儲倜，賀凱飛，高凡，賀勻嶠，孟馨悅，徐天河

（1.中國石油大學（華東）海洋與空間信息學院，青島 266580； 2.山東大學空間科學研究院，威海 264209；3.山東大學空間科學與物理學院，威海 264209）

GNSS-R（global navigation satellite system-reflectometry）海面測高作為一項新興的對地觀測技術，主要優(yōu)勢在于能夠對海面以較低成本進行高時空分辨率的觀測，以期在海嘯預警、海平面上升研究等領域發(fā)揮重要作用。雙天線GNSS-R測高是通過測量直射信號與反射信號之間的路徑差，從而獲取反射天線到海面的垂直高度，并結合GNSS定位信息，反演得到海面測高結果。其路徑差可以通過載波相位［1］和碼相位延遲［2］2種方式獲取。文獻［1，3-9］分析了基于GPS L1／L2頻段的載波相位延遲測高結果，但在海面波動較大的情況下，接收機無法穩(wěn)定跟蹤反射載波相位信號。文獻［2，10-14］分析了基于GPS L1C／A碼和BDS B1I碼的海面測高結果，但GPS L1C／A碼和BDS B1I碼調(diào)制方式簡單且?guī)捿^窄，制約了其GNSS-R測高精度。

近年來，GNSS信號編碼結構和調(diào)制方式不斷升級，出現(xiàn)了多種抗多徑性能更優(yōu)、精度更高的民用測距碼。文獻［15］分析了更高碼率的GPS L5碼和GALILEO E5碼的信號特性及可能獲得的測高精度，而L1C碼作為新一代GPS高精度民用碼，采用了BOC調(diào)制方式，可使其有效提高測距精度及抗多路徑能力［16］。目前，GPS系統(tǒng)僅在BLOCK III衛(wèi)星上播發(fā)L1C信號，且BLOCK III在軌衛(wèi)星僅有3顆，其衛(wèi)星信號難以覆蓋中國東部沿海區(qū)域。QZSS系統(tǒng)作為GPS在亞太地區(qū)的增強系統(tǒng)，在L1頻段上調(diào)制有L1C碼和傳統(tǒng)的L1C／A碼［17］，而在中國東部沿海區(qū)域均可接收來自QZSS衛(wèi)星的反射信號，為探究 L1C 碼的GNSS-R海面測高精度提供了可能。

岸基GNSS-R測高技術可作為現(xiàn)有驗潮站等近海海面高監(jiān)測方式的一種有效補充。在傳統(tǒng)驗潮站的建設中，需要建造驗潮井等施工過程復雜、耗費人力、物力較多的基礎設施。若采用GNSSR技術進行觀測，僅需將設備固定在沿海岸邊高處即可，具有成本低、架設方便等特點。通過在沿岸地區(qū)較為密集地布設GNSS-R監(jiān)測設備，可為海洋科學和大地測量學研究提供重要的基礎數(shù)據(jù)。因此，本文在山東省威海市開展了雙天線岸基GNSS-R海面測高實驗，同時，基于自主開發(fā)的GNSS-R測高軟件接收機，采用了碼相位延遲測高方法，系統(tǒng)分析了QZSS L1C／A碼和L1C碼的海面測高精度。

1 岸基GNSS-R測高理論

1.1 岸基測高幾何模型

本文采用的岸基GNSS-R測高幾何模型如圖1所示。圖中：h為反射天線相位中心到海面的垂直距離；θ為衛(wèi)星高度角；Δρ為反射信號相對于直射信號的路徑延遲；a為直射和反射天線相位中心間基線矢量；e為直射天線相位中心與衛(wèi)星連線方向的矢量；T1、T2分別為垂直向上、向下的極化天線；V1、V2分別為天線T1和T2在衛(wèi)星與直射天線相位中心連線方向的垂直投影。反射天線到海面的垂直距離小于6 m，因此不考慮地球曲率影響。

