GNSS—R海面測高技術的國內外研究及未來展望

王帥

摘 要：隨著全球導航衛星系統（GNSS）的飛速發展，利用導航衛星反射信號的GNSS-R技術的應用越來越廣泛。本文介紹了GNSS-R技術進行海面高度測量的國內外研究，并且闡述了基于GNSS-R技術的3種海面測高方法，分別為載波相位法、碼相位法和信噪比（SNR）法。最后，提出GNSS-R海面測高技術的未來展望。

關鍵詞：GNSS-R 海面測高 載波相位 碼相位 信噪比SNR

中圖分類號：TH76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（a）-0049-03

Abstract： With the rapid development of global navigation satellite system （GNSS）， GNSS-R technology using navigation satellite reflection signal is more and more widely used. GNSS-R technology were introduced in this paper， the measurement of sea surface height of research both at home and abroad， and expounds the three based on the technology of GNSS-R sea surface height measurement method， respectively， for the carrier phase and code phase and the signal-to-noise ratio （SNR） method. Finally， the future prospect of GNSS-R sea surface altimetry technology is presented.

Key Words： GNSS-R； Sea level survey； Carrier phase； Code phase； Signal-to-noise ratio SNR

獲取海平面變化數據對海洋學和氣象學很重要。船舶、驗潮儀及衛星高度計等可用于海面測高，但船舶和驗潮儀測量成本高且不便，衛星高度計功耗大、時空分辨率較低。而GNSS-R技術具有信號源多、寬覆蓋、長期穩定等優點，非常適用于監測海面高度變化。

1 國內外研究

國外，1993年，歐洲太空局科學家Martin-Neira開創了使用GNSS反射信號的概念，使用原本干擾定位的反射信號去遙感海面，海面高度是利用從海面反射的反射信號和直射信號相結合來估計的[1]。2000年，Martin-Neira等人利用衛星直射信號和反射信號的載波相位去測量海面高度，精度達到厘米量級[2]。2001年，Martin-Neira等人利用GPS衛星直射信號和反射信號的碼相位進行海面測高，精度達到數米量級[3]。2013年，Larson等人提出了一種使用SNR數據的海面改進型測高方法[4]。2016年，Lestarquit等人開發了一種用于載波相位測高的軟件接收機。該接收機分別在法國西南部的海面燈塔上開展岸基實驗和法國比斯卡羅斯湖上開展機載實驗，兩者的反演結果在相干積分時間超過500ms時均達到厘米級精度[5]。同年，Semmling等人設計了一款搭載在運動平臺的載波相位測高模擬器。該模擬器分別在軌道高度為400㎞和600㎞時進行測高，實驗結果表明在信號為30dB時反演結果達到亞米級精度，在信號為20dB時反演結果達到米級精度[6]。

國內，2010年，邵連軍等人研究了GNSS-R海面測高的原理，進行了誤差分析，闡述了其關鍵技術[7]。2015年，張云等人在浙江大洋山海域進行海面測高實驗。該實驗首次采用北斗信號，結合北斗星座的特點，使用碼相位測高技術成功地反演了海面高度，精度達到亞米級[8]。2016年，張云等人首次使用北斗GEO信號，在浙江大洋山海域進行載波相位測高實驗，實驗的反演結果最高可達到厘米級精度[9]。2017年，上海海事大學智能船舶團隊利用瑞典Onsala空間觀測站的觀測數據，做了基于GNSS-R的沿海海平面測量的案例研究[10]。

2 GNSS-R海面測高方法

由圖1可知，反射信號相對直射信號的路徑延遲為：

（1）

式中，為接收機天線相位中心到海面的高度，研究中常把看作海面高度，為衛星仰角。

2.1 基于相位差的海面測高方法

相位差法使用RHCP和LHCP天線分別接收直射信號和反射信號，RHCP天線與海面下倒映的虛擬LHCP天線之間的垂直基線為，反射信號相對直射信號的路徑延遲為，當衛星仰角和兩個天線的相位中心偏移量已知時，求得額外路徑延遲即可求得海面高度。

2.1.1 載波相位法

反射信號相對直射信號的延遲路徑為：

（2）

式中，和各表示直射信號和反射信號的載波相位觀測量，是反射信號與直射信號的載波相位差的小數部分，表示相位差的整周數，是GPS的L1頻段載波波長。載波相位法的測量精度較高，但該方法需要反射信號的相位是連續的，這在反射面粗糙時很難實現。

2.1.2 碼相位法

該方法通過計算直射信號C/A碼的相關功率峰值所對應時間與反射信號C/A碼的相關功率峰值所對應時間的時間差來計算路徑延遲。碼相位法簡單、穩定性高，但是C/A碼片寬度讓該方法的測高精度較差。

