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        不同載波信噪比對GPS-IR技術(shù)反演水面高度的影響

        2022-11-21 11:12:50楊卓群黃子茹榮欣悅殷珂雅孫小榮
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年33期
        關(guān)鍵詞:測量信號

        楊卓群,黃子茹,榮欣悅,劉 晗,殷珂雅,孫小榮

        (宿遷學(xué)院 建筑工程學(xué)院,江蘇 宿遷 223800)

        全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng),具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的定位、導(dǎo)航和授時功能,其已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、近地空間環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。接收GPS衛(wèi)星信號的儀器稱為GPS接收機,GPS接收機按用途可劃分為導(dǎo)航型、測量型和授時型。測量型GPS接收機能夠捕獲到由GPS衛(wèi)星發(fā)射的直接到達接收機的信號,稱為直射信號,也可以接收被地面、水面等反射物反射后的GPS衛(wèi)星信號,稱為反射信號,直射信號和反射信號進入接收機后,會相互干涉從而形成多路徑效應(yīng)[1-2]。一直以來,為了提高導(dǎo)航定位精度,研究重點在消除或削弱多路徑效應(yīng)的影響上面。近年來,研究人員發(fā)現(xiàn),GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號經(jīng)反射物反射后,其信號特性會發(fā)生改變,且其反射信號特性也會隨著地表環(huán)境的變化而變化。人們通過研究,在此基礎(chǔ)上建立起了GPS反射信號與地表環(huán)境參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型,從而產(chǎn)生了一種新型的衛(wèi)星遙感技術(shù),即GPS-IR(GPS-Interferometric Reflectometry)技 術(shù),GPS-IR技術(shù)有廣泛的用途,如可用于監(jiān)測水面高度、土壤濕度和積雪厚度等[3-5]。GPS-IR技術(shù)主要采用載波信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)觀測值來反演地表環(huán)境信息,SNR是指接收機中信號與噪聲的比例,通過反射信號的SNR建立與地表環(huán)境參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。測量型GPS接收機的L1載波和L2載波均可輸出SNR觀測值。利用GPS-IR監(jiān)測地表環(huán)境信息的有利條件在于廣泛分布的連續(xù)運行GPS參考站,其能夠獲得高時空分辨率的地表環(huán)境監(jiān)測信息。

        在國外,Larson等[6-7]首次將GPS的SNR觀測值用于海面高度測量,并進行了長達10多年的潮位變化監(jiān)測,驗證了GPS-IR可進行潮位高度測量。在國內(nèi),張雙成等[8]也對GPS-IR監(jiān)測潮位變化進行了研究,吳繼忠、孫小榮等[9-11]也將GPS-IR用于湖面高度測量,均得到了較好地結(jié)果,進一步驗證了GPS-IR可進行水面高度測量。

        目前研究有采用L1載波或L2載波的SNR來反演水面高度,但何種載波SNR更適合水面高度反演,還需要進一步的研究。本文將研究GPS的不同信號載波SNR對GPS-IR測量結(jié)果的影響,分析不同載波SNR觀測值對干涉參數(shù)估計結(jié)果的差別,哪種載波的SNR觀測值更適用于GPS-IR水面高度測量。本文將從實驗方面對其進行分析,為GPS-IR技術(shù)反演水面高度應(yīng)用提供借鑒。

        1 GPS-IR測量水面高度模型

        反射信號信噪比SNRm序列呈近似“余弦曲線”形態(tài),SNRm可表示為[12-14]

        式中:A為余弦曲線的振幅;h為GPS接收機天線相位中心到反射面的垂直距離;E為GPS衛(wèi)星高度角;φ為初始相位。

        2 水面高度計算

        由式(1)可知,只要獲得SNRm及其對應(yīng)歷元的衛(wèi)星高度角,通過模型解算就可以得到垂直反射距離等參數(shù)。令t=sinE、f=2h/λ、ω=2πf,則式(1)可以簡化為標(biāo)準的余弦函數(shù)形式

        待估參數(shù)h包含在參數(shù)f中,式(2)是一個非線性模型,A、ω和φ均為待估參數(shù),本文采用信賴域法進行參數(shù)估計。通過計算得到ω,再根據(jù)h=ωλ/(4π)算得h。

