基于DDMR輔助的GNSS-R載波相位差測(cè)高方法

王藝燃 洪學(xué)寶 張 波 張彥仲

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS，Global Navigation Satellite System)的GNSS-R(GNSS-Reflection)微波遙感技術(shù)利用GNSS的無線電信標(biāo)源作為散射雷達(dá)照明源進(jìn)行微波遙感，通過接收機(jī)裝置連續(xù)采集GNSS衛(wèi)星直射信號(hào)及經(jīng)探測(cè)目標(biāo)散射的回波信號(hào)并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理［1］.GNSS-R技術(shù)因其全天候、全天時(shí)、寬覆蓋、豐富且免費(fèi)的信號(hào)資源以及高時(shí)空分辨率等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)而成為遙感和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域近年來的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)先后開展了利用GNSS反射信號(hào)實(shí)現(xiàn)海面高度測(cè)量、海態(tài)監(jiān)測(cè)［2－4］、海面風(fēng)場(chǎng)反演［5－7］、海冰反演［8］、土壤濕度測(cè)量［9］、海面浮油探測(cè)［10］等方面的研究工作，具備廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景.對(duì)海面、湖面等反射面進(jìn)行測(cè)高是GNSS-R遙感的主要應(yīng)用領(lǐng)域，主要分為碼相位和載波相位測(cè)高兩種方式.碼相位測(cè)高是通過對(duì)直射信號(hào)與反射信號(hào)的時(shí)延-多普勒映射接收機(jī)(DDMR，Delay-Doppler Map Receiver)相關(guān)結(jié)果的碼相位差進(jìn)行觀測(cè)而實(shí)現(xiàn)，碼相位測(cè)高的精度會(huì)受到導(dǎo)航擴(kuò)頻碼測(cè)距能力的限制，通常將采用該方法的GNSSR 系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)載和星載測(cè)量中［11－13］.基于直射-反射信號(hào)載波相位差的測(cè)高方式可實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度，但該方法對(duì)于應(yīng)用環(huán)境的要求較嚴(yán)格，一般只應(yīng)用于波浪較小的江面、湖面等平靜水域的岸基測(cè)高，且反射信號(hào)的跟蹤處理需采用特殊的信號(hào)處理方法，如文獻(xiàn)［14］中所提出的半閉環(huán)處理方法等.由于反射信號(hào)的信噪比較差且信號(hào)功率波動(dòng)大，采用傳統(tǒng)的載波相位測(cè)高方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)容易出現(xiàn)搜索不到相關(guān)功率峰值或錯(cuò)誤定位峰值的情況，從而引起失鎖或出現(xiàn)測(cè)量誤差.

本文提出了一種基于DDMR輔助載波相位差提取的GNSS-R岸基測(cè)高方法，該方法采用閉環(huán)跟蹤方式對(duì)直射信號(hào)進(jìn)行跟蹤，將完成跟蹤后的載波與反射信號(hào)相乘，并將擴(kuò)頻碼進(jìn)行對(duì)應(yīng)的延時(shí)，用于完成對(duì)反射信號(hào)的擴(kuò)頻碼同步，延時(shí)的時(shí)間通過對(duì)直射與反射信號(hào)DDMR的觀測(cè)獲得，反射信號(hào)的跟蹤采用全開環(huán)的處理方式.岸基實(shí)驗(yàn)證明該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)反射信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤并準(zhǔn)確提取載波相位差.

1 GNSS-R的測(cè)高原理

GNSS-R海面測(cè)高的原理如下:相對(duì)于到達(dá)接收機(jī)天線的GNSS直射信號(hào)，經(jīng)過鏡面反射點(diǎn)的反射信號(hào)存在一個(gè)時(shí)間延遲τ，τ中含有海面高度的信息，可以據(jù)此進(jìn)行海面高度的反演.在岸基GNSS-R測(cè)量中可近似認(rèn)為地球表面為水平的，即忽略地球曲面的影響.根據(jù)光學(xué)幾何原理建立的GNSS-R測(cè)高幾何關(guān)系如圖1所示.

