王冬偉 孫越強 王先毅 白偉華 杜起飛 夏俊明 韓 英

1(中國科學院國家空間科學中心 北京 100190)

2(中國科學院大學 北京 100049)

3(天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室 北京 100190)

4(中國科學院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術重點實驗室 北京 100190)

5(掩星探測與大氣氣候應用國際聯(lián)合實驗室 北京 100190)

6(北京石油化工學院數(shù)理系 北京 102617)

0 引言

隨著全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的不斷發(fā)展，基于GNSS 反射信號的對地遙感探測技術（GNSS-Reflectometry）得到越來越廣泛的應用[1]。GNSS-R 利用反射信號的功率、相位與遙感要素間的統(tǒng)計關系，反演海面風場[2,3]、土壤濕度[4,5]、海冰厚度[6]等環(huán)境參數(shù)。1993年GNSS 反射信號首次被提出可以用于中尺度海面高度測量[7]，進而為全球重力場觀測提供了有力的數(shù)據(jù)支持，該技術被稱為GNSS-R 測高技術（GNSS-R Altimetry）。該技術具有低功耗、低成本、信源豐富、空間分辨率高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點。GNSS-R 干涉測高技術是GNSS-R 測高技術中最為關鍵的技術，在GNSS-R 測高技術優(yōu)勢基礎上，將海面高度測量精度提升至分米量級。若干涉測高技術在海面高度探測中得到廣泛應用，全球海面高度觀測精度會得到顯著提升。當前中國北斗三號導航系統(tǒng)已經(jīng)面向全球提供服務，GNSS-R 干涉測高技術在全球海面高度探測領域的重要性越發(fā)突顯。

國際上多個國家和機構已相繼對GNSS-R 干涉測高技術開展深入研究，并取得一些研究結果。2011 年，有研究首次提出了星載GNSS-R 干涉測高技術的詳細設計方案[8]，包括天線設計、接收機設計及測量精度評估。Camps 等[9]針對干涉測高技術提出了詳細的在軌校準方案，使得干涉測高技術中的系統(tǒng)誤差得到有效消除。文獻[10]描述了一種軟件方式的GNSS-R 干涉接收機，利用該接收機成功接收到GPS 和GAL 的干涉測高波形。Rius 等[11]在荷蘭基于干涉測高技術并利用高增益天線首次在岸邊測量得到河面高度，取得了較高的測量精度。ESA 正在開展GEROS-ISS 項目研究，該項目將在國際空間站上安裝GNSS-R 干涉測高儀，實現(xiàn)全球海面高度觀測[12]，目前正處于工程研制階段。

雖然GNSS-R 干涉測高技術已得到深入研究和應用，但是目前的研究均基于GPS 和GALILEO 導航衛(wèi)星系統(tǒng)，中國北斗三號系統(tǒng)在干涉測高技術方面的應用研究較少。本文利用研發(fā)的北斗三號GNSSR 干涉測高接收機驗證了北斗三號系統(tǒng)在干涉測高技術中應用的可行性。外場試驗首次接收到北斗三號B1 和B2 信號的干涉測高波形且反演了海面高度，并與傳統(tǒng)的本地碼測高結果進行了對比分析。

1 GNSS-R 干涉測高技術原理

GNSS-R 測高技術是利用被海面反射的GNSS信號與直射信號之間的路徑延遲，結合接收機與發(fā)射機之間幾何路徑反演海面高度的一種新型探測技術。通常情況下，GNSS-R 接收機一般需要配置兩副天線，朝上的右旋圓極化天線用于接收直達信號，朝下的左旋圓極化天線用于接收反射信號。接收機獲取反射信號的方式有兩種：本地碼測高技術和干涉測高技術。

本地碼測高技術是指接收機本地生成GNSS 衛(wèi)星偽碼，與輸入信號相關來獲取反射相對直射信號的延遲信息。圖1 為本地碼測高技術實現(xiàn)，目前大多數(shù)導航接收機均采用該方式獲取導航信號。

