一種基于北斗三號系統(tǒng)的GNSS-R海面干涉測高技術(shù)*

王冬偉 孫越強(qiáng) 王先毅 白偉華 杜起飛 夏俊明 韓 英

1(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190)

2(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

3(天基空間環(huán)境探測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

4(中國科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

5(掩星探測與大氣氣候應(yīng)用國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

6(北京石油化工學(xué)院數(shù)理系 北京 102617)

0 引言

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的不斷發(fā)展，基于GNSS 反射信號的對地遙感探測技術(shù)（GNSS-Reflectometry）得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。GNSS-R 利用反射信號的功率、相位與遙感要素間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，反演海面風(fēng)場[2,3]、土壤濕度[4,5]、海冰厚度[6]等環(huán)境參數(shù)。1993年GNSS 反射信號首次被提出可以用于中尺度海面高度測量[7]，進(jìn)而為全球重力場觀測提供了有力的數(shù)據(jù)支持，該技術(shù)被稱為GNSS-R 測高技術(shù)（GNSS-R Altimetry）。該技術(shù)具有低功耗、低成本、信源豐富、空間分辨率高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。GNSS-R 干涉測高技術(shù)是GNSS-R 測高技術(shù)中最為關(guān)鍵的技術(shù)，在GNSS-R 測高技術(shù)優(yōu)勢基礎(chǔ)上，將海面高度測量精度提升至分米量級。若干涉測高技術(shù)在海面高度探測中得到廣泛應(yīng)用，全球海面高度觀測精度會得到顯著提升。當(dāng)前中國北斗三號導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)面向全球提供服務(wù)，GNSS-R 干涉測高技術(shù)在全球海面高度探測領(lǐng)域的重要性越發(fā)突顯。

國際上多個(gè)國家和機(jī)構(gòu)已相繼對GNSS-R 干涉測高技術(shù)開展深入研究，并取得一些研究結(jié)果。2011 年，有研究首次提出了星載GNSS-R 干涉測高技術(shù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案[8]，包括天線設(shè)計(jì)、接收機(jī)設(shè)計(jì)及測量精度評估。Camps 等[9]針對干涉測高技術(shù)提出了詳細(xì)的在軌校準(zhǔn)方案，使得干涉測高技術(shù)中的系統(tǒng)誤差得到有效消除。文獻(xiàn)[10]描述了一種軟件方式的GNSS-R 干涉接收機(jī)，利用該接收機(jī)成功接收到GPS 和GAL 的干涉測高波形。Rius 等[11]在荷蘭基于干涉測高技術(shù)并利用高增益天線首次在岸邊測量得到河面高度，取得了較高的測量精度。ESA 正在開展GEROS-ISS 項(xiàng)目研究，該項(xiàng)目將在國際空間站上安裝GNSS-R 干涉測高儀，實(shí)現(xiàn)全球海面高度觀測[12]，目前正處于工程研制階段。

雖然GNSS-R 干涉測高技術(shù)已得到深入研究和應(yīng)用，但是目前的研究均基于GPS 和GALILEO 導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，中國北斗三號系統(tǒng)在干涉測高技術(shù)方面的應(yīng)用研究較少。本文利用研發(fā)的北斗三號GNSSR 干涉測高接收機(jī)驗(yàn)證了北斗三號系統(tǒng)在干涉測高技術(shù)中應(yīng)用的可行性。外場試驗(yàn)首次接收到北斗三號B1 和B2 信號的干涉測高波形且反演了海面高度，并與傳統(tǒng)的本地碼測高結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 GNSS-R 干涉測高技術(shù)原理

GNSS-R 測高技術(shù)是利用被海面反射的GNSS信號與直射信號之間的路徑延遲，結(jié)合接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間幾何路徑反演海面高度的一種新型探測技術(shù)。通常情況下，GNSS-R 接收機(jī)一般需要配置兩副天線，朝上的右旋圓極化天線用于接收直達(dá)信號，朝下的左旋圓極化天線用于接收反射信號。接收機(jī)獲取反射信號的方式有兩種：本地碼測高技術(shù)和干涉測高技術(shù)。

本地碼測高技術(shù)是指接收機(jī)本地生成GNSS 衛(wèi)星偽碼，與輸入信號相關(guān)來獲取反射相對直射信號的延遲信息。圖1 為本地碼測高技術(shù)實(shí)現(xiàn)，目前大多數(shù)導(dǎo)航接收機(jī)均采用該方式獲取導(dǎo)航信號。

