岸基GNSS單天線潮位高度小波分析反演

蘇曉容，張 云，韓彥嶺，洪中華，楊樹瑚

岸基GNSS單天線潮位高度小波分析反演

蘇曉容1，張 云1,2，韓彥嶺1，洪中華1，楊樹瑚1

（1. 上海海洋大學信息學院，上海 201306；2. 農業部漁業信息重點實驗室，上海 201306）

針對當前利用信噪比（SNR）數據反演海面高度的方法比較單一且有一定的局限性的問題，提出了使用小波分析的方法進行岸基全球衛星導航系統（GNSS）單天線潮位高度反演。基于載波和SNR觀測量的測高方法的內在聯系，在中國浙江大洋山進行實驗，采集了2018年4月至2018年5月近1個月的GNSS信號數據，對處理后獲得的GNSS反射信號（GNSS-R）的SNR數據進行小波變換分析，提取出天線到海面的垂直高度。同時，針對復雜環境下收集到的含噪聲源的信號進行了小波去噪處理。實驗結果表明基于單天線GNSS-R信號SNR的測高方法能夠有效的反演出潮位高度，其測高精度能夠達到分米級。

小波分析；單天線；全球衛星導航系統反射信號；信噪比；海面測高

0 引言

全球變暖導致的海平面高度上升已經給諸多沿海國家及地區的社會和經濟發展帶來了很大影響，對海平面高度變化的實時準確監測具有很重要的意義[1]。目前有很多監測海平面高度變化的手段，其中利用全球衛星導航系統反射信號（global navigation satellite system reflection, GNSS-R）來進行實時監測是較為先進的方法之一[2]。

GNSS-R是一種利用全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）衛星反射信號的波形、幅值、相位和頻率等參量的變化來反演反射面物理特性的技術。GNSS-R技術以其本身所具備的覆蓋范圍廣、信號源廣泛[2-3]以及相對低成本等獨特優勢引起了海內外學者的關注，被廣泛應用于海面測高的研究。目前，在國內外的GNSS-R海面測高研究中，主要使用碼測高[4-6]、相位測高[7-9]和信噪比（signal-noise ratio, SNR）觀測值測高等方式[10-12]。

由于設置簡單、無需特殊定制反射信號天線和接收機等優點，GNSS-R單天線SNR的研究逐漸成為GNSS-R領域，特別是岸基GNSS-R海面測高領域近幾年的研究熱點[10]。GNSS-R的單天線海面高度反演主要的方法是L-S周期圖法（Lomb Scargle周期圖法）[13]。文獻[10]提出了對SNR數據進行L-S周期圖法分析對海面高度進行測量，達到了5 cm的精度結果；文獻[14]基于L-S周期圖法進行了北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）3頻段信號反演海面潮位高度的研究，反演結果與實際潮位數據的相關系數達到了94.68 %[14]。這種用GNSS-R的信噪比數據測量海面潮位高度的精度優于GNSS-R碼測高的精度[12]。目前，利用SNR數據反演海面高度的方法比較單一且有一定的局限性。因此尋找適用性更大的數據處理方式顯得尤為重要。

本文在利用SNR觀測值反演海面高度原理的基礎上，研究采用小波分析[15]的方法進行潮位高度反演，以達到與L-S周期圖法相近的反演精度。

1 單天線GNSS-R海面高度反演

1.1 單天線GNSS-R反演原理

GNSS信號在經過地球物體表面的時候會產生多徑效應，可以利用多徑效應原理對GNSS-R信號進行地表參數測量，達到實現海平面高度變化監測的目的。

本文中，垂直于海平面放置的天線可同時接收直射信號和海面反射回來的信號，如圖1所示。

圖1 單天線GNSS-R反演模型參數的解釋

1.2 小波變換原理

小波變換可以精確地揭示信號在時間和頻率方面的分布特點，可以同時分析信號在時域和頻域中的特征，并可用多種分辨率來分析信號，并且小波變換分析不像傅里葉變換那樣需要均勻采樣的數據[10]。

小波變換是時間和頻率的局部變換，具有多分辨分析的特點，能有效地實現對非平穩信號的分析[17]。對能量有限，且相對集中在局部區域的波動，可以描述為

1.3 小波去噪原理

通常信號采集過程中因為環境影響會不可避免地摻雜進噪聲信號，一般這些噪聲信號為非高斯白噪聲。為了去除這些噪聲，需要對采集到的信號進行非平穩信號的去噪[18]。小波去噪具有多分辨率、去相關性、小波基選擇多樣性的優勢。這種處理方法能夠高效區分出信號中的噪聲，提取出有用信號。

