北斗衛(wèi)星反射信號(hào)岸基海面高度反演精度的評(píng)估

張?jiān)?，趙樂(lè)久，孟婉婷，秦瑾，盛志超，楊樹(shù)瑚，*

(1.上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué) 上海海洋智能信息與導(dǎo)航遙感工程中心，上海 201306；3.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

北斗衛(wèi)星 導(dǎo)航系 統(tǒng)（Beidou navigation satellite system，BDS）是中國(guó)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，伴隨著全部衛(wèi)星的發(fā)射組網(wǎng)，為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射測(cè)量(global navigation satellite system reflectometry, GNSS-R)技術(shù)提供了新的機(jī)遇。

GNSS-R 技術(shù)可利用GNSS 的反射信號(hào)與直射信號(hào)之間的差異進(jìn)行水面或海面高度的反演[2]，現(xiàn)有方法主要包括碼相位延遲測(cè)高[3-6]、載波相位延遲測(cè)高[7-14]、信噪比測(cè)高[15]、時(shí)延-多普勒（delay-Dopplor map，DDM）測(cè)高[16-17]等。岸基GNSS-R 海面測(cè)高相對(duì)于機(jī)載和星載平臺(tái)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)和精度高等特點(diǎn)，是研究測(cè)高模型及評(píng)估測(cè)高精度的基礎(chǔ)。對(duì)于BDS，現(xiàn)有岸基研究已經(jīng)完成了基于碼相位延遲測(cè)高、信噪比測(cè)高和載波相位延遲測(cè)高的高度反演實(shí)驗(yàn)。在碼相位延遲測(cè)高方面，文獻(xiàn)[6]首次使用北斗衛(wèi)星B1I 信號(hào)，在浙江大洋山海域，成功反演了海面高度，精度達(dá)到亞米級(jí)。在載波相位延遲測(cè)高方面，文獻(xiàn)[13-14]分別利用北斗地球同步軌道(geostationary equatorial orbit, GEO)衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous orbit, IGSO)衛(wèi)星B1I信號(hào)進(jìn)行反演，精度可達(dá)厘米級(jí)，長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)數(shù)據(jù)符合潮位變化的趨勢(shì)；文獻(xiàn)[15]利用北斗B2a 信號(hào)進(jìn)行水面高度反演實(shí)驗(yàn)，在30 s 非相干積分時(shí)間下反演精度達(dá)到5.9 cm。

綜上所述，目前關(guān)于BDS 反射測(cè)量（BDS-R）信號(hào)，特別是利用BDSB3I 信號(hào)進(jìn)行海面測(cè)高方法和反演性能分析的研究較少，缺少必要的實(shí)驗(yàn)成果及精度分析。北斗B3I 碼作為新一代信號(hào)，與北斗B1I碼載波調(diào)制方式相同，波長(zhǎng)和抗干擾性相近，采用載波相位延遲測(cè)高方法理論上精度應(yīng)處于同一等級(jí)；但其相較于B1I 碼，碼片寬度更窄，理論上DDM測(cè)高方法可以獲得更加精確的測(cè)高精度。

本文在山東省威海市山東大學(xué)威海分校附近海域，使用雙頻BDS-R 接收機(jī)，利用岸基北斗B1I/B3I 雙頻段直射和反射信號(hào)數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)當(dāng)天風(fēng)速波動(dòng)約7～11 m/s 的條件下，開(kāi)展DDM 和載波相位延遲高度反演實(shí)驗(yàn)，將測(cè)高結(jié)果與實(shí)測(cè)同比數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)兩者由于信號(hào)特性產(chǎn)生的測(cè)高精度差異進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，系統(tǒng)分析了不同測(cè)高方法的北斗B1I 和B3I 信號(hào)的海面高度反演性能。

1 岸基BDS-R 海面高度反演原理

1.1 北斗B1I/B3I 信號(hào)結(jié)構(gòu)

BDS 采用L 波段右旋圓極化(right-hand circular polarization, RHCP)信號(hào)，由I、Q 兩個(gè)支路的測(cè)距碼和導(dǎo)航電文正交調(diào)制在載波上構(gòu)成B1、B2、B3 信號(hào)[18]。北斗B1I 和B3I 信號(hào)對(duì)比如表1 所示。

