0 引言

    基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的GNSS-R（GNSS-Reflection）技術(shù)具備廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景。GNSS-R技術(shù)因其全天候全天時覆蓋、豐富且免費的信號資源以及高時空分辨率等應(yīng)用優(yōu)勢而成為遙感和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域近年來的研究熱點，國內(nèi)外先后開展了基于GNSS-R的海面高度測量、海態(tài)監(jiān)測^[1-3]、海面風(fēng)場反演^[4-6]、海冰反演以及土壤濕度測量等研究工作^[7-9]。

    水面高程測量是GNSS-R的主要應(yīng)用領(lǐng)域，一般通過對直射與反射衛(wèi)星導(dǎo)航信號的時延-多普勒映射接收機(Delay Doppler Map Receiver，DDMR)相關(guān)結(jié)果的碼相位差進行觀測而實現(xiàn)。但受導(dǎo)航數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)、多普勒頻移以及平方損失（Squaring-Loss）等因素的影響，現(xiàn)有的信號處理方法對反射信號的處理結(jié)果并不理想^[10，11]。

    本文提出一種適用于岸基和機載場景的、應(yīng)用于GNSS-R碼相位差測高的高增益信號處理方法，可有效避免導(dǎo)航數(shù)據(jù)位對積分過程的影響，降低動態(tài)條件下多普勒的影響以及積分過程中平方損失的影響，提高處理增益，進而提高測量精度。

1 反射信號相關(guān)函數(shù)

    Z-V模型是目前GNSS-R研究領(lǐng)域最為常用的海面反射信號相關(guān)函數(shù)和相關(guān)功率模型^[4]。GNSS水面反射信號各參量之間的幾何關(guān)系如圖1所示。圖中，鏡面反射點S的坐標(biāo)為(x，y，ζ)，其中ζ=ζ(x，y)為大尺度海面高度隨機變量；接收機R與發(fā)射機T之間的距離R_d、鏡面反射點S與T的距離R_t以及S與R之間的距離R_r均為時間t的函數(shù)。

    在任意的時刻t，GNSS接收機中本地的PRN碼與接收天線在t+τ時刻收到的信號進行相關(guān)，輸出結(jié)果的Z-V模型可以表示為^[4]：

式中，f表示DDMR的多普勒頻移補償，τ表示不同的延時，n(t)為噪聲項，D(·)為接收天線方向性圖函數(shù)，d(·)為接收到的GNSS散射信號中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位，A(·)為PRN碼自相關(guān)函數(shù)，S(·)為多普勒頻移函數(shù)，g(·)描述了反射面的幾何特性。模型的輸入?yún)?shù)中，r表示信號的鏡面反射點的水平位置矢量，Δτ為碼延時，Δf為殘余頻差。

    DDMR單次相干積分時長T_i一般為1 ms，即PRN碼的一個碼周期時長，一般稱之為預(yù)相干積分。預(yù)相干積分之后，通過進一步的積分處理提高DDMR輸出結(jié)果的信噪比，主要采用相干積分和非相干積分兩種方法。相干積分受多普勒頻移的影響較大，所以機載GNSS-R接收機只能采用非相干積分方法，但由于導(dǎo)航反射信號自身的信噪比較低，受平方損失的影響，非相干積分方法信噪比的改善效果并不理想。非動態(tài)的岸基接收機可采用相干積分處理方法，受導(dǎo)航數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)的影響，積分時間一般不能超過20 ms，對弱反射信號信噪比的改善十分有限，利用直射信號中解調(diào)出的基帶導(dǎo)航數(shù)據(jù)作為修正參考是目前對反射信號中的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)進行修正的唯一辦法^[10]，這種方案的缺點是系統(tǒng)的實時性較差，在反射信號等待導(dǎo)航數(shù)據(jù)的過程中需要消耗大量的存儲資源。