小波基函數以及門限閾值是小波去噪里2個重要的因素，決定著小波去噪的效果。本文中使用的小波基函數是通過多次試驗比較選取的。在本文中去噪使用的具體是db10小波5層逼近信號去噪，其中5層分解模型如圖2所示。

圖2 小波系數分解模型

1.4 數據處理

數據處理流程如圖3所示。

圖3 數據處理流程

2 實驗場景

為了驗證本文方法的有效性，在實驗中同時分析全球定位系統（global positioning system, GPS）和BDS信號，用更多的信號源來提高海平面高度觀測的時間分辨率。

2.1 實驗場景

實驗于2018-04-12至2018-05-06在中國浙江省舟山市大洋山海域開展。在實驗期間，大洋山島上出現雷雨大風的惡劣天氣，對海面高度反演方法有極大影響。通過對原始信號進行小波去噪處理可以獲得海面高度反演結果。使用水平放置的右旋圓極化（right-handed circular polarization, RHCP）GNSS天線同時接收直射信號和來自海面的反射信號。天線所面向的海域地形無遮擋的方位角為180~260°。為了保證在此位置跟蹤到的衛星反射信號落在海面上，將衛星仰角限制在8~25°之間。實驗所使用的天線型號為Novatel GPS-703-GGG天線。天線架設現場如圖4所示，其具體位置為（30°34′41.6″N、122°03′51.76″E），相對岸基高度為29.2 m。

圖4 海面高度反演實驗場景

實驗所用接收機為和芯星通UR370接收機，如圖5所示，其物理參數和天線物理參數如表1所示。接收機在實驗期間同時記錄了GPS和BDS的信號。在實驗期間遇到了雷雨天氣，通常這種惡劣的天氣情況會引起海面粗糙程度的增大，這意味著來自海面的GNSS-R信號強度會大大降低。因此在這種情況下使用小波去噪方法對原始數據進行去噪處理，可獲得較高精度的反演結果。

表1 實驗設備物理特性

圖5 和芯星通UR370型接收機

在實驗場地安防了便攜式氣象站以獲取風速數據與GNSS單天線的相對位置如圖6所示，2者相距4.6 m。

圖6 氣象站與單天線相對位置

由于缺乏實驗場地的潮位高度數據，選擇了實驗場地附近的小洋山海域的潮位高度數據與反演結果作對比分析，小洋山場地位于實驗場地西北方向，兩地相距4.1 km，位置關系如圖7所示。

圖7 潮位數據選取地區圖

2.2 數據分析

對實驗期間收集到的GPS L1信號以及BDS B1信號的SNR觀測值進行分析。通過分析發現有些數據能夠很好地反演出潮位高度，而有些數據則因為惡劣天氣原因導致無法反演出合理范圍內的潮位高度。在將反演結果與小洋山潮位高度數據進行對比時，對潮位高度數據先進行3階樣條插值擬合潮位曲線圖。

2.2.1 無風雨時數據分析

選擇風速情況相對穩定（最大風速保持在15 m/s以內）的2018-05-04的數據為例。對BDS 11號衛星和GPS 05號衛星在該天的代表性數據的處理流程作展示，如圖8~圖10所示。

2.2.2 暴風雨時數據分析

在惡劣天氣下收集到的原始數據無法被直接用來反演天線到海面的高度，本文通過對原始數據進行小波去噪處理，再依據判決門限獲得了較為精確的結果。

圖8 對BDS、GPS的原始SNR數據進行線性尺度化以及二階多項式處理

圖10 進行小波變換分析獲得天線到海面的垂直高度

選取2018-04-22的數據進行處理，該天最大風速達到27 m/s。直接利用原始SNR數據進行高度反演的時候會出現如圖11（a）所示的情況，反演的結果在虛線框所示的門限范圍內幅值不明顯，無法正確反演出海面高度結果。圖11（b）是將原始SNR數據進行小波去噪后再進行高度反演的結果。對比圖11（a）和圖11（b）可以發現，小波去噪處理后的反射高度在20多米附近的幅值被增強了，然后依據判決門限設置得到反射高度為21.87m，實現了利用該數據完成海面高度反演，增加海面測高可信度的目的。

