GNSS—R海面測(cè)高技術(shù)的國內(nèi)外研究及未來展望

王帥

摘 要：隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的飛速發(fā)展，利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的GNSS-R技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹了GNSS-R技術(shù)進(jìn)行海面高度測(cè)量的國內(nèi)外研究，并且闡述了基于GNSS-R技術(shù)的3種海面測(cè)高方法，分別為載波相位法、碼相位法和信噪比（SNR）法。最后，提出GNSS-R海面測(cè)高技術(shù)的未來展望。

關(guān)鍵詞：GNSS-R 海面測(cè)高 載波相位 碼相位 信噪比SNR

中圖分類號(hào)：TH76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）06（a）-0049-03

Abstract： With the rapid development of global navigation satellite system （GNSS）， GNSS-R technology using navigation satellite reflection signal is more and more widely used. GNSS-R technology were introduced in this paper， the measurement of sea surface height of research both at home and abroad， and expounds the three based on the technology of GNSS-R sea surface height measurement method， respectively， for the carrier phase and code phase and the signal-to-noise ratio （SNR） method. Finally， the future prospect of GNSS-R sea surface altimetry technology is presented.

Key Words： GNSS-R； Sea level survey； Carrier phase； Code phase； Signal-to-noise ratio SNR

獲取海平面變化數(shù)據(jù)對(duì)海洋學(xué)和氣象學(xué)很重要。船舶、驗(yàn)潮儀及衛(wèi)星高度計(jì)等可用于海面測(cè)高，但船舶和驗(yàn)潮儀測(cè)量成本高且不便，衛(wèi)星高度計(jì)功耗大、時(shí)空分辨率較低。而GNSS-R技術(shù)具有信號(hào)源多、寬覆蓋、長期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于監(jiān)測(cè)海面高度變化。

1 國內(nèi)外研究

國外，1993年，歐洲太空局科學(xué)家Martin-Neira開創(chuàng)了使用GNSS反射信號(hào)的概念，使用原本干擾定位的反射信號(hào)去遙感海面，海面高度是利用從海面反射的反射信號(hào)和直射信號(hào)相結(jié)合來估計(jì)的[1]。2000年，Martin-Neira等人利用衛(wèi)星直射信號(hào)和反射信號(hào)的載波相位去測(cè)量海面高度，精度達(dá)到厘米量級(jí)[2]。2001年，Martin-Neira等人利用GPS衛(wèi)星直射信號(hào)和反射信號(hào)的碼相位進(jìn)行海面測(cè)高，精度達(dá)到數(shù)米量級(jí)[3]。2013年，Larson等人提出了一種使用SNR數(shù)據(jù)的海面改進(jìn)型測(cè)高方法[4]。2016年，Lestarquit等人開發(fā)了一種用于載波相位測(cè)高的軟件接收機(jī)。該接收機(jī)分別在法國西南部的海面燈塔上開展岸基實(shí)驗(yàn)和法國比斯卡羅斯湖上開展機(jī)載實(shí)驗(yàn)，兩者的反演結(jié)果在相干積分時(shí)間超過500ms時(shí)均達(dá)到厘米級(jí)精度[5]。同年，Semmling等人設(shè)計(jì)了一款搭載在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的載波相位測(cè)高模擬器。該模擬器分別在軌道高度為400㎞和600㎞時(shí)進(jìn)行測(cè)高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在信號(hào)為30dB時(shí)反演結(jié)果達(dá)到亞米級(jí)精度，在信號(hào)為20dB時(shí)反演結(jié)果達(dá)到米級(jí)精度[6]。

國內(nèi)，2010年，邵連軍等人研究了GNSS-R海面測(cè)高的原理，進(jìn)行了誤差分析，闡述了其關(guān)鍵技術(shù)[7]。2015年，張?jiān)频热嗽谡憬笱笊胶Ｓ蜻M(jìn)行海面測(cè)高實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)首次采用北斗信號(hào)，結(jié)合北斗星座的特點(diǎn)，使用碼相位測(cè)高技術(shù)成功地反演了海面高度，精度達(dá)到亞米級(jí)[8]。2016年，張?jiān)频热耸状问褂帽倍稧EO信號(hào)，在浙江大洋山海域進(jìn)行載波相位測(cè)高實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的反演結(jié)果最高可達(dá)到厘米級(jí)精度[9]。2017年，上海海事大學(xué)智能船舶團(tuán)隊(duì)利用瑞典Onsala空間觀測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，做了基于GNSS-R的沿海海平面測(cè)量的案例研究[10]。

