小波分析在GNSS-IR潮位反演中的應(yīng)用

王 杰，何秀鳳，王笑蕾，宋敏峰

小波分析在GNSS-IR潮位反演中的應(yīng)用

王 杰，何秀鳳，王笑蕾，宋敏峰

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100)

針對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多徑反射（GNSS-IR）反演潮位值時(shí)易出現(xiàn)時(shí)間分辨率不足，而當(dāng)前常用的多模多頻法不適用于所有測(cè)站，加窗法會(huì)使反演結(jié)果精度降低的問題，提出1種小波分析反演方法：利用小波變換分析方法提取信噪比序列的瞬時(shí)頻率，然后反演瞬時(shí)潮位值；最后分別以美國SC02站17 d數(shù)據(jù)和香港HKQT站13 d數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，并與經(jīng)典法、加窗法的反演結(jié)果進(jìn)行分析比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用小波變換分析法反演潮位值的精度能達(dá)分米級(jí)，并且可由原先1段信噪比序列反演1個(gè)潮位值提升至單歷元信噪比反演1個(gè)潮位值，反演點(diǎn)個(gè)數(shù)大幅增加。

多路徑反射；信噪比；潮位監(jiān)測(cè)；小波分析

0 引言

隨著全球變暖，人們更加重視海洋氣候變化所帶來的問題。海面變化受氣候變化影響，同時(shí)也影響著沿海城市人類的社會(huì)活動(dòng)。近年來，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）與遙感相結(jié)合的技術(shù)正不斷發(fā)展完善，這種新技術(shù)稱為GNSS多徑反射（GNSS interferometric reflectometry, GNSS-IR）。通過提取連續(xù)運(yùn)行參考站（continuously operating reference stations, CORS）的信噪比（signal to noise ratio, SNR）數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，進(jìn)而反演出有效高度，具有部署簡單、分布廣泛等特點(diǎn)[1]。2009年文獻(xiàn)[2]提出用于積雪厚度測(cè)量，接著推廣到潮位測(cè)量中[3]，此后國內(nèi)外基于GNSS-IR技術(shù)的潮位監(jiān)測(cè)開始開展相關(guān)研究。國外方面：文獻(xiàn)[4]提出在北極格林蘭島附近海域使用全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）反射信號(hào)成功反演了潮位高度變化；文獻(xiàn)[5]利用GPS信噪比進(jìn)行潮汐反射研究，精度達(dá)到10 cm；文獻(xiàn)[6]利用多路徑信號(hào)對(duì)5個(gè)GPS站進(jìn)行潮位反演，潮位變化較大的區(qū)域反演精度為43 cm，潮位變化較小區(qū)域精度能達(dá)到6 cm左右。國內(nèi)方面：文獻(xiàn)[7]首次在我國進(jìn)行了岸基GNSS海洋遙感實(shí)驗(yàn)；文獻(xiàn)[8]首次采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS)在浙江大洋山海域進(jìn)行海面測(cè)高實(shí)驗(yàn)，反演的海面高度精度達(dá)到了亞米級(jí)；文獻(xiàn)[9]用SC02站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了不同時(shí)間跨度的潮位反演，與驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于0.98；文獻(xiàn)[10]利用站SC02數(shù)據(jù)反演該站附近海域14 a的潮位變化情況，反演精度為8 cm。經(jīng)過學(xué)者大量研究驗(yàn)證，GNSS-IR可以有效監(jiān)測(cè)潮位變化情況。