圖1 岸基測高幾何模型Fig.1 Coastal altimetry geometric model

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1.2 QZSS L1波段信號

QZSS系統(tǒng)由1顆GEO和3顆IGSO衛(wèi)星組成。目前，GPS和QZSS在L1波段上同時調(diào)制L1C／A碼和L1C碼，以確保同現(xiàn)代化GNSS信號的兼容性及互操作性。L1波段信號結構及其自相關函數(shù)如表1和圖2所示［17］，L1C／A碼由測距碼和數(shù)據(jù)碼進行異或相加后，并對載波進行BPSK調(diào)制而成。為了避免信號在實現(xiàn)測距及傳輸導航電文時可能出現(xiàn)的性能沖突，L1C信號采用數(shù)據(jù)通道加導頻通道的結構［16］。該信號由相互正交的數(shù)據(jù)分量和導頻分量信號復合調(diào)制而成，數(shù)據(jù)分量由數(shù)據(jù)碼和測距碼異或相加后實現(xiàn)擴頻，導頻分量由測距碼子碼和測距碼異或相加后實現(xiàn)擴頻。擴頻后的數(shù)據(jù)分量和導頻分量分別對相互正交的載波進行BOC調(diào)制后復合成為復包絡信號，其中，數(shù)據(jù)分量存在數(shù)據(jù)碼周期跳變。

表1 L1C／A碼和L1C碼信號結構Table 1 Signal structures of L1C／A and L1C code

式中：V1V2為矢量a在衛(wèi)星與直射天線相位中心連線方向的投影；εh為噪聲。

由表1和圖2可知，L1C碼與L1C／A碼的碼率同為1.023 MHz，并且歸一化后的自相關函數(shù)皆存在主峰。與L1C／A碼相比，新一代L1C信號在數(shù)據(jù)通道和導頻通道中分別采用了BOC（1，1）和TMBOC（6，1，4／33）調(diào)制方式，其中，BOC（m，n）中的m和n分別是以1.023 MHz為基數(shù)歸一化后的子載波速率和擴頻碼速率，TMBOC（6，1，4／33）為相互正交的BOC（6，1）與BOC（1，1）分量［16］。L1C信號子載波的調(diào)制，使其自相關函數(shù)主峰較L1C／A碼更尖銳，且主峰寬度約為L1C／A碼的一半，因此，L1C碼的測距性能將優(yōu)于傳統(tǒng)的L1C／A碼［18］。

圖2 L1C／A碼和L1C碼自相關函數(shù)Fig.2 Autocorrelation function of L1C／A and L1C code

1.3 碼相位路徑延遲獲取

本文將路徑延遲的獲取分為2步：

步驟1 通過射頻前端采集數(shù)字中頻信號。

步驟2 利用軟件接收機處理數(shù)字中頻信號并獲取碼相位路徑延遲。

1.3.1 中頻信號獲取

軟件接收機射頻前端信號處理流程如圖3所示，流程如下：

圖3 射頻前端處理流程Fig.3 Processing flow of RF front-end

1）右旋和左旋圓極化天線（PHCP和LHCP）分別接收到的直射信號和反射信號進入濾波器和放大器。信號經(jīng)過濾波器后，除L1波段外的高頻噪聲被濾除，通過放大器對L1波段信號進行功率放大。

2）信號經(jīng)過調(diào)整和放大后，進入混頻器。信號經(jīng)過混頻后可獲得0.42 MHz的低頻信號，其他高頻噪聲將被濾除。

3）0.42 MHz的低頻信號經(jīng)過A／D轉換器后將從模擬信號采樣為數(shù)字信號，其采樣率為40 MHz，符合香農(nóng)采樣定理［19］。數(shù)字中頻信號進行4 Bit量化，且按高位到低位傳輸?shù)酱鎯υO備中以便進一步處理。

1.3.2 中頻信號處理

存儲設備中的4 Bit數(shù)字中頻信號，采用基于C語言平臺開發(fā)的GNSS-R軟件接收機進行處理。由于L1C信號中的數(shù)據(jù)分量和導頻分量功率比為1∶3，導頻分量的信號強度遠高于數(shù)據(jù)分量，只處理L1C信號中的導頻分量。中頻信號經(jīng)過軟件處理后可分別獲得L1C／A碼和L1C碼的海面測高結果。GNSS-R軟件接收機處理流程如圖4所示，其流程如下：

