基于QZSS L1信號(hào)的岸基GNSS-R碼延遲海面測(cè)高

儲(chǔ)倜，賀凱飛，高凡，賀勻嶠，孟馨悅，徐天河

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，青島 266580； 2.山東大學(xué)空間科學(xué)研究院，威海 264209；3.山東大學(xué)空間科學(xué)與物理學(xué)院，威海 264209）

GNSS-R（global navigation satellite system-reflectometry）海面測(cè)高作為一項(xiàng)新興的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，主要優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)Ｃ嬉暂^低成本進(jìn)行高時(shí)空分辨率的觀測(cè)，以期在海嘯預(yù)警、海平面上升研究等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。雙天線GNSS-R測(cè)高是通過(guò)測(cè)量直射信號(hào)與反射信號(hào)之間的路徑差，從而獲取反射天線到海面的垂直高度，并結(jié)合GNSS定位信息，反演得到海面測(cè)高結(jié)果。其路徑差可以通過(guò)載波相位［1］和碼相位延遲［2］2種方式獲取。文獻(xiàn)［1，3-9］分析了基于GPS L1／L2頻段的載波相位延遲測(cè)高結(jié)果，但在海面波動(dòng)較大的情況下，接收機(jī)無(wú)法穩(wěn)定跟蹤反射載波相位信號(hào)。文獻(xiàn)［2，10-14］分析了基于GPS L1C／A碼和BDS B1I碼的海面測(cè)高結(jié)果，但GPS L1C／A碼和BDS B1I碼調(diào)制方式簡(jiǎn)單且?guī)捿^窄，制約了其GNSS-R測(cè)高精度。

近年來(lái)，GNSS信號(hào)編碼結(jié)構(gòu)和調(diào)制方式不斷升級(jí)，出現(xiàn)了多種抗多徑性能更優(yōu)、精度更高的民用測(cè)距碼。文獻(xiàn)［15］分析了更高碼率的GPS L5碼和GALILEO E5碼的信號(hào)特性及可能獲得的測(cè)高精度，而L1C碼作為新一代GPS高精度民用碼，采用了BOC調(diào)制方式，可使其有效提高測(cè)距精度及抗多路徑能力［16］。目前，GPS系統(tǒng)僅在BLOCK III衛(wèi)星上播發(fā)L1C信號(hào)，且BLOCK III在軌衛(wèi)星僅有3顆，其衛(wèi)星信號(hào)難以覆蓋中國(guó)東部沿海區(qū)域。QZSS系統(tǒng)作為GPS在亞太地區(qū)的增強(qiáng)系統(tǒng)，在L1頻段上調(diào)制有L1C碼和傳統(tǒng)的L1C／A碼［17］，而在中國(guó)東部沿海區(qū)域均可接收來(lái)自QZSS衛(wèi)星的反射信號(hào)，為探究 L1C 碼的GNSS-R海面測(cè)高精度提供了可能。

岸基GNSS-R測(cè)高技術(shù)可作為現(xiàn)有驗(yàn)潮站等近海海面高監(jiān)測(cè)方式的一種有效補(bǔ)充。在傳統(tǒng)驗(yàn)潮站的建設(shè)中，需要建造驗(yàn)潮井等施工過(guò)程復(fù)雜、耗費(fèi)人力、物力較多的基礎(chǔ)設(shè)施。若采用GNSSR技術(shù)進(jìn)行觀測(cè)，僅需將設(shè)備固定在沿海岸邊高處即可，具有成本低、架設(shè)方便等特點(diǎn)。通過(guò)在沿岸地區(qū)較為密集地布設(shè)GNSS-R監(jiān)測(cè)設(shè)備，可為海洋科學(xué)和大地測(cè)量學(xué)研究提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，本文在山東省威海市開(kāi)展了雙天線岸基GNSS-R海面測(cè)高實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，基于自主開(kāi)發(fā)的GNSS-R測(cè)高軟件接收機(jī)，采用了碼相位延遲測(cè)高方法，系統(tǒng)分析了QZSS L1C／A碼和L1C碼的海面測(cè)高精度。

1 岸基GNSS-R測(cè)高理論

1.1 岸基測(cè)高幾何模型

本文采用的岸基GNSS-R測(cè)高幾何模型如圖1所示。圖中：h為反射天線相位中心到海面的垂直距離；θ為衛(wèi)星高度角；Δρ為反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的路徑延遲；a為直射和反射天線相位中心間基線矢量；e為直射天線相位中心與衛(wèi)星連線方向的矢量；T1、T2分別為垂直向上、向下的極化天線；V1、V2分別為天線T1和T2在衛(wèi)星與直射天線相位中心連線方向的垂直投影。反射天線到海面的垂直距離小于6 m，因此不考慮地球曲率影響。

