基于DDMR輔助的GNSS-R載波相位差測高方法

王藝燃 洪學寶 張 波 張彥仲

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191)

基于全球衛星定位系統(GNSS，Global Navigation Satellite System)的GNSS-R(GNSS-Reflection)微波遙感技術利用GNSS的無線電信標源作為散射雷達照明源進行微波遙感，通過接收機裝置連續采集GNSS衛星直射信號及經探測目標散射的回波信號并進行相關的數據處理［1］.GNSS-R技術因其全天候、全天時、寬覆蓋、豐富且免費的信號資源以及高時空分辨率等應用優勢而成為遙感和導航技術領域近年來的研究熱點，國內外研究機構先后開展了利用GNSS反射信號實現海面高度測量、海態監測［2－4］、海面風場反演［5－7］、海冰反演［8］、土壤濕度測量［9］、海面浮油探測［10］等方面的研究工作，具備廣闊的發展和應用前景.對海面、湖面等反射面進行測高是GNSS-R遙感的主要應用領域，主要分為碼相位和載波相位測高兩種方式.碼相位測高是通過對直射信號與反射信號的時延-多普勒映射接收機(DDMR，Delay-Doppler Map Receiver)相關結果的碼相位差進行觀測而實現，碼相位測高的精度會受到導航擴頻碼測距能力的限制，通常將采用該方法的GNSSR 系統應用于機載和星載測量中［11－13］.基于直射-反射信號載波相位差的測高方式可實現更高的測量精度，但該方法對于應用環境的要求較嚴格，一般只應用于波浪較小的江面、湖面等平靜水域的岸基測高，且反射信號的跟蹤處理需采用特殊的信號處理方法，如文獻［14］中所提出的半閉環處理方法等.由于反射信號的信噪比較差且信號功率波動大，采用傳統的載波相位測高方法對實測數據進行處理時容易出現搜索不到相關功率峰值或錯誤定位峰值的情況，從而引起失鎖或出現測量誤差.

本文提出了一種基于DDMR輔助載波相位差提取的GNSS-R岸基測高方法，該方法采用閉環跟蹤方式對直射信號進行跟蹤，將完成跟蹤后的載波與反射信號相乘，并將擴頻碼進行對應的延時，用于完成對反射信號的擴頻碼同步，延時的時間通過對直射與反射信號DDMR的觀測獲得，反射信號的跟蹤采用全開環的處理方式.岸基實驗證明該方法可實現對反射信號的穩定跟蹤并準確提取載波相位差.

1 GNSS-R的測高原理

GNSS-R海面測高的原理如下:相對于到達接收機天線的GNSS直射信號，經過鏡面反射點的反射信號存在一個時間延遲τ，τ中含有海面高度的信息，可以據此進行海面高度的反演.在岸基GNSS-R測量中可近似認為地球表面為水平的，即忽略地球曲面的影響.根據光學幾何原理建立的GNSS-R測高幾何關系如圖1所示.

圖1 GNSS-R海面測高原理

不考慮大氣層的損耗等空間傳播不理想因素，GNSS反射信號與直射信號的傳播路徑差可表示為

式中，hr為接收機反射天線到反射面的高度;θ為鏡面反射點處的衛星高度角;d為接收機RHCP天線與LHCP天線之間的距離.當精確測量出ΔρE后，即可獲得反射點到接收機的高度為

設hR為接收機相對大地參考框架的高度，則海面高度實際值為

2 載波相位差提取方法

2.1 直射與反射信號載波相位差的提取

對于利用載波相位測高的岸基GNSS-R接收機，其直射、反射信號的路徑延時可以表示［15］為

目前最為有效的GNSS-R載波相位測高方法是文獻［14］中所提出的半閉環處理方法，該方法采用傳統的閉環跟蹤方式對直射信號進行跟蹤，將完成跟蹤后的載波引入反射信號處理通道與反射信號相乘，并對同步后的擴頻碼進行延時，調整延時量的大小使其與反射信號的相關功率最大，延時的步長為100 ns(對應C/A碼0.1碼片)，搜索范圍不大于2個碼片，完成對反射信號的擴頻碼同步，并利用四象限反正切鑒相器(four quadrant arctangent discriminator)對同步后的直射反射信號進行處理，得到載波相位差小數部分的單次估計值［14］.該方法的優點是結構簡單、易于實現，可直接得到載波相位差小數部分的結果，即有效消除整周模糊，但在反射信號的開環碼跟蹤搜索過程中容易因搜索不到相關功率峰值或錯誤定位峰值而引起失鎖或出現測量誤差.

2.2 基于DDMR輔助的載波相位差提取

本文提出了一種基于DDMR輔助的載波相位差半開環提取法，該方法將DDMR碼相位測高的信號處理過程中所求得的碼相位差ΔτD-R作為直射通道與反射通道的碼相位延時量，即對直射通道中同步后的擴頻碼進行ΔτD-R的延時后與反射信號相關，用于反射通道的碼跟蹤.該方法省去了碼相位延時搜索的過程，且可以準確地對反射信號中的擴頻碼進行同步.

2.2.1 DDMR 的處理方法

首先通過DDMR實現對直射與反射信號之間碼相位延時的精確估計，DDMR提取碼相位延時的處理過程如圖2所示，對反射信號的積分過程中使用了文獻［16］中的反射信號導航數據位翻轉快速檢測與修正技術.