2 高增益信號處理方法

2.1 高增益信號處理

    本文提出了一種同時適用于岸基和機載應(yīng)用場景的高增益信號積分處理方法。該方法將第k-1次DDMR預(yù)處理輸出結(jié)果的復(fù)共軛延時一個積分周期T_i后與第k次DDMR結(jié)果Y_k相乘，得到Y(jié)_k·，再通過累加提高信噪比后得到滿足測高精度測量所需的相關(guān)結(jié)果。共軛相乘的過程可以有效消除殘余多普勒頻差的影響，使存在頻偏與衰落的情況下也可以獲得良好的增益，適用于機載動態(tài)應(yīng)用環(huán)境^[12]。同時，有效利用了前后不同預(yù)處理積分時間內(nèi)噪聲的獨立性，相鄰樣點的噪聲共軛相乘后對噪聲的放大相對較小，降低了非相干累加中所存在的平方損失。該方法的信號處理過程如圖2所示。

    圖2中，DCF為相關(guān)函數(shù)微分(Derivative of the Correlation Function)方法，用于降低散射誤差，提高反射信號路徑延時的估計精度^[13]。

2.2 相關(guān)函數(shù)模型

其中J(·)為Jacobian行列式。將式(5)帶入式(3)，并對一段時間(T_k=(M-1)×T_i)內(nèi)的結(jié)果進行累加后即可得到高增益的相關(guān)函數(shù)輸出結(jié)果：

    由式(6)可見，只有當(dāng)d_k·d_k-1 =-1時相關(guān)峰值能量會出現(xiàn)衰減，但這種情況僅發(fā)生在T_k與T_k-1為跨越數(shù)據(jù)位邊沿的兩個預(yù)積分周期時，所以與相干積分相比，該方法受數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)的影響要小得多，采用該方法的GNSS-R接收機可以在不考慮修正數(shù)據(jù)位的翻轉(zhuǎn)對實時性影響的情況下，進行長時間積分處理。

3 試驗驗證

3.1 機載試驗驗證

    機載數(shù)據(jù)來源于2009年2、3月三亞南海海域的飛行試驗。試驗使用運-7運輸機搭載接收機天線，飛行速度大約為420 km/h，飛行高度約為5 200 m。用于接收GNSS反射信號的左旋圓極化天線，通過特別定制的錐形固定架安裝在飛機機身底部的整流罩內(nèi)；直射信號通過無衰減的功率分配器從飛機自帶的普通航空GPS天線獲得。信號采集區(qū)域是距離海岸約45 km、長220 km的飛行區(qū)域。

    為了對本文的方法進行信噪比性能驗證，實驗中引入了機載GNSS-R領(lǐng)域傳統(tǒng)的非相干積分方法作為對比。對試驗區(qū)域上空PRN 04、17、28三顆星的水面反射信號進行20~160 ms的積分，DDMR相關(guān)波形輸出結(jié)果的信噪比結(jié)果如圖3所示。

    試驗結(jié)果顯示，由于有效避免了平方損失，采用本文的方法輸出信噪比明顯優(yōu)于非相干積分方法，提高了機載GNSS-R接收機DDMR的性能,良好的DDMR輸出信噪比可以有效提供測量精度。     

    試驗中，使用高增益與非相干兩種不同積分方式各積分120 ms后進行DCF處理，得到直射與反射信號之間的精確碼延遲Δτ_{直射-反射}，進行1 min的平均計算，得到最終測高結(jié)果。兩種方法的高程測量結(jié)果對比如圖4所示。

    采用高增益處理方法測量的海面高程均值約為19.092 m，標(biāo)準(zhǔn)差約為0.106 m，在相同條件下，非相干處理方法測量結(jié)果均值約為19.074 m，標(biāo)準(zhǔn)差約為0.125 m，采用本文的處理方法可將精度提高約15.2%。

3.2 岸基試驗

    岸基數(shù)據(jù)來源于2013年2月17日在遼寧丹東鴨綠江水域的岸基試驗。實驗以江中的水文水位標(biāo)尺判讀數(shù)據(jù)作為高度反演結(jié)果的參考依據(jù)，實驗開始時江面至接收機的高度約為16.51 m，結(jié)束時約為16.37 m。選擇2013年2月19日下午17點10分開始的數(shù)據(jù)。 

    實驗中，在不進行任何數(shù)據(jù)位校正的情況下，對試驗區(qū)域上空PRN 22、25、31三顆星的水面反射信號進行80 ms的實時積分，去除粗差并進行1 min的平均后，按照上文所述的方法測量接收機至水面的高度，對PRN22、PRN25和PRN31測算結(jié)果平均后的20 min測高結(jié)果分布如圖5所示。

