UK-DMC衛星接收機GNSS反射信號的應用分析

UK-DMC衛星接收機GNSS反射信號的應用分析

劉風玲，張云，孟婉婷，徐節龍，洪中華，韓彥嶺

(上海海洋大學 信息學院，上海 201306)

摘要：GNSS反射信號(GNSS-R)遙感技術作為一種新型的遙感手段已經逐步發展起來。UK-DMC衛星接收機接收到的GNSS反射信號數據，是目前較為完整的一套GNSS-R星載數據集。本文介紹了UK-DMC上衛星接收機用到的關鍵技術并對其接收到的原始數據進行了系統的分析。論文首先利用一維多普勒功率計算公式以及時延-多普勒公式獲得對應的相關功率矩陣，然后通過對陸地、海面和冰面的反射信號數據處理，做出對應的波形。最后分析了3種不同反射面的相關功率波形，發現在不同反射面條件下，反射信號的相關功率呈現不同的規律。結果表明：低軌道衛星接收到的反射信號可以用于反演地球表面土壤濕度、冰面厚度、海面風場等物理參數信息，此次試驗為GNSS-R星載實驗的開展提供了一套較為穖和全面的支持。

關鍵詞：GNSS-R；UK-DMC；土壤濕度；海面風場；海冰

doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.015

中圖分類號：P228文獻標識碼：A

收稿日期：2013-11-05修訂日期：2014-04-18

基金項目：國家自然科學基金(41371351)；公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201206040)；自然科學基金項目重點基金(41120114001)。

作者簡介：賓嬋佳(1987～)，女，碩士研究生，研究方向為被動微波遙感應用研究。

Application Analysis of Airborne GNSS Reflected Data from

UK-DMC Satellite Receiver

LIU Feng-ling，ZHANG Yun，MENG Wan-ting，XU Jie-long，HONG Zhong-hua，HAN Yan-ling

(CollegeofInformationTechnology，ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306)

Abstract：As a new method of remote sensing，GNSS Reflection (GNSS-R) has developed rapidly.The reflected signal received by the receiver on the UK-DMC is a dataset of GNSS-R satellite research.This data is rare in this field.This paper introduces the key technologies used in the receiver and explains the data format of the raw data received.Firstly，it obtains the one-dimensional correlation power and two-dimensional correlation power taking use of the corresponding formula and gives out the figures in the different situations.It finds that the correlation power of different signals appear various laws.The results show that the reflected signals received from the low-orbit satellites can retrieve the physical parameters of the earth surface such as soil moisture，ice thickness，ocean wind，etc.This can provides a more comprehensive and systematic support for GNSS-R satellite experiments.

Key words：GNSS-R；UK-DMC；soil moisture；ocean wind；sea ice

1引言

GNSS-R(GNSS-Reflections)技術是自20世紀90年代以來逐漸發展起來的GNSS的一個新型分支，是國內外遙感探測和導航技術領域研究熱點之一[1]。從電磁波傳播基本理論來看，反射信號中攜帶著反射面的特性信息，即反射信號波形、極性特征、幅值、相位和頻率等參量的變化都直接反映了反射面的物理特性。因此，可以利用反射信號的精確估計和接收處理實現對反射面物理特性的估計與反演[2]。

自1993年以來，國內外學者開展了導航反射信號的研究，其熱點主要集中在海面測風、海面測高、海冰探測、海洋鹽度、土壤濕度探測以及移動目標探測等方面。幾個接近地面的試驗(如機載、地基、船載等)已經完成，其結果已經成功地應用于海面風場、海面高度、土壤濕度測量、海冰探測等[3-7]。同時，反射信號接收機也是一個重要研究方向[8]。

UK-DMC是英國DMC國際成像公司發射的一顆高清光學成像衛星DMC-1，是“災難監測星座”(DMC)的一部分。于2003年9月27日發射，2011年11月退役。搭載了遙感圖像傳感器、實驗室設備——低軌道思科路由器、GNSS反射接收設備和水下電阻式推進系統。UK-DMC首次展示了在星際互聯網上的應用[9]。