圖1 岸基測(cè)高幾何模型Fig.1 Coastal altimetry geometric model

Δρ通常可表示為

1.2 QZSS L1波段信號(hào)

QZSS系統(tǒng)由1顆GEO和3顆IGSO衛(wèi)星組成。目前，GPS和QZSS在L1波段上同時(shí)調(diào)制L1C／A碼和L1C碼，以確保同現(xiàn)代化GNSS信號(hào)的兼容性及互操作性。L1波段信號(hào)結(jié)構(gòu)及其自相關(guān)函數(shù)如表1和圖2所示［17］，L1C／A碼由測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼進(jìn)行異或相加后，并對(duì)載波進(jìn)行BPSK調(diào)制而成。為了避免信號(hào)在實(shí)現(xiàn)測(cè)距及傳輸導(dǎo)航電文時(shí)可能出現(xiàn)的性能沖突，L1C信號(hào)采用數(shù)據(jù)通道加導(dǎo)頻通道的結(jié)構(gòu)［16］。該信號(hào)由相互正交的數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量信號(hào)復(fù)合調(diào)制而成，數(shù)據(jù)分量由數(shù)據(jù)碼和測(cè)距碼異或相加后實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，導(dǎo)頻分量由測(cè)距碼子碼和測(cè)距碼異或相加后實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻。擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量分別對(duì)相互正交的載波進(jìn)行BOC調(diào)制后復(fù)合成為復(fù)包絡(luò)信號(hào)，其中，數(shù)據(jù)分量存在數(shù)據(jù)碼周期跳變。

表1 L1C／A碼和L1C碼信號(hào)結(jié)構(gòu)Table 1 Signal structures of L1C／A and L1C code

式中：V1V2為矢量a在衛(wèi)星與直射天線相位中心連線方向的投影；εh為噪聲。

由表1和圖2可知，L1C碼與L1C／A碼的碼率同為1.023 MHz，并且歸一化后的自相關(guān)函數(shù)皆存在主峰。與L1C／A碼相比，新一代L1C信號(hào)在數(shù)據(jù)通道和導(dǎo)頻通道中分別采用了BOC（1，1）和TMBOC（6，1，4／33）調(diào)制方式，其中，BOC（m，n）中的m和n分別是以1.023 MHz為基數(shù)歸一化后的子載波速率和擴(kuò)頻碼速率，TMBOC（6，1，4／33）為相互正交的BOC（6，1）與BOC（1，1）分量［16］。L1C信號(hào)子載波的調(diào)制，使其自相關(guān)函數(shù)主峰較L1C／A碼更尖銳，且主峰寬度約為L(zhǎng)1C／A碼的一半，因此，L1C碼的測(cè)距性能將優(yōu)于傳統(tǒng)的L1C／A碼［18］。

圖2 L1C／A碼和L1C碼自相關(guān)函數(shù)Fig.2 Autocorrelation function of L1C／A and L1C code

1.3 碼相位路徑延遲獲取

本文將路徑延遲的獲取分為2步：

步驟1 通過(guò)射頻前端采集數(shù)字中頻信號(hào)。

步驟2 利用軟件接收機(jī)處理數(shù)字中頻信號(hào)并獲取碼相位路徑延遲。

1.3.1 中頻信號(hào)獲取

軟件接收機(jī)射頻前端信號(hào)處理流程如圖3所示，流程如下：

圖3 射頻前端處理流程Fig.3 Processing flow of RF front-end

1）右旋和左旋圓極化天線（PHCP和LHCP）分別接收到的直射信號(hào)和反射信號(hào)進(jìn)入濾波器和放大器。信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后，除L1波段外的高頻噪聲被濾除，通過(guò)放大器對(duì)L1波段信號(hào)進(jìn)行功率放大。

2）信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)整和放大后，進(jìn)入混頻器。信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻后可獲得0.42 MHz的低頻信號(hào)，其他高頻噪聲將被濾除。

3）0.42 MHz的低頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器后將從模擬信號(hào)采樣為數(shù)字信號(hào)，其采樣率為40 MHz，符合香農(nóng)采樣定理［19］。數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行4 Bit量化，且按高位到低位傳輸?shù)酱鎯?chǔ)設(shè)備中以便進(jìn)一步處理。

1.3.2 中頻信號(hào)處理

存儲(chǔ)設(shè)備中的4 Bit數(shù)字中頻信號(hào)，采用基于C語(yǔ)言平臺(tái)開(kāi)發(fā)的GNSS-R軟件接收機(jī)進(jìn)行處理。由于L1C信號(hào)中的數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量功率比為1∶3，導(dǎo)頻分量的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)分量，只處理L1C信號(hào)中的導(dǎo)頻分量。中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)軟件處理后可分別獲得L1C／A碼和L1C碼的海面測(cè)高結(jié)果。GNSS-R軟件接收機(jī)處理流程如圖4所示，其流程如下：

