GNSS反射信號在沙丘形狀探測中的應(yīng)用

趙 娜，曹新亮

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的精確定位是人們集中精力研究的焦點(diǎn)。在精確定位研究中，把反射信號作為多徑干擾加以抑制或剔除，以防止影響定位的精度。同時，也注意到要變害為利，把這種反射信號加以利用，便出現(xiàn)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反射信號(GNSS-Reflections，GNSS-R)[1-2]遙感技術(shù)。

GNSS-R經(jīng)歷二十多年的發(fā)展，理論架構(gòu)逐步完善，取得了許多成果[3-5]。GNSS-R技術(shù)利用經(jīng)陸面、海面、目標(biāo)反射面反射的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號進(jìn)行遙感測量，信號源穩(wěn)定，無需發(fā)射設(shè)備，屬于一種無源雷達(dá)模式[6-7]。利用GNSS-R技術(shù)已實(shí)現(xiàn)海面風(fēng)場[8]、海冰厚度[9]、有效波高[10]、土壤濕度[11]、植被探測[12]和目標(biāo)檢測[13]等探測，在國內(nèi)利用GNSS-R技術(shù)已經(jīng)取得反射信號接收與處理方法，實(shí)現(xiàn)了海態(tài)地物測量和目標(biāo)定位等方面的GNSS-R成果，但利用GNSS反射信號實(shí)現(xiàn)地形探測的應(yīng)用研究較少。沙地作為一種特殊的土壤，對沙丘形狀的測量，實(shí)際上就是對地形的測量。

本文利用GNSS-R地基觀測法，提出了基于GNSS反射信號反演沙丘形狀的方法。通過對衛(wèi)星反射信號進(jìn)行接收、處理，結(jié)果與全站儀工程測量地形圖進(jìn)行比較，驗(yàn)證此方法的正確性。

1 GNSS反射信號地形探測原理

GNSS-R遙感實(shí)際上是一種L波段微波遙感技術(shù)，導(dǎo)航衛(wèi)星信號經(jīng)探測目標(biāo)反射后由右旋圓極化(Right Hand Circularly Polarized,RHCP)轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A極化(Left Hand Circularly Polarized,LHCP)，利用配備在陸地、機(jī)載、衛(wèi)星等設(shè)備載體上的探測裝置對來自海洋或陸地反射的GNSS信號進(jìn)行全天候接收和處理[14-15]。

地形探測系統(tǒng)由GNSS衛(wèi)星、接收機(jī)和探測目標(biāo)組成，如圖1所示。一臺接收機(jī)可以接收多顆導(dǎo)航衛(wèi)星的反射信號，利用至少4顆GNSS衛(wèi)星作為信號源，1個地面接收機(jī)接收衛(wèi)星直射信號和反射信號，通過直射信號對自身定位解算，反射信號實(shí)現(xiàn)對反射面進(jìn)行探測[16]。

圖1 地形探測系統(tǒng)Fig.1 Terrain detection system

假設(shè)4個滿足條件的導(dǎo)航衛(wèi)星坐標(biāo)分別為：T(XSi,YSi,ZSi)，i=1,2,3,4；目標(biāo)反射點(diǎn)坐標(biāo)為：S(Xo,Yo,Zo)；地面接收機(jī)坐標(biāo)為：R(XR,YR,ZR)；以圖1中1號導(dǎo)航衛(wèi)星為例，反射信號相對直射信號到達(dá)接收機(jī)的路徑差為：

(1)

同理，可列出其他3顆衛(wèi)星路徑差方程。最后聯(lián)立4個方程即可解算目標(biāo)反射點(diǎn)位置坐標(biāo)S(Xo,Yo,Zo)。

由于導(dǎo)航衛(wèi)星信號是從位于2萬多千米高空發(fā)射至地面的電磁波，可認(rèn)為平面波平行入射到地面[17]。GNSS-R實(shí)現(xiàn)地形探測示意如圖2所示。圖中點(diǎn)R′是接收機(jī)位置點(diǎn)R關(guān)于反射面的鏡像點(diǎn)；點(diǎn)O為2段信號的垂足點(diǎn)。其中一路直射信號在R點(diǎn)被右旋圓極化天線接收；另一路直射信號經(jīng)山坡S點(diǎn)反射后，在R點(diǎn)被左旋圓極化天線接收，相對直射信號多進(jìn)行一段為OR′長度的路徑。對應(yīng)存在時間延遲δτ，根據(jù)GNSS衛(wèi)星、接收機(jī)與反射點(diǎn)的位置關(guān)系，經(jīng)反射點(diǎn)S反射信號相對直達(dá)信號的路徑延遲為：

τ=2·d·sinθ，

(2)

式中，d為接收機(jī)到反射面的垂直距離；θ為GNSS直射信號入射角。

圖2 地形探測示意Fig.2 Terrain detection

以北斗信號為例，反射信號相對直射信號的路徑延遲對應(yīng)信號處理回路中碼相位延遲，碼片延遲為：

τ0·T/NT=τ/c，

(3)