表1 北斗B1I 和B3I 信號(hào)對(duì)比Table 1 Comparison of Beidou B1I signals and B3I signals

北斗B1I 和B3I 信號(hào)均采用BPSK 調(diào)制，B1I 信號(hào)帶寬為4.092 MHz，標(biāo)稱載波頻率為1 561.098 MHz；B3I 信 號(hào) 帶 寬 為20.46 MHz，標(biāo) 稱 載 波 頻 率 為1 268.52 MHz。B1I 信號(hào)的偽碼速率為2.046 MHz，碼片寬度為0.489 μs，約為150 m；B3I 信號(hào)的偽碼速率為10.23 MHz，碼片寬度為0.098 μs，約為30 m。

1.2 岸基海面高度反演模型

衛(wèi)星反射信號(hào)為經(jīng)過(guò)反射面反射后到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)，相對(duì)于直射信號(hào)存在路徑延遲[19]。假設(shè)反射面（海面）為水平，不考慮地球曲率，構(gòu)造岸基BDS-R 海面高度反演模型，如圖1 所示。

圖1 岸基BDS-R 海面高度反演示意圖Fig.1 Schematic diagram of shore-based BDS-R sea surface height retrieval

反射天線到海面的高度為Hr，北斗衛(wèi)星與接收機(jī)之間的直射延遲為 Dir，在海面上的反射信號(hào)延遲為 R ef，有

式中：Delay 為北斗衛(wèi)星與接收機(jī)在海面的反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的路徑延遲；c為光速。

可得出反演海面高度Hr,measured為

式中：A為鏡面反射點(diǎn)的BDS 衛(wèi)星仰角。

1.3 DDM 高度反演原理

DDM 中的時(shí)間延遲可用于描述反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的延遲關(guān)系。圖2 為本次BDS-R 接收設(shè)備輸出的B1I 頻段和B3I 頻段的DDM（含15 組多普勒頻偏，每組頻偏具有48 路延遲相關(guān)）。

圖2 B1I 頻段和B3I 頻段生成的DDM 相關(guān)功率圖Fig.2 DDM correlation power diagram generated by B1I and B3I frequency bands

在岸基實(shí)驗(yàn)中，由于接收機(jī)固定，利用時(shí)延一維功率譜實(shí)現(xiàn)海面高度反演。由于接收機(jī)距離海面較近，以北斗B3I 信號(hào)為例，在時(shí)延一維功率譜中，反射信號(hào)波形能量最大值相對(duì)于直射信號(hào)波形能量最大值的延遲距離（約0.15 個(gè)碼片寬度）小于波形跟蹤窗口寬度（時(shí)延維度距離，約7 個(gè)碼片寬度），因此，直射信號(hào)自相關(guān)峰與反射信號(hào)互相關(guān)峰均落在波形跟蹤窗口內(nèi)。

基于DDM 的高度反演，首先通過(guò)計(jì)算直射信號(hào)PRN 碼自相關(guān)峰與反射信號(hào)PRN 碼互相關(guān)峰的碼相位延遲來(lái)計(jì)算路徑延遲[20]。分別提取B1I 頻段和B3I 頻段DDM 中多普勒維度為0 的時(shí)延一維功率譜切片，如圖3 所示。由于北斗B3I 信號(hào)單個(gè)碼片的分辨率較高，其時(shí)延一維功率譜中延遲維度的精度更高。對(duì)比圖3 中的橫軸可以看出，在波形跟蹤窗口內(nèi)的B3I 頻段跟蹤窗口寬度（約250 m）遠(yuǎn)小于B1I 頻段跟蹤窗口寬度（約750 m），在進(jìn)行延遲距離的計(jì)算時(shí)，理論上可以獲得比北斗B1I 信號(hào)更精確的結(jié)果。

圖3 B1I 頻段和B3I 頻段DDM 多普勒維度為0 的時(shí)延一維功率譜切片F(xiàn)ig.3 Slice of B1I and B3I frequency bands DDM time-delay one-dimensional power spectrum when Doppler is 0