反演值的時(shí)間分辨率對(duì)獲取潮位變化的信息有直接影響，在保證一定精度條件下，潮位反演值分辨率越高，對(duì)于潮波系數(shù)的探測(cè)、潮位分析和海平面的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)越有利。然而通常一段SNR序列只能反演得到1個(gè)時(shí)刻的潮位值，這樣使得反演點(diǎn)數(shù)量有時(shí)不足并且不符合潮位時(shí)刻變化的特性。反演潮位常用的經(jīng)典方法是L-S譜（Lomb-Scargle periodograms, LSP）分析法，接收機(jī)采樣率越高，有效衛(wèi)星弧段的SNR值就越多，反演效果也會(huì)越好。然而這種方法處理的數(shù)據(jù)具有時(shí)間跨度，更適合反演反射面較穩(wěn)定的土壤濕度[11]、雪深[12]等，用來反演潮位便會(huì)有誤差；同時(shí)由于反演值數(shù)量受空中有效衛(wèi)星弧段的影響[13]，1個(gè)有效衛(wèi)星弧段的SNR序列只能反演1個(gè)結(jié)果，有時(shí)反演值的數(shù)量不足，不利于潮位監(jiān)測(cè)。針對(duì)反演值時(shí)間分辨率不足的問題，目前國內(nèi)外解決辦法主要?dú)w于以下2種：第1種是從GNSS多模多頻方面著手，該方法能有效提高反演值時(shí)間分辨率，如國外使用了GPS和格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）雙系統(tǒng)的不同波段反演潮位[14-15]；國內(nèi)用BDS 3個(gè)波段[16]和GPS、BDS、GLONASS 3個(gè)系統(tǒng)8個(gè)波段[17]反演潮位。但即使這樣，有時(shí)反演點(diǎn)仍然很少，如文獻(xiàn)[16]中26 d時(shí)間跨度反演點(diǎn)數(shù)量卻不到200個(gè)。同時(shí)4系統(tǒng)的CORS站并不多，遇到單系統(tǒng)的CORS站這種方法也無法使用。第2種方法稱為窗口L-S譜（windows LSP，WinLSP）分析法，即利用時(shí)間窗口或高度角窗口截取SNR序列，每個(gè)窗口得到1個(gè)反演值，由一變多。例如文獻(xiàn)[18]用的窗口長度為800個(gè)SNR（約14 min）的窗口截取SNR序列，使得每天有近80個(gè)潮位反演值。文獻(xiàn)[19]用窗口長度為5°的高度角窗口分別截取SC02和PBAY 2個(gè)站點(diǎn)的SNR序列，2者均能在十幾分鐘內(nèi)得到50多個(gè)反演值。然而對(duì)于第2種方法，時(shí)間窗口選取有時(shí)太短，截取的SNR序列不能滿足頻譜分析的要求，或是用高度角窗口截取后反演點(diǎn)增多，但反演精度會(huì)降低，而且有些測(cè)站反演潮位的有效高度角區(qū)間較小，這種方法便無法使用。

本文針對(duì)反演值時(shí)間分辨率不足的問題，利用小波分析方法提取SNR序列的瞬時(shí)頻率反演潮位值，分別以美國SC02站17d數(shù)據(jù)和香港HKQT站13 d數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，并與LSP、WinLSP 2種方法反演結(jié)果進(jìn)行分析比較。

1 GNSS-IR反演原理及小波時(shí)頻分析

1.1 GNSS-IR反演潮位原理

圖1 GNSS-IR反演潮位原理

圖2為衛(wèi)星的SNR時(shí)序圖，在低高度角情況下SNR振蕩明顯，隨后趨于穩(wěn)定。通過對(duì)低高度角的SNR序列頻譜分析便可得到反射面參數(shù)。由于直射信號(hào)振幅遠(yuǎn)大于反射信號(hào)振幅，為減少后續(xù)頻譜分析產(chǎn)生虛假高峰，2次多項(xiàng)式擬合作為趨勢(shì)項(xiàng)的直射信號(hào)，去趨勢(shì)后得到的SNR殘差序列[20]表示為

圖2 信噪比時(shí)序

對(duì)式（2）進(jìn)行LSP分析即可得到有效高度值，結(jié)果如圖3所示。

1.2 小波分析提取瞬時(shí)潮位

1.2.1 小波分析

1.2.2 小波分析提取潮位反演值

圖4 SNR殘差序列與小波時(shí)頻分析

圖5 最大振幅值及對(duì)應(yīng)有效高度

圖5（a）中，振幅的2個(gè)峰值位于0.15和0.43附近，與圖4（b）的2個(gè)能量聚集處分別對(duì)應(yīng)。根據(jù)以上步驟即可提取SNR序列的瞬時(shí)頻率，進(jìn)一步得到反演潮位值。對(duì)于該方法反演的粗差，這里利用LSP反演結(jié)果擬合潮波曲線進(jìn)行剔除。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 香港HKQT站算例

