微小型GNSS-R測(cè)高儀測(cè)高精度評(píng)估及地面驗(yàn)證

秦 瑾,孟婉婷,杜璞玉,馮劍鋒,周 勃

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

0 引言

利用GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)數(shù)據(jù)進(jìn)行海態(tài)參數(shù)遙感的技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)20余年，相對(duì)于傳統(tǒng)的微波遙感技術(shù),GNSS-R微波遙感技術(shù)是一項(xiàng)嶄新的、有效的、低成本的微波遙感技術(shù)，可應(yīng)用于中尺度海面平均高度[1]、海面風(fēng)場(chǎng)、有效波高、海冰、海表溢油、海面艦船目標(biāo)、土壤濕度、植被覆蓋、空中飛行目標(biāo)、掩星等參數(shù)的探測(cè)，具有刈幅寬、功耗低、質(zhì)量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

雖然近年來(lái)GNSS-R實(shí)驗(yàn)多集中在岸基、機(jī)載等平臺(tái)，但星載GNSS-R載荷由于其刈幅寬、時(shí)間及空間分辨率多樣等優(yōu)點(diǎn)，仍具有較大的業(yè)務(wù)應(yīng)用潛力。2003年10月，英國(guó)空間中心發(fā)射了UK-DMC災(zāi)難探測(cè)衛(wèi)星，其搭載的GNSS-R載荷[2]收集了大量GPS L1波段的海洋表面散射信號(hào)的原始數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了利用星載GNSS-R設(shè)備遙感海態(tài)、冰雪和陸地參數(shù)的可行性。2008年，歐洲航空局(ESA)啟動(dòng)了PARIS-IoD項(xiàng)目[3]，2011年宣布GEROS-ISS計(jì)劃[4]，開展海面高度測(cè)量及大氣探測(cè)、降雨、海冰探測(cè)等研究。2016年，美國(guó)宇航局(NASA)發(fā)射一箭八星CYGNSS(微小型GNSS-R衛(wèi)星)[5]，對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行高時(shí)空分辨率觀測(cè)，旨在對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)核建模。2014年7月，英國(guó)Surrey研究中心研制的SGR-Resi搭載在TechDemoSat-1技術(shù)演示驗(yàn)證衛(wèi)星上發(fā)射成功，收集了大量的星載觀測(cè)數(shù)據(jù)[6-7]。

由于國(guó)外已經(jīng)具有明確的星載GNSS-R微納衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)劃，而國(guó)內(nèi)并沒有，針對(duì)星載GNSS-R載荷的微小型設(shè)計(jì)，研制了微小型GNSS-R測(cè)高儀，本文對(duì)GNSS-R測(cè)高原理、測(cè)高儀的硬件設(shè)計(jì)方案、相關(guān)軟件算法、地基實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案、反演算法、測(cè)高精度進(jìn)行了介紹。

1 GNSS-R測(cè)高原理

GNSS-R探測(cè)儀可以同時(shí)接收多個(gè)GNSS衛(wèi)星的信號(hào)，其觀測(cè)范圍廣，不受天氣(云、霧)等影響，能夠?qū)Ｃ鎸?shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)觀測(cè)，圖1為GNSS-R幾何關(guān)系。GNSS-R探測(cè)儀一方面接收導(dǎo)航衛(wèi)星直射信號(hào)，對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行捕獲、跟蹤、同步、授時(shí)，并根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出反射信號(hào)的碼相位、多普勒頻偏；另一方面對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行接收、下變頻，并進(jìn)行多普勒延遲映射，得到相延多普勒測(cè)圖(Delay Doppler Mapping，DDM)曲線，再經(jīng)過反演算法得到海面高度、有效波高、海面風(fēng)場(chǎng)等信息。

海洋反射面的定義有兩種：一種是假設(shè)地球表面為水平，不考慮地球曲率，該方式用于以地基或低空飛行器方式進(jìn)行高度測(cè)量；另一種是采用球形模型，考慮地球曲率對(duì)反射的影響，該方式用于以高空飛行器或星載方式進(jìn)行高度測(cè)量。假設(shè)地球表面為水平的前提下，將接收機(jī)擺放于湖面或海面上方某高度，可建立接收機(jī)與衛(wèi)星和湖面或海面之間的幾何關(guān)系，如圖2所示。

根據(jù)空間幾何學(xué)原理，不考慮大氣層等空間傳播的不理想因素，可建立BDS-R測(cè)高型幾何路徑延遲模型。圖2中，S表示鏡面反射點(diǎn)的位置，R表示接收機(jī)。

已知GNSS衛(wèi)星，鏡面反射點(diǎn)和接收機(jī)的幾何位置[8]，則反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)總的延遲路徑為

ρE=P1+P

(1)

根據(jù)幾何光學(xué)原理，可得

P1+P=2hcos(π/2-α)

(2)

