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低轨卫星星载GNSS反射事件模拟分析

柳聪亮 白伟华 夏俊明 孙越强 孟祥广 杜起飞

柳聪亮, 白伟华, 夏俊明, 孙越强, 孟祥广, 杜起飞. 低轨卫星星载GNSS反射事件模拟分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 826-831, 839. doi: 10.13203/j.whugis20160161
引用本文: 柳聪亮, 白伟华, 夏俊明, 孙越强, 孟祥广, 杜起飞. 低轨卫星星载GNSS反射事件模拟分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 826-831, 839. doi: 10.13203/j.whugis20160161
LIU Congliang, BAI Weihua, XIA Junming, SUN Yueqiang, MENG Xiangguang, DU Qifei. Simulation Study of Spaceborne GNSS-R Events[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 826-831, 839. doi: 10.13203/j.whugis20160161
Citation: LIU Congliang, BAI Weihua, XIA Junming, SUN Yueqiang, MENG Xiangguang, DU Qifei. Simulation Study of Spaceborne GNSS-R Events[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 826-831, 839. doi: 10.13203/j.whugis20160161

低轨卫星星载GNSS反射事件模拟分析

doi: 10.13203/j.whugis20160161
基金项目: 

国家自然科学基金 41405039

国家自然科学基金 41775034

国家自然科学基金 41405040

国家自然科学基金 41505030

国家自然科学基金 41606206

中国科学院科空间先导专项 XDA15007501

详细信息
    作者简介:

    柳聪亮, 博士, 助理研究员, 主要从事GNSS遥感应用研究。liucongliang66@126.com

    通讯作者: 白伟华, 博士, 研究员。bjbwh@163.com
  • 中图分类号: P228.4

Simulation Study of Spaceborne GNSS-R Events

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41405039

The National Natural Science Foundation of China 41775034

The National Natural Science Foundation of China 41405040

The National Natural Science Foundation of China 41505030

The National Natural Science Foundation of China 41606206

the Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences XDA15007501

More Information
    Author Bio:

    LIU Congliang, PhD, assistant professor, specializes in GNSS remote sensing and its application. E-mail: liucongliang66@126.com

    Corresponding author: BAI Weihua, PhD, professor. E-mail: bjbwh@163.com
  • 摘要: 基于低轨(low earth orbit,LEO)卫星星载GNSS反射事件的数学判据,分别用BDS、GPS、Galileo、GLONASS和4系统耦合GNSS星座模拟信号源,仿真分析了LEO卫星轨道高度、轨道倾角、下视天线视场角等参量对反射事件数量和时空分布的影响;进而研究了用上述4大GNSS系统进行GNSS反射信号遥感技术(GNSS reflectometry,GNSS-R)探测对接收机通道数量的需求。统计结果表明:LEO卫星轨道越高,天线视场越大,反射事件越多,镜面反射点分布越稠密;轨道倾角越小,反射事件镜面点越趋于赤道地区分布;GNSS-R接收机所需通道数随LEO卫星轨道高度和下视天线视场范围增大而增加;而LEO卫星轨道倾角变化对通道数需求影响不明显。研究结果对GNSS-R低轨卫星系统设计具有一定的理论参考价值。
  • 图  1  GNSS反射事件数学判据示意图

    Figure  1.  Illustration of Mathematical Criterion of GNSS-R Events

    图  2  LEO卫星星下点轨迹及GNSS-R镜面反射点分布

    Figure  2.  Distributions of LEO Satellite Nadir Trajectories and GNSS-R Specular Refraction Points

    图  3  LEO卫星轨道倾角为30°时反射事件对±30°纬度带的覆盖率

    Figure  3.  GNSS-R Specular Refraction Point ±30° Latitude Coverage when LEO Orbit Inclination is 30°

    图  4  LEO卫星轨道倾角为90°时反射事件全球覆盖率

    Figure  4.  GNSS-R Specular Refraction Point Global Coverage when LEO Orbit Inclination is 90°

    图  5  同时发生反射事件的GNSS卫星数统计

    Figure  5.  Number of Simultaneous GNSS-R Events Statistics

    表  1  LEO卫星主要参数

    Table  1.   Key Parameters of LEO Satellite

    轨道高度/km 轨道倾角/(°) HPBW/(°)
    500 30 ±10
    800 90 ±20
    1 500 ±30
    ±40
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    表  2  不同LEO卫星轨道高度、轨道倾角和下视天线视场角时,GNSS反射事件覆盖率统计

    Table  2.   GNSS-R Event Coverage due to Different LEO Orbit Heights, Inclinations and HPBWs