2.2 基于信噪比（SNR）的海面測高方法

SNR法無需改變接收機及天線的構造，也不用安裝指向天底的用來接收反射信號的天線，可直接使用已有的普通接收機和單個天線來同時接收直射信號和反射信號。根據式（1）可得接收機天線處反射信號的載波相位為：

（3）

根據GNSS信號的傳輸原理，接收機天線接收到第s顆衛星的合成信號（包括直射信號和反射信號）為： （4）

（5）

是合成信號的振幅，是合成信號的相位角；C是導航電文信息；AS（·）是偽隨機碼；Tc是偽隨機碼的周期；是直射信號的振幅，是反射信號的振幅；是直射信號的載波相位，是反射信號的載波相位；是方差為1的高斯白噪聲。假設我們接收到的信號噪聲是高斯白噪聲，表示正則化的幅值，則直接為我們提供了信噪比觀測量，即：

（6）

其中，會使SNR呈上升趨勢，這需要SNR減去n階多項式進行去趨勢（n一般取2），而反射信號使SNR有小幅度的高頻振蕩變化。去趨勢后結合式（5）可得：

（7）

其中，作為自變量。去趨勢信噪比δSNR的角頻率為：

（8）

轉換后，得，

（9）

其中，m是GPS的L1頻段載波波長，m/s是光速，GHz是載波頻率，為海面高度，為δSNR的振蕩頻率。因此，對接收機接收的衛星導航信號SNR數據進行去趨勢處理求出其振蕩頻率即可求得對應的海面高度。求的方法包括：函數擬合法、快速傅里葉變換FFT法、Lomb-Scargle頻譜分析法和最小二乘方周期圖法等。

3 GNSS-R海面測高技術的未來展望

為了該技術的未來發展，我們還需開展大量工作。 （1）深入理論研究，加強試驗研究。

深入該技術的理論研究，開創新理論，進行大范圍的大數據收集，開展岸基、機載和星載等多平臺立體監測試驗。

（2）加強不同測高平臺的研究。

岸基測高試驗較簡便且成本低，適用于長期觀測，有利于業務化發展，所以這方面的研究不斷增多，而機載和星載對接收機及天線要求較高。船載GNSS-R可實時實地獲取海面高度變化，具有空間延展性和時間連續性。

（3）提高反演結果的精度。

完善GNSS-R海面測高技術的理論使其達到成熟，采用先進的算法，進行大規模長時間的大數據采集試驗，優化其反演模型，從而提高反演結果的精度。

（4）促進應用業務化，實現大規模實時可視化監測。

未來還需進行長時間大規模大數據的觀測及分析，用于監測海面高度變化的大量數據可從全國乃至全球的海面監測站點獲取，并通過網絡實時傳輸數據，再經過數據處理中心處理，將結果顯示在顯示屏，使各站點能夠對海面高度變化進行實時自動化的觀測和預報，構建GNSS-R海面測高系統，從而實現大規模實時可視化的監測海面高度變化。

4 結語

GNSS-R技術具有信號源多、長期穩定、寬覆蓋等優點，是監測海面高度變化非常理想的方法，但其在反演精度、多平臺立體監測和應用業務化等方面還有待進一步研究。

參考文獻

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[2] M.Martin-Neira， P.Colmenarejo， G.Ru_ni， et al. Ocean Altimetry Using the Carrier Phase of Gnss Reflected Signals[J]. Cersat Journal， 2000，11（22）.

[3] M. Martín-Neira，M. Caparrini，J. Font-Rosselló，et al. The PARIS concept： An experimental demonstration of sea surface altimetry using GPS reflected signals[J]. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens.， 2001，39（1）：142–149.

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[5] Lestarquit L， Peyrezabes M， Darrozes J， et al. Reflectometry with an open-source software GNSS Receiver： Use case with carrier phase altimetry[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing，2016，9（10）：4843-4853.

[6] Semmling AM， Leister V， Saynisch J， et al. A phase-altimetric simulator： Studying the sensitivity of Earth-reflected GNSS signals to ocean topography[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2016， 54（11）：6791-6802.

[7] 邵連軍，張訓械，劉經南，等.GNSS-R海面測高算法[J].海洋測繪，2010，30（2）：1-5.

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[9] Yun Z， Binbin L，Luman T， et al. Phase Altimetry Using Reflected Signals From Bei Dou GEO Satellites[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2016， 13（10）：1410-1414.

[10] Wei Liu， Jamila Beckheinrich， Maximilian Semmling， et al. Coastal Sea-Level Measurements Based on GNSS-R Phase Altimetry： A Case Study at the Onsala Space Observatory[R].Sweden：IEEE，2017.