反射信號(hào)能量最大值為DDM 多普勒維度為0 切片中峰值所對(duì)應(yīng)的位置（見(jiàn)圖3），計(jì)算該切片中峰值能量對(duì)應(yīng)的延遲距離（Delaymax），將其與直射信號(hào)能量最大值（見(jiàn)圖3）所對(duì)應(yīng)的延遲（Delaydir）做差，可以得到兩者的距離差（Delaycorr），即為反射信號(hào)與直射信號(hào)的延遲距離[21]。結(jié)合式(1)與式(2)，可得反演后的接收天線距離海面的高度Hr,measured。圖4 為基于DDM 測(cè)高方法的岸基BDS-R 海面高度反演方法流程。

圖4 岸基BDS-R DDM 海面高度反演方法流程Fig.4 Flow chart of shore-based BDS-R DDM sea surface height retrieval method

1.4 載波相位延遲高度反演原理

基于BDS 混合星座的設(shè)計(jì)，對(duì)于不同軌道類(lèi)型的衛(wèi)星，可將載波相位延遲高度反演方法分為GEO相位測(cè)高方法[13]和IGSO/MEO 相位測(cè)高方法[14]，本文實(shí)驗(yàn)采用北斗IGSO/MEO 衛(wèi)星的B1I/B3I 信號(hào)數(shù)據(jù)。以北斗B3I 信號(hào)為例，對(duì)數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行說(shuō)明。

軟件接收機(jī)利用鎖相環(huán)對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使輸入信號(hào)與本地載波的相位差逐漸趨于收斂，實(shí)現(xiàn)相位的穩(wěn)定跟蹤[22]。

經(jīng)過(guò)接收機(jī)跟蹤后得到的原始數(shù)據(jù)，每1 ms 獲取一組相干結(jié)果。圖5 為經(jīng)過(guò)跟蹤后，選取中心時(shí)延lag，生成的直射/反射相關(guān)IQ 功率波形(1 200 ms)，即直射信號(hào)場(chǎng)Ed和 反射信號(hào)場(chǎng)Er。將Ed和Er結(jié)合，構(gòu)造相干復(fù)數(shù)場(chǎng)CI，提取相干相位觀測(cè)量 φI。

圖5 B3I 頻段直射和反射I、Q 相關(guān)支路波形Fig.5 Waveforms of I and Q related branches of direct and reflection in B3I frequency band

不同時(shí)間段內(nèi)接收天線到海面的垂直高度Hr,measured可 以通過(guò) φI與 干涉路徑延遲 ρI計(jì)算得出。對(duì)Hr,measured進(jìn)行首次估計(jì)，將實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)通過(guò)微波測(cè)高儀測(cè)得的高度值作為首次估計(jì)值，表示為H～r,measured，兩者之間存在高度變化量 ?H。將H～r,measured與不斷變化的衛(wèi)星仰角 θ構(gòu)造路徑延遲的估計(jì)值ρ?I，與連續(xù)的相位觀測(cè)量 φI生成剩余干涉相位?φI。圖6 顯示了B3I 頻段岸基反演獲得的150 s 的碼延遲和相位延遲?？梢钥闯?，相對(duì)于偽碼延遲，相位延遲具有非常高的精度。

圖6 B3I 頻段碼延遲和相位延遲對(duì)比Fig.6 Comparison of code delay and phase delay in B3I frequency band

對(duì)獲得的剩余干涉相位進(jìn)行高頻噪聲濾波、平滑處理，通過(guò)相位解纏解除相位的纏繞現(xiàn)象。經(jīng)處理過(guò)的?φI進(jìn)行最小二乘線性擬合，可求得剩余干涉相位的斜率m。

式中：??I,N為連續(xù)時(shí)間區(qū)間內(nèi)的剩余干涉相位；θ?N為第N秒的衛(wèi)星仰角讀數(shù)。

式（3）中計(jì)算得出的解向量x，包含常量a和剩余干涉相位的斜率m，m與 高度變化量 ?H存在如下關(guān)系：

式中：λ為載波波長(zhǎng)。

將 ?H與理論估計(jì)高度值H～r,measured相加，得到接收機(jī)距離海面的反演高度Hr,measured，如下：

圖7 為基于載波相位延遲方法的岸基BDS-R海面高度反演方法流程。

圖7 岸基BDS-R 載波相位延遲海面高度反演方法流程Fig.7 Flow chart of shore-based BDS-R carrier phase delay sea surface height retrieval method