    HPBW 轨道倾角30°、±30°纬度带覆盖率/% 轨道倾角90°、全球覆盖率/%
    卫星高度/km 卫星高度/km
    500 800 1500 500 800 1500
    ±10° 26.55 29.39 33.60 8.39 9.34 10.73
    ±20° 59.01 65.32 76.67 22.88 28.28 37.77
    ±30° 80.04 89.02 95.67 46.73 62.44 76.92
    ±40° 91.38 97.47 99.61 66.91 86.16 95.06
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    表  3  不同LEO卫星轨道高度、轨道倾角和下视天线视场角时,同时发生反射事件的GNSS卫星数统计

    Table  3.   Number of Simultaneous GNSS-R Events due to Different LEO Orbit Heights, Inclinations and HPBWs

    卫星高度/km HPBW 卫星数(平均值/最大值)/个
    轨道倾角90° 轨道倾角30°
    BDS GPS Galileo GLONASS GNSS BDS GPS Galileo GLONASS GNSS
    ±10° 0.18/4 0.17/3 0.17/1 0.13/1 0.65/5 0.22/4 0.18/2 0.18/1 0.12/1 0.69/4
    500 ±20° 0.74/5 0.67/3 0.69/3 0.57/2 2.67/9 1.00/6 0.76/4 0.75/3 0.48/2 2.99/9
    ±30° 1.79/9 1.61/5 1.66/4 1.40/4 6.46/15 2.64/9 1.81/6 1.95/4 1.13/3 7.54/17
    ±40° 3.65/10 3.20/7 3.40/6 2.80/6 13.0/23 4.75/11 3.64/7 3.52/6 2.35/4 14.2/23
    ±10° 0.21/4 0.21/2 0.20/1 0.16/1 0.78/6 0.27/4 0.23/2 0.21/2 0.13/3 0.86/4
    800 ±20° 0.91/6 0.83/3 0.83/3 0.69/2 3.26/10 1.22/6 0.91/3 0.91/3 0.57/3 3.62/11
    ±30° 2.21/9 2.00/5 2.04/4 1.81/4 8.05/17 3.29/10 2.31/6 2.394 1.40/4 9.41/20
    ±40° 4.60/12 4.18/7 4.25/6 3.41/6 16.4/27 5.64/12 4.42/8 4.23/6 2.95/5 17.2/28
    ±10° 0.29/4 0.28/3 0.28/2 0.23/2 1.08/7 0.40/4 0.30/3 0.30/2 0.19/2 1.21/5
    1 500 ±20° 1.34/7 1.18/4 1.23/4 1.02/3 4.77/12 1.85/8 1.34/5 1.37/4 0.85/3 5.42/14
    ±30° 3.50/10 3.16/6 3.28/6 2.74/6 12.6/22 4.70/10 3.60/7 3.45/6 2.30/4 14.0/23
    ±40° 7.37/15 7.11/11 6.80/9 5.37/9 26.6/39 8.09/16 6.64/11 6.27/9 4.55/7 25.5/35
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    Liu Jingnan, Shao Lianjun, Zhang Xunxie. Advances in GNSS-R Studies and Key Technologies[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2007, 32(11):955-960 http://ch.whu.edu.cn/CN/abstract/abstract2030.shtml
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-04-15
  • 刊出日期:  2018-06-05

低轨卫星星载GNSS反射事件模拟分析

doi: 10.13203/j.whugis20160161
    基金项目:

    国家自然科学基金 41405039

    国家自然科学基金 41775034

    国家自然科学基金 41405040

    国家自然科学基金 41505030

    国家自然科学基金 41606206

    中国科学院科空间先导专项 XDA15007501

    作者简介:

    柳聪亮, 博士, 助理研究员, 主要从事GNSS遥感应用研究。liucongliang66@126.com

    通讯作者: 白伟华, 博士, 研究员。bjbwh@163.com
  • 中图分类号: P228.4

摘要: 基于低轨(low earth orbit,LEO)卫星星载GNSS反射事件的数学判据,分别用BDS、GPS、Galileo、GLONASS和4系统耦合GNSS星座模拟信号源,仿真分析了LEO卫星轨道高度、轨道倾角、下视天线视场角等参量对反射事件数量和时空分布的影响;进而研究了用上述4大GNSS系统进行GNSS反射信号遥感技术(GNSS reflectometry,GNSS-R)探测对接收机通道数量的需求。统计结果表明:LEO卫星轨道越高,天线视场越大,反射事件越多,镜面反射点分布越稠密;轨道倾角越小,反射事件镜面点越趋于赤道地区分布;GNSS-R接收机所需通道数随LEO卫星轨道高度和下视天线视场范围增大而增加;而LEO卫星轨道倾角变化对通道数需求影响不明显。研究结果对GNSS-R低轨卫星系统设计具有一定的理论参考价值。