圖1 GNSS-R海面測(cè)高原理

不考慮大氣層的損耗等空間傳播不理想因素，GNSS反射信號(hào)與直射信號(hào)的傳播路徑差可表示為

式中，hr為接收機(jī)反射天線到反射面的高度;θ為鏡面反射點(diǎn)處的衛(wèi)星高度角;d為接收機(jī)RHCP天線與LHCP天線之間的距離.當(dāng)精確測(cè)量出ΔρE后，即可獲得反射點(diǎn)到接收機(jī)的高度為

設(shè)hR為接收機(jī)相對(duì)大地參考框架的高度，則海面高度實(shí)際值為

2 載波相位差提取方法

2.1 直射與反射信號(hào)載波相位差的提取

對(duì)于利用載波相位測(cè)高的岸基GNSS-R接收機(jī)，其直射、反射信號(hào)的路徑延時(shí)可以表示［15］為

目前最為有效的GNSS-R載波相位測(cè)高方法是文獻(xiàn)［14］中所提出的半閉環(huán)處理方法，該方法采用傳統(tǒng)的閉環(huán)跟蹤方式對(duì)直射信號(hào)進(jìn)行跟蹤，將完成跟蹤后的載波引入反射信號(hào)處理通道與反射信號(hào)相乘，并對(duì)同步后的擴(kuò)頻碼進(jìn)行延時(shí)，調(diào)整延時(shí)量的大小使其與反射信號(hào)的相關(guān)功率最大，延時(shí)的步長(zhǎng)為100 ns(對(duì)應(yīng)C/A碼0.1碼片)，搜索范圍不大于2個(gè)碼片，完成對(duì)反射信號(hào)的擴(kuò)頻碼同步，并利用四象限反正切鑒相器(four quadrant arctangent discriminator)對(duì)同步后的直射反射信號(hào)進(jìn)行處理，得到載波相位差小數(shù)部分的單次估計(jì)值［14］.該方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，可直接得到載波相位差小數(shù)部分的結(jié)果，即有效消除整周模糊，但在反射信號(hào)的開環(huán)碼跟蹤搜索過程中容易因搜索不到相關(guān)功率峰值或錯(cuò)誤定位峰值而引起失鎖或出現(xiàn)測(cè)量誤差.

2.2 基于DDMR輔助的載波相位差提取

本文提出了一種基于DDMR輔助的載波相位差半開環(huán)提取法，該方法將DDMR碼相位測(cè)高的信號(hào)處理過程中所求得的碼相位差ΔτD-R作為直射通道與反射通道的碼相位延時(shí)量，即對(duì)直射通道中同步后的擴(kuò)頻碼進(jìn)行ΔτD-R的延時(shí)后與反射信號(hào)相關(guān)，用于反射通道的碼跟蹤.該方法省去了碼相位延時(shí)搜索的過程，且可以準(zhǔn)確地對(duì)反射信號(hào)中的擴(kuò)頻碼進(jìn)行同步.

2.2.1 DDMR 的處理方法

首先通過DDMR實(shí)現(xiàn)對(duì)直射與反射信號(hào)之間碼相位延時(shí)的精確估計(jì)，DDMR提取碼相位延時(shí)的處理過程如圖2所示，對(duì)反射信號(hào)的積分過程中使用了文獻(xiàn)［16］中的反射信號(hào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)快速檢測(cè)與修正技術(shù).