2 GNSS-R海面測(cè)高方法

由圖1可知，反射信號(hào)相對(duì)直射信號(hào)的路徑延遲為：

（1）

式中，為接收機(jī)天線相位中心到海面的高度，研究中常把看作海面高度，為衛(wèi)星仰角。

2.1 基于相位差的海面測(cè)高方法

相位差法使用RHCP和LHCP天線分別接收直射信號(hào)和反射信號(hào)，RHCP天線與海面下倒映的虛擬LHCP天線之間的垂直基線為，反射信號(hào)相對(duì)直射信號(hào)的路徑延遲為，當(dāng)衛(wèi)星仰角和兩個(gè)天線的相位中心偏移量已知時(shí)，求得額外路徑延遲即可求得海面高度。

2.1.1 載波相位法

反射信號(hào)相對(duì)直射信號(hào)的延遲路徑為：

（2）

式中，和各表示直射信號(hào)和反射信號(hào)的載波相位觀測(cè)量，是反射信號(hào)與直射信號(hào)的載波相位差的小數(shù)部分，表示相位差的整周數(shù)，是GPS的L1頻段載波波長。載波相位法的測(cè)量精度較高，但該方法需要反射信號(hào)的相位是連續(xù)的，這在反射面粗糙時(shí)很難實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 碼相位法

該方法通過計(jì)算直射信號(hào)C/A碼的相關(guān)功率峰值所對(duì)應(yīng)時(shí)間與反射信號(hào)C/A碼的相關(guān)功率峰值所對(duì)應(yīng)時(shí)間的時(shí)間差來計(jì)算路徑延遲。碼相位法簡單、穩(wěn)定性高，但是C/A碼片寬度讓該方法的測(cè)高精度較差。

2.2 基于信噪比（SNR）的海面測(cè)高方法

SNR法無需改變接收機(jī)及天線的構(gòu)造，也不用安裝指向天底的用來接收反射信號(hào)的天線，可直接使用已有的普通接收機(jī)和單個(gè)天線來同時(shí)接收直射信號(hào)和反射信號(hào)。根據(jù)式（1）可得接收機(jī)天線處反射信號(hào)的載波相位為：

（3）

根據(jù)GNSS信號(hào)的傳輸原理，接收機(jī)天線接收到第s顆衛(wèi)星的合成信號(hào)（包括直射信號(hào)和反射信號(hào)）為： （4）

（5）

是合成信號(hào)的振幅，是合成信號(hào)的相位角；C是導(dǎo)航電文信息；AS（·）是偽隨機(jī)碼；Tc是偽隨機(jī)碼的周期；是直射信號(hào)的振幅，是反射信號(hào)的振幅；是直射信號(hào)的載波相位，是反射信號(hào)的載波相位；是方差為1的高斯白噪聲。假設(shè)我們接收到的信號(hào)噪聲是高斯白噪聲，表示正則化的幅值，則直接為我們提供了信噪比觀測(cè)量，即：

（6）

其中，會(huì)使SNR呈上升趨勢(shì)，這需要SNR減去n階多項(xiàng)式進(jìn)行去趨勢(shì)（n一般取2），而反射信號(hào)使SNR有小幅度的高頻振蕩變化。去趨勢(shì)后結(jié)合式（5）可得：

（7）

其中，作為自變量。去趨勢(shì)信噪比δSNR的角頻率為：

（8）

轉(zhuǎn)換后，得，

（9）

其中，m是GPS的L1頻段載波波長，m/s是光速，GHz是載波頻率，為海面高度，為δSNR的振蕩頻率。因此，對(duì)接收機(jī)接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)SNR數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)處理求出其振蕩頻率即可求得對(duì)應(yīng)的海面高度。求的方法包括：函數(shù)擬合法、快速傅里葉變換FFT法、Lomb-Scargle頻譜分析法和最小二乘方周期圖法等。