圖1 本地碼測高技術(shù)工作原理Fig.1 Diagram of local code tracking technology

干涉測高技術(shù)是指接收機(jī)利用直射信號與反射信號直接進(jìn)行干涉相關(guān)，進(jìn)而獲取反射相對直射信號延遲信息。反射信號被海洋表面反射后，信號極性、延遲和多普勒均會發(fā)生變化，但信號組成、信號帶寬與直射信號完全一致，二者存在非常一致的相干性。因此，若將延遲與多普勒補(bǔ)償后的直射信號與反射信號進(jìn)行干涉相關(guān)，理論上可以獲取更為理想的測高波形。圖2 給出了干涉測高技術(shù)原理。

圖2 干涉測高技術(shù)工作原理Fig.2 Diagram of interferometric tracking technology

雖然本地碼測高技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)信號的穩(wěn)定跟蹤，然而該技術(shù)受限于導(dǎo)航信號的公開性。例如，普通用戶在L1 頻段只能跟蹤碼速率極低的L1C/A 碼信號（帶寬2.046 MHz），而高速的P 碼（帶寬20.46 MHz）和M 碼（帶寬32 MHz）卻無法使用，使得海面高度的測量精度一直無法得到有效提升。

GNSS-R 干涉測高技術(shù)繼承了GNSS-R 測高的所有技術(shù)優(yōu)勢，且有效提升了高度測量精度。該技術(shù)有效利用了導(dǎo)航信號中所有帶寬的信號，使得可利用的信號帶寬更寬，測量精度更高。以GPS 為例，圖3給出了GPS L1 頻段混合碼干涉測高波形與GPS L1C/A 本地碼測高波形的對比。結(jié)果表明，GPS L1 頻段的干涉測高波形比單獨(dú)GPS L1C/A 本地碼測高波形更加陡峭，使得波形峰值處的分辨能力更強(qiáng)，測量精度更高[13,14]。

圖3 GPS L1 頻段干涉測高與GPS L1本地碼測高波形Fig.3 GPS L1 C/A and L1 interferometric ACF results

雖然干涉測高技術(shù)相比本地碼測高技術(shù)優(yōu)勢明顯，然而干涉測高技術(shù)對輸入信號的強(qiáng)度要求比較苛刻，只有足夠強(qiáng)的直射與反射信號才能相關(guān)得出理想的干涉測高波形。復(fù)雜海況對反射信號的信噪比影響較大，因此在相對平靜的海面上，干涉測高技術(shù)更能充分展現(xiàn)其優(yōu)越的測高性能。復(fù)雜海況對干涉測高的精度會造成一定程度影響。

表1 列舉了GNSS-R 干涉測高技術(shù)與本地碼測高技術(shù)可利用的碼型及帶寬。從表1 可以看出，GNSS-R干涉測高技術(shù)充分利用了各個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)分配的信號帶寬，每種導(dǎo)航系統(tǒng)的信號利用率達(dá)到最大。

表1 本地碼測高技術(shù)與干涉測高技術(shù)可利用的GNSS 信號對比Table 1 Available GNSS signals using interference and local code tracking technology

北斗三號系統(tǒng)在4 個(gè)頻段上調(diào)制了多種帶寬的碼信號，適用于不同用戶的多種使用要求，具有非常強(qiáng)的可用性。北斗三號系統(tǒng)在B2 頻段調(diào)制了B2A和B2B 兩種碼型，本地碼測高技術(shù)只能對其中一種碼型進(jìn)行跟蹤，可利用帶寬最大僅為20.46 MHz。干涉測高技術(shù)可利用的信號帶寬最高達(dá)51.15 MHz。自從北斗三號系統(tǒng)對全球提供服務(wù)以來，其目前在軌衛(wèi)星數(shù)量已超過32 顆，使得同一時(shí)間可觀測的反射衛(wèi)星數(shù)量顯著提升。

2 GNSS-R 干涉測高精度評估

為評估GNSS-R 干涉測高技術(shù)的測高精度，文獻(xiàn)[8]從信號的相關(guān)理論出發(fā)，推導(dǎo)了測高波形形狀、信噪比及非相干累加次數(shù)與測量精度之間的關(guān)系，即

式中：θ為信號入射角；為測高波形的峰值功率，為測高波形導(dǎo)數(shù)的峰值功率；K為波形因子，表征了波形的陡峭度，其值越小，跟蹤曲線越陡峭，測量精度越高。式（1）和式（2）同樣適用于本地碼測高技術(shù)的高度精度評估。圖4 為相同信噪比和相同非相干累加次數(shù)情況下，GPS L1 干涉波形、北斗三號B1 干涉測高波形、北斗三號B2 干涉測高波形與GPS L1 本地碼測高波形理論估算的K值與高度精度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，北斗干涉測高波形的高度精度明顯優(yōu)于GPS L1 本地碼測高精度。