圖2 DDMR處理過程

DDMR提取ΔτD-R的具體處理流程如下:

1)對(duì)直射、反射信號(hào)進(jìn)行1ms的相干積分預(yù)處理，對(duì)直射信號(hào)預(yù)處理后的DDMR輸出結(jié)果進(jìn)行差分相干(將前后2個(gè)預(yù)處理周期的DDMR結(jié)果進(jìn)行差分相乘)處理，提取其峰值實(shí)部后進(jìn)行極性判決，生成導(dǎo)航數(shù)據(jù)位修正因子序列pk;

2)依據(jù)pk對(duì)相同處理周期內(nèi)的反射信號(hào)DDMR結(jié)果進(jìn)行修正，并對(duì)修正后的直射、反射信號(hào)DDMR結(jié)果做進(jìn)一步的相干積分;

3)直射信號(hào)DDMR輸出結(jié)果分為2路，一路作為捕獲結(jié)果參與直射信號(hào)同步與解擴(kuò)解調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)的定位(第4)步);另一路同反射信號(hào)DDMR一起繼續(xù)進(jìn)行非相干累加(第5)步);

4)對(duì)捕獲后的直接信號(hào)進(jìn)行跟蹤和定位解算，該部分的軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)與常規(guī)的GNS接收機(jī)相同;

5)對(duì)相干積分后的直射與反射信號(hào)DDMR結(jié)果進(jìn)行非相干累加處理，進(jìn)一步提高信噪比并消除斑點(diǎn)噪聲的影響，得到信號(hào)的相關(guān)波形，完成對(duì)直射與反射信號(hào)的相關(guān)處理;

6)對(duì)反射信號(hào)的DDMR相關(guān)波形進(jìn)行相關(guān)函數(shù)微分(DCF，Derivative of the Correlation Function)處理［17］，得到反射信號(hào)的DCF峰值碼相位，與直射信號(hào)相關(guān)峰值所對(duì)應(yīng)的碼相位求差值即可得到反射和直接信號(hào)的精確碼延時(shí)估計(jì)ΔτD-R.

2.2.2 載波相位差的提取

將ΔτD-R作為直射通道與反射通道的碼相位延時(shí)量，即:將直射通道中同步后的擴(kuò)頻碼進(jìn)行ΔτD-R的延時(shí)后與反射信號(hào)相關(guān)，用于反射通道的碼跟蹤.基于DDMR輔助的載波相位差提取方法如圖3所示.基于DDMR輔助的載波相位差提取方法流程如下:

1)對(duì)直射信號(hào)進(jìn)行同步，當(dāng)本地碼和本地載波實(shí)現(xiàn)了對(duì)直射信號(hào)的跟蹤后，輸出直射信號(hào)的同相和正交分量相關(guān)值，記為ID和IR;

2)將完成跟蹤后的載波與反射信號(hào)相乘，并對(duì)同步后的擴(kuò)頻碼進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)時(shí)間即為DDMR輸出的碼相位延時(shí)參考量ΔτD-R，完成對(duì)反射信號(hào)的擴(kuò)頻碼同步;同步后直射信號(hào)的同相、正交分量相關(guān)值在送入環(huán)路鑒別器之前均進(jìn)行20ms的積分處理以消除導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的影響;

3)利用ID分別對(duì)反射信號(hào)的同相和正交支路進(jìn)行基帶數(shù)據(jù)位剝離，得到

其中sgn為符號(hào)函數(shù)，即

4)使用四象限反正切鑒相器計(jì)算得到載波相位差小數(shù)部分的單次估計(jì)值:

5)對(duì)ΔφR-D進(jìn)行濾波并去除粗差后利用式(4)對(duì)路徑延時(shí)進(jìn)行計(jì)算.

圖3 基于DDMR輔助的載波相位差提取方法原理圖

3 岸基試驗(yàn)驗(yàn)證

2013-02-17—2013-02-20，筆者所在課題組在遼寧省丹東市鴨綠江水域開展了岸基GNSS-R的測(cè)高試驗(yàn)，接收機(jī)架設(shè)于鴨綠江斷橋橋面(東經(jīng)124°39'23.911 7″，北緯 40°6'57.133 4″)，天線朝向西南，方向角約為220°，為了更有效地對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行接收，天線有大約5°的仰角.試驗(yàn)位置及接收機(jī)架設(shè)方式如圖4所示.

