GNSS-R海面測高現狀及其常用方法研究進展

胡媛,陳行楊,顧旺旺,鐘李程,劉衛

(1.上海海洋大學 工程學院, 上海 201306;2.上海海事大學 商船學院, 上海 201306)

0 引 言

全球衛星導航系統(GNSS)是對所有衛星導航定位系統的統稱．如美國的GPS系統、中國的北斗衛星導航系統(BDS)、俄羅斯的GLONASS系統、歐洲的Galileo系統等．隨著研究的深入,GNSS不僅可以提供精確的定位、導航和授時信息,還可提供遙感技術,利用GNSS進行遙感,不需要專業的雷達發射機,成本低廉,衛星系統基本覆蓋全球,接收機獲得的數據量大,同時給傳統的測量提供了全新的方法,開辟了一個突破性的研究領域．基于GNSS反射(GNSS-R)的遙感技術被稱為GNSS-R遙感技術．

由于全球氣候變暖,導致冰川融化、海平面升高、海岸濕地與低地淹沒、海岸侵蝕、洪澇災害與風暴潮災害、海水入侵等,對經濟昌盛、人口密集的沿海地帶造成嚴重威脅．因此,監測海平面高度變化的意義十分重大．監測海平面高度變化的方式有很多,傳統方法是人們通過沿海驗潮儀對海面高度進行測量,如今,利用GNSS-R技術進行海面高度的測量已經成為了新方向．

1 GNSS-R海面遙感觀測技術進展

1.1 GNSS-R技術海洋觀測基本原理

基于GNSS反射信號進行海洋觀測,主要是利用多徑干擾效應[1]．所謂多徑干擾,就是GNSS接收機的天線不僅接收到來自GNSS衛星的直射信號,還能接收到經過物體反射的反射信號．其基本原理如圖1所示,其中實線表示直射信號,虛線表示反射信號．通過接收到的直射信號與反射信號,經反演模型可反演出需要觀測的物理量．

圖1 GNSS反射測量示意圖

1.2 GNSS-R技術在岸基、空基、星基的觀測研究現狀

利用GNSS-R進行海洋微波遙感,尤其是利用GPS反射信號遙感,已成為GNSS除了導航定位應用之外新的發展方向．這種新的海洋遙感手段,無需發射機、信號源豐富、時空分辨率高、成本低,是一種新型的全球海洋遙感數據采集手段．從20世紀90年代中期開始,美國、歐洲等地的科研人員對這一新興的領域展開了理論研究[2]和實驗工作[3-6]．Hall 等[7]于1988 年在國際地理與遙感學會上提出了使用GNSS-R作為遙感海洋表面的一種手段．歐空局科學家Martin-Neira[8]于1993年首次提出并且敘述了海洋測高PARIS的理論概念,其主要思想是利用GPS海面反射波作為測距信號．由于一臺接收機可以同時接收多顆衛星的反射信號,其時空分辨率較傳統的高度計具有明顯的優勢．自PARIS概念提出以來,眾多研究人員利用岸基、空基、星基等平臺對GNSS-R海洋遙感展開了大量的實驗研究．

