安豪，卞雙雙，杜曉勇

(西安測(cè)繪研究所,西安710054)

0 引言

自20 世紀(jì)90年代建成以來，美國(guó)GPS 不僅向全球提供了導(dǎo)航、定位和授時(shí)(PNT)服務(wù)，而且在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、地球科學(xué)等領(lǐng)域彰顯了巨大的應(yīng)用價(jià)值[1-2].隨后，俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)等全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)開工建設(shè)并投入運(yùn)行.

伴隨著GNSS 星座的建設(shè)與發(fā)展，充分挖掘全球?qū)Ш叫l(wèi)星信號(hào)的應(yīng)用價(jià)值，拓展新的應(yīng)用方向一直是研究的熱點(diǎn).需要關(guān)注的是，許多科學(xué)家探索利用GNSS 信號(hào)提取大氣海洋環(huán)境參數(shù)，并取得了一系列原創(chuàng)性成果，先后形成了GNSS 延遲信號(hào)技術(shù)、GNSS 反射測(cè)量技術(shù)、GNSS 無線電掩星技術(shù)、GNSS極化掩星技術(shù)，進(jìn)而催生了一門新的交叉學(xué)科—GNSS氣象學(xué)[2-4].

經(jīng)過多年的理論、技術(shù)、試驗(yàn)和應(yīng)用研究，GNSS延遲信號(hào)技術(shù)、GNSS 反射測(cè)量技術(shù)和GNSS 無線電掩星技術(shù)相對(duì)成熟，部分成果已在業(yè)務(wù)上應(yīng)用.而GNSS 極化掩星技術(shù)是國(guó)際上新興起的研究點(diǎn)，最早由西班牙研究人員Cardellach 等于2010年提出，主要是在掩星條件下，利用非球形雨滴對(duì)GNSS 信號(hào)水平極化分量和垂直極化分量的相位差提取降水信息[5-7].

針對(duì)該技術(shù)，前期開展了一系列理論研究、仿真分析和地基試驗(yàn)[8-10].在地基試驗(yàn)過程中，為有效驗(yàn)證技術(shù)可行性，考慮在山基掩星條件下，同時(shí)對(duì)穿過降水區(qū)域的GNSS 水平極化信號(hào)和垂直極化信號(hào)進(jìn)行接收[10].此時(shí)，GNSS 信號(hào)極易發(fā)生周跳.而周跳嚴(yán)重影響GNSS 接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量.數(shù)據(jù)處理過程中，周跳不容忽視，是進(jìn)行降水信息提取的關(guān)鍵一步.因此，需要結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)周跳的位置和大小進(jìn)行有效識(shí)別.

1 周跳探測(cè)方法分析

1.1 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)情況

經(jīng)論證，試驗(yàn)地點(diǎn)選在南京市烏王山，時(shí)間選在雨水較多的季節(jié)，進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)[10].試驗(yàn)設(shè)備采用自行設(shè)計(jì)搭建的系統(tǒng)，如圖1 所示.

由圖1 可知，該設(shè)備由定位天線、雙極化天線和雙極化接收機(jī)組成.其中，雙極化天線采取圓錐喇叭型式，用于接收GNSS 信號(hào)的水平極化分量和垂直極化分量，這里主要接收GPS 衛(wèi)星L1 信號(hào)進(jìn)行分析.雙極化接收機(jī)用于處理接收信號(hào)并得到水平極化分量和垂直極化分量的幅度和相位信息.在數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先需對(duì)載波相位進(jìn)行周跳檢測(cè)與修復(fù).

1.2 周跳探測(cè)算法對(duì)比

許多學(xué)者針對(duì)GNSS 信號(hào)的周跳問題進(jìn)行了研究，提出了多種算法.比較經(jīng)典的有高次差法、多項(xiàng)式擬合法、雙頻相位求差法、電離層殘差法、多普勒觀測(cè)值法、偽距相位組合法等[11-17].但不同的算法具有不同的特點(diǎn)與適用范圍，且沒有一種算法能夠檢測(cè)出所有周跳.這些算法的特點(diǎn)如表1 所示.

表1 周跳探測(cè)算法特點(diǎn)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)只有單頻的雙極化幅度和相位數(shù)據(jù)，故初步分析只有高次差法、多項(xiàng)式擬合法、偽距相位組合法可用于該數(shù)據(jù)的周跳探測(cè).但多項(xiàng)式擬合法需事先確定一列無周跳的相位值，且多項(xiàng)式的階數(shù)需人為判定，顯然在對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，其操作性不強(qiáng).高次差法可探測(cè)周跳，但需人為確定求差次數(shù)；偽距相位組合法只能探測(cè)大周跳，且對(duì)偽距精度要求較高.可見，這兩種方法具有可行性，但均存在一定的局限，需要深入研究.