English Abstract

柳聪亮, 白伟华, 夏俊明, 孙越强, 孟祥广, 杜起飞. 低轨卫星星载GNSS反射事件模拟分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 826-831, 839. doi: 10.13203/j.whugis20160161
引用本文: 柳聪亮, 白伟华, 夏俊明, 孙越强, 孟祥广, 杜起飞. 低轨卫星星载GNSS反射事件模拟分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 826-831, 839. doi: 10.13203/j.whugis20160161
LIU Congliang, BAI Weihua, XIA Junming, SUN Yueqiang, MENG Xiangguang, DU Qifei. Simulation Study of Spaceborne GNSS-R Events[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 826-831, 839. doi: 10.13203/j.whugis20160161
Citation: LIU Congliang, BAI Weihua, XIA Junming, SUN Yueqiang, MENG Xiangguang, DU Qifei. Simulation Study of Spaceborne GNSS-R Events[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 826-831, 839. doi: 10.13203/j.whugis20160161
  • 随着BDS、GPS、Galileo和GLONASS等全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的发展和广泛应用,GNSS反射信号遥感技术(GNSS reflectometry,GNSS-R)以全球覆盖、全天候、实时、低成本等优势逐渐成为研究热点[1],多GNSS系统耦合进行星载GNSS-R探测是其主要发展趋势。GNSS-R通过接收处理GNSS直射和反射信号,实现海面风场反演[2]、海面高度[3]、海态和土壤湿度[4]等物理量的探测。人们在信号处理[5]、接收机研制[6]、反演算法研究[7]和低轨(low earth orbit,LEO)卫星轨道设计[8]等方面做了大量工作,并通过地基[9]、机载[10]和星载[11]试验进行验证,为星载GNSS-R业务化奠定了理论基础。GNSS反射事件的数量和时空分布是星载GNSS-R探测能力的评估指标之一,是GNSS-R接收机和天线研制的重要依据。文献[8]设定GNSS-R接收机和天线性能,用变量分离法模拟分析了LEO卫星轨道参数对GPS反射事件数量和空间分布的影响;文献[12]研究了BDS反射事件数量及其空间分布的特点。结果表明:GNSS反射事件的数量和分布受LEO卫星轨道高度、轨道倾角影响显著,而受升交点赤经、近地点角距等参数影响较小。实施多GNSS系统耦合反射信号探测,还须考虑GNSS-R接收机和天线性能对反射事件的影响。本文将采用变量分离法[8, 12]模拟研究LEO卫星轨道高度、轨道倾角、反射信号天线视场和接收机通道等参数和GNSS反射事件的数量和时空分布关系。

    • 当GNSS上视天线(假设为全向天线)接收直接信号时,下视天线接收到地面反射信号,就发生一次GNSS反射事件(见图 1)。图 1中,θ为地球阴影区临界角;Re为地球半径;rG为GNSS卫星位置矢量;rL为LEO卫星位置矢量;αrGrL的夹角;αc1为LEO卫星在地球阴影区边界时rGrL的夹角;β为GNSS下视天线视场半角;ε为镜面反射点在视场边界时GNSS卫星高度角;αc2为镜面反射点在视场边界时rGrL的夹角。其边角关系如下:

      $$ \alpha = {\rm{arccos}}\left( {{r_G}\cdot{r_L}/\left( {\left| {{r_G}} \right|\cdot{\rm{ }}\left| {{r_L}} \right|} \right)} \right) $$ (1)
      $$ {\alpha _{c1}} = {\rm{ \mathsf{ π}-arcsin}}\left( {{R_e}/\left| {{r_G}} \right|} \right)-{\rm{arcsin}}\left( {{R_e}/\left| {{r_L}} \right|} \right) $$ (2)
      $$ \varepsilon = {\rm{arccos}}\left( {{\rm{sin}}\beta \cdot\left| {{r_L}} \right|/{R_e}} \right) $$ (3)
      $$ {\alpha _{c2}} = {\rm{ \mathsf{ π} }}-2\varepsilon-\beta-{\rm{arcsin}}\left( {{\rm{cos}}\varepsilon \cdot{R_e}/\left| {{r_G}} \right|} \right) $$ (4)

      图  1  GNSS反射事件数学判据示意图

      Figure 1.  Illustration of Mathematical Criterion of GNSS-R Events

      GNSS-R镜面反射点的时空分布与GNSS卫星、LEO卫星轨道参数和GNSS下视天线的视场范围相关。发生GNSS反射事件的数学判据可归纳为:①GNSS卫星在LEO卫星的可视范围内,即LEO卫星不在GNSS信号地球阴影里;②该GNSS卫星地面反射信号可被下视天线接收。

      判据①和②的数学表达式分别为:ααc1ααc2

    • GNSS反射事件模拟分析过程主要包括:①判断GNSS卫星对上视天线的可视性;②判断镜面反射点对下视天线的可视性;③估算镜面反射点发生时间和位置;④统计分析GNSS反射事件数量和时空分布。

    • 在模拟分析中,由于全球导航系统星座卫星数不断减少和补充,采用4大GNSS系统的标称全星座构型,分别用BDS(35颗)、GPS(24颗)、Galileo(30颗)、GLONASS(24颗)和4系统