HKQT站屬于香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)，裝備TRIMBLE NETR5型接收機(jī)，位于HKQT站（如圖6所示）附近的Quarry Bay驗(yàn)潮站可以提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。算例用2016年年積日第45~57天共13 d GPS L1波段數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。由于站點(diǎn)環(huán)境原因，高于9°的衛(wèi)星反射信號(hào)會(huì)被遮擋，故選取有效高度角區(qū)間4~9°，有效海面相對(duì)于接收機(jī)的方位角區(qū)間-60~105°。

圖6 HKQT站點(diǎn)及其周邊環(huán)境

分別用LSP、WinLSP和小波變換反演13 d的潮位值，其中WinLSP用長度為4°，步長為1°的高度角窗口截取，即[4° 8°]、[5° 9°]。反演結(jié)果分別與驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，殘差時(shí)間序列和反演結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 Wavelet與LSP對(duì)比結(jié)果

圖8 Wavelet與WinLSP對(duì)比結(jié)果

圖7（a）中：灰色曲線為驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值；黑色圓點(diǎn)為LSP反演結(jié)果，精度為12.39 cm；淺灰色圓點(diǎn)為Wavelet法反演結(jié)果，精度為16.08 cm。圖8（a）中，深灰色圓點(diǎn)為WinLSP反演結(jié)果，精度為14.67 cm。圖7（b）、圖8（b）為3者與驗(yàn)潮站值較差序列圖，可以看出3者與實(shí)測(cè)值的較差均在0處上下波動(dòng)，LSP的波動(dòng)范圍最小，精度更高。Wavelet與WinLSP波動(dòng)幅度相當(dāng)，2者精度均低于LSP。WinLSP方法對(duì)高度角加窗后每個(gè)窗口中高度角的區(qū)間變小，即將1個(gè)長的SNR殘差序列分割為幾個(gè)短的SNR殘差序列，因此在進(jìn)行頻譜分析后其結(jié)果質(zhì)量會(huì)降低。而Wavelet方法極其依賴于SNR的質(zhì)量，受噪聲影響大，反演結(jié)果質(zhì)量也會(huì)降低。3者與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 HKQT站3種方法反演結(jié)果

從表1可以看出：LSP的反演精度最高；WinLSP的反演精度高于Wavelet，而Wavelet的反演點(diǎn)數(shù)量最多，反演值時(shí)間分辨率有大幅提高。

圖9為2月26日當(dāng)天3種方法反演值數(shù)量對(duì)比細(xì)節(jié)圖，當(dāng)日1時(shí)、4時(shí)及23時(shí)內(nèi)，天空中因GPS衛(wèi)星無有效弧段可用，3種方法沒有反演結(jié)果。在2時(shí)、21時(shí)內(nèi)有衛(wèi)星弧段可用，但反演值為粗差均被剔除，3種方法同樣沒有有效值。而在6時(shí)、11時(shí)、12時(shí)、15時(shí)和17時(shí)內(nèi)，LSP和Wavelet無有效值可用，WinLSP有可用反演值，得益于當(dāng)SNR質(zhì)量較差時(shí)，WinLSP能在一定程度上將SNR數(shù)據(jù)中質(zhì)量差的部分與質(zhì)量好的部分進(jìn)行分割，反演值符合要求的被保留，誤差大的被剔除。但因加窗分割使其高度角區(qū)間變小，故反演精度也會(huì)降低。在剩余時(shí)間內(nèi)，由圖可知用Wavelet法反演結(jié)果數(shù)量較LSP法和WinLSP法明顯增多，3種方法反演的當(dāng)天潮位值在數(shù)量變化趨勢(shì)上近似，這是因?yàn)?者都是基于同1個(gè)SNR弧段進(jìn)行分析，并且Wavelet法依賴于SNR質(zhì)量，所以SNR質(zhì)量高，LSP反演結(jié)果有效，Wavelet同樣有有效反演值；SNR質(zhì)量低，LSP結(jié)果誤差較大而被剔除，則Wavelet也無有效結(jié)果可用，2者呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖9 第13天反演結(jié)果數(shù)據(jù)量對(duì)比細(xì)節(jié)