1.2.1 GNSS-R技術在岸基觀測的研究現狀

利用岸基做GNSS-R遙感時,通常是將天線架設在岸邊相對較高的地方,例如大橋上、岸邊的高建筑或者山頂上．1995年,Anderson[9-11]首次使用地面GPS接收機測量記錄信噪比(SNR)中的干涉模式的信號,接收到的海平面的反射信號與衛星直射信號發生干擾,并發現干涉信號與海平面高度相關,測量精度約為12 cm．1997年-2003年,Martin-Neira等人[12-14]在荷蘭的Zeeland橋利用岸基接收機進行了PARIS高度計橋I、橋Ⅱ和橋Ⅲ試驗,三次實驗均反演出海面高度,其中實驗結果較好的是橋Ⅲ試驗,測量誤差小于10 cm．2004年,西班牙Starlab公司利用岸基GPS-R成功遙感海浪參數,其均方根誤差達到9 cm[15]．2006年,中國與Starlab公司一起在中國福建開展岸基海浪遙感實驗,其反演誤差為5 cm[16-17]．文獻[18-19]采用載波相位法,反演精度達到厘米級．文獻[20]利用信噪比數據反演出的測高結果,誤差小于3 cm．文獻[21]介紹了Lestarquit等在海邊燈塔上利用載波相位法測量海面高度,其結果達到了厘米級精度．文獻[22]介紹了中國利用岸基BDS信號反演海面高度,并且其結果與驗潮儀結果呈正相關．GNSS-R岸基觀測不僅用于海面高度測量,還用于土壤濕度測量、雪深測量、海冰厚度測量、反射物體的定位[23-26]以及使用GPS潮汐儀[27-28]和GNSS潮汐儀[29]進行局部海平面測量．文獻[30-31]介紹了張云等人利用BDS信號在浙江大洋山海域測量海面高度,分別采用了碼相位法和載波相位法,其結果最高精度可達到厘米級．

1.2.2 GNSS-R技術在空基觀測的研究現狀

在飛機或其他飛行器上架設GNSS信號接收機進行遙感,即為GNSS-R技術在空基的觀測應用．空基測量既是星基觀測的基礎,靈活性又高,適用范圍也比岸基更廣．1994年,法國一架飛機在飛行時偶然捕獲經海面反射的GPS信號[32],隨后GNSS-R空基實驗大量展開．自Martin-Neira首次利用岸基GNSS-R進行海面測高后,JPL與ESA也多次進行了空基測高實驗,結果發現在20 km高空飛行時的RMS為10 cm,均值偏差為2 cm[33-36]．2000年,NOAA利用颶風獵人號飛機搭載GNSS-R接收器,成功獲取風速[37]．2002年,LOWE S T等[38]進行了機載GPS-R海面測高,發現其精度能達到5 cm,空間分辨率達到5 km．2004年,RUFFINI等[36]進行了低空機載實驗,并將結果與Jason-1衛星測高結果進行比較,發現精度能達到10 cm．2007年,B.Wilmhoff 等[39]在飛機上架設接收機接收GPS中的P碼進行海面測高,發現其均方差為20 cm．2012年,H.Careno-Luengo 等[40]通過分析處理GNSS-R空基數據,獲得了亞米級的測高精度．2013年,Rodriguez-Alvarez等人[41-42]結合DDM與風速的關系模型, 利用機載GNSS信號接收器,也成功反演海面風速．2015年,黃健等[43]也利用空基對海面測風開展了大量研究工作．2016年Lestarquit等[21]在比斯卡羅斯湖開展機載實驗，測量海面高度,其結果能達到厘米級精度．

1.2.3 GNSS-R技術在星基觀測的研究現狀

在衛星上搭載GNSS信號接收機進行遙感,即為GNSS-R技術在星基的觀測應用．使用星基觀測,因為衛星布滿整個地球,具有較高的時空分辨率,同時還能解決岸基和空基只能監測部分區域的問題．1996年,Katzberg等[44]進行了有關在太空中使用接收器從海洋中接收散射GPS信號的理論研究,最終由Lowe等[45]進行了對反射GPS信號的海洋實際星載觀測的首次研究．這項研究是在1994年飛行的Shuttle Radar Laboratory-2任務中使用星載成像Radar-C(SIR-C)進行的,隨后進行了英國災難監測星座之一的GPS雙基地遙感實驗的測量[46]．美國宇航局和歐空局分別于2008年和2012年啟動PARIS Io D(passive reflectometry and interferometry system in-orbit demonstrator)[47]和GNSS-R衛星在軌觀測計劃 (CYGNSS)[48],均搭載有GNSS-R接收機,且已獲取大量GNSS-R數據．2014年,英國發射了全球首個GNSS-R衛星(TechDemoSat-1,TDS-1),主要用于海洋風速監測．2016年,NASA發射了8顆CYGNSS,主要用于海風監測[49]．2019年6月,中國成功發射了“捕風一號A、B”衛星,主要用于監測海面風場,為我國海洋、陸地遙感、大氣探測等做出巨大貢獻．2020年,歐洲航天局準備執行GEROS-ISS項目,主要為了確定海面高度等．