1.3 高次差法改進(jìn)效果分析

1.3.1 改進(jìn)思路

針對(duì)高次差法需人為確定求差次數(shù)的缺陷，考慮加以改進(jìn)以自動(dòng)計(jì)算求差次數(shù).次數(shù)確定原則為，求差序列之間差異最小，即

式中：N為序列長(zhǎng)度；ai為序列元素.

1.3.2 改進(jìn)效果仿真分析

下面利用仿真數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)效果進(jìn)行分析.這里選用一組GPS 10 號(hào)衛(wèi)星的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣率為1 Hz，長(zhǎng)度為1 000.經(jīng)檢驗(yàn)，此數(shù)據(jù)無周跳.為驗(yàn)證周跳處理算法的效果，考慮人為加入周跳，具體信息如表2所示.

表2 人為加入周跳信息

圖2(a)為原始載波相位和加入周跳后的數(shù)據(jù)對(duì)比情況.不難發(fā)現(xiàn)，加入周跳后，兩者差異很難分辨出來.圖2(b)為兩組數(shù)據(jù)的差.可見，相位數(shù)據(jù)在100、200、···、900 等位置均發(fā)生了周跳，且在900 位置的周跳達(dá)到所有周跳的和125.

圖2 原始載波相位數(shù)據(jù)和加入周跳后數(shù)據(jù)對(duì)比

利用改進(jìn)的高次差法對(duì)該組相位數(shù)據(jù)進(jìn)行周跳探測(cè).經(jīng)計(jì)算，針對(duì)此數(shù)據(jù)，求差次數(shù)為3.其探測(cè)結(jié)果如圖3 所示.

圖3 改進(jìn)的高次差法周跳探測(cè)情況

由圖3 可知，利用該方法將發(fā)生的9 個(gè)周跳大小及位置全部準(zhǔn)確探測(cè)出，充分說明了該方法的可行性和有效性.

1.3.3 改進(jìn)效果對(duì)比分析

利用偽距相位組合法對(duì)上述加入周跳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.假定該組觀測(cè)數(shù)據(jù)中偽距的精度為0.5 m，其周跳探測(cè)閾值為

式中：σP為偽距精度；λ為波長(zhǎng).

圖4 顯示了偽距相位組合法在偽距精度為0.5 m時(shí)周跳探測(cè)情況.不難看出，偽距相位組合法只探測(cè)出了3 個(gè)較大周跳，其位置分別是700、800、900，大小分別是20、30、50，與加入周跳信息一致.但沒有檢測(cè)出其余6 個(gè)大小在12 周內(nèi)的周跳.

圖4 偽距相位組合法周跳探測(cè)情況(偽距精度為0.5 m)

為提高偽距精度，假定為0.2 m，則其周跳檢測(cè)的閾值為4.46 周，再次對(duì)周跳進(jìn)行探測(cè)，其結(jié)果如圖5 所示.

圖5 偽距相位組合法周跳探測(cè)情況(偽距精度為0.2 m)

由圖5 可知，在偽距精度為0.2 m、周跳檢測(cè)閾值為4.46 周時(shí)，探測(cè)出許多個(gè)周跳，與實(shí)際情況不一致，探測(cè)效果較差.通過上述對(duì)比得出，偽距相位組合法的探測(cè)與偽距精度密切相關(guān)，且對(duì)于小周跳的探測(cè)效果較差，只能用于較大周跳的探測(cè).而改進(jìn)的高次差法既可以精確探測(cè)大周跳，也可以精準(zhǔn)定位小周跳的大小和位置，探測(cè)效果較好.

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

2.1 無雨天個(gè)例分析

這里以GPS 27 號(hào)衛(wèi)星2015年9月2日無雨天的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，開展周跳探測(cè)算法驗(yàn)證.經(jīng)過失鎖篩選，得到連續(xù)的觀測(cè)片段，圖6為其水平極化通道和垂直極化通道的信噪比(SNR)和載波相位情況.