3 GNSS-R海面測(cè)高技術(shù)的未來展望

為了該技術(shù)的未來發(fā)展，我們還需開展大量工作。 （1）深入理論研究，加強(qiáng)試驗(yàn)研究。

深入該技術(shù)的理論研究，開創(chuàng)新理論，進(jìn)行大范圍的大數(shù)據(jù)收集，開展岸基、機(jī)載和星載等多平臺(tái)立體監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

（2）加強(qiáng)不同測(cè)高平臺(tái)的研究。

岸基測(cè)高試驗(yàn)較簡便且成本低，適用于長期觀測(cè)，有利于業(yè)務(wù)化發(fā)展，所以這方面的研究不斷增多，而機(jī)載和星載對(duì)接收機(jī)及天線要求較高。船載GNSS-R可實(shí)時(shí)實(shí)地獲取海面高度變化，具有空間延展性和時(shí)間連續(xù)性。

（3）提高反演結(jié)果的精度。

完善GNSS-R海面測(cè)高技術(shù)的理論使其達(dá)到成熟，采用先進(jìn)的算法，進(jìn)行大規(guī)模長時(shí)間的大數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，優(yōu)化其反演模型，從而提高反演結(jié)果的精度。

（4）促進(jìn)應(yīng)用業(yè)務(wù)化，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)。

未來還需進(jìn)行長時(shí)間大規(guī)模大數(shù)據(jù)的觀測(cè)及分析，用于監(jiān)測(cè)海面高度變化的大量數(shù)據(jù)可從全國乃至全球的海面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲取，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理中心處理，將結(jié)果顯示在顯示屏，使各站點(diǎn)能夠?qū)Ｃ娓叨茸兓M(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化的觀測(cè)和預(yù)報(bào)，構(gòu)建GNSS-R海面測(cè)高系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)時(shí)可視化的監(jiān)測(cè)海面高度變化。

4 結(jié)語

GNSS-R技術(shù)具有信號(hào)源多、長期穩(wěn)定、寬覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，是監(jiān)測(cè)海面高度變化非常理想的方法，但其在反演精度、多平臺(tái)立體監(jiān)測(cè)和應(yīng)用業(yè)務(wù)化等方面還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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

[2] M.Martin-Neira， P.Colmenarejo， G.Ru_ni， et al. Ocean Altimetry Using the Carrier Phase of Gnss Reflected Signals[J]. Cersat Journal， 2000，11（22）.

[3] M. Martín-Neira，M. Caparrini，J. Font-Rosselló，et al. The PARIS concept： An experimental demonstration of sea surface altimetry using GPS reflected signals[J]. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens.， 2001，39（1）：142–149.

[4] Larson KM， Ray RD， Nievinski FG， et al. The Accidental Tide Gauge： A GPS Reflection Case Study From Kachemak Bay， Alaska[J]. IEEE Geoscience & Remote Sensing Papers，2013，10（5）：1200-1204.

[5] Lestarquit L， Peyrezabes M， Darrozes J， et al. Reflectometry with an open-source software GNSS Receiver： Use case with carrier phase altimetry[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing，2016，9（10）：4843-4853.

[6] Semmling AM， Leister V， Saynisch J， et al. A phase-altimetric simulator： Studying the sensitivity of Earth-reflected GNSS signals to ocean topography[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2016， 54（11）：6791-6802.

[7] 邵連軍，張訓(xùn)械，劉經(jīng)南，等.GNSS-R海面測(cè)高算法[J].海洋測(cè)繪，2010，30（2）：1-5.

[8] Zhang Y， Tian L， Meng W， et al. Feasibility of Code-Level Altimetry Using Coastal Bei Dou Reflection （Bei Dou-R） Setups[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations & Remote Sensing，2015， 8（8）：4130.

[9] Yun Z， Binbin L，Luman T， et al. Phase Altimetry Using Reflected Signals From Bei Dou GEO Satellites[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2016， 13（10）：1410-1414.

[10] Wei Liu， Jamila Beckheinrich， Maximilian Semmling， et al. Coastal Sea-Level Measurements Based on GNSS-R Phase Altimetry： A Case Study at the Onsala Space Observatory[R].Sweden：IEEE，2017.