2 岸基BDS-R 海面測(cè)高實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

2020 年9 月7 日在山東省威海市山東大學(xué)附近海域(37°32′2.483 9″N, 122°2′44.154 4″E）進(jìn)行岸基BDS-R 海面高度反演實(shí)驗(yàn)，表2 為實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)。

表2 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)Table 2 Experimental parameter

圖8 為本文實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，在棧橋上架設(shè)用于接收北斗衛(wèi)星直射/反射信號(hào)的探測(cè)天線和接收設(shè)備。直射天線和反射天線的垂直高度為5.45 m，反射天線傾角為42°，天線架設(shè)朝向?yàn)槟掀?00°。DDM數(shù)據(jù)采集時(shí)間區(qū)間為2020 年9 月7 日08:18—10:41(LT），原始中頻數(shù)據(jù)采集時(shí)間區(qū)間為2020 年9 月7 日08:18—10:13(LT)。

圖8 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.8 Experimental scene

2.2 實(shí)驗(yàn)相關(guān)配置

實(shí)驗(yàn)采用的硬件為上海航天電子技術(shù)研究所設(shè)計(jì)制造的微型BDS-R 接收機(jī)，由左旋圓極化(left-hand circular polarization，LHCP)下視相控陣天線、寬波束RHCP 上視天線和硬件接收機(jī)3 部分組成，設(shè)備能夠同時(shí)接收和處理北斗B1I/B3I 信號(hào)，同時(shí)雙頻段的設(shè)計(jì)可以有效消除電離層誤差。

實(shí)驗(yàn)的其他主要器材為手持GPS 定位接收機(jī)、全站儀、微波測(cè)高儀、手持便捷式測(cè)風(fēng)儀等。手持便攜式測(cè)風(fēng)儀每間隔0.5 h 進(jìn)行一次風(fēng)速監(jiān)測(cè)并記錄（風(fēng)速單位：m/s）。

全站儀分別測(cè)量直射天線、反射天線和測(cè)高儀的相位中心，計(jì)算獲得天線相位中心與測(cè)高儀之間的距離；微波測(cè)高儀實(shí)時(shí)獲取海面與高度計(jì)之間的距離。如圖1 所示，將全站儀與接收機(jī)反射天線相位中心的距離記為H1，全站儀與微波測(cè)高儀之間的距離記為H2，微波測(cè)高儀測(cè)量的實(shí)時(shí)海面高度記為H3，有

驗(yàn)證模型高度Hr,field為實(shí)測(cè)的接收機(jī)反射天線到海面的實(shí)時(shí)高度，作為本文實(shí)驗(yàn)的同比數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證DDM 測(cè)高方法反演結(jié)果Hr,measured（見(jiàn)式（2））和載波相位延遲測(cè)高方法反演結(jié)果Hr,measured（見(jiàn)式（5））的精度。

表3 為手持便攜式測(cè)風(fēng)儀測(cè)得的實(shí)驗(yàn)當(dāng)日的風(fēng)速數(shù)據(jù)（約15 min 采集一次），整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中風(fēng)速維持在較高狀態(tài)，后段時(shí)間（09:11—10:33,LT）較前段時(shí)間（08:13—09:11, LT）風(fēng)速出現(xiàn)了較大幅度的上升。