圖6 2015年9月2日水平極化和垂直極化通道的SNR和載波相位原始數(shù)據(jù)對(duì)比情況

圖6 中，SNR和載波相位由GNSS 雙極化接收機(jī)接收得到，其中載波相位已由整周數(shù)轉(zhuǎn)化為距離，單位為m，便于后續(xù)載波相位差提取與分析.由圖6可知，該觀測(cè)片段的SNR 較高；此時(shí)載波相位數(shù)據(jù)看起來基本連續(xù)，但有無周跳，需要進(jìn)一步的檢測(cè).利用改進(jìn)的高次差法對(duì)此時(shí)的載波相位進(jìn)行周跳探測(cè)，結(jié)果如圖7 所示.

由圖7 可知，水平極化通道和垂直極化通道的載波相位均沒有發(fā)生周跳，屬于“干凈”的數(shù)據(jù).下面考慮在1 000、2 000、3 000、4 000 等四個(gè)位置分別加入1、5、10、20 大小的周跳，再次進(jìn)行周跳探測(cè)，結(jié)果如圖8 所示.

圖8 2015年9月2日水平極化和垂直極化通道載波相位數(shù)據(jù)人為加入周跳后探測(cè)情況

由圖8 可知，利用改進(jìn)的高次差法探測(cè)出了水平極化通道和垂直極化通道載波相位的周跳，位置均為1 000、2 000、3 000、4 000，大小均為 1、5、10、20 個(gè)周跳，與人為加入的周跳信息一致.

2.2 有雨天個(gè)例分析

這里選取GPS 27 號(hào)衛(wèi)星2015年8月10日有雨天的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.經(jīng)過初步篩選之后，圖9為SNR和載波相位情況.

圖9 中，SNR和載波相位由GNSS 雙極化接收機(jī)接收得到，其中載波相位已由整周數(shù)轉(zhuǎn)化為距離，單位為m，便于后續(xù)載波相位差提取與分析.由圖9可知，此時(shí)的兩通道載波相位數(shù)據(jù)看起來基本連續(xù)、也基本一致，但有無周跳，仍需進(jìn)一步的檢測(cè).下面利用改進(jìn)的高次差法對(duì)其載波相位進(jìn)行周跳探測(cè)，結(jié)果如圖10 所示.

圖9 2015年8月10日水平極化和垂直極化通道的SNR和載波相位原始數(shù)據(jù)對(duì)比情況

圖10 2015年8月10日水平極化和垂直極化通道載波相位原始數(shù)據(jù)周跳探測(cè)情況

由圖10 可知，水平極化通道和垂直極化通道的載波相位均無周跳，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好.下面同樣考慮在1 000、2 000、3 000、4 000 等四個(gè)位置分別加入1、5、10、20 大小的周跳，再次進(jìn)行周跳探測(cè)，結(jié)果如圖11 所示.

由圖11 可知，利用改進(jìn)的高次差法準(zhǔn)確探測(cè)出了水平極化通道和垂直極化通道載波相位數(shù)據(jù)的周跳發(fā)生位置和大小.經(jīng)過以上對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的高次差法可以準(zhǔn)確探測(cè)出無雨天和有雨天實(shí)測(cè)載波相位數(shù)據(jù)的周跳，效果較好.

圖11 2015年8月10日水平極化和垂直極化通道載波相位數(shù)據(jù)人為加入周跳后探測(cè)情況

3 結(jié)束語(yǔ)

GNSS 極化掩星信號(hào)探測(cè)降水是新的研究方向，其巧妙地將導(dǎo)航定位技術(shù)、無線電掩星技術(shù)和遙感探測(cè)技術(shù)結(jié)合起來，從精確的相位信息變化中提取降雨信息，拓展了GNSS 的應(yīng)用范圍.然而在處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，周跳的檢測(cè)與修復(fù)是需要考慮和解決的問題.由于地基GNSS 極化掩星信號(hào)只是單頻雙極化通道信號(hào)，沒有雙頻數(shù)據(jù)和多普勒數(shù)據(jù)，大部分的周跳處理方法并不適用.本文對(duì)高次差法進(jìn)行改進(jìn)，解決了存在的人為判定求差次數(shù)問題，并通過對(duì)比分析其效果，發(fā)現(xiàn)高次差法不僅可以探測(cè)大周跳，還可以探測(cè)小周跳，效果明顯好于偽距相位組合法等方法.

通過對(duì)不同衛(wèi)星、不同天氣條件、不同極化方式、不同位置、加入不同大小周跳的降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的高次差法能夠準(zhǔn)確探測(cè)出實(shí)測(cè)載波相位數(shù)據(jù)的各類大小周跳，甚至是1 周大小的周跳，充分驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，為下一步地基GNSS 極化掩星降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理提供重要支撐.