圖4 丹東鴨綠江斷橋試驗(yàn)天線架設(shè)位置圖

接收機(jī)的硬件部分主要包括用來接收GPS直接信號(hào)的普通低增益(3 dB)GPS右旋極化天線、接收水面反射信號(hào)的中等增益(12 dB)GPS左旋極化陣列天線以及射頻前端和采樣器等.直射和反射信號(hào)分別經(jīng)天線接收后由射頻前端完成下變頻，射頻前端采用OlinkStar的NS210M多通道信號(hào)采樣器，其中頻采樣頻率為16.367 667MHz，2 bit量化后產(chǎn)生原始采樣數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口轉(zhuǎn)至電腦中由接收機(jī)的軟件部分進(jìn)行處理.接收機(jī)的軟件部分主要由包括常規(guī)的GPS軟件接收機(jī)定位功能，原始采集數(shù)據(jù)預(yù)處理功能以及高度反演模塊等功能模塊組成.

使用軟件接收機(jī)處理2013-02-19T17:00—18:30所采集的數(shù)據(jù).試驗(yàn)以江中的水文水位標(biāo)尺判讀數(shù)據(jù)作為高度反演結(jié)果的參考依據(jù)，試驗(yàn)開始時(shí)江面至接收機(jī)的高度約為16.51m，結(jié)束時(shí)約為16.37m.選擇2013-02-19T17:10開始的數(shù)據(jù)，此時(shí)的衛(wèi)星空視圖如圖5所示.

圖5 GPS衛(wèi)星空視圖

試驗(yàn)中，PRN 22與PRN 27衛(wèi)星近似位于天線架設(shè)正前方向，PRN 27的衛(wèi)星高度角低于20°，不適宜用于高度反演試驗(yàn)，PRN 22的高度角為40.8°，故選取PRN 22衛(wèi)星信號(hào)作為處理對(duì)象.DDMR分別對(duì)直射與反射信號(hào)進(jìn)行21ms的相干積分及80次非相干累加，獲得直射信號(hào)與反射信號(hào)的碼相位延時(shí)估計(jì)值，用于對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行開環(huán)跟蹤.連續(xù)處理10 s的數(shù)據(jù)，提取載波相位差并計(jì)算水面至接收機(jī)的高度，結(jié)果見圖6.去除粗差并進(jìn)行0.5 s的數(shù)據(jù)平均后的測(cè)高結(jié)果見圖7.圖中所示的標(biāo)準(zhǔn)差均為去除粗差后的測(cè)算結(jié)果.

可見，使用該方法進(jìn)行反演，未進(jìn)行潮位修正的反演結(jié)果圍繞實(shí)際高度上下浮動(dòng)約10 cm，標(biāo)準(zhǔn)差約為2.5 cm，測(cè)量精度達(dá)到cm級(jí).在對(duì)長(zhǎng)度為0.5 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后標(biāo)準(zhǔn)差約為0.6 cm.圖7中，第1.5 s～第3 s的高度落差大于2 cm，這是由于試驗(yàn)中架設(shè)天線使用的是有彈性的木質(zhì)天線架，會(huì)出現(xiàn)隨風(fēng)輕微抖動(dòng)現(xiàn)象.試驗(yàn)結(jié)果可見，采用該方法的GNSS-R接收機(jī)可以穩(wěn)定地對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行跟蹤并提取直射與反射信號(hào)的載波相位差.

圖6 岸基試驗(yàn)水面至接收機(jī)高度反演結(jié)果

圖7 岸基試驗(yàn)水面至接收機(jī)高度反演結(jié)果(0.5 s平均)

4 結(jié)論

本文提出了一種基于DDMR輔助的載波相位差提取方法，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號(hào)處理方法，并利用該方法進(jìn)行了基于載波相位差反演水面高度的岸基試驗(yàn).試驗(yàn)證明采用該方法的GNSS-R接收機(jī)可以穩(wěn)定地對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行跟蹤并提取直射與反射信號(hào)的載波相位差，實(shí)現(xiàn)cm級(jí)的測(cè)高精度，經(jīng)過0.5 s的數(shù)據(jù)平均后精度可達(dá)mm級(jí).