圖1 本地碼測高技術工作原理Fig.1 Diagram of local code tracking technology

干涉測高技術是指接收機利用直射信號與反射信號直接進行干涉相關，進而獲取反射相對直射信號延遲信息。反射信號被海洋表面反射后，信號極性、延遲和多普勒均會發(fā)生變化，但信號組成、信號帶寬與直射信號完全一致，二者存在非常一致的相干性。因此，若將延遲與多普勒補償后的直射信號與反射信號進行干涉相關，理論上可以獲取更為理想的測高波形。圖2 給出了干涉測高技術原理。

圖2 干涉測高技術工作原理Fig.2 Diagram of interferometric tracking technology

雖然本地碼測高技術可以實現(xiàn)信號的穩(wěn)定跟蹤，然而該技術受限于導航信號的公開性。例如，普通用戶在L1 頻段只能跟蹤碼速率極低的L1C/A 碼信號（帶寬2.046 MHz），而高速的P 碼（帶寬20.46 MHz）和M 碼（帶寬32 MHz）卻無法使用，使得海面高度的測量精度一直無法得到有效提升。

GNSS-R 干涉測高技術繼承了GNSS-R 測高的所有技術優(yōu)勢，且有效提升了高度測量精度。該技術有效利用了導航信號中所有帶寬的信號，使得可利用的信號帶寬更寬，測量精度更高。以GPS 為例，圖3給出了GPS L1 頻段混合碼干涉測高波形與GPS L1C/A 本地碼測高波形的對比。結果表明，GPS L1 頻段的干涉測高波形比單獨GPS L1C/A 本地碼測高波形更加陡峭，使得波形峰值處的分辨能力更強，測量精度更高[13,14]。

圖3 GPS L1 頻段干涉測高與GPS L1本地碼測高波形Fig.3 GPS L1 C/A and L1 interferometric ACF results

雖然干涉測高技術相比本地碼測高技術優(yōu)勢明顯，然而干涉測高技術對輸入信號的強度要求比較苛刻，只有足夠強的直射與反射信號才能相關得出理想的干涉測高波形。復雜海況對反射信號的信噪比影響較大，因此在相對平靜的海面上，干涉測高技術更能充分展現(xiàn)其優(yōu)越的測高性能。復雜海況對干涉測高的精度會造成一定程度影響。

表1 列舉了GNSS-R 干涉測高技術與本地碼測高技術可利用的碼型及帶寬。從表1 可以看出，GNSS-R干涉測高技術充分利用了各個導航系統(tǒng)分配的信號帶寬，每種導航系統(tǒng)的信號利用率達到最大。

表1 本地碼測高技術與干涉測高技術可利用的GNSS 信號對比Table 1 Available GNSS signals using interference and local code tracking technology

北斗三號系統(tǒng)在4 個頻段上調制了多種帶寬的碼信號，適用于不同用戶的多種使用要求，具有非常強的可用性。北斗三號系統(tǒng)在B2 頻段調制了B2A和B2B 兩種碼型，本地碼測高技術只能對其中一種碼型進行跟蹤，可利用帶寬最大僅為20.46 MHz。干涉測高技術可利用的信號帶寬最高達51.15 MHz。自從北斗三號系統(tǒng)對全球提供服務以來，其目前在軌衛(wèi)星數(shù)量已超過32 顆，使得同一時間可觀測的反射衛(wèi)星數(shù)量顯著提升。

2 GNSS-R 干涉測高精度評估

為評估GNSS-R 干涉測高技術的測高精度，文獻[8]從信號的相關理論出發(fā)，推導了測高波形形狀、信噪比及非相干累加次數(shù)與測量精度之間的關系，即

式中：θ為信號入射角；為測高波形的峰值功率，為測高波形導數(shù)的峰值功率；K為波形因子，表征了波形的陡峭度，其值越小，跟蹤曲線越陡峭，測量精度越高。式（1）和式（2）同樣適用于本地碼測高技術的高度精度評估。圖4 為相同信噪比和相同非相干累加次數(shù)情況下，GPS L1 干涉波形、北斗三號B1 干涉測高波形、北斗三號B2 干涉測高波形與GPS L1 本地碼測高波形理論估算的K值與高度精度之間的關系。結果表明，北斗干涉測高波形的高度精度明顯優(yōu)于GPS L1 本地碼測高精度。