式中，τ0為反射信號相對直射信號的碼片延遲個數(shù)；c為電磁波傳播速率；T為導(dǎo)航信號碼周期；NT一個周期的碼片數(shù)為2 046。通過對2個信號環(huán)路中碼相位跟蹤，得到延遲碼片，即可求解路徑延遲τ。

設(shè)直射信號為ri(t)，本地信號為ui(t)，則直射信號相關(guān)功率為：

(4)

式中，ξ為碼延遲偏移量。當(dāng)ξ=ξ1時，直達(dá)信號相關(guān)功率最大。

接收反射信號相關(guān)功率為：

(5)

直射信號與反射信號的相關(guān)功率波形與碼延遲ξ1和路徑延遲τ的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。當(dāng)ξ=ξ1+τ時，反射信號相關(guān)功率最大，所對應(yīng)的碼片延遲即為所求。

圖3 直射信號和反射信號路徑差示意Fig.3 Path difference between direct signal and reflected signal

2 GNSS反射信號地形探測系統(tǒng)

2.1 硬件架構(gòu)

中頻信號采集器通過直射天線和反射天線同時接收2通道信號，通過下變頻得到中頻信號，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸至上位機(jī)，進(jìn)而利用軟件程序進(jìn)行事后處理。

2.1.1 中頻信號采集器

實(shí)驗(yàn)采用的中頻信號采集器是由常州市萊特信息科技有限公司研發(fā)的多天線衛(wèi)星中頻信號采樣器(LT-C-002)。詳細(xì)參數(shù)說明如表1所示。

表1 (LT-C-002)詳細(xì)參數(shù)說明Tab.1 (LT-C-002) Detailed parameter description 單位：MHz

2.1.2 接收天線

實(shí)驗(yàn)采用的直射天線是由常州市萊特信息科技有限公司研發(fā)的GNSS高精度衛(wèi)星右旋圓極化天線，可同時接收GPS和北斗頻段的信號，具有高增益、良好的低仰角增益、廣角圓極化和穩(wěn)定的相位中心等特點(diǎn)，適用于雙系統(tǒng)、高精度測繪領(lǐng)域；反射信號接收采用左旋圓極化天線，詳細(xì)監(jiān)測參數(shù)如表2所示。

表2 天線可檢測信號參數(shù)Tab.2 Antenna detectable signal parameters

2.2 軟件架構(gòu)

2.2.1 GNSS衛(wèi)星中頻信號采樣器V2.0軟件

利用多通道衛(wèi)星中頻信號采樣器進(jìn)行直射與反射信號同時采樣，以便事后借助其配套軟件——GNSS衛(wèi)星中頻信號采樣器V2.0，對接收機(jī)接收到的信號進(jìn)行處理與數(shù)據(jù)傳輸。軟件界面如圖4所示，通過加載文件路徑，設(shè)置數(shù)據(jù)長度，可以把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

圖4 中頻信號采樣器Fig.4 IF signal sampler

2.2.2 反射信號處理算法

由于反射信號經(jīng)障礙物反射會出現(xiàn)強(qiáng)烈衰減，如果信號過于微弱，還可以借助信號轉(zhuǎn)發(fā)/增強(qiáng)器實(shí)現(xiàn)放大，進(jìn)行相干累加以提高反射信號信噪比。過長的相干累加會造成信噪比下降，需要結(jié)合非相干累加提高反射信號信噪比[18]：

(6)

(7)

式中，Q1為第kms輸出的原始二維相關(guān)值；Q2為累加為TCOHms的相干累加結(jié)果；Q3為非相干累加后的二維相關(guān)功率。

3 GNSS反射信號地形探測實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所測坡面為含沙豐富、表面較為光滑的背風(fēng)沙坡，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示。地基探測是較適合的手段，相比機(jī)載探測地表形態(tài)而言，應(yīng)用地基探測反射區(qū)面積小，可以克服機(jī)載實(shí)驗(yàn)帶來的反射區(qū)面積大、反射區(qū)內(nèi)形態(tài)復(fù)雜的因素，有利于提高反演精度。

圖5 觀測環(huán)境示意Fig.5 Observation environment

本實(shí)驗(yàn)觀測模式為雙天線模式。為了避免觀測點(diǎn)頻繁移動，天線組安裝在位置較高處，且需要視野開擴(kuò)，無遮擋，反射信號接收天線方位角調(diào)節(jié)靈活，固定天線桿的長度大于1.5 m為宜。通過中頻信號采樣器對直射信號與反射信號雙通道同時采樣。右旋圓極化天線面對上空接收導(dǎo)航衛(wèi)星的直射信號，左旋圓極化天線面向測區(qū)接收反射信號，判斷某一時刻直射、反射信號是否來源于同一星座的標(biāo)準(zhǔn)是衛(wèi)星編號。在接收信號的同時，輕微調(diào)整天線角度，以獲取不同反射面相關(guān)信息，最后生成數(shù)據(jù)文件。通過對直射通道進(jìn)行事后處理獲取載波和偽碼相位，對反射通道碼片信息進(jìn)行處理求得路徑延遲，解算鏡面反射點(diǎn)位置。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