國外采用UK-DMC衛星接收機反射信號數據進行相關研究主要有以下幾個方面：MatrinUnwin等介紹了UK-DMC上GNSS反射信號接收設備以及其參數信息[10]。Gleason等討論了利用UK-DMC上GNSS反射信號接收機接收到的信號對積分時間、反射信號入射角對于GNSS信號時延-多普勒圖的影響。數據分析的結果與現存的模型(光學基礎)顯示了一致性。這些結果表面利用低軌道GNSS系統反射信號是目前海洋遙感的一種可行性方案[11]。Gleason等對經過不同陸地地形的反射信號進行接收處理發現，當反射點越過密西比河時，信號有一個明顯的峰值；經過沙漠接收到的反射信號比其他陸地地形要強，且其功率曲線趨向于鏡面反射[12]。Clarizia等利用時延-多普勒圖計算均方斜率(Mean Square Slopes)，其結果與國家浮標中心的實測數據相比，顯示出良好的一致性。這是第一次利用完整的時延-多普勒圖分析GNSS反射數據[13]。Li and Huang將空間整合的方法(SIA)利用到溢油監測上。利用UK-DMC衛星接收機觀測到的海面溢油反射面接收到的信號。通過空間整合方法得到一個合理的近似值來進行散射系數的反演，將時延-多普勒域和空間域結合起來。結果顯示，在允許的時間消耗下，SIA方法提高了散射系數反演的精度，但如果要達到一個較高的分辨率，則需要反射信號接收機有一個較高的采樣頻率[14]。同一年，Li and Huang提出了反演海面風速的方法。同樣對UK-DMC衛星接收機上接收到的數據進行處理，利用了所有比門限值高的DDM點來最小二乘擬合，并得到了一個最優化的門限值[15]。以上各種研究并沒有對不同反射面接收到的信號進行一個詳細的對比介紹。而在我國，目前對于低軌道衛星反射信號的研究較少。

本文提出了一種利用UK-DMC上的GNSS反射信號接收機接收到的數據進行海面、冰面以及陸地的信息反演的方法。同時對UK-DMC的反射信號數據格式進行了詳細的說明，并提取了不同反射面對應的反射信號的二維相關功率值，繪制了不同反射面下的相關功率波形，對比了不同條件下的波形特點。該方法可以對利用低軌道衛星反射信號進行海面高度、海面風場、海冰密度、海冰厚度、土壤濕度等參數提供一定的幫助。

2GNSS反射信號特征

在GNSS反射信號測量系統中，GNSS衛星與地球表面、反射信號接收機構成一個收發雷達結構。由于電場強度E、磁場強度和傳播方向三者之間的關系是確定的，一般用電場強度的矢量端點在空間任意固定點上隨時間變化所描述的軌跡來表示電磁波的極化[16]。

假設均勻平面波沿著z軸方向傳播，電場強度和磁場強度均在垂直于z軸的平面內，令電場強度分解為兩個相互正交的分量Ex和Ey，其頻率和傳播方向均相同。

Ex=Ex0cos(ωt+φx)

(1)

Ey=Ey0cos(ωt+φx)

(2)

E矢量端點的軌跡方程可以經由三角運算獲得：

=sin2(φy-φx)

(3)

當滿足條件Ex0=Ey0=E0時，矢量E端點的軌跡方程為

(4)

3UK-DMC衛星反射信號探測關鍵技術

3.1UK-DMC反射信號接收裝置

表1中列出了搭載在UK-DMC衛星上的GNSS反射信號接收機的一些參數。此套接收設備使用了三副天線，每一副接收到的信號都可以通過3個GNSS L1前端混頻到中頻信號。采樣到的中頻信號既可以實時地在C/A碼通道處理，也可以存儲在一個IF(Intermediate Frequency)數據記錄儀中。

表1　UK-DMC衛星裝置的接收機參數

數據記錄儀有128Mbytes的存儲空間。UK-DMC衛星可以下載1GByte的圖像，因此128Mbytes的反射數據很容易處理。采樣過程中，GNSS接收機可以通過直射信號獲取位置信息，包括接收機的位置、速度、時間、跟蹤的衛星、偽隨機碼、多普勒頻移，相位信息等。這些信息可以用來輔助捕獲反射信號。

3.2微弱信號的探測技術

在一些陸地實驗中，非常弱的信號可以通過長時間的相干積分進行信號重建。但是，與空間反射信號有關的模型和測量顯示，由于衛星的速度和海面特征，即使經長時間(大于1ms)的相干積分，也無法獲得信號。必須通過對微弱信號的非相干累加，經過幾秒鐘的非相干累加，才能恢復信號。這些額外的增益可以幫助恢復微弱信號，提高信號的信噪比[10]。