表3 實(shí)驗(yàn)風(fēng)速數(shù)據(jù)Table 3 Experimental wind speed data

2.3 衛(wèi)星數(shù)據(jù)篩選

圖9 顯示了實(shí)驗(yàn)當(dāng)天07:00 時(shí)刻所選取實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的天頂圖和仰角變化圖（07:00—11:00）。岸基實(shí)驗(yàn)中，由于直射/反射天線位置固定，高度不變，且反射天線方向固定朝向海面，根據(jù)天線波束角范圍，確定接收衛(wèi)星方位角范圍為110°～290°（以天線朝向的方位角為中心加減90°），即圖9（a）的白色明亮區(qū)域。由于低仰角衛(wèi)星信號(hào)受到多徑效應(yīng)，海面粗糙度和觀測(cè)噪聲等的影響較大，為確保接收信號(hào)的質(zhì)量，選擇仰角范圍高于30°的北斗IGSO 和MEO 衛(wèi)星，本文實(shí)驗(yàn)選取C10（IGSO）衛(wèi)星、C13（IGSO）衛(wèi)星、C19（MEO）衛(wèi)星和C22（MEO）衛(wèi)星。圖10 為實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的鏡面反射點(diǎn)移動(dòng)軌跡。在DDM高度反演過(guò)程中，由于反射信號(hào)的接收特性，鏡面反射點(diǎn)在信號(hào)傳播過(guò)程中受到障礙物影響，會(huì)出現(xiàn)明顯偏離軌跡，投射在陸地（見(jiàn)圖10 中灰色棧橋區(qū)域）的情況，導(dǎo)致接收到的DDM 觀測(cè)波形產(chǎn)生明顯異常，需對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩除。此外，在載波相位延遲高度反演過(guò)程中，結(jié)合上述篩選策略，還需對(duì)軟件接收機(jī)中捕獲到的衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)弱進(jìn)行判斷，篩選信噪比較高衛(wèi)星進(jìn)行反演。

圖9 實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星天頂圖和衛(wèi)星仰角圖Fig.9 Experimental satellite zenith and elevation angle

圖10 鏡面反射點(diǎn)移動(dòng)軌跡Fig.10 Movement trajectory of specular reflection points

3 海面高度反演結(jié)果與分析

3.1 B1I/B3I 雙頻段DDM 反演結(jié)果

LHCP 下視天線同時(shí)接收北斗B1I 和B3I 的反射信號(hào)，通過(guò)硬件接收機(jī)生成相關(guān)DDM 輸出文件（4 通道采集，輸出間隔1 s）。將全部DDM 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信噪比篩選及異常波形的篩除后，選取符合條件的DDM 切片進(jìn)行反演。

圖11 為利用2.3 節(jié)篩選方法獲得的4 顆衛(wèi)星的DDM 數(shù)據(jù)，根據(jù)DDM 測(cè)高方法，分別在B1I 和B3I 頻段進(jìn)行海面高度反演的結(jié)果。由于硬件接收機(jī)的數(shù)據(jù)處理機(jī)制，部分連續(xù)時(shí)間段內(nèi)跟蹤處理的并非同一顆衛(wèi)星。例如，在時(shí)間區(qū)間09:00—09:45(LT)中，硬件接收機(jī)間斷處理C10 和C13 衛(wèi)星，導(dǎo)致衛(wèi)星反演獲得的DDM 數(shù)據(jù)反演結(jié)果不連續(xù)。此外，結(jié)合2.3 節(jié)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的篩選機(jī)制，將不符合鏡面反射點(diǎn)等相應(yīng)篩選標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，予以篩除，故圖11中出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)空置的情況。

圖11 2020 年9 月7 日08:18—10:41（LT）時(shí)刻C10、C13、C19、C22 衛(wèi)星B1I 和B3I 頻段DDM 反演與同比數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果Fig.11 Comparison of B1I and B3I frequency bands DDM retrieval results and measured heights of C10, C13, C19 and C22 satellites at 08:18—10:40 September 7, 2020 (LT)

圖11 中實(shí)線為實(shí)驗(yàn)同比數(shù)據(jù)，本文實(shí)驗(yàn)采用平均絕對(duì)誤差(mean absolute error, MAE)和均方根誤差(root-mean-square error, RMSE)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)驗(yàn)證海面反演精度。將DDM 測(cè)高方法反演結(jié)果與同比數(shù)據(jù)對(duì)比，精度驗(yàn)證結(jié)果如表4 所示。

表4 DDM 測(cè)高方法B1I 和B3I 頻段衛(wèi)星精度分析Table 4 DDM height measuring method for B1I and B3I frequency bands accuracy analysis

3.2 B1I/B3I 雙頻段載波相位延遲反演結(jié)果

在原始數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，每6 min 獲取一組數(shù)據(jù)。由于反射面具有較大粗糙度，以及硬件接收機(jī)本身引起的噪聲，為避免剩余干涉相位波形的失真，需對(duì)接收機(jī)在信號(hào)捕獲過(guò)程中的門(mén)限值進(jìn)行合理設(shè)定，對(duì)接收機(jī)處理獲得的相位觀測(cè)量進(jìn)行判斷，篩選出信噪比較高的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。

