GNSS—R海面测高技术的国内外研究及未来展望

摘 要：随着全球导航卫星系统（GNSS）的飛速发展，利用导航卫星反射信号的GNSS-R技术的应用越来越广泛。本文介绍了GNSS-R技术进行海面高度测量的国内外研究，并且阐述了基于GNSS-R技术的3种海面测高方法，分别为载波相位法、码相位法和信噪比（SNR）法。最后，提出GNSS-R海面测高技术的未来展望。

关键词：GNSS-R 海面测高 载波相位 码相位 信噪比SNR

中图分类号：TH76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（a）-0049-03

Abstract： With the rapid development of global navigation satellite system （GNSS）， GNSS-R technology using navigation satellite reflection signal is more and more widely used. GNSS-R technology were introduced in this paper， the measurement of sea surface height of research both at home and abroad， and expounds the three based on the technology of GNSS-R sea surface height measurement method， respectively， for the carrier phase and code phase and the signal-to-noise ratio （SNR） method. Finally， the future prospect of GNSS-R sea surface altimetry technology is presented.

Key Words： GNSS-R； Sea level survey； Carrier phase； Code phase； Signal-to-noise ratio SNR

获取海平面变化数据对海洋学和气象学很重要。船舶、验潮仪及卫星高度计等可用于海面测高，但船舶和验潮仪测量成本高且不便，卫星高度计功耗大、时空分辨率较低。而GNSS-R技术具有信号源多、宽覆盖、长期稳定等优点，非常适用于监测海面高度变化。

1 国内外研究

国外，1993年，欧洲太空局科学家Martin-Neira开创了使用GNSS反射信号的概念，使用原本干扰定位的反射信号去遥感海面，海面高度是利用从海面反射的反射信号和直射信号相结合来估计的[1]。2000年，Martin-Neira等人利用卫星直射信号和反射信号的载波相位去测量海面高度，精度达到厘米量级[2]。2001年，Martin-Neira等人利用GPS卫星直射信号和反射信号的码相位进行海面测高，精度达到数米量级[3]。2013年，Larson等人提出了一种使用SNR数据的海面改进型测高方法[4]。2016年，Lestarquit等人开发了一种用于载波相位测高的软件接收机。该接收机分别在法国西南部的海面灯塔上开展岸基实验和法国比斯卡罗斯湖上开展机载实验，两者的反演结果在相干积分时间超过500ms时均达到厘米级精度[5]。同年，Semmling等人设计了一款搭载在运动平台的载波相位测高模拟器。该模拟器分别在轨道高度为400㎞和600㎞时进行测高，实验结果表明在信号为30dB时反演结果达到亚米级精度，在信号为20dB时反演结果达到米级精度[6]。

国内，2010年，邵连军等人研究了GNSS-R海面测高的原理，进行了误差分析，阐述了其关键技术[7]。2015年，张云等人在浙江大洋山海域进行海面测高实验。该实验首次采用北斗信号，结合北斗星座的特点，使用码相位测高技术成功地反演了海面高度，精度达到亚米级[8]。2016年，张云等人首次使用北斗GEO信号，在浙江大洋山海域进行载波相位测高实验，实验的反演结果最高可达到厘米级精度[9]。2017年，上海海事大学智能船舶团队利用瑞典Onsala空间观测站的观测数据，做了基于GNSS-R的沿海海平面测量的案例研究[10]。

2 GNSS-R海面测高方法

由图1可知，反射信号相对直射信号的路径延迟为：

（1）

式中，为接收机天线相位中心到海面的高度，研究中常把看作海面高度，为卫星仰角。

2.1 基于相位差的海面测高方法

相位差法使用RHCP和LHCP天线分别接收直射信号和反射信号，RHCP天线与海面下倒映的虚拟LHCP天线之间的垂直基线为，反射信号相对直射信号的路径延迟为，当卫星仰角和两个天线的相位中心偏移量已知时，求得额外路径延迟即可求得海面高度。

2.1.1 载波相位法

反射信号相对直射信号的延迟路径为：

（2）

式中，和各表示直射信号和反射信号的载波相位观测量，是反射信号与直射信号的载波相位差的小数部分，表示相位差的整周数，是GPS的L1频段载波波长。载波相位法的测量精度较高，但该方法需要反射信号的相位是连续的，这在反射面粗糙时很难实现。

2.1.2 码相位法

该方法通过计算直射信号C/A码的相关功率峰值所对应时间与反射信号C/A码的相关功率峰值所对应时间的时间差来计算路径延迟。码相位法简单、稳定性高，但是C/A码片宽度让该方法的测高精度较差。

2.2 基于信噪比（SNR）的海面测高方法

SNR法无需改变接收机及天线的构造，也不用安装指向天底的用来接收反射信号的天线，可直接使用已有的普通接收机和单个天线来同时接收直射信号和反射信号。根据式（1）可得接收机天线处反射信号的载波相位为：

