた画像に対して干渉計による処理も行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。３．基準信号は、指向性アンテナの近くに配置されているアンテナにより衛星から直接捕らえられた無線信号であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。４．基準信号と、指向性アンテナにより捕らえられた衛星からの反射された無線信号との間で相関処理を行い、それと共に、捕らえられた信号を送る衛星の２つの測定値の間の変位を考慮して位相補正を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。５．衛星からの反射された無線信号はＧＰＳ無線位置決定信号であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。６．衛星からの反射された無線信号はＳＡＲ信号であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。７．地面に対して固定され、かつ地面に向けられた指向性アンテナ（２）と、このアンテナの出力端に設けられ、地面で反射されてアンテナにより受信された後で、衛星からの無線信号を受信することを可能にする受信器手段（Ｒ）と、アンテナが向けられている地帯（Ｚ）の測地測量値と画像との少なくとも一方を、受信した前記信号と、基準信号との関数として決定するためのプロセッサ手段とを備えたことを特徴とする、ジオイド測定と地球画像生成との少なくとも１つを行う装置。８．基準信号として作用するために、指向性アンテナ（２）の近くに配置されて、衛星から無線信号を直接受けるアンテナ（１）を含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。９．衛星から基準信号を受けるアンテナ（１）は非指向性アンテナであることを特徴とする請求項８に記載の装置。１０．衛星からの基準無線信号を捕らえるアンテナ（１）は、使用される無線信号を送る衛星へ向けられる指向性アンテナ（２）であることを特徴とする請求項９に記載の装置。