GNSS反射信號在沙丘形狀探測中的應用

趙 娜，曹新亮

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引言

全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)的精確定位是人們集中精力研究的焦點。在精確定位研究中，把反射信號作為多徑干擾加以抑制或剔除，以防止影響定位的精度。同時，也注意到要變害為利，把這種反射信號加以利用，便出現了全球衛星導航系統反射信號(GNSS-Reflections，GNSS-R)[1-2]遙感技術。

GNSS-R經歷二十多年的發展，理論架構逐步完善，取得了許多成果[3-5]。GNSS-R技術利用經陸面、海面、目標反射面反射的全球導航衛星系統信號進行遙感測量，信號源穩定，無需發射設備，屬于一種無源雷達模式[6-7]。利用GNSS-R技術已實現海面風場[8]、海冰厚度[9]、有效波高[10]、土壤濕度[11]、植被探測[12]和目標檢測[13]等探測，在國內利用GNSS-R技術已經取得反射信號接收與處理方法，實現了海態地物測量和目標定位等方面的GNSS-R成果，但利用GNSS反射信號實現地形探測的應用研究較少。沙地作為一種特殊的土壤，對沙丘形狀的測量，實際上就是對地形的測量。

本文利用GNSS-R地基觀測法，提出了基于GNSS反射信號反演沙丘形狀的方法。通過對衛星反射信號進行接收、處理，結果與全站儀工程測量地形圖進行比較，驗證此方法的正確性。

1 GNSS反射信號地形探測原理

GNSS-R遙感實際上是一種L波段微波遙感技術，導航衛星信號經探測目標反射后由右旋圓極化(Right Hand Circularly Polarized,RHCP)轉變為左旋圓極化(Left Hand Circularly Polarized,LHCP)，利用配備在陸地、機載、衛星等設備載體上的探測裝置對來自海洋或陸地反射的GNSS信號進行全天候接收和處理[14-15]。

地形探測系統由GNSS衛星、接收機和探測目標組成，如圖1所示。一臺接收機可以接收多顆導航衛星的反射信號，利用至少4顆GNSS衛星作為信號源，1個地面接收機接收衛星直射信號和反射信號，通過直射信號對自身定位解算，反射信號實現對反射面進行探測[16]。

圖1 地形探測系統Fig.1 Terrain detection system

假設4個滿足條件的導航衛星坐標分別為：T(XSi,YSi,ZSi)，i=1,2,3,4；目標反射點坐標為：S(Xo,Yo,Zo)；地面接收機坐標為：R(XR,YR,ZR)；以圖1中1號導航衛星為例，反射信號相對直射信號到達接收機的路徑差為：

(1)

同理，可列出其他3顆衛星路徑差方程。最后聯立4個方程即可解算目標反射點位置坐標S(Xo,Yo,Zo)。

由于導航衛星信號是從位于2萬多千米高空發射至地面的電磁波，可認為平面波平行入射到地面[17]。GNSS-R實現地形探測示意如圖2所示。圖中點R′是接收機位置點R關于反射面的鏡像點；點O為2段信號的垂足點。其中一路直射信號在R點被右旋圓極化天線接收；另一路直射信號經山坡S點反射后，在R點被左旋圓極化天線接收，相對直射信號多進行一段為OR′長度的路徑。對應存在時間延遲δτ，根據GNSS衛星、接收機與反射點的位置關系，經反射點S反射信號相對直達信號的路徑延遲為：

τ=2·d·sinθ，

(2)

式中，d為接收機到反射面的垂直距離；θ為GNSS直射信號入射角。

圖2 地形探測示意Fig.2 Terrain detection

以北斗信號為例，反射信號相對直射信號的路徑延遲對應信號處理回路中碼相位延遲，碼片延遲為：

τ0·T/NT=τ/c，

(3)

式中，τ0為反射信號相對直射信號的碼片延遲個數；c為電磁波傳播速率；T為導航信號碼周期；NT一個周期的碼片數為2 046。通過對2個信號環路中碼相位跟蹤，得到延遲碼片，即可求解路徑延遲τ。

設直射信號為ri(t)，本地信號為ui(t)，則直射信號相關功率為：

(4)

式中，ξ為碼延遲偏移量。當ξ=ξ1時，直達信號相關功率最大。

接收反射信號相關功率為：

(5)

直射信號與反射信號的相關功率波形與碼延遲ξ1和路徑延遲τ的對應關系如圖3所示。當ξ=ξ1+τ時，反射信號相關功率最大，所對應的碼片延遲即為所求。

圖3 直射信號和反射信號路徑差示意Fig.3 Path difference between direct signal and reflected signal

2 GNSS反射信號地形探測系統

2.1 硬件架構

中頻信號采集器通過直射天線和反射天線同時接收2通道信號，通過下變頻得到中頻信號，將轉換后的數字信號傳輸至上位機，進而利用軟件程序進行事后處理。

2.1.1 中頻信號采集器

實驗采用的中頻信號采集器是由常州市萊特信息科技有限公司研發的多天線衛星中頻信號采樣器(LT-C-002)。詳細參數說明如表1所示。

表1 (LT-C-002)詳細參數說明Tab.1 (LT-C-002) Detailed parameter description 單位：MHz

2.1.2 接收天線

實驗采用的直射天線是由常州市萊特信息科技有限公司研發的GNSS高精度衛星右旋圓極化天線，可同時接收GPS和北斗頻段的信號，具有高增益、良好的低仰角增益、廣角圓極化和穩定的相位中心等特點，適用于雙系統、高精度測繪領域；反射信號接收采用左旋圓極化天線，詳細監測參數如表2所示。