圖4 不同波形因子K 和信號載噪比CNR 與測高精度的關系Fig.4 Relationships between K,CNR and the height precision

Ninc為非相關累加次數(shù)，其值越大，噪聲越小，測量精度越高，如圖5 所示。然而受測高分辨率和接收機動態(tài)的限制，非相干累加次數(shù)無法達到無限增加。

圖5 非相干累加次數(shù)與測高精度的關系Fig.5 Relationship between incoherent integration count and the height precision

S/N為干涉測高信噪比，其值越大則高度測量精度越高，圖6 仿真了信噪比與測高精度之間的關系。信噪比大于1 dB 以后，信噪比的增加已對測高精度不再敏感。

圖6 干涉信噪比SNR 與測高精度的關系Fig.6 Relationships between SNR and the height precision

接收信號帶寬對測高精度的影響需要綜合考慮。信號帶寬越寬，噪聲越大，信噪比越低，不利于精度提升；但帶寬越寬，包含的信號越多，干涉測高波形更加陡峭，反而有助于提高測高精度。圖7 仿真了北斗三號B1 頻段帶寬與測高精度的關系。結果表明，北斗三號B1 頻段的信號帶寬處于33 MHz 時測高精度達到最優(yōu)，該值恰好為B1 頻段的全部信號帶寬。

圖7 B1 頻段信號帶寬與測高精度的關系Fig.7 Relationship between the B1 bandwidth and height precision

3 GNSS-R 干涉測高接收機設計

GNSS-R 干涉測高接收機用于收集直射信號和海面反射信號，并進行干涉相關處理。接收機支持北斗B1、B2 頻段，GPS L1、L5 頻段，GAL E1、E5 頻段的干涉相關。該接收機在硬件設計上與普通GNSS 導航接收機類似，由射頻單元、基帶數(shù)據(jù)處理單元和控制單元構成。

射頻單元完成信號放大、下變頻，最終得到模擬中頻信號，該信號進入A/D 采集單元后轉變?yōu)閿?shù)字中頻信號。

數(shù)據(jù)處理單元由可編程FPGA 實現(xiàn)，完成數(shù)字中頻信號處理，信號處理包括兩部分，即導航信號處理和反射信號處理。導航信號處理實現(xiàn)了導航信號的捕獲與跟蹤。將捕獲跟蹤到的導航衛(wèi)星信息送至控制模塊進行定位解算。定位解算完成后，導航信號處理模塊向反射處理單元提供準確的同步信號。

反射信號處理單元為干涉測高接收機的核心單元，實現(xiàn)直射與反射信號的干涉相關，干涉相關通道中包含直射、反射信號的接收處理，以及直/反信號的干涉相關處理。處理產(chǎn)生的干涉測高波形輸出至控制單元。

控制單元負責接收機的全局控制，包括導航信號的捕獲跟蹤控制、定位解算、反射預測、干涉通道控制以及數(shù)據(jù)轉發(fā)等功能。圖8 為接收機的整體結構。

圖8 GNSS-R 干涉測高接收機整體結構Fig.8 GNSS-R interferometric altimeter receiver structure

4 試驗驗證

4.1 試驗設計

為驗證北斗三號系統(tǒng)在GNSS-R 干涉測高技術中應用的可行性，2019 年9 月利用上述自研GNSSR 干涉測高接收機在懷柔水庫進行了4 天的岸基測試。

本試驗使用了兩副天線，一副為直/反干涉天線，另一副為導航天線。直/反干涉天線固定在水面上方平臺支架上，用于接收直射與反射信號；導航天線固定在支架最上方，用于接收機定位和時間同步。兩副天線輸出均連接至GNSS-R 干涉測高接收機。