2 GNSS-R信號測高的常用方法

在本文中,利用GNSS-R進行海面測高的模型如圖2所示:GNSS衛星發射L波段信號,接收機R既接收直射信號,也接收經過海面的反射信號,因GNSS衛星距離海面的高度遠遠大于接收機到海面的高度,因此我們默認直射信號與反射信號是平行信號．接收機天線距水面高度為h,如圖2所示;衛星仰角為θ,R′是以海面為鏡面的R的反射點,由幾何關系可得,反射信號相對于直射信號額外的路徑為Δd(圖2虛線所示)．

圖2 GNSS-R海面測高示意圖

通過圖2可以發現,接收機天線距水面高度h與反射信號相對于直射信號額外的路徑Δd有關．根據幾何關系可以發現,

Δd=2hsinθ．

(1)

通過式(1)可以發現,只需求得反射信號相對于直射信號額外的路徑Δd,因接收機的仰角屬于已知量,且接收機內含GPS定位,能求得接收機的絕對位置,故只需檢測接收機相對于海面的高度h即可反映海面高度的變化．

2.1 基于SNR數據測量法

基于SNR數據反演海面高度[50-53],只需一根天線的接收機,同時接收直射信號和反射信號,又因為同頻率的信號會發生干涉現象,所以兩個信號會干涉成一個信號．接收機收到第S顆衛星的信號為

ω(n),

(2)

式中:

θ′=2πfSnTc+φdS，

(3)

(4)

(5)

由式(1)可知,反射信號相對于直射信號的額外相位為

(6)

式中,λ為載波波長．

通過研究發現,基于SNR數據反演海面高度時,影響高度變化的因素為干涉信號的幅值[50,54]．又因為信號的幅值的平方即為信號的功率,故存在以下關系:

SNR2=(AS)2

(7)

(8)

由式(8)可以發現,去勢后的SNR為一個余弦函數,而反演的高度h與SNRrv的角頻率有關,即:

(9)

式中:fSNR為去勢后的SNR數據的振蕩頻率．則海面高度為:

(10)

由式(10)可得:基于SNR數據反演海面高度,只需求得去勢后的振蕩頻率即可．因為使用基于SNR法使用的是單天線的普通接收機,所以適用比較廣泛,能有效降低成本．

2.2 基于 C/A碼相位測量法

C/A碼偽距(rpseudo)是由衛星傳輸時間TS與接收機接收GNSS信號接收時間Tr之間的時間延遲造成的[53]．所以基于C/A碼相位測量海面高度,需要雙天線的接收機,分別接收直射信號和反射信號,通過計算接收到兩個信號的時間差,即可求得反射信號相對于直射信號的額外路徑Δd．偽距可表示為

rpseudo=c(Tr-TS),

(11)

式中，c為光速．

又TS和Tr存在一定的時間誤差,即:

TS=tS+ΔtS，

(12)

Tr=tr+Δtr.

(13)

式中:tS和tr分別為GNSS時間下的衛星傳輸和接收時間;ΔtS和Δtr分別為衛星與接收機的時鐘誤差,根據式(12)和式(13)可以將式(11)轉化為

rpseudo=c(tr+Δtr-tS-ΔtS)

=c(tr-tS)+cΔtr-cΔtS．

(14)

令衛星與接收機間的距離為r,且r=c(tr-tS),則式(14)可化為

r=rpseudo-cΔtr+cΔtS．

(15)