確定反射點(diǎn)的位置，需要接收機(jī)位置信息和衛(wèi)星星座位置信息。使用上位機(jī)軟件GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信息解算系統(tǒng)，可解算獲得接收機(jī)定位信息和導(dǎo)航衛(wèi)星位置信息。本地接收機(jī)定位信息如圖6所示。

圖6 本地接收機(jī)位置Fig.6 Local receiver position

安置在已知點(diǎn)基準(zhǔn)站上的GNSS接收機(jī)對4顆或4顆以上的衛(wèi)星進(jìn)行觀測，可實(shí)現(xiàn)定位，求出基準(zhǔn)站的測量坐標(biāo)。衛(wèi)星位置解算時會跟隨誤差產(chǎn)生，衛(wèi)星時鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、電離層延遲和對流層延遲均為公共誤差[19]。對處于同一區(qū)域的接收機(jī)，基站將坐標(biāo)改正數(shù)發(fā)送給用戶站，用戶站用接收到的坐標(biāo)改正數(shù)對其坐標(biāo)進(jìn)行改正。由于本文針對地形進(jìn)行探測，忽略數(shù)據(jù)傳送時間引起用戶位置的瞬時變化對定位精度的影響。

部分高度角在30°～60°范圍內(nèi)的BD2衛(wèi)星信號導(dǎo)航電文解析結(jié)果如表3所示。選用信噪比大于35 dB的信號通道進(jìn)行跟蹤和分析。

表3 導(dǎo)航電文解析結(jié)果Tab.3 Result of navigation message analysis

以通道14，3號BD2衛(wèi)星為例解算，衛(wèi)星高度角為48.81°，北斗信號測距碼碼片長度為2 046，一個碼片被采樣8個點(diǎn)，采樣頻率16.368 MHz測距精度為：

(8)

式中，T為1 ms；c為電磁波傳播速度。由直射信號和反射信號相關(guān)功率解算可得，反射信號在第3個碼片功率達(dá)到最大值?？傻脤?shí)際路徑τ′=3×λ=55 m，理論路徑τ=2×d×sin48.81°=51.9 m。誤差在允許范圍，實(shí)際路徑與理論路徑較為吻合。即可根據(jù)此顆衛(wèi)星的直射信號和反射信號信息解算出一個反射點(diǎn)，當(dāng)接收到反射信號為直射信號中的2顆衛(wèi)星產(chǎn)生時，可對反射面進(jìn)行定位，同理解算出其他反射點(diǎn)的坐標(biāo)，表4為部分反射點(diǎn)坐標(biāo)信息，根據(jù)全部反射點(diǎn)數(shù)據(jù)描繪西坡反射面等高線示意,如圖7所示。

表4 反射點(diǎn)位置坐標(biāo)Tab.4 Coordinates of reflection point position

圖7 西坡反射面等高線示意Fig.7 Contours of reflecting surface on the west slope

實(shí)驗(yàn)利用全站儀采集測區(qū)凹面坡43個點(diǎn)的坐標(biāo)位置信息，來驗(yàn)證后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。表5為使用全站儀以附近建筑測量基準(zhǔn)點(diǎn)為基準(zhǔn)的部分位置坐標(biāo)，圖8為對全站儀數(shù)據(jù)處理后的二維等高線圖，高程范圍為1 103.5～1 110.5 m。

圖8 二維等高線Fig.8 Two-dimensional contour map

表5 全站儀位置坐標(biāo)Tab.5 Total station position coordinates

4 結(jié)束語

本文利用配置右旋圓極化天線和左旋圓極化天線的接收機(jī)，于2020年8月對含沙凹面坡開展地基地形探測實(shí)驗(yàn)。通過GNSS-R探測原理分析和對實(shí)驗(yàn)接收到的直射信號和反射信號跟蹤和捕獲，給出了采用軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)。把全站儀測繪圖作為標(biāo)準(zhǔn)，用GNSS-R數(shù)據(jù)擬合出測區(qū)地形與全站儀工程測量對應(yīng)地形相比較具有相似性，證明了使用GNSS衛(wèi)星反射信號進(jìn)行地形探測的可行性。需要說明的是：① 采用位置差分定位時難以確?；鶞?zhǔn)站和用戶站觀測同一組衛(wèi)星，系統(tǒng)的可靠性較差。② 接收機(jī)定位誤差可造成解算求得反射點(diǎn)坐標(biāo)與給定標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位置信息產(chǎn)生偏差。③ 接收機(jī)定位信息越準(zhǔn)確，通過反射點(diǎn)描繪的地形圖就越接近全站儀工程測繪結(jié)果。④ 本次研究只對沙丘背風(fēng)面進(jìn)行了測試研究，對沙丘迎風(fēng)面測試需要長距離移動接收設(shè)備，還有待于近地機(jī)載觀測實(shí)驗(yàn)。