References)

［1］ Martin-Neira M.A passive reflectometry and interferometry system(PARIS):application to ocean altimetry［J］.ESA Journal，1993，17:331 －355

［2］ Valencia E，Camps A，Park H，et al.Impact of the observation geometry on the GNSS-R direct descriptors used for sea state monitoring［C］//International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS).Piscataway，NJ:IEEE，2012:2825 －2828

［3］ Soulat F，Caparrini M，Germain O，et al.Sea state monitoring using coastal GNSS-R［J］.Geophys Res Lett，2004，31(21):L21303

［4］ Marchan-Hernandez JF.Sea state determination using GNSS-R techniques:contributions to the PAU instrument［D］.Barcelona:Univ Politecnica de Catalunya，2009

［5］ Zavorotny V U，Voronovich A G.Scattering of GPS signals from the ocean with wind remote sensing application［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sens，2000，38(2):951 －964

［6］路勇，楊東凱，熊華剛，等.基于 GNSS-R的海面風(fēng)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，34(4):470 －473 Lu Yong，Yang Dongkai，Xiong Huagang，et al.Study of ocean wind-field monitoring system based on GNSS-R［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009，34(4):470－473(in Chinese)

［7］ Garrison JL，Komjathy A，Zavorotny V U，et al.Wind speed measurement using forward scattered GPS signals［J］.IEEE Trans Geosci Remote Sens，2002，40(1):50 －602

［8］ Fabra F，Cardellach E，Rius A，et al.Phase altimetry with dual polarization GNSS-R over sea ice［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2012，50(6):2112 －2121

［9］ Zavorotny V U，Voronovich A G.Bistatic GPS signal reflections at various polarizations from rough land surface with moisture content［C］//International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS).Piscataway，NJ:IEEE，2000:2852 －2854

［10］ Valencia E，Camps A，Rodriguez-Alvarez N，et al.Using GNSSR imaging of the ocean surface for oil slick detection［J］.IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing，2013，6(1):217 －223

［11］ Germain O，Ruffini G，Soulat F，et al.The eddy experiment:GNSS-R speculometry for directional sea-roughness retrieval from low altitude aircraft［J］.Geophysical Research Letters，2004，31(21):L21307

［12］ Marchan-Hernandez JF，Rodriguez-Alvarez N，Camps A，et al.Correction of the sea state impact in the L-band brightness temperature by means of delay-Doppler maps of global navigation satellite signals reflected over the sea surface［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2008，46(10):2914－2923

［13］ Rodriguez-Alvarez N，Akos D M，Zavorotny V U，et al.Airborne GNSS-R wind retrievals using delay ＆ Dopplermaps［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2013，51(1):626－641

［14］ Helm A，Beyerle G，Potsdam M NG，etal.Detection of coherent reflections with GPS bipath interferometry［EB/OL］.New York:Cornell University Library，2004［2013-04-01］.http://arxiv.org/abs/physics/0407091

［15］ Ruffini G，Caparrini M，Ruffini L.PARIS altimetry with L1 frequency data from the bridge 2 campaign experiment［R］.CCN3-WP3 Technical Report，ESA/ESTEC Contract No.14285/85/nl/pb，2002

［16］ Wang Yiran，Zhang Bo，Shao Dingrong.Differential coherent algorithm based on fast navigation-bit correction for airborne GNSS-R software receivers［J］.Tsinghua Science and Technology，2013，18(1):88 －99

［17］ Hajj G A，Zuffada C.Theoretical description of a bistatic system for ocean altimetry using the GPS signal［J］.Radio Science，2003，38(5):1089