圖12 為利用篩選衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)載波相位延遲測(cè)高方法，在B1I 和B3I 頻段進(jìn)行海面高度反演的結(jié)果。圖12 中實(shí)線為實(shí)驗(yàn)同比數(shù)據(jù)，在08:24—10:07的觀測(cè)區(qū)間內(nèi)，B1I 和B3I 頻段數(shù)據(jù)基于載波相位延遲測(cè)高方法的精度驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。

圖12 2020 年9 月7 日08:55—10:07（LT）時(shí)刻B1I 和B3I頻段載波相位延遲反演與同比數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果Fig.12 Comparison of B1I and B3I frequency bands carrier phase delay retrieval results and measureed heights at 08:55—10:07 September 7, 2020 (LT)

表5 載波相位延遲測(cè)高方法B1I 和B3I 頻段衛(wèi)星精度分析Table 5 Carrier phase delay height measuring method for B1I and B3I frequency bands accuracy analysis m

3.3 測(cè)高結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)當(dāng)天總體維持較高風(fēng)速的情況下，利用08:18—10:41(LT)觀測(cè)時(shí)段區(qū)間內(nèi)的DDM 數(shù)據(jù)進(jìn)行了海面高度反演，通過(guò)分析表4，得出如下結(jié)論：B1I 頻段全體衛(wèi)星數(shù)據(jù)集得到的每秒反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的MAE 為1.18 m，RMSE 為1.48 m，B3I 頻段全體數(shù)據(jù)集得到的每秒反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的MAE 為0.84 m，RMSE 為1.10 m。B3I 頻段相較B1I頻段，反演的MAE 提高了0.34 m，RMSE 提高了0.38 m，具有更為精確的反演結(jié)果，驗(yàn)證了1.4 節(jié)的理論分析。

對(duì)于單顆衛(wèi)星的反演結(jié)果，C22 衛(wèi)星（BDS-3）相 較 于C10（BDS-2）、C13（BDS-2）和C19（BDS-2）3 顆衛(wèi)星，BDS-3 反射信號(hào)的海面反演精度最優(yōu)，原因可能是BDS-3 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)完整率與信噪比均高于BDS-2，同時(shí)系統(tǒng)偏差等方面優(yōu)于BDS-2 衛(wèi)星[23]。但是由于實(shí)驗(yàn)缺乏更多的BDS-3 衛(wèi)星和BDS-2 衛(wèi)星對(duì)比結(jié)果數(shù)據(jù)集，不能對(duì)BDS-3 衛(wèi)星和BDS-2 衛(wèi)星之間的反演精度差異展開(kāi)更加全面的分析。

對(duì)于載波相位延遲反演，實(shí)驗(yàn)每6 min 可以獲得一組反演結(jié)果，相較于先前開(kāi)展的海面高度反演實(shí)驗(yàn)[14]，在時(shí)間分辨率上有了較大幅度提升。對(duì)08:24—10:13(LT)時(shí)間區(qū)間的C19 和C22 衛(wèi)星B1I/B3I 雙頻段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從表5 中得出結(jié)論：在載波相位延遲海面測(cè)高實(shí)驗(yàn)中，B1I 頻段數(shù)據(jù)反演結(jié)果與同比數(shù)據(jù)的MAE 和RMSE 分別為0.12 m 和0.15 m，B3I 頻段數(shù)據(jù)反演結(jié)果與同比數(shù)據(jù)的MAE和RMSE 分別為0.10 m 和0.12 m。與DDM 測(cè)高方法相比，載波相位延遲測(cè)高方法反演結(jié)果更加精確，總體維持在較高水平（厘米級(jí)）。

從結(jié)果上看，B3I 頻段精度略優(yōu)于B1I 頻段，但并不明顯，這主要是由于兩者載波調(diào)制方式相同，波長(zhǎng)相近，抗干擾性大致相同，沒(méi)有DDM 測(cè)高方法中由于信號(hào)特性所導(dǎo)致的對(duì)反演精度起到較大影響的差異性因素。