2.2 美國SC02站算例

SC02站位于美國華盛頓州，站點(diǎn)安裝Trimble NETRS接收機(jī)，并配備Trimble TRM29659.00天線，距離該站300m遠(yuǎn)有1個(gè)潮汐測(cè)量儀，可提供實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)（如圖10所示）。

圖10 SC02站點(diǎn)及其周邊環(huán)境

算例用2017年年積日第128~144天共17 d GPS L1波段數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，高度角選取5~15°，方位角選取50~240°。3種方法反演結(jié)果如圖11所示，其中WinLSP反演用長度為5°、步長為2.5°的高度角窗口截取SNR序列，即[5° 10°]、[7.5° 12.5°]、[10° 15°]。

圖11 SC02站反演結(jié)果

圖11（a）中：灰色曲線表示驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值；淺灰色圓點(diǎn)表示W(wǎng)avelet反演結(jié)果，反演精度為14.47 cm；黑色圓點(diǎn)表示LSP反演結(jié)果，反演精度為13.09 cm。對(duì)比LSP反演結(jié)果可以看出Wavelet方法反演結(jié)果的時(shí)間分辨率明顯提高。圖11（b）中深灰色圓點(diǎn)表示W(wǎng)inLSP反演結(jié)果，反演精度為22.85 cm。圖11（c）為5月16日3種方法的反演值數(shù)量對(duì)比細(xì)節(jié)圖，可以看出3種方法反演結(jié)果數(shù)量變化趨勢(shì)有良好的一致性。其中，在當(dāng)日第1、3、4、6、9、11時(shí)內(nèi)LSP反演值為粗差而被剔除，第22、23、24 h內(nèi)，由于潮位較低，衛(wèi)星經(jīng)海面的反射信號(hào)強(qiáng)度減弱，LSP無有效反演結(jié)果。WinLSP與Wavelet結(jié)果分布情況較LSP表現(xiàn)更好，且在第1、4、11、24 h內(nèi)，LSP無結(jié)果但Wavelet仍有反演值，這期間Wavelet反演結(jié)果與驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差為9.69 cm。3種方法與驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值總體對(duì)比情況見表2，誤差分析及相關(guān)系數(shù)見圖12和圖13。

表2 SC02站3種方法反演結(jié)果

圖12 較差分布

圖13 反演值與驗(yàn)潮站相關(guān)系數(shù)分析

結(jié)合圖12與圖13分析，用 LSP、WinLSP和Wavelet 3種方法反演的結(jié)果與實(shí)測(cè)值較差均以0為中心左右分布，說明其反演結(jié)果不存在系統(tǒng)誤差。3種方法反演值與驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于0.96，其中LSP方法反演結(jié)果的精度最好，Wavelet方法略低，WinLSP法最差。同時(shí)，圖中在潮位較高區(qū)域，3種方法的誤差分布明顯較為集中，這是由于隨著潮位升高，海水反射面與測(cè)站的垂直距離逐漸減小，測(cè)站接收到經(jīng)海面反射的衛(wèi)星信號(hào)增強(qiáng)，反演結(jié)果相比低潮位情況更理想，因此得到的有效反演值會(huì)更多。

LSP和Wavelet都是基于整段SNR序列反演潮位值，而WinLSP則是用高度角窗口將SNR序列由1段截取為3段再分別用LSP進(jìn)行反演；這樣雖然有利于潮位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但結(jié)果精度卻降低。若對(duì)分段的SNR序列分別用小波分析處理，則其結(jié)果如圖14所示。

圖14 整體與分段Wavelet較差序列

圖14中深灰色圓點(diǎn)表示每個(gè)SNR整體弧段的Wavelet反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值較差序列，淺灰色圓點(diǎn)表示SNR加窗分段以后的Wavelet反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值較差序列。分段后的Wavelet反演結(jié)果精度為20.34 cm，精度較整體分析的結(jié)果下降了40.57 %，與驗(yàn)潮站的相關(guān)系數(shù)由0.96下降為0.87。