4.2 測高波形

本次岸基試驗利用GNSS-R 干涉測高接收機成功實現(xiàn)了多種GNSS 信號跟蹤，并首次接收到北斗三號B1 頻段和B2 頻段的干涉測高波形。圖9（a）給出了接收機首次接收到的北斗三號B1 和B2 干涉測高波形。圖9（b）為GPS L1 與L5 信號的干涉測高波形，從跟蹤波形可以看出，L1 干涉測高的波形頂端部分形狀與L5 基本一致，是由于L1 頻段中混合了C/A、P 及M 碼，雖然P 碼與M 碼均屬于授權碼，普通用戶無法使用，但是干涉測高技術仍可利用這些授權碼提升波形的陡峭度，進而提升測量精度。圖9（c）為GAL E1 與E5 的干涉測高曲線。圖10 為BD、GPS與GAL 的本地碼測高曲線，對比最明顯的是中間GPS L1 與L5 本地碼測高曲線，L5 本地碼測高曲線明顯比GPS L1 本地碼測高曲線更加陡峭。圖11 為北斗三號B1 和B2 干涉測高與北斗B1 本地碼測高的結果對比。結果表明：北斗三號B1 和B2 干涉測高曲線明顯比北斗 B1 本地碼測高曲線更加陡峭，根據(jù)第2 節(jié)精度分析公式，北斗三號B1 和B2 干涉測高性能優(yōu)于北斗B1 本地碼測高性能。

圖9 BD (a)，GPS (b)和GAL (c)實測干涉測高波形Fig.9 Received BD (a),GPS (b) and GAL (c) interferometric tracking waveforms

圖10 BD (a)，GPS (b)和GAL (c)實測本地碼測高波形Fig.10 Received BD (a),GPS (b) and GAL (c) local code tracking waveforms

圖11 北斗三號干涉測高與本地碼測高波形的對比Fig.11 Comparison between BD3 interference and BD2 B1 local tracking results

4.3 測高精度

本試驗根據(jù)獲取的測高波形成功估算出反射信號相對直射信號的延遲，再根據(jù)GNSS 衛(wèi)星位置信息和接收機位置反演水面高度，并對水面高度精度進行評估。本次岸基試驗接收機處于靜止狀態(tài)，直射與反射信號之間的多普勒變化很小，因此可以適當提升非相干累加次數(shù)以達到理想的高度測量精度。綜合GNSS 衛(wèi)星動態(tài)，本次水面高度反演采用了300 s 的非相干積分時間。表2 列出了北斗三號和GPS 衛(wèi)星計算的水面高度標準差。測量結果表明：實際測量高度精度與理論估算值相近，GPS L1 和北斗B1 本地碼測高技術測得的高度精度較差，北斗三號B1 和B2 干涉測高技術相比GPS L1 和北斗B1 本地碼測高技術，高度精度有顯著提升。由最差的0.90 m 提升至0.12 m，水面高度測量精度提升了86%，提升效果明顯。

表2 水面高度計算結果（單位m）Table 2 Results of the water surface height (unit m)

5 結論

GNSS-R 干涉測高技術相比本地碼測高技術具有信號帶寬大、測量精度高等優(yōu)勢。雖然關于干涉測高技術已有大量理論和試驗結果，但是中國北斗三號系統(tǒng)應用于干涉測高技術的研究卻較少。本文分析了干涉測高技術相對本地碼測高技術的優(yōu)勢，介紹了北斗三號系統(tǒng)在干涉測高技術中應用。為驗證北斗三號衛(wèi)星干涉測高功能，自行研制了多系統(tǒng)GNSSR 干涉測高接收機，并進行外場水面高度干涉測高實驗。實驗首次接收到北斗三號B1 和B2 頻段的干涉測高波形，并且與北斗B1 和GPS L1 本地碼測高波形進行對比。結果顯示，北斗三號B1 和B2 干涉測高波形比北斗B1 和GPS L1 的本地碼測高波形具有更大的斜率，有利于測高精度的提升。利用測高波形對水面高度進行了反演，結果表明，北斗三號干涉測高精度明顯優(yōu)于本地碼測高精度，測量精度提升顯著。