表2 天線可檢測信號參數Tab.2 Antenna detectable signal parameters

2.2 軟件架構

2.2.1 GNSS衛星中頻信號采樣器V2.0軟件

利用多通道衛星中頻信號采樣器進行直射與反射信號同時采樣，以便事后借助其配套軟件——GNSS衛星中頻信號采樣器V2.0，對接收機接收到的信號進行處理與數據傳輸。軟件界面如圖4所示，通過加載文件路徑，設置數據長度，可以把采集到的數據傳輸到上位機。

圖4 中頻信號采樣器Fig.4 IF signal sampler

2.2.2 反射信號處理算法

由于反射信號經障礙物反射會出現強烈衰減，如果信號過于微弱，還可以借助信號轉發/增強器實現放大，進行相干累加以提高反射信號信噪比。過長的相干累加會造成信噪比下降，需要結合非相干累加提高反射信號信噪比[18]：

(6)

(7)

式中，Q1為第kms輸出的原始二維相關值；Q2為累加為TCOHms的相干累加結果；Q3為非相干累加后的二維相關功率。

3 GNSS反射信號地形探測實驗

3.1 實驗方案

實驗所測坡面為含沙豐富、表面較為光滑的背風沙坡，實驗環境如圖5所示。地基探測是較適合的手段，相比機載探測地表形態而言，應用地基探測反射區面積小，可以克服機載實驗帶來的反射區面積大、反射區內形態復雜的因素，有利于提高反演精度。

圖5 觀測環境示意Fig.5 Observation environment

本實驗觀測模式為雙天線模式。為了避免觀測點頻繁移動，天線組安裝在位置較高處，且需要視野開擴，無遮擋，反射信號接收天線方位角調節靈活，固定天線桿的長度大于1.5 m為宜。通過中頻信號采樣器對直射信號與反射信號雙通道同時采樣。右旋圓極化天線面對上空接收導航衛星的直射信號，左旋圓極化天線面向測區接收反射信號，判斷某一時刻直射、反射信號是否來源于同一星座的標準是衛星編號。在接收信號的同時，輕微調整天線角度，以獲取不同反射面相關信息，最后生成數據文件。通過對直射通道進行事后處理獲取載波和偽碼相位，對反射通道碼片信息進行處理求得路徑延遲，解算鏡面反射點位置。

3.2 實驗結果

確定反射點的位置，需要接收機位置信息和衛星星座位置信息。使用上位機軟件GNSS衛星導航信息解算系統，可解算獲得接收機定位信息和導航衛星位置信息。本地接收機定位信息如圖6所示。

圖6 本地接收機位置Fig.6 Local receiver position

安置在已知點基準站上的GNSS接收機對4顆或4顆以上的衛星進行觀測，可實現定位，求出基準站的測量坐標。衛星位置解算時會跟隨誤差產生，衛星時鐘誤差、衛星星歷誤差、電離層延遲和對流層延遲均為公共誤差[19]。對處于同一區域的接收機，基站將坐標改正數發送給用戶站，用戶站用接收到的坐標改正數對其坐標進行改正。由于本文針對地形進行探測，忽略數據傳送時間引起用戶位置的瞬時變化對定位精度的影響。

部分高度角在30°～60°范圍內的BD2衛星信號導航電文解析結果如表3所示。選用信噪比大于35 dB的信號通道進行跟蹤和分析。

表3 導航電文解析結果Tab.3 Result of navigation message analysis

以通道14，3號BD2衛星為例解算，衛星高度角為48.81°，北斗信號測距碼碼片長度為2 046，一個碼片被采樣8個點，采樣頻率16.368 MHz測距精度為：

(8)

式中，T為1 ms；c為電磁波傳播速度。由直射信號和反射信號相關功率解算可得，反射信號在第3個碼片功率達到最大值。可得實際路徑τ′=3×λ=55 m，理論路徑τ=2×d×sin48.81°=51.9 m。誤差在允許范圍，實際路徑與理論路徑較為吻合。即可根據此顆衛星的直射信號和反射信號信息解算出一個反射點，當接收到反射信號為直射信號中的2顆衛星產生時，可對反射面進行定位，同理解算出其他反射點的坐標，表4為部分反射點坐標信息，根據全部反射點數據描繪西坡反射面等高線示意,如圖7所示。

表4 反射點位置坐標Tab.4 Coordinates of reflection point position

圖7 西坡反射面等高線示意Fig.7 Contours of reflecting surface on the west slope

實驗利用全站儀采集測區凹面坡43個點的坐標位置信息，來驗證后續實驗數據的準確性。表5為使用全站儀以附近建筑測量基準點為基準的部分位置坐標，圖8為對全站儀數據處理后的二維等高線圖，高程范圍為1 103.5～1 110.5 m。

圖8 二維等高線Fig.8 Two-dimensional contour map

表5 全站儀位置坐標Tab.5 Total station position coordinates

4 結束語

本文利用配置右旋圓極化天線和左旋圓極化天線的接收機，于2020年8月對含沙凹面坡開展地基地形探測實驗。通過GNSS-R探測原理分析和對實驗接收到的直射信號和反射信號跟蹤和捕獲，給出了采用軟硬件結合的系統架構。把全站儀測繪圖作為標準，用GNSS-R數據擬合出測區地形與全站儀工程測量對應地形相比較具有相似性，證明了使用GNSS衛星反射信號進行地形探測的可行性。需要說明的是：① 采用位置差分定位時難以確保基準站和用戶站觀測同一組衛星，系統的可靠性較差。② 接收機定位誤差可造成解算求得反射點坐標與給定標準點位置信息產生偏差。③ 接收機定位信息越準確，通過反射點描繪的地形圖就越接近全站儀工程測繪結果。④ 本次研究只對沙丘背風面進行了測試研究，對沙丘迎風面測試需要長距離移動接收設備，還有待于近地機載觀測實驗。