經(jīng)以上案例分析，驗(yàn)證了Wavelet方法可用于GNSS-IR潮位反演并且提高反演值時(shí)間分辨率，能夠獲得更多潮位變化的信息量。同時(shí)基于整段SNR序列分析的Wavelet反演精度更好，而對(duì)于分段的SNR短序列，其反演結(jié)果精度相比較差，雖然在實(shí)時(shí)性上得到了一定的提高，但精度下降嚴(yán)重。這是因?yàn)殡S著弧段數(shù)據(jù)的減少，頻譜分析時(shí)的準(zhǔn)確度會(huì)降低，如果逐漸減少弧段的長度以提高潮位監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，精度無法達(dá)到要求，不利于潮位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)GNSS-IR反演潮位時(shí)間分辨率不足的問題，從處理SNR時(shí)間序列方面著手，利用小波變換分析提取單歷元SNR的瞬時(shí)頻率進(jìn)而反演出潮位的變化情況。同時(shí)，分別用LSP、WinLSP 2種方法反演潮位結(jié)果作為對(duì)比。與驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值相比，對(duì)于HKQT站：LSP反演結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為12.39 cm，有214個(gè)反演點(diǎn)；WinLSP反演結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為14.67 cm，有553個(gè)反演點(diǎn)，Wavelet反演結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為16.08 cm，反演點(diǎn)個(gè)數(shù)為38 570；3者與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于0.95。對(duì)于SC02站：LSP反演結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為13.09 cm，精度最高，有432個(gè)反演點(diǎn)；Wavelet反演結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為14.47 cm，精度稍低，反演點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)29703個(gè)；WinLSP反演結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差為22.85 cm，有1770個(gè)反演點(diǎn)，精度最低；3者與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于0.96。

對(duì)于潮位動(dòng)態(tài)改正，常需要利用反演值擬合潮波函數(shù)求解反射面高度變化率，改正效果依賴于潮波函數(shù)的擬合程度；而用小波變換反演1段SNR序列得到連續(xù)潮位值，可直接進(jìn)行反射面高度變化率的求解。并且用小波變換分析法能大幅提高反演值時(shí)間分辨率，有利于獲取更多的潮位變化情況。然而該方法極易受噪聲影響，對(duì)質(zhì)量不好的SNR分析結(jié)果會(huì)存在大量粗差，有待進(jìn)一步對(duì)信號(hào)降噪處理。同時(shí)這種方法不能離開LSP法單獨(dú)使用，因?yàn)槠浯植畹奶蕹枰鶕?jù)LSP結(jié)果的整體擬合來處理。因此遇到反演值時(shí)間分辨率不足的問題時(shí)，小波變換分析可以作為LSP反演潮位值的補(bǔ)充，進(jìn)而有利于更好地發(fā)揮GNSS-IR技術(shù)在潮位變化監(jiān)測(cè)中的重要作用。

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Application of wavelet analysis in tidal by GNSS-IR

WANG Jie,HE Xiufeng,WANG Xiaolei,SONG Minfeng

（School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

Aiming at the problems that it is apt to be insufficient for the time resolution, and two usual methods, the multi-system method is not applicable to all stations, and the windowing method reduces the accuracy of the inversion results in the tide value inversion of GNSS-IR, the paper proposed an inversion method using wavelet analysis: the instantaneous frequency of signal-to-noise ratio (SNR) sequence was extracted with the wavelet transform analysis method, and the instantaneous tide level values were inverted; then the 17-day data of the US SC02 station and the 13-day data of the Hong Kong HKQT station were used to implement the verification, and the inversion results of the classical method and windowing method were used to do the comparative analysis finally. Experimental result showed that: the method could have an accuracy of dm level, and a tide value could be inverted with a single epoch SNR, improved from inverted with a sequence of SNR, which means an increased number of inverted points.

multipath reflectometry; signal-to-noise ratio (SNR); tidal level monitoring; wavelet analysis

P228.4

A

2095-4999(2020)02-0082-08

王杰，何秀鳳，王笑蕾，等. 小波分析在GNSS-IR潮位反演中的應(yīng)用[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2020, 8(2): 82-89.（WANG Jie，HE Xiufeng, WANG Xiaolei, et al. Application of wavelet analysis in tidal by GNSS-IR[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(2): 82-89.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200214.

2019-08-15

國家自然基金項(xiàng)目（41830110）。

王杰（1996—），男，安徽天長人，碩士研究生，研究方向?yàn)镚NSS空間環(huán)境分析。

何秀鳳（1962—），女，江蘇泰州人，博士，教授，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航定位。