圖4 GNSS-R軟件接收機處理流程Fig.4 Processing flow of GNSS-R software receiver

1）粗捕獲反射信號確定可見衛(wèi)星?；陬l域并行碼相位捕獲算法計算衛(wèi)星相關功率是否超過捕獲閾值，超過閾值則輸出衛(wèi)星PRN、碼相位及多普勒頻移信息。

2）以當前衛(wèi)星碼相位及多普勒頻移信息為基準，同時對直射信號和反射信號重新進行精捕獲，獲取直射和反射信號間碼相位延遲。

3）基于圖1中幾何模型，通過碼相位延遲及衛(wèi)星高度角可計算出反射天線到海面的垂直高度。

2 算例分析

2.1 實驗設計

本文實驗地點位于山東省威海市的某一海邊棧橋，實驗時間為北京時間2020年7月10日8：00—15：00。實驗場地附近無高大建筑物遮擋，觀測時段內(nèi)風速約為2 m／s，海面較為平靜。圖5為實驗場地及設備位置，棧橋最前端距離海岸線約100 m。圖5（a）中，豎直向上的直射天線和豎直向下的反射天線保持在同一鉛垂線上，且反射和直射天線同時朝向南面海域，可保證更多可用衛(wèi)星。為了進行外部驗證，在距離反射天線水平距離約為15 m的固定位置處安置工作頻率為26 GHz的地基雷達測高儀，其到反射天線的垂直距離為1.153 m，輸出頻率為1 Hz，測距精度為±3 mm，可用于GNSS-R海面測高結果的精度檢核。

2.2 實驗結果與分析

2.2.1 偽碼相關功率波形

觀測時段內(nèi)捕獲到J1、J2、J3共3顆衛(wèi)星，通過可見衛(wèi)星的直射信號和反射信號間碼相位延遲來計算出反射天線到海面垂直高度。以可見衛(wèi)星J1為例，L1C／A碼和L1C碼的碼相位延遲及相關功率波形變化如圖6所示?？芍?，L1C碼的相關功率波形較L1C／A碼更平滑，且L1C碼的主峰更尖銳。衛(wèi)星信號經(jīng)海面反射后會出現(xiàn)功率損耗，因此，L1C／A碼和L1C碼的反射信號相關功率值小于直射信號。圖6（b）中，由于L1C碼中采用了BOC調(diào)制方式，使其相關功率波形的主峰附近存在2個副峰，且?guī)挻笥贚1C／A碼。

圖6 L1C／A碼和L1C碼相關功率波形對比Fig.6 Correlation power waveform comparison between L1C／A and L1C code

2.2.2 測高結果分析

觀測時段內(nèi)，測站位置處不同衛(wèi)星高度角的變化如圖7所示。

圖7 J1、J2、J3衛(wèi)星高度角變化（北京時間）Fig.7 J1，J2 and J3 satellite elevation changes（Beijing time）

由圖7可知，J1的可用衛(wèi)星高度角變化范圍為50°～65°，J2的可用衛(wèi)星高度角變化范圍為65°～50°，而J3的可用衛(wèi)星高度角變化范圍為80°～68°，J3衛(wèi)星高度角要始終大于J1、J2衛(wèi)星。進一步分析可知，在該觀測時間段內(nèi)，J3的運行軌跡在遠地點附近，而J1、J2的運行軌跡在近地點附近，因此，J3的衛(wèi)星高度角的變化速率小于J1、J2。根據(jù)GNSS-R軟件接收機輸出的碼相位路徑延遲并結合衛(wèi)星高度角，可分別計算出L1C／A碼和L1C碼的反射天線到海面的垂直高度。兩者測高結果對比如圖8所示，空白區(qū)域表示該觀測時段內(nèi)無數(shù)據(jù)。

由圖8可知，海面的潮位最大變化量約為2 m，L1C／A碼和L1C碼測高結果均在雷達測高儀觀測值上下波動，測高結果反映了潮位變化，驗證了GNSS-R軟件接收機的可用性。此外，J1、J2、J3的L1C／A碼的測高結果的離散程度均大于L1C碼，且L1C／A碼測高結果的系統(tǒng)偏差大于L1C碼。進一步分析，相同時刻可見衛(wèi)星的L1C／A碼和L1C碼延遲岸基測高殘差序列對比結果如圖9、圖10和表2所示。