        3 實驗分析

        3.1 實驗數(shù)據(jù)采集

        為了分析不同載波SNR對GPS-IR技術(shù)反演水面高度的影響,2011年5月13日,在武漢東湖岸邊進行了測高試驗。實驗使用的是Trimble R8接收機,接收機架設(shè)在湖中間的房頂上,房子四周無遮擋,可以很好地接收到經(jīng)湖面反射后的信號,如圖1所示。實驗觀測時間約為4 h,采樣間隔為1 s。觀測期間的風(fēng)速在1~3 m/s,湖面上的波浪相對平緩,波動約幾厘米,4 h內(nèi)湖面水位可以認為是恒定的,實驗中多次用鋼卷尺測量垂直反射距離為5.89 m。

        3.2 實驗數(shù)據(jù)處理

        數(shù)據(jù)處理按以下流程進行:

        (1)根據(jù)實驗現(xiàn)場環(huán)境、衛(wèi)星方位角和衛(wèi)星分布圖,GPS接收機共接收到6顆衛(wèi)星來自湖面的反射信號,即PRN2、PRN5、PRN12、PRN15、PRN26、PRN27。

        (2)提取觀測文件中GPS衛(wèi)星L1、L2載波的SNR觀測值,同時計算對應(yīng)歷元的衛(wèi)星高度角。

        (3)選擇衛(wèi)星高度角在10~25°范圍內(nèi)的SNR觀測值。由于GPS衛(wèi)星的運行周期約為718 min,顧及到地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),在4 h的觀測過程中,部分觀測衛(wèi)星會出現(xiàn)“上升”和“下降”2個弧段,選擇其中觀測時間長的弧段數(shù)據(jù)參與計算,用2階多項式擬合得到的殘余項即為SNRm序列。

        (4)對SNRm和衛(wèi)星高度角序列按照式(2),用信賴域法進行參數(shù)估計,得到垂直反射距離。

        3.3 實驗結(jié)果分析

        為了分析不同載波SNR觀測值對參數(shù)估計結(jié)果的影響,對1 s采樣間隔的L1、L2載波SNR觀測值及其參數(shù)估計結(jié)果進行了比較分析,結(jié)果見圖2、3、4和表1、2。

        限于篇幅,只給出了PRN5衛(wèi)星L1、L2載波SNR和E的關(guān)系(圖2),由圖2可知,L2載波SNR小于L1載波SNR,SNR隨著E的減小而減小,且L2載波SNR比L1載波SNR變化幅度大;其他5顆衛(wèi)星也有類似的關(guān)系。

        由圖3可知,PRN5衛(wèi)星的SNRm序列周期特性沒有圖4明顯,其他5顆衛(wèi)星也有類似的特性,這表明L2載波SNRm更能反映反射信號特性。

        表1、2給出了6顆衛(wèi)星觀測值對應(yīng)的參數(shù)估計結(jié)果。

        由表1、2可知,除PRN2衛(wèi)星,其他衛(wèi)星估計結(jié)果精度均低于L2載波。從上述分析可知,L2載波SNR質(zhì)量優(yōu)于L1載波,原因是L2載波上偽隨機碼恢復(fù)的SNR精度較高。設(shè)備的SNR越大表明其產(chǎn)生的噪聲越小,對于同一臺GPS接收機得到的L2載波SNR小于L1載波SNR,說明混在L2載波信號里的噪聲大于L1載波信號里的噪聲。

        表1 L1載波參數(shù)估計結(jié)果

        表2 L2載波參數(shù)估計結(jié)果

        4 結(jié)論

        測量型GPS接收機的L1、L2載波均可輸出SNR觀測值。本文從實驗方面分析了L1、L2載波SNR觀測值對GPS-IR反演水面高度參數(shù)的影響,L2載波信噪比較L1載波SNR更能反映反射信號特性,L2載波SNR更適合水面高度測量,其精度高且更加穩(wěn)定,本文研究成果為GPS-IR技術(shù)反演水面高度應(yīng)用提供借鑒。

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