圖4 GNSS-R軟件接收機(jī)處理流程Fig.4 Processing flow of GNSS-R software receiver

1）粗捕獲反射信號(hào)確定可見(jiàn)衛(wèi)星?；陬l域并行碼相位捕獲算法計(jì)算衛(wèi)星相關(guān)功率是否超過(guò)捕獲閾值，超過(guò)閾值則輸出衛(wèi)星PRN、碼相位及多普勒頻移信息。

2）以當(dāng)前衛(wèi)星碼相位及多普勒頻移信息為基準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)直射信號(hào)和反射信號(hào)重新進(jìn)行精捕獲，獲取直射和反射信號(hào)間碼相位延遲。

3）基于圖1中幾何模型，通過(guò)碼相位延遲及衛(wèi)星高度角可計(jì)算出反射天線到海面的垂直高度。

2 算例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于山東省威海市的某一海邊棧橋，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為北京時(shí)間2020年7月10日8：00—15：00。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地附近無(wú)高大建筑物遮擋，觀測(cè)時(shí)段內(nèi)風(fēng)速約為2 m／s，海面較為平靜。圖5為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及設(shè)備位置，棧橋最前端距離海岸線約100 m。圖5（a）中，豎直向上的直射天線和豎直向下的反射天線保持在同一鉛垂線上，且反射和直射天線同時(shí)朝向南面海域，可保證更多可用衛(wèi)星。為了進(jìn)行外部驗(yàn)證，在距離反射天線水平距離約為15 m的固定位置處安置工作頻率為26 GHz的地基雷達(dá)測(cè)高儀，其到反射天線的垂直距離為1.153 m，輸出頻率為1 Hz，測(cè)距精度為±3 mm，可用于GNSS-R海面測(cè)高結(jié)果的精度檢核。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 偽碼相關(guān)功率波形

觀測(cè)時(shí)段內(nèi)捕獲到J1、J2、J3共3顆衛(wèi)星，通過(guò)可見(jiàn)衛(wèi)星的直射信號(hào)和反射信號(hào)間碼相位延遲來(lái)計(jì)算出反射天線到海面垂直高度。以可見(jiàn)衛(wèi)星J1為例，L1C／A碼和L1C碼的碼相位延遲及相關(guān)功率波形變化如圖6所示。可知，L1C碼的相關(guān)功率波形較L1C／A碼更平滑，且L1C碼的主峰更尖銳。衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)海面反射后會(huì)出現(xiàn)功率損耗，因此，L1C／A碼和L1C碼的反射信號(hào)相關(guān)功率值小于直射信號(hào)。圖6（b）中，由于L1C碼中采用了BOC調(diào)制方式，使其相關(guān)功率波形的主峰附近存在2個(gè)副峰，且?guī)挻笥贚1C／A碼。

圖6 L1C／A碼和L1C碼相關(guān)功率波形對(duì)比Fig.6 Correlation power waveform comparison between L1C／A and L1C code

2.2.2 測(cè)高結(jié)果分析

觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，測(cè)站位置處不同衛(wèi)星高度角的變化如圖7所示。

圖7 J1、J2、J3衛(wèi)星高度角變化（北京時(shí)間）Fig.7 J1，J2 and J3 satellite elevation changes（Beijing time）

由圖7可知，J1的可用衛(wèi)星高度角變化范圍為50°～65°，J2的可用衛(wèi)星高度角變化范圍為65°～50°，而J3的可用衛(wèi)星高度角變化范圍為80°～68°，J3衛(wèi)星高度角要始終大于J1、J2衛(wèi)星。進(jìn)一步分析可知，在該觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，J3的運(yùn)行軌跡在遠(yuǎn)地點(diǎn)附近，而J1、J2的運(yùn)行軌跡在近地點(diǎn)附近，因此，J3的衛(wèi)星高度角的變化速率小于J1、J2。根據(jù)GNSS-R軟件接收機(jī)輸出的碼相位路徑延遲并結(jié)合衛(wèi)星高度角，可分別計(jì)算出L1C／A碼和L1C碼的反射天線到海面的垂直高度。兩者測(cè)高結(jié)果對(duì)比如圖8所示，空白區(qū)域表示該觀測(cè)時(shí)段內(nèi)無(wú)數(shù)據(jù)。

由圖8可知，海面的潮位最大變化量約為2 m，L1C／A碼和L1C碼測(cè)高結(jié)果均在雷達(dá)測(cè)高儀觀測(cè)值上下波動(dòng)，測(cè)高結(jié)果反映了潮位變化，驗(yàn)證了GNSS-R軟件接收機(jī)的可用性。此外，J1、J2、J3的L1C／A碼的測(cè)高結(jié)果的離散程度均大于L1C碼，且L1C／A碼測(cè)高結(jié)果的系統(tǒng)偏差大于L1C碼。進(jìn)一步分析，相同時(shí)刻可見(jiàn)衛(wèi)星的L1C／A碼和L1C碼延遲岸基測(cè)高殘差序列對(duì)比結(jié)果如圖9、圖10和表2所示。

