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(shí)覆蓋、豐富且免費(fèi)的信號(hào)資源以及高時(shí)空分辨率等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)而成為遙感和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外先后開(kāi)展了基于GNSS-R的海面高度測(cè)量、海態(tài)監(jiān)測(cè)^[1-3]、海面風(fēng)場(chǎng)反演^[4-6]、海冰反演以及土壤濕度測(cè)量等研究工作^[7-9]。

    水面高程測(cè)量是GNSS-R的主要應(yīng)用領(lǐng)域，一般通過(guò)對(duì)直射與反射衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)延-多普勒映射接收機(jī)(Delay Doppler Map Receiver，DDMR)相關(guān)結(jié)果的碼相位差進(jìn)行觀測(cè)而實(shí)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(hào)處理方法對(duì)反射信號(hào)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(jī)載場(chǎng)景的、應(yīng)用于GNSS-R碼相位差測(cè)高的高增益信號(hào)處理方法，可有效避免導(dǎo)航數(shù)據(jù)位對(duì)積分過(guò)程的影響，降低動(dòng)態(tài)條件下多普勒的影響以及積分過(guò)程中平方損失的影響，提高處理增益，進(jìn)而提高測(cè)量精度。

1 反射信號(hào)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(hào)相關(guān)函數(shù)和相關(guān)功率模型^[4]。GNSS水面反射信號(hào)各參量之間的幾何關(guān)系如圖1所示。圖中，鏡面反射點(diǎn)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(jī)變量；接收機(jī)R與發(fā)射機(jī)T之間的距離R_d、鏡面反射點(diǎn)S與T的距離R_t以及S與R之間的距離R_r均為時(shí)間t的函數(shù)。

    在任意的時(shí)刻t，GNSS接收機(jī)中本地的PRN碼與接收天線在t+τ時(shí)刻收到的信號(hào)進(jìn)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(bǔ)償，τ表示不同的延時(shí)，n(t)為噪聲項(xiàng)，D(·)為接收天線方向性圖函數(shù)，d(·)為接收到的GNSS散射信號(hào)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(hào)的鏡面反射點(diǎn)的水平位置矢量，Δτ為碼延時(shí)，Δf為殘余頻差。

    DDMR單次相干積分時(shí)長(zhǎng)T_i一般為1 ms，即PRN碼的一個(gè)碼周期時(shí)長(zhǎng)，一般稱之為預(yù)相干積分。預(yù)相干積分之后，通過(guò)進(jìn)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(jī)載GNSS-R接收機(jī)只能采用非相干積分方法，但由于導(dǎo)航反射信號(hào)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(dòng)態(tài)的岸基接收機(jī)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(shí)間一般不能超過(guò)20 ms，對(duì)弱反射信號(hào)信噪比的改善十分有限，利用直射信號(hào)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(duì)反射信號(hào)中的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)進(jìn)行修正的唯一辦法^[10]，這種方案的缺點(diǎn)是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差，在反射信號(hào)等待導(dǎo)航數(shù)據(jù)的過(guò)程中需要消耗大量的存儲(chǔ)資源。

2 高增益信號(hào)處理方法

2.1 高增益信號(hào)處理

    本文提出了一種同時(shí)適用于岸基和機(jī)載應(yīng)用場(chǎng)景的高增益信號(hào)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(shí)一個(gè)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(guò)累加提高信噪比后得到滿足測(cè)高精度測(cè)量所需的相關(guān)結(jié)果。共軛相乘的過(guò)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(jī)載動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境^[12]。同時(shí)，有效利用了前后不同預(yù)處理積分時(shí)間內(nèi)噪聲的獨(dú)立性，相鄰樣點(diǎn)的噪聲共軛相乘后對(duì)噪聲的放大相對(duì)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(hào)處理過(guò)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(hào)路徑延時(shí)的估計(jì)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(duì)一段時(shí)間(T_k=(M-1)×T_i)內(nèi)的結(jié)果進(jìn)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(jiàn)，只有當(dāng)d_k·d_k-1 =-1時(shí)相關(guān)峰值能量會(huì)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(gè)預(yù)積分周期時(shí)，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(jī)可以在不考慮修正數(shù)據(jù)位的翻轉(zhuǎn)對(duì)實(shí)時(shí)性影響的情況下，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間積分處理。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 機(jī)載試驗(yàn)驗(yàn)證