圖4 不同波形因子K 和信號載噪比CNR 與測高精度的關(guān)系Fig.4 Relationships between K,CNR and the height precision

Ninc為非相關(guān)累加次數(shù)，其值越大，噪聲越小，測量精度越高，如圖5 所示。然而受測高分辨率和接收機(jī)動態(tài)的限制，非相干累加次數(shù)無法達(dá)到無限增加。

圖5 非相干累加次數(shù)與測高精度的關(guān)系Fig.5 Relationship between incoherent integration count and the height precision

S/N為干涉測高信噪比，其值越大則高度測量精度越高，圖6 仿真了信噪比與測高精度之間的關(guān)系。信噪比大于1 dB 以后，信噪比的增加已對測高精度不再敏感。

圖6 干涉信噪比SNR 與測高精度的關(guān)系Fig.6 Relationships between SNR and the height precision

接收信號帶寬對測高精度的影響需要綜合考慮。信號帶寬越寬，噪聲越大，信噪比越低，不利于精度提升；但帶寬越寬，包含的信號越多，干涉測高波形更加陡峭，反而有助于提高測高精度。圖7 仿真了北斗三號B1 頻段帶寬與測高精度的關(guān)系。結(jié)果表明，北斗三號B1 頻段的信號帶寬處于33 MHz 時(shí)測高精度達(dá)到最優(yōu)，該值恰好為B1 頻段的全部信號帶寬。

圖7 B1 頻段信號帶寬與測高精度的關(guān)系Fig.7 Relationship between the B1 bandwidth and height precision

3 GNSS-R 干涉測高接收機(jī)設(shè)計(jì)

GNSS-R 干涉測高接收機(jī)用于收集直射信號和海面反射信號，并進(jìn)行干涉相關(guān)處理。接收機(jī)支持北斗B1、B2 頻段，GPS L1、L5 頻段，GAL E1、E5 頻段的干涉相關(guān)。該接收機(jī)在硬件設(shè)計(jì)上與普通GNSS 導(dǎo)航接收機(jī)類似，由射頻單元、基帶數(shù)據(jù)處理單元和控制單元構(gòu)成。

射頻單元完成信號放大、下變頻，最終得到模擬中頻信號，該信號進(jìn)入A/D 采集單元后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字中頻信號。

數(shù)據(jù)處理單元由可編程FPGA 實(shí)現(xiàn)，完成數(shù)字中頻信號處理，信號處理包括兩部分，即導(dǎo)航信號處理和反射信號處理。導(dǎo)航信號處理實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航信號的捕獲與跟蹤。將捕獲跟蹤到的導(dǎo)航衛(wèi)星信息送至控制模塊進(jìn)行定位解算。定位解算完成后，導(dǎo)航信號處理模塊向反射處理單元提供準(zhǔn)確的同步信號。

反射信號處理單元為干涉測高接收機(jī)的核心單元，實(shí)現(xiàn)直射與反射信號的干涉相關(guān)，干涉相關(guān)通道中包含直射、反射信號的接收處理，以及直/反信號的干涉相關(guān)處理。處理產(chǎn)生的干涉測高波形輸出至控制單元。

控制單元負(fù)責(zé)接收機(jī)的全局控制，包括導(dǎo)航信號的捕獲跟蹤控制、定位解算、反射預(yù)測、干涉通道控制以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。圖8 為接收機(jī)的整體結(jié)構(gòu)。

圖8 GNSS-R 干涉測高接收機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.8 GNSS-R interferometric altimeter receiver structure

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證北斗三號系統(tǒng)在GNSS-R 干涉測高技術(shù)中應(yīng)用的可行性，2019 年9 月利用上述自研GNSSR 干涉測高接收機(jī)在懷柔水庫進(jìn)行了4 天的岸基測試。

本試驗(yàn)使用了兩副天線，一副為直/反干涉天線，另一副為導(dǎo)航天線。直/反干涉天線固定在水面上方平臺支架上，用于接收直射與反射信號；導(dǎo)航天線固定在支架最上方，用于接收機(jī)定位和時(shí)間同步。兩副天線輸出均連接至GNSS-R 干涉測高接收機(jī)。