式中：h為反射信號(hào)接收天線到反射面的高度；α為反射點(diǎn)到某顆衛(wèi)星的俯仰角；P為直射信號(hào)在衛(wèi)星與接收天線之間的幾何距離。精確測(cè)量出直射和反射信號(hào)的傳播幾何路徑差，即可獲得觀測(cè)到的h為

h=ρE/(2sinα)

(3)

2 硬件設(shè)計(jì)

微小型GNSS-R探測(cè)儀采用新一代的集成芯片技術(shù)和軟件無(wú)線電技術(shù)，硬件技術(shù)指標(biāo)如下。

1) 上視天線：3 dB；

2) 上視天線波束寬度：120°；

3) 下視天線：12 dB；

4) 下視天線波束寬度：40°；

5) 質(zhì)量：<2 kg；

6) 功耗：<13 W。

天線的輻射方向如圖3所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖4所示。

3 軟件算法

GNSS-R測(cè)高儀的探測(cè)原理是，利用反射信號(hào)滯后于直射信號(hào)的延遲時(shí)間來(lái)進(jìn)行反射面高度探測(cè)。星載GNSS-R測(cè)高儀的理想探測(cè)指標(biāo)是：測(cè)高精度為5 cm，空間分辨率為100 km，時(shí)間分辨率為2 d。岸基、機(jī)載的GNSS-R測(cè)高儀通?？梢赃_(dá)到cm級(jí)的探測(cè)精度，而星載GNSS-R測(cè)高儀的探測(cè)精度卻受多種因素限制，得到的DDM曲線信噪比會(huì)降低、曲線會(huì)非常平滑，不利于尋找精確的鏡面反射點(diǎn)。

通常獲取反射信號(hào)DDM曲線有Clean replica和干涉式(Interferometric)兩種相關(guān)處理算法。其中，干涉式相關(guān)算法利用的是全碼互相關(guān)，即將導(dǎo)航衛(wèi)星上面調(diào)制的CA碼、P碼、M碼全部進(jìn)行混合相關(guān)，具體操作是直接在反射信號(hào)與直射信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)操作，由于直射信號(hào)和反射信號(hào)是同源信號(hào)，所以可得到全碼互相關(guān)曲線。值得注意的是，全碼互相關(guān)時(shí)，噪聲也進(jìn)行了互相關(guān)，所以得到的DDM曲線的噪底會(huì)比較大，信噪比稍微比Clean replica算法略低，這也正是采用干涉式互相關(guān)算法時(shí)通常會(huì)使用高增益天線(>20 dB)的原因。但由于其互相關(guān)曲線包含了P、M碼等高速碼的自相關(guān)信息，其互相關(guān)曲線具有更尖銳的尖峰，曲線斜率也較大，峰值部分寬度也較窄，更利于尋找精確的鏡面反射點(diǎn)位置，所以反演可得到更高的精度。因此，在星載環(huán)境下，使用干涉式相關(guān)算法要比傳統(tǒng)的Clean replica算法能獲得更高的精度。

3.1 Clean replica算法

Clean replica算法是傳統(tǒng)的GNSS-R相關(guān)處理算法，其將接收到的反射信號(hào)和本地生成的CA碼或者民用P碼進(jìn)行相干積分、非相干累加，即利用了偽隨機(jī)碼的自相關(guān)和互相關(guān)原理。相關(guān)原理如圖5所示，CA碼的自相關(guān)函數(shù)如圖6所示。

3.2 干涉式算法

干涉式相關(guān)算法是將反射信號(hào)與直射信號(hào)直接進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)曲線結(jié)果包含了CA碼、P碼、M碼的相關(guān)特性信息。相關(guān)原理如圖7所示，從圖7可以看出，全碼互相關(guān)得到的曲線具有更尖銳的尖峰。全碼互相關(guān)函數(shù)及全碼反射信號(hào)功率譜如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)開展及數(shù)據(jù)處理

岸基GNSS-R實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為上海市滴水湖景區(qū)，兩副天線搭載在高為5 m的支撐桿上，上視天線對(duì)天放置，下視天線照射水面，實(shí)驗(yàn)設(shè)備放置方式如圖9所示。

圖10是北斗GEO 01號(hào)星的直射信號(hào)相關(guān)值。橫軸為CA碼的碼相位，縱軸為相關(guān)值，可以看到出現(xiàn)了相關(guān)峰，并大于監(jiān)測(cè)閾值，可以對(duì)該衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤。