以1ms相干累加作為準基點，當增大相干累加時長時，等效于噪聲帶寬變窄，從而可以提高處理增益，即

Gc=10lgn

(5)

相比于直射信號，反射信號相干時間較短，此方法對于提高反射信號信噪比的作用有限。因而在實際應用中還需要增加天線增益，并通過提高非相干累加次數以進一步提高信噪比。

在相干累加之后，將其結果在進行非相干累加可以進一步提高處理增益。但是非相干累加存在平方損失，其損失值(單位為dB)可以表示為[17]：

(6)

其中，Dc(l)是檢測概率和虛警概率的函數。

使用相干累加和非相干累加組合的方法后，信號處理的總增益可以表示為[17]：

G=10lgn+10lgm-L(m)

(7)

在測試嵌入衛星的這些設備時，需要提前測試以確定在星載高度需要通過非相干積分獲得多少增益才能恢復信號。最后發現，當信號的相關功率低于正常捕獲門限7dBs～8dBs時，信號仍然能被捕獲到。處理增益的增加提高了信號被捕獲的概率，同時也提高了整個實驗的探測能力。

4UK-DMC實驗數據的分析

UK-DMC最初開展實驗的目的是來確認從低軌道衛星接收到的反射信號是否可用。因為此衛星采用的天線增益較低，并不能確切知道在此高度接收到的GNSS信號所包含的信息。經過陸地、冰面、海面三種反射面接收到的數據進行分析發現，從低軌道衛星接收到的反射信號是可以捕獲的，并且能夠作為GNSS-R土壤水分、風速反演、海面高度等模型驗證的數據源。下面是本文從陸地、海面、冰面分析其反射信號特性的處理過程。

4.1UK-DMC原始信號集

表2是星載原始數據集合的中英文表達方式以及對應的參數單位。

4.2反射信號分析處理模型

對于反射信號主要有三個方面的處理，一是獲取不同時間延遲下反射信號的原始功率；二是對反射通路數據進行去噪聲處理，獲得最大多普勒頻移處最大功率值；三是提取反射信號二維功率相關值。

時延一維相關函數是指在某個特定的多普勒頻移f0下，接收信號與本地偽碼在不同時間延遲τ下的相關值[17]，即

×exp[2πj(fL+fR+f0)×(t0+t′)]dt′

(8)

從式(8)可以看出，反射信號相關值隨時延的一維變化趨勢，反映了反射面上特定的等多普勒區域內不同等延遲區的反射信號的分布情況。

(9)

對于二維功率相關值的提取需要按照式(10)來計算[16]：

×exp[2πj(fL+fR+f)

×(t0+t′)a(t0+t′)]dt′

(10)

時延-多普勒二維相關功率值可以用來描述反射信號在不同反射面單元的反射強度，其幅度的最大值可用于描述反射面的反射率；二維相關功率值的時間延遲可用于描述反射信號相對于直射信號的路徑延遲關系；二維相關功率值的相位可用于描述反射信號自身的相干特性。這些物理參量對于利用GNSS反射信號進行遙感而言是至關重要的。獲得二維相關值矩陣，是反射信號特征提取的關鍵問題。

按照上述3種不同處理方法，下面分別對陸地、海面、冰面的收集到的反射信號進行處理。

4.3陸地反射信號處理

此處采用的數據是2005年12月7日上午5點03分26秒開始收集的在北美Nebraska州Ormaha市附近上空的UK-DMC衛星上進行的雙基GNSS實驗記錄的一組長20s的數據集。該數據集包含了天線覆蓋范圍內的兩個衛星即GPS衛星PRN 15(南)和PRN 18(北)的反射點。

表2　星載衛星原始數據集合

表3　3種不同反射面一維多普勒圖與二維時延-

4.4陸地反射信號處理

圖1是陸地反射信號相關功率的原始功率輸出，橫軸代表碼片數，縱軸代表相關功率。圖2是去除噪聲之后各頻率處的最大相關功率值。圖3是陸地反射信號時延-多普勒圖，X軸為多普勒頻率，Y軸為C/A碼片長度，圖中不同的顏色代表相關功率大小的不同。由圖1和圖3可以看出，反射信號功率的最大值是0.18dB，反射信號的平均功率為0.09dB。最大值處的多普勒頻率是3600Hz，碼片是573.1個。