    機(jī)載數(shù)據(jù)來(lái)源于2009年2、3月三亞南海海域的飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)使用運(yùn)-7運(yùn)輸機(jī)搭載接收機(jī)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(hào)的左旋圓極化天線，通過(guò)特別定制的錐形固定架安裝在飛機(jī)機(jī)身底部的整流罩內(nèi)；直射信號(hào)通過(guò)無(wú)衰減的功率分配器從飛機(jī)自帶的普通航空GPS天線獲得。信號(hào)采集區(qū)域是距離海岸約45 km、長(zhǎng)220 km的飛行區(qū)域。

    為了對(duì)本文的方法進(jìn)行信噪比性能驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中引入了機(jī)載GNSS-R領(lǐng)域傳統(tǒng)的非相干積分方法作為對(duì)比。對(duì)試驗(yàn)區(qū)域上空PRN 04、17、28三顆星的水面反射信號(hào)進(jìn)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(yàn)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(jī)載GNSS-R接收機(jī)DDMR的性能,良好的DDMR輸出信噪比可以有效提供測(cè)量精度。     

    試驗(yàn)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(jìn)行DCF處理，得到直射與反射信號(hào)之間的精確碼延遲Δτ_{直射-反射}，進(jìn)行1 min的平均計(jì)算，得到最終測(cè)高結(jié)果。兩種方法的高程測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

    采用高增益處理方法測(cè)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(cè)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(yàn)

    岸基數(shù)據(jù)來(lái)源于2013年2月17日在遼寧丹東鴨綠江水域的岸基試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)江面至接收機(jī)的高度約為16.51 m，結(jié)束時(shí)約為16.37 m。選擇2013年2月19日下午17點(diǎn)10分開(kāi)始的數(shù)據(jù)。 

    實(shí)驗(yàn)中，在不進(jìn)行任何數(shù)據(jù)位校正的情況下，對(duì)試驗(yàn)區(qū)域上空PRN 22、25、31三顆星的水面反射信號(hào)進(jìn)行80 ms的實(shí)時(shí)積分，去除粗差并進(jìn)行1 min的平均后，按照上文所述的方法測(cè)量接收機(jī)至水面的高度，對(duì)PRN22、PRN25和PRN31測(cè)算結(jié)果平均后的20 min測(cè)高結(jié)果分布如圖5所示。

    由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在未進(jìn)行潮位修正的情況下，測(cè)得的接收機(jī)至水面的高度與水位標(biāo)尺讀數(shù)基本一致，測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差約為42.95 cm，即在試驗(yàn)條件下，采用本文的高增益處理方法可在無(wú)需導(dǎo)航數(shù)據(jù)位修正的情況下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的積分，實(shí)現(xiàn)約0.43 m的測(cè)量精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

    本文提出了一種同時(shí)適用于岸基和機(jī)載應(yīng)用場(chǎng)景的、應(yīng)用于GNSS-R碼相位差測(cè)高的高增益信號(hào)處理方法，該方法可以提高接收機(jī)DDMR的處理增益，并避免導(dǎo)航數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)對(duì)積分過(guò)程的影響。通過(guò)機(jī)載和岸基試驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法可以通用于機(jī)載和岸基應(yīng)用環(huán)境，在機(jī)載應(yīng)用環(huán)境中，試驗(yàn)條件下的測(cè)高精度比非相干積分方法提高約15%，在岸基試驗(yàn)中，該方法不受相干積分20 ms的積分時(shí)間限制，可以有效延長(zhǎng)積分時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)0.43 m的測(cè)高精度。

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作者信息:

王藝燃，母東杰，孫  權(quán)，蘭  倩，林  拓

(中國(guó)電子進(jìn)出口總公司，北京100036)