（3）

根据GNSS信号的传输原理，接收機天线接收到第s颗卫星的合成信号（包括直射信号和反射信号）为： （4）

（5）

是合成信号的振幅，是合成信号的相位角；C是导航电文信息；AS（·）是伪随机码；Tc是伪随机码的周期；是直射信号的振幅，是反射信号的振幅；是直射信号的载波相位，是反射信号的载波相位；是方差为1的高斯白噪声。假设我们接收到的信号噪声是高斯白噪声，表示正则化的幅值，则直接为我们提供了信噪比观测量，即：

（6）

其中，会使SNR呈上升趋势，这需要SNR减去n阶多项式进行去趋势（n一般取2），而反射信号使SNR有小幅度的高频振荡变化。去趋势后结合式（5）可得：

（7）

其中，作为自变量。去趋势信噪比δSNR的角频率为：

（8）

转换后，得，

（9）

其中，m是GPS的L1频段载波波长，m/s是光速，GHz是载波频率，为海面高度，为δSNR的振荡频率。因此，对接收机接收的卫星导航信号SNR数据进行去趋势处理求出其振荡频率即可求得对应的海面高度。求的方法包括：函数拟合法、快速傅里叶变换FFT法、Lomb-Scargle频谱分析法和最小二乘方周期图法等。

3 GNSS-R海面测高技术的未来展望

为了该技术的未来发展，我们还需开展大量工作。 （1）深入理论研究，加强试验研究。

深入该技术的理论研究，开创新理论，进行大范围的大数据收集，开展岸基、机载和星载等多平台立体监测试验。

（2）加强不同测高平台的研究。

岸基测高试验较简便且成本低，适用于长期观测，有利于业务化发展，所以这方面的研究不断增多，而机载和星载对接收机及天线要求较高。船载GNSS-R可实时实地获取海面高度变化，具有空间延展性和时间连续性。

（3）提高反演结果的精度。

完善GNSS-R海面测高技术的理论使其达到成熟，采用先进的算法，进行大规模长时间的大数据采集试验，优化其反演模型，从而提高反演结果的精度。

（4）促进应用业务化，实现大规模实时可视化监测。

未来还需进行长时间大规模大数据的观测及分析，用于监测海面高度变化的大量数据可从全国乃至全球的海面监测站点获取，并通过网络实时传输数据，再经过数据处理中心处理，将结果显示在显示屏，使各站点能够对海面高度变化进行实时自动化的观测和预报，构建GNSS-R海面测高系统，从而实现大规模实时可视化的监测海面高度变化。

4 结语

GNSS-R技术具有信号源多、长期稳定、宽覆盖等优点，是监测海面高度变化非常理想的方法，但其在反演精度、多平台立体监测和应用业务化等方面还有待进一步研究。

参考文献

[1]M.Martin-Netra. A passive reflectometry and interferometry system （PARIS） application to ocean altimetry[J].ESA journal，1993（17）：331-355，1993.

[2]M.Martin-Neira， P.Colmenarejo， G.Ru_ni， et al. Ocean Altimetry Using the Carrier Phase of Gnss Reflected Signals[J]. Cersat Journal， 2000，11（22）.

[3]M. Martín-Neira，M. Caparrini，J. Font-Rosselló，et al. The PARIS concept： An experimental demonstration of sea surface altimetry using GPS reflected signals[J]. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens.， 2001，39（1）：142–149.

[4]Larson KM， Ray RD， Nievinski FG， et al. The Accidental Tide Gauge： A GPS Reflection Case Study From Kachemak Bay， Alaska[J]. IEEE Geoscience & Remote Sensing Papers，2013，10（5）：1200-1204.

[5]Lestarquit L， Peyrezabes M， Darrozes J， et al. Reflectometry with an open-source software GNSS Receiver： Use case with carrier phase altimetry[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing，2016，9（10）：4843-4853.

[6]Semmling AM， Leister V， Saynisch J， et al. A phase-altimetric simulator： Studying the sensitivity of Earth-reflected GNSS signals to ocean topography[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2016， 54（11）：6791-6802.

[7]邵连军，张训械，刘经南，等.GNSS-R海面测高算法[J].海洋测绘，2010，30（2）：1-5.

[8]Zhang Y， Tian L， Meng W， et al. Feasibility of Code-Level Altimetry Using Coastal Bei Dou Reflection （Bei Dou-R） Setups[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations & Remote Sensing，2015， 8（8）：4130.

[9]Yun Z， Binbin L，Luman T， et al. Phase Altimetry Using Reflected Signals From Bei Dou GEO Satellites[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2016， 13（10）：1410-1414.

[10]Wei Liu， Jamila Beckheiich， Maximilian Semmling， et al. Coastal Sea-Level Measurements Based on GNSS-R Phase Altimetry： A Case Study at the Onsala Space Observatory[R].Sweden：IEEE，2017.

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