圖8 L1C／A和L1C碼GNSS-R測(cè)高結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of L1C／A and L1C code GNSS-R altimetry results

由圖9、圖10和表2可知，在8：00—10：00觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，J2的碼相位觀測(cè)值結(jié)果中，L1C／A碼、L1C碼的均方根誤差分別為0.917、0.695 m，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.908、0.514 m；J3的L1C／A碼、L1C碼的均方根誤差分別為0.634、0.563 m，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.597、0.313 m。J2碼相位測(cè)高結(jié)果的誤差范圍約為±3 m，J3碼相位測(cè)高結(jié)果的誤差小于J2，但其測(cè)高結(jié)果存在部分系統(tǒng)偏差。結(jié)果表明，J2和J3的L1C碼相位測(cè)高結(jié)果相較于L1C／A碼更穩(wěn)定，且L1C碼的測(cè)高精度相對(duì)L1C／A碼精度分別增加了24%、11%。

表2 J1、J2、J3碼延遲和岸基測(cè)高結(jié)果精度對(duì)比Table 2 Comparison of the accuracy of code delay coastal altimetry results of J1，J2 and J3 satellites

圖9 J2、J3岸基測(cè)高結(jié)果殘差序列對(duì)比Fig.9 Comparison of residual sequence of coastal altimetry results of J2 and J3 satellites

圖10 J1、J3碼延遲岸基測(cè)高結(jié)果殘差序列對(duì)比Fig.10 Comparison of residual sequence of code delay coastal altimetry results of J1 and J3 satellites｀

在13：30—15：00觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，J1的L1C／A碼、L1C碼的均方根誤差分別為1.226、0.726 m，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.855、0.391 m；J3的L1C／A碼、L1C碼的均方根誤差分別為0.794、0.395 m，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.618、0.226 m。J1碼相位測(cè)高結(jié)果的誤差范圍約為±3 m，J3碼相位測(cè)高結(jié)果的誤差范圍約為±2 m，J1和J3的碼相位測(cè)高結(jié)果均存在部分系統(tǒng)偏差。結(jié)果表明，J1和J3的L1C碼測(cè)高相位結(jié)果較L1C／A碼更穩(wěn)定，L1C碼的測(cè)高精度相比L1C／A碼精度可分別增加了41%、50%。進(jìn)一步分析，在相同時(shí)段內(nèi)，J3衛(wèi)星高度角明顯大于J1、J2，J3的L1C／A碼、L1C碼測(cè)高精度比J2的分別增加了31%、19%，比J1的分別增加了35%、45%。文獻(xiàn)［13］分析了碼相位測(cè)高精度與衛(wèi)星高度角之間聯(lián)系，衛(wèi)星高度角越大，碼相位路徑延遲中的噪聲影響越小，衛(wèi)星信號(hào)信噪比隨之增大，海面測(cè)高精度相應(yīng)提高。同時(shí)，圖9和圖10結(jié)果表明，衛(wèi)星高度角較大時(shí)，殘差序列比較穩(wěn)定；衛(wèi)星高度角較小時(shí)，殘差序列在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)。這是由于直射信號(hào)進(jìn)入了反射天線，不同信號(hào)間相互疊加產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)會(huì)對(duì)測(cè)高結(jié)果產(chǎn)生影響，進(jìn)一步分析并削弱該誤差因素可提高海面測(cè)高精度。

3 結(jié) 論

本文開(kāi)展了雙天線岸基海面測(cè)高實(shí)驗(yàn)，基于自主開(kāi)發(fā)的GNSS-R測(cè)高軟件接收機(jī)對(duì)QZSS L1波段信號(hào)的碼相位延遲測(cè)高性能進(jìn)行了分析，可得以下結(jié)論：

1）通過(guò)GNSS-R岸基實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了QZSS L1C碼相位岸基測(cè)高精度，同時(shí)也驗(yàn)證了自主開(kāi)發(fā)的L1C／A碼和L1C 碼GNSS-R 軟件接收機(jī)的可用性。

2）海況良好時(shí)，L1C碼、L1C／A碼的測(cè)高精度分別為0.60、0.94 m，L1C碼、L1C／A碼最優(yōu)精度分別為0.4、0.63 m。L1C碼的測(cè)高精度相對(duì)于L1C／A碼精度增加了32%。

3）在相同觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，衛(wèi)星高度角越大，路徑延遲中的噪聲越小，衛(wèi)星信號(hào)信噪比隨之增大，測(cè)高精度相應(yīng)提高。