圖8 L1C／A和L1C碼GNSS-R測高結果對比Fig.8 Comparison of L1C／A and L1C code GNSS-R altimetry results

由圖9、圖10和表2可知，在8：00—10：00觀測時段內(nèi)，J2的碼相位觀測值結果中，L1C／A碼、L1C碼的均方根誤差分別為0.917、0.695 m，標準差分別為0.908、0.514 m；J3的L1C／A碼、L1C碼的均方根誤差分別為0.634、0.563 m，其標準差分別為0.597、0.313 m。J2碼相位測高結果的誤差范圍約為±3 m，J3碼相位測高結果的誤差小于J2，但其測高結果存在部分系統(tǒng)偏差。結果表明，J2和J3的L1C碼相位測高結果相較于L1C／A碼更穩(wěn)定，且L1C碼的測高精度相對L1C／A碼精度分別增加了24%、11%。

表2 J1、J2、J3碼延遲和岸基測高結果精度對比Table 2 Comparison of the accuracy of code delay coastal altimetry results of J1，J2 and J3 satellites

圖9 J2、J3岸基測高結果殘差序列對比Fig.9 Comparison of residual sequence of coastal altimetry results of J2 and J3 satellites

圖10 J1、J3碼延遲岸基測高結果殘差序列對比Fig.10 Comparison of residual sequence of code delay coastal altimetry results of J1 and J3 satellites｀

在13：30—15：00觀測時段內(nèi)，J1的L1C／A碼、L1C碼的均方根誤差分別為1.226、0.726 m，標準差分別為0.855、0.391 m；J3的L1C／A碼、L1C碼的均方根誤差分別為0.794、0.395 m，標準差分別為0.618、0.226 m。J1碼相位測高結果的誤差范圍約為±3 m，J3碼相位測高結果的誤差范圍約為±2 m，J1和J3的碼相位測高結果均存在部分系統(tǒng)偏差。結果表明，J1和J3的L1C碼測高相位結果較L1C／A碼更穩(wěn)定，L1C碼的測高精度相比L1C／A碼精度可分別增加了41%、50%。進一步分析，在相同時段內(nèi)，J3衛(wèi)星高度角明顯大于J1、J2，J3的L1C／A碼、L1C碼測高精度比J2的分別增加了31%、19%，比J1的分別增加了35%、45%。文獻［13］分析了碼相位測高精度與衛(wèi)星高度角之間聯(lián)系，衛(wèi)星高度角越大，碼相位路徑延遲中的噪聲影響越小，衛(wèi)星信號信噪比隨之增大，海面測高精度相應提高。同時，圖9和圖10結果表明，衛(wèi)星高度角較大時，殘差序列比較穩(wěn)定；衛(wèi)星高度角較小時，殘差序列在一定范圍內(nèi)上下波動。這是由于直射信號進入了反射天線，不同信號間相互疊加產(chǎn)生的多路徑效應會對測高結果產(chǎn)生影響，進一步分析并削弱該誤差因素可提高海面測高精度。

3 結 論

本文開展了雙天線岸基海面測高實驗，基于自主開發(fā)的GNSS-R測高軟件接收機對QZSS L1波段信號的碼相位延遲測高性能進行了分析，可得以下結論：

1）通過GNSS-R岸基實驗驗證了QZSS L1C碼相位岸基測高精度，同時也驗證了自主開發(fā)的L1C／A碼和L1C 碼GNSS-R 軟件接收機的可用性。

2）海況良好時，L1C碼、L1C／A碼的測高精度分別為0.60、0.94 m，L1C碼、L1C／A碼最優(yōu)精度分別為0.4、0.63 m。L1C碼的測高精度相對于L1C／A碼精度增加了32%。

3）在相同觀測時段內(nèi)，衛(wèi)星高度角越大，路徑延遲中的噪聲越小，衛(wèi)星信號信噪比隨之增大，測高精度相應提高。