圖1　陸地反射信號原始相關功率的輸出

圖2　陸地反射信號除噪后的最大相關功率

圖3　陸地反射信號二維時延-多普勒圖

4.5冰面反射信號處理

此處采用的是2005年2月4日上午10點24分17秒開始收集的離開Alaska海岸線的UK-DMC衛星上的雙基試驗記錄的一組共7s的數據，從美國海冰觀測中心返回的數據顯示該區域冰的厚度在30cm到70cm之間。

圖4是冰面反射信號相關功率的原始功率輸出，橫軸代表碼片數，縱軸代表相關功率。圖5是去除噪聲之后各頻率處的最大相關功率值。圖6是冰面反射信號時延-多普勒圖，X軸為多普勒頻率，Y軸為C/A碼片個數，圖中不同的顏色代表相關功率大小的不同。由圖4和圖6可以看出，反射信號功率的最大值為3.4dB，平均功率為0.13dB。最大值處的多普勒頻率是9620Hz，碼片是102.3個。

圖4　冰面反射信號的原始相關功率輸出

圖5　冰面反射信號除噪后的最大相關功率

圖6　冰面反射信號二維時延-多普勒圖

4.6海面反射信號處理

此處采用的數據是2004年11月16日上午7點54分51秒開始收集的在南大洋的南極洲附近海面使用UK-DMC收集的共19s原始海洋數據，監測到當時該區域風速為3.9m/s，浪高為3.0m。

圖7　海面反射信號的原始相關功率輸出

圖8　海面反射信號除噪后的最大相關功率

圖9　海面反射信號二維時延-多普勒圖

圖7是海面反射信號相關功率的原始功率輸出，橫軸代表碼片數，縱軸代表相關功率。圖8是去除噪聲之后各頻率處的最大相關功率值。圖9是海面反射信號時延多普勒圖，X軸為多普勒頻率，Y軸為C/A碼片長度，圖中不同的顏色代表相關功率大小的不同。由圖8和圖9可以看出，反射信號功率的最大值是0.32dB，反射信號的平均功率為0.20dB。最大值處的多普勒頻率是10800Hz，碼片是577.2個。

4.7數據處理結果分析

通過UK-DMC衛星對陸地、海冰和海水的反射信號的分析可以看出，利用星載設備遙感陸地、海冰和海水參數信息具有可行性。3種反射模型特點的對比分析如表3所示。

由表3可以看出，峰值的大小和后沿部分的陡峭度在陸地、海冰和海水的遙感圖像中具有明顯的不同。其中，海面的反射信號峰值較小，后沿的陡峭度最低，最后趨于平靜，GNSS反射信號強度主要受到海水表面粗糙度的影響，而海水表面的粗糙度又受風速和風向的制約，風力越強，后沿陡峭度越高，同時閃爍區也越大；海冰的反射信號的峰值最高，后沿的陡峭度也最明顯，基本呈現正態分布，說明冰面的粗糙度較少以至于產生了表面的相干反射，而不是通常觀測到的粗糙表面散射；陸地的反射信號峰值最小，后沿陡峭度也極其明顯，閃爍區也較大。

通過3種不同反射面的反射信號的比較發現，當GPS信號在粗糙面發生反射時，各個反射點的相位在接收機處以不可預知的方式疊加，以至在接收機處接收到的信號具有完全隨機的相位。使得總接收功率在不同的頻率波動。

5結束語

本文利用UK-DMC衛星接收機接收到的陸地、冰面、海面的反射信號進行了分析，證明了通過1ms相干積分，可以可靠地檢測到衛星反射信號。通過對陸地、冰面和海面3種不同反射面接收到的反射信號進行二維相關值的提取、比較發現，海面的反射信號峰值較小，后沿的陡峭度最低；海冰的反射信號的峰值最高，后沿的陡峭度也最明顯，基本呈現正態分布；陸地的反射信號峰值最小，后沿陡峭度也極其明顯，閃爍區也較大。

GNSS-R技術的研究領域很多，主要集中在海面風場、海面測高、海冰探測、海洋鹽度、陸地濕度和移動目標探測等方面。GNSS-R研究的最終目標是能夠實現星載觀測，結合高精度的衛星數據，GNSS-R技術可以提供一個對于海面、陸地、冰面的長期穩定的觀測。但是真正實現星載之前，需要大量的關于驗證星載可行性的試驗和仿真分析，這也是現在亟需解決的。

致謝：本課題研究過程中得到了北京航空航天大學楊東凱教授、李偉強博士關于GNSS-R方面的悉心指導，在此表示感謝。

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