4.2 測高波形

本次岸基試驗(yàn)利用GNSS-R 干涉測高接收機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了多種GNSS 信號跟蹤，并首次接收到北斗三號B1 頻段和B2 頻段的干涉測高波形。圖9（a）給出了接收機(jī)首次接收到的北斗三號B1 和B2 干涉測高波形。圖9（b）為GPS L1 與L5 信號的干涉測高波形，從跟蹤波形可以看出，L1 干涉測高的波形頂端部分形狀與L5 基本一致，是由于L1 頻段中混合了C/A、P 及M 碼，雖然P 碼與M 碼均屬于授權(quán)碼，普通用戶無法使用，但是干涉測高技術(shù)仍可利用這些授權(quán)碼提升波形的陡峭度，進(jìn)而提升測量精度。圖9（c）為GAL E1 與E5 的干涉測高曲線。圖10 為BD、GPS與GAL 的本地碼測高曲線，對比最明顯的是中間GPS L1 與L5 本地碼測高曲線，L5 本地碼測高曲線明顯比GPS L1 本地碼測高曲線更加陡峭。圖11 為北斗三號B1 和B2 干涉測高與北斗B1 本地碼測高的結(jié)果對比。結(jié)果表明：北斗三號B1 和B2 干涉測高曲線明顯比北斗 B1 本地碼測高曲線更加陡峭，根據(jù)第2 節(jié)精度分析公式，北斗三號B1 和B2 干涉測高性能優(yōu)于北斗B1 本地碼測高性能。

圖9 BD (a)，GPS (b)和GAL (c)實(shí)測干涉測高波形Fig.9 Received BD (a),GPS (b) and GAL (c) interferometric tracking waveforms

圖10 BD (a)，GPS (b)和GAL (c)實(shí)測本地碼測高波形Fig.10 Received BD (a),GPS (b) and GAL (c) local code tracking waveforms

圖11 北斗三號干涉測高與本地碼測高波形的對比Fig.11 Comparison between BD3 interference and BD2 B1 local tracking results

4.3 測高精度

本試驗(yàn)根據(jù)獲取的測高波形成功估算出反射信號相對直射信號的延遲，再根據(jù)GNSS 衛(wèi)星位置信息和接收機(jī)位置反演水面高度，并對水面高度精度進(jìn)行評估。本次岸基試驗(yàn)接收機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，直射與反射信號之間的多普勒變化很小，因此可以適當(dāng)提升非相干累加次數(shù)以達(dá)到理想的高度測量精度。綜合GNSS 衛(wèi)星動態(tài)，本次水面高度反演采用了300 s 的非相干積分時(shí)間。表2 列出了北斗三號和GPS 衛(wèi)星計(jì)算的水面高度標(biāo)準(zhǔn)差。測量結(jié)果表明：實(shí)際測量高度精度與理論估算值相近，GPS L1 和北斗B1 本地碼測高技術(shù)測得的高度精度較差，北斗三號B1 和B2 干涉測高技術(shù)相比GPS L1 和北斗B1 本地碼測高技術(shù)，高度精度有顯著提升。由最差的0.90 m 提升至0.12 m，水面高度測量精度提升了86%，提升效果明顯。

表2 水面高度計(jì)算結(jié)果（單位m）Table 2 Results of the water surface height (unit m)

5 結(jié)論

GNSS-R 干涉測高技術(shù)相比本地碼測高技術(shù)具有信號帶寬大、測量精度高等優(yōu)勢。雖然關(guān)于干涉測高技術(shù)已有大量理論和試驗(yàn)結(jié)果，但是中國北斗三號系統(tǒng)應(yīng)用于干涉測高技術(shù)的研究卻較少。本文分析了干涉測高技術(shù)相對本地碼測高技術(shù)的優(yōu)勢，介紹了北斗三號系統(tǒng)在干涉測高技術(shù)中應(yīng)用。為驗(yàn)證北斗三號衛(wèi)星干涉測高功能，自行研制了多系統(tǒng)GNSSR 干涉測高接收機(jī)，并進(jìn)行外場水面高度干涉測高實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)首次接收到北斗三號B1 和B2 頻段的干涉測高波形，并且與北斗B1 和GPS L1 本地碼測高波形進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，北斗三號B1 和B2 干涉測高波形比北斗B1 和GPS L1 的本地碼測高波形具有更大的斜率，有利于測高精度的提升。利用測高波形對水面高度進(jìn)行了反演，結(jié)果表明，北斗三號干涉測高精度明顯優(yōu)于本地碼測高精度，測量精度提升顯著。