2.2.3 海面高度反演

圖11 受干擾數據的反演（圖中虛線框表示了限范圍）

通過小波變換提取到的反射高度是天線到海面的距離，要獲得實驗場地的實際潮位高度還需進行轉換，其計算方法為

由圖12的反演結果可以看出黑色虛線框內的4月16日、18日以及23~26日這幾天的海面高度反演情況不是很好，原因是這些天的天氣情況比較惡劣（當地的天氣顯示這些天有雷雨情況，且由便攜氣象站測得最高風速都高于20m/s），由此造成來自海面反射信號的相干分量大大降低（去除黑色虛線框內反演結果較差的數據，反演出來的潮位高度與小洋山實際潮位高度的相關度能達到96.42 %）。盡管每天的反演精度上存在著差異，但總體上看，結合BDS和GPS，利用單天線GNSS-R技術能夠很好地反演潮位高度。

圖12 海面高度反演結果與實際潮位對比結果（虛線框內為反演結果較差的日期）

3 結束語

本文使用小波分析的方法來研究利用單天線GNSS-R技術監測潮位高度變化，在中國浙江大洋山開展了近一個月的岸基實驗，利用GPS和BDS 2個系統的信號，成功地監測了潮位高度的變化，反演結果與實際潮位高度的相關度達到了95.06 %，證明了小波分析方法的有效性及可靠性，以及能夠適應多樣數據靈活處理的優勢。

在潮位高度反演分析的過程中，本文對雷雨大風天氣期間的數據進行了小波去噪處理，同時根據實驗場地的實際情況設置判決門限去除誤差較大的反演結果，證明了小波去噪方法能夠有效地提高反演的精度。

在本文的實驗中，為了增加時間分辨率，同時分析了BDS和GPS的數據，一天中可以得到十幾個反演結果，能夠較好地反演潮位的變化趨勢。隨著北斗三號全球系統的發展，將會得到更多的衛星信號，可進一步提高潮位高度反演的精度和時間分辨率。

未來將繼續針對該方法進行GPS和BDS的長時間的觀測及分析，實現海面高度持續實時監測。

致謝：本文研究過程中，得到了北京航空航天大學楊東凱教授關于GNSS-R方面的悉心指導，在此表示衷心感謝！

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Inversion of tidal height with wavelet analysis based on shore-based GNSS single antenna

SU Xiaorong1, ZHANG Yun1,2, HAN Yanling1, HONG Zhonghua1, YANG Shuhu1

（1. College of Information Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2. Key Laboratory of Fishery Information of Ministry of Agriculture, Shanghai 201306, China）

Aiming at the problems that the current methods of using SNR data to invert the height of sea surface is relatively simple and has certain limitations, the paper proposed an algorithm using wavelet analysis to invert the tidal height with shore-based GNSS single antenna: based on the intrinsic relation of altemetry methods between carrier and SNR observations, relevant experiments were carried out in Dayangshan, Zhejiang, China, where the GNSS data collected for nearly one month from April to May of 2018 were processed, and the vertical height from the antenna to the sea surface was obtained by performing wavelet analysis on the SNR of the processed GNSS-R data, then the wavelet de-noising processing was done for the signals of the noise-containing sources collected in the complex environment. Experimental result showed that the altimetry method based on the SNR of single-antenna GNSS-R signal could effectively invert the tidal height with a measurement accuracy of decimeter level.

wavelet analysis; single antenna; global navigation satellite system reflection (GNSS-R); signal-to noise rate (SNR); sea surface altimetry

P228

A

2095-4999(2019)04-0087-07

蘇曉容，張云，韓彥嶺，等.岸基GNSS單天線潮位高度小波分析反演[J].導航定位學報,2019,7(4): 87-93.（SU Xiaorong, ZHANG Yun, HAN Yanling, et al.Inversion of tidal height with wavelet analysis based on shore-based GNSS single antenna[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 87-93.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190416.

2018-10-15

國家自然科學基金項目（41376178，41401489，41506213）。

蘇曉容（1993－），女，江蘇南京人，碩士生，研究方向為GNSS-R技術海洋應用。

張云（1974－），男，上海人，博士，教授，研究方向為導航定位和GNSS-R技術海洋應用。