    由試驗結(jié)果可見，在未進行潮位修正的情況下，測得的接收機至水面的高度與水位標(biāo)尺讀數(shù)基本一致，測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差約為42.95 cm，即在試驗條件下，采用本文的高增益處理方法可在無需導(dǎo)航數(shù)據(jù)位修正的情況下進行長時間的積分，實現(xiàn)約0.43 m的測量精度。

4 結(jié)束語

    本文提出了一種同時適用于岸基和機載應(yīng)用場景的、應(yīng)用于GNSS-R碼相位差測高的高增益信號處理方法，該方法可以提高接收機DDMR的處理增益，并避免導(dǎo)航數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)對積分過程的影響。通過機載和岸基試驗對該方法進行驗證。試驗結(jié)果顯示，該方法可以通用于機載和岸基應(yīng)用環(huán)境，在機載應(yīng)用環(huán)境中，試驗條件下的測高精度比非相干積分方法提高約15%，在岸基試驗中，該方法不受相干積分20 ms的積分時間限制，可以有效延長積分時間，并實現(xiàn)0.43 m的測高精度。

參考文獻

[1] RIUS A，APARICIO J M，CARDELLACH E，et al.Sea surface state measured using GPS reflected signals[J].Geophys.Res.Lett.，2002，29(23)：2122.

[2] SOULAT F，CAPARRINI M，GERMAIN O，et al.Sea state monitoring using coastal GNSS-R[J].Geophys.Res.Lett.，2004，31(21)：L21303.

[3] MARCHAN-HERNANDEZ J F.Sea state determination using GNSS-R techniques: Contributions to the PAU instrument[C].Ph.D.dissertation，Univ.Politecnicade Catalunya，Barcelona，Spain，2009.

[4] ZAVOROTNY V U，VORONOVICH A G.Scattering of GPS signals from the ocean with wind remote sensing application[J].IEEE Trans.Geosci.Remote Sens，2000，38(2)：951-964.

[5] GARRISON J L，KOMJATHY A，ZAVOROTNY V U，et al.Wind speed measurement using forward scattered GPS signals[J].IEEE Trans.Geosci.Remote Sens，2002，40(1)：50-602.

[6] 路勇，楊東凱，熊華剛，等.基于GNSS-R的海面風(fēng)場檢測系統(tǒng)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2009，34(4)：470-473.

[7] ZAVOROTNY V U，VORONOVICH A G.Bistatic GPS signal reflections at various polarizations from rough land surface with moisture content[C].In Proc.Int.Geosci.Remote Sens.Symp.，Honolulu，HI，2000：2852-2854.

[8] KOMJATHY A，MASLANIK J，ZAVOROTNY V U，et al.Sea ice remote sensing using surface reflected GPS signals[C].In Proc.IEEE Int.Geosci.Remote Sens.Symp.，Honolulu，HI，2000：2855-2857.

[9] RODRIGUEZ-ALVAREZ N，BOSCH-LLUIS X，CAMPS A，et al.Soil moisture retrieval using GNSS-R techniques：Experimental results over a bare soil field[J].IEEE Trans.Geosci.Remote Sens，2009，47(11)：3616-3624.

[10] VALENCIA E，CAMPS A，MARCHAN-HERNANDEZ J F，et al.Experimental determination of the sea correlation time using GNSS-R coherent data[J].Geoscience and Remote Sensing Letters，IEEE，2010，7（4）：675-679.

[11] WEI Y.Selected GPS receiver enhancements for weak signal acquisition and tracking[D].Calgary：University of Calgary，2007.

[12] OH-SOON S，KWANG B L.Differentially coherent combining for double-dwell code acquisition in DS-CDMA systems[J].Communications，IEEE Transactions on.2003，51（7）：1046-1050.

[13] HAJJ G A，ZUFFADA C.Theoretical description of a bistatic system for ocean altimetry using the GPS signal[J].Radio Science，2003，38（5）：1089.

[14] MARCHAN-HERNANDEZ J F,CAMPS A，RODRIGUEZALVAREZ N，et al.An efficient algorithm to the simulation of delay & doppler maps of reflected global navigation satellite system signals[J].Geoscience and Remote Sensing，IEEE Transactions on，2009，47（8）：2733-2740.

作者信息:

王藝燃，母東杰，孫  權(quán)，蘭  倩，林  拓

(中國電子進出口總公司，北京100036)