與直接GNSS信號射線相比,反射的GNSS信號射線路徑更長，如圖2所示．因此,與直接GNSS信號相比,反射的GNSS信號到達接收器天線的時間延遲為Δt．在GNSS測高中,用δ表示直接信號r1與反射信號r2之間的路徑延遲,并且Δt2r=Δt1r,Δt2S=Δt1S,故:

δ=r2-r1

=r2pseudo-cΔt2r+cΔt2S-r1pseudo+

cΔt1r-cΔt1S

=r2pseudo-r1pseudo

=c(T2r-T1S)-c(T1r-T1S)

=c(T2r-T1r)

=Δd．

(16)

結合式(1)和式(16)即可求得海面高度表達式為

(17)

又因兩個信號的時間差無法直接求得,通過研究發現,兩根天線接收到的信號幅值之間的時間差即為接收到兩信號的時間差,故只需求取兩信號的幅值時間差即可求得接收到兩個信號的時間差．

可以看出基于GNSS C/A碼的測高,不依賴于接收機或衛星的本地時鐘誤差．碼相位法用法簡單,所以應用范圍比較廣泛,但受 C/A 碼片寬度的影響,其反演結果精度較差,精度通常只能達到米級．

2.3 基于載波相位測量法

基于載波相位測量法[52-53]同樣需要雙天線的接收機,分別分析求取直射信號與反射信號的相位,即可求得反射信號相對于直射信號的額外相位,再結合式(1)即可求得海面高度h為

(18)

式中：λ為GNSS信號載波波長；φr和φd分別為反射信號和直射信號的載波相位．此方法反演海面高度的精度較高,其精度一般能達到厘米量級．由于信號存在于正弦載波函數上,所以要求信號的相位必須是連續的,因此在海風、海浪較大等粗糙海面上難以連續接收到信號．并且使用載波相位測量法的接收機必須由專業人士制作,因此接收機結構相對復雜,成本相對較高．

2.4 基于載波頻率測量法

基于載波頻率測量法[53,55]依然需要雙天線的接收機．反射信號相對于直射信號的額外相位可表示為

Δd=λφ+nφ,

(19)

式中，n為全波長λ的未知數．

又因為相位對時間的導數即為頻率,即:

(20)

故Δd的時間變化可表示為

(21)

結合式(1)和式(18)可得海面高度h為

(22)

基于載波頻率測量法的精度也相對較高,但和載波相位測量法一樣,接收機必須由專業人士制作,因此接收機結構相對復雜,成本相對較高．

3 結束語

根據當前GNSS-R海面測高的常用方法,基于信噪比數據反演海面高度,可采用常用的單天線信號接收機,使用范圍廣,有效降低了成本,其反演精度一般為分米級;基于C/A碼反演海面高度,需采用雙天線的信號接收機,信號范圍廣,可免費使用,但受碼片長度的影響,其反演精度通常為米級;基于載波相位和載波頻率反演海面高度,需特制的雙天線信號接收機,且必須連續接收信號,因此成本較高,測量較為困難,但反演精度能達到厘米級．

GNSS-R遙感作為研究新領域,在國內外已經進行大量的地基、空基和星基等觀測試驗,其應用也在各個領域逐漸展開．本文介紹了GNSS-R遙感技術和海面測高的研究進展,并從基于SNR數據測量法、基于 C/A碼相位測量法、基于載波相位測量法以及基于載波頻率測量法等方面分析和總結了GNSS-R在海面高度測量的常用方法．目前,GNSS系統現已發展得較為完備,覆蓋范圍廣,其L頻段為免費使用,可有效地幫助人們實時遙感和監測地球表面．未來隨著星載GNSS-R衛星的逐步增加,以及接收機技術的進一步突破,不僅可以解決實時監測的采樣時間分辨率問題,還可以顯著降低應用成本,從而可實現對地球表面的全天候、全天時、穩定、高精度的監測,對拓展地球觀測系統在長時間尺度、大空間尺度和高時空分辨率的觀測具有重要的作用．