圖2 DDMR處理過程

DDMR提取ΔτD-R的具體處理流程如下:

1)對直射、反射信號進行1ms的相干積分預處理，對直射信號預處理后的DDMR輸出結果進行差分相干(將前后2個預處理周期的DDMR結果進行差分相乘)處理，提取其峰值實部后進行極性判決，生成導航數據位修正因子序列pk;

2)依據pk對相同處理周期內的反射信號DDMR結果進行修正，并對修正后的直射、反射信號DDMR結果做進一步的相干積分;

3)直射信號DDMR輸出結果分為2路，一路作為捕獲結果參與直射信號同步與解擴解調，實現對接收機的定位(第4)步);另一路同反射信號DDMR一起繼續進行非相干累加(第5)步);

4)對捕獲后的直接信號進行跟蹤和定位解算，該部分的軟件接收機結構與常規的GNS接收機相同;

5)對相干積分后的直射與反射信號DDMR結果進行非相干累加處理，進一步提高信噪比并消除斑點噪聲的影響，得到信號的相關波形，完成對直射與反射信號的相關處理;

6)對反射信號的DDMR相關波形進行相關函數微分(DCF，Derivative of the Correlation Function)處理［17］，得到反射信號的DCF峰值碼相位，與直射信號相關峰值所對應的碼相位求差值即可得到反射和直接信號的精確碼延時估計ΔτD-R.

2.2.2 載波相位差的提取

將ΔτD-R作為直射通道與反射通道的碼相位延時量，即:將直射通道中同步后的擴頻碼進行ΔτD-R的延時后與反射信號相關，用于反射通道的碼跟蹤.基于DDMR輔助的載波相位差提取方法如圖3所示.基于DDMR輔助的載波相位差提取方法流程如下:

1)對直射信號進行同步，當本地碼和本地載波實現了對直射信號的跟蹤后，輸出直射信號的同相和正交分量相關值，記為ID和IR;

2)將完成跟蹤后的載波與反射信號相乘，并對同步后的擴頻碼進行延時，延時時間即為DDMR輸出的碼相位延時參考量ΔτD-R，完成對反射信號的擴頻碼同步;同步后直射信號的同相、正交分量相關值在送入環路鑒別器之前均進行20ms的積分處理以消除導航數據位的影響;

3)利用ID分別對反射信號的同相和正交支路進行基帶數據位剝離，得到

其中sgn為符號函數，即

4)使用四象限反正切鑒相器計算得到載波相位差小數部分的單次估計值:

5)對ΔφR-D進行濾波并去除粗差后利用式(4)對路徑延時進行計算.

圖3 基于DDMR輔助的載波相位差提取方法原理圖

3 岸基試驗驗證

2013-02-17—2013-02-20，筆者所在課題組在遼寧省丹東市鴨綠江水域開展了岸基GNSS-R的測高試驗，接收機架設于鴨綠江斷橋橋面(東經124°39'23.911 7″，北緯 40°6'57.133 4″)，天線朝向西南，方向角約為220°，為了更有效地對反射信號進行接收，天線有大約5°的仰角.試驗位置及接收機架設方式如圖4所示.

圖4 丹東鴨綠江斷橋試驗天線架設位置圖

接收機的硬件部分主要包括用來接收GPS直接信號的普通低增益(3 dB)GPS右旋極化天線、接收水面反射信號的中等增益(12 dB)GPS左旋極化陣列天線以及射頻前端和采樣器等.直射和反射信號分別經天線接收后由射頻前端完成下變頻，射頻前端采用OlinkStar的NS210M多通道信號采樣器，其中頻采樣頻率為16.367 667MHz，2 bit量化后產生原始采樣數據經USB接口轉至電腦中由接收機的軟件部分進行處理.接收機的軟件部分主要由包括常規的GPS軟件接收機定位功能，原始采集數據預處理功能以及高度反演模塊等功能模塊組成.

使用軟件接收機處理2013-02-19T17:00—18:30所采集的數據.試驗以江中的水文水位標尺判讀數據作為高度反演結果的參考依據，試驗開始時江面至接收機的高度約為16.51m，結束時約為16.37m.選擇2013-02-19T17:10開始的數據，此時的衛星空視圖如圖5所示.

圖5 GPS衛星空視圖

試驗中，PRN 22與PRN 27衛星近似位于天線架設正前方向，PRN 27的衛星高度角低于20°，不適宜用于高度反演試驗，PRN 22的高度角為40.8°，故選取PRN 22衛星信號作為處理對象.DDMR分別對直射與反射信號進行21ms的相干積分及80次非相干累加，獲得直射信號與反射信號的碼相位延時估計值，用于對反射信號進行開環跟蹤.連續處理10 s的數據，提取載波相位差并計算水面至接收機的高度，結果見圖6.去除粗差并進行0.5 s的數據平均后的測高結果見圖7.圖中所示的標準差均為去除粗差后的測算結果.

可見，使用該方法進行反演，未進行潮位修正的反演結果圍繞實際高度上下浮動約10 cm，標準差約為2.5 cm，測量精度達到cm級.在對長度為0.5 s的數據進行平均后標準差約為0.6 cm.圖7中，第1.5 s～第3 s的高度落差大于2 cm，這是由于試驗中架設天線使用的是有彈性的木質天線架，會出現隨風輕微抖動現象.試驗結果可見，采用該方法的GNSS-R接收機可以穩定地對反射信號進行跟蹤并提取直射與反射信號的載波相位差.

圖6 岸基試驗水面至接收機高度反演結果

圖7 岸基試驗水面至接收機高度反演結果(0.5 s平均)

4 結論

本文提出了一種基于DDMR輔助的載波相位差提取方法，給出了系統結構及信號處理方法，并利用該方法進行了基于載波相位差反演水面高度的岸基試驗.試驗證明采用該方法的GNSS-R接收機可以穩定地對反射信號進行跟蹤并提取直射與反射信號的載波相位差，實現cm級的測高精度，經過0.5 s的數據平均后精度可達mm級.

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