此外，由于載波相位本身的特性，對(duì)反射面的鏡面性要求較高，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天受到7～11 m/s 的海風(fēng)及海潮的作用，海面粗糙度較大，數(shù)據(jù)反演結(jié)果存在一定誤差。結(jié)合圖11 和圖12 進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)前半段08:00—09:00(LT)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，風(fēng)速的測(cè)量值維持在7 m/s 左右，海面相對(duì)平靜，載波相位反演結(jié)果與實(shí)測(cè)高度值較為接近；在實(shí)驗(yàn)后半段09:00—10:30(LT)的時(shí)間內(nèi)，風(fēng)速呈現(xiàn)一定程度的上升趨勢(shì)，最高可達(dá)11.7 m/s，反演結(jié)果受到風(fēng)速影響，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了一定程度的偏離，這一現(xiàn)象在B1I 和B3I 頻段載波相位延遲高度反演結(jié)果中均得以體現(xiàn)。由于實(shí)驗(yàn)風(fēng)速非實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，沒(méi)有進(jìn)一步定量評(píng)估風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了利用北斗B3I 信號(hào)在較高時(shí)間分辨率下（6 min）進(jìn)行高精度載波相位延遲海面高度反演的可行性。

4 結(jié) 論

本文利用北斗B1I 和B3I 信號(hào)雙頻段的原始中頻和DDM 數(shù)據(jù)，采用2 種BDS-R 海面高度反演方法，于2020 年9 月7 日在威海開(kāi)展了約2 h 的岸基實(shí)驗(yàn)，從信號(hào)特性和反演方法2 個(gè)維度評(píng)估了反演性能，得到如下結(jié)論：

1）采用DDM 海面高度反演方法時(shí)，由于B3I信號(hào)具有比B1I 信號(hào)更窄的碼片寬度和分辨率，在時(shí)延一維功率譜上具有更加精細(xì)的延遲分辨率。B3I 頻段反演結(jié)果的MAE 和RMSE 分別為0.84 m和1.10 m，相較于B1I 頻段，MAE 提高了29%，RMSE提高了26%。

2）采用載波相位延遲海面高度反演方法時(shí)，由于B3I 信號(hào)載波調(diào)制方式與B1I 相同，波長(zhǎng)和抗干擾性相近，B3I 頻段和B1I 頻段的反演結(jié)果相較于同比數(shù)據(jù)的MAE 和RMSE 分別為0.10 m、0.12 m和0.12 m、0.15 m，B3I 信號(hào)的反演精度略優(yōu)于B1I信號(hào)。

3）北斗衛(wèi)星B1I 和B3I 頻段的數(shù)據(jù)都能夠有效地用于岸基海面高度反演，B3I 頻段的數(shù)據(jù)整體表現(xiàn)優(yōu)于B1I 頻段。

4）DDM 海 面 高 度 反 演 方 法 的 精 度 在1 m 左右，但其對(duì)信號(hào)質(zhì)量的要求不高，能夠適應(yīng)不同的海面狀況；而載波相位延遲海面高度反演方法的精度在10 cm 左右，但其對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求較高，海面風(fēng)速和海潮的變化都可能影響反演結(jié)果甚至影響載波信號(hào)的連續(xù)接收導(dǎo)致無(wú)法反演。在一般風(fēng)速（7～11 m/s）下，能夠?qū)崿F(xiàn)較高時(shí)間分辨率（6 min）的高精度載波相位延遲高度反演。

本次實(shí)驗(yàn)受到環(huán)境限制及天氣的影響，時(shí)間共持續(xù)了不到 3 h，缺少實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，因此，只定性分析了其中風(fēng)速變化因素對(duì)反演精度的影響，對(duì)于精確的定量評(píng)估分析，將在今后的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行進(jìn)一步探究。同時(shí)在未來(lái)將開(kāi)展結(jié)合DDM 和載波相位延遲海面高度反演方法的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性更廣的高精度海面高度反演研究。

致謝 感謝北京航空航天大學(xué)的楊東凱教授和王峰博士，以及上海航天電子技術(shù)研究所的周勃高級(jí)工程師對(duì)反射信號(hào)接收機(jī)及反演模型方面提供的建議，感謝山東大學(xué)的高凡博士對(duì)本次實(shí)驗(yàn)提供的幫助。