GNSS-R接收機(jī)均采用直射信號(hào)開環(huán)控制反射信號(hào)的形式對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行DDM映射，即捕獲跟蹤到直射信號(hào)的觀測(cè)量時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系，計(jì)算反射信號(hào)的碼延遲和多普勒頻偏。圖11是北斗GEO 01號(hào)星的反射信號(hào)與本地CA碼進(jìn)行1 ms相干積分得到的波形。圖12是直射信號(hào)、反射信號(hào)分別與本地CA碼進(jìn)行1 ms相干積分、0.5 s非相干積分得到的波形。可以看出：1)反射信號(hào)的功率明顯比直射信號(hào)低；2)非相干積分能夠提高功率譜的信噪比；3)由于風(fēng)速較低，湖面較平靜，反射信號(hào)的功率譜散射并不劇烈。圖13是直射信號(hào)與反射信號(hào)進(jìn)行干涉式互相關(guān)的波形，可以看出由于接收機(jī)的BD通道帶寬只有4 MHz，并沒有完全接收到BD的P碼，所以該波形的形狀并不準(zhǔn)確，但同樣可看出反射信號(hào)滯后于直射信號(hào)的時(shí)間。

圖14是GPS 05號(hào)星的直射信號(hào)、反射信號(hào)分別與本地CA碼進(jìn)行1 ms的相干積分、0.5 s的非相干積分得到的波形，圖15是直射信號(hào)與反射信號(hào)進(jìn)行干涉式互相關(guān)的波形，由于接收機(jī)的GPS通道帶寬只有2 MHz，并沒有完全接收到GPS的P碼、M碼，所以該波形的形狀并不準(zhǔn)確，但同樣可以看出反射信號(hào)滯后于直射信號(hào)的時(shí)間。

根據(jù)測(cè)風(fēng)儀測(cè)量，此時(shí)風(fēng)速為1.008 m/s，根據(jù)超聲波雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)，超聲波雷達(dá)與湖面之間的垂直平均距離為0.925 m，所以天線距離水面的真實(shí)高度應(yīng)為5.925 m，根據(jù)曲線平滑算法，對(duì)多普勒頻偏為0 Hz時(shí)的一維時(shí)延反射功率譜進(jìn)行曲線擬合，再根據(jù)最大倒數(shù)點(diǎn)法(DER)、峰值半功率法(HALF)[9]得到鏡點(diǎn)的位置，如圖16所示。

不同衛(wèi)星的反演數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，直射滯后于反射信號(hào)的時(shí)間的估計(jì)值Δρ=2hsinθ以50 s的數(shù)據(jù)為樣本，對(duì)兩種鏡點(diǎn)跟蹤方法進(jìn)行反演精度計(jì)算。

衛(wèi)星號(hào)高度角/(°)跟蹤方法測(cè)高誤差/cmBDGEO0149DER1.5HALF1.8BDMEO1349DER2.5HALF3.4GPS0653DER4.6HALF5.2GPS1967DER4.3HALF5.1

從表1可以看出，有的衛(wèi)星的反演結(jié)果測(cè)高誤差(方差)較小，但有的衛(wèi)星反演結(jié)果方差較大，分析原因有可能是因?yàn)榻邮諜C(jī)的定位精度不夠準(zhǔn)確，或者風(fēng)速太小導(dǎo)致散射效應(yīng)不明顯，也有可能受到電離層等環(huán)境的誤差因素影響，后續(xù)可利用寬帶接收機(jī)對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)干涉式算法進(jìn)行性能驗(yàn)證，提高反演結(jié)果的精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了GNSS-R測(cè)高原理、自行研制的微小型GNSS-R測(cè)高儀硬件設(shè)計(jì)方案、相關(guān)軟件算法(Clean replica算法、Interferometric算法)、地基實(shí)驗(yàn)開展、反演算法(DER、HALF)、測(cè)高精度評(píng)估、后續(xù)改進(jìn)思路等，實(shí)現(xiàn)了測(cè)高儀的地基實(shí)驗(yàn)測(cè)高精度的評(píng)估，測(cè)高誤差小于5.1 cm。從反演結(jié)果來(lái)看，有的衛(wèi)星測(cè)高誤差較小，有的衛(wèi)星測(cè)高誤差較大，原因可能是北斗衛(wèi)星碼速較高，導(dǎo)致測(cè)高誤差較小。由于風(fēng)速較小，滴水湖的湖面較為平靜，預(yù)計(jì)測(cè)高誤差應(yīng)小于2 cm，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，原因可能是接收機(jī)采用的是單頻定位，精度不夠準(zhǔn)確，也可能是受電離層等環(huán)境的誤差因素影響，后續(xù)可研制寬帶GNSS-R測(cè)高儀(30 MHz頻寬)，對(duì)全碼信號(hào)進(jìn)行采樣，利用干涉式算法進(jìn)行載荷的測(cè)高精度驗(yàn)證并在多平臺(tái)(如機(jī)載、熱氣球)進(jìn)行數(shù)字采集，分析環(huán)境因素對(duì)測(cè)高精度的影響，進(jìn)而結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征，建立測(cè)高精度仿真模型[10]，對(duì)仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)高精度進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而對(duì)GNSS-R測(cè)高儀在星載環(huán)境下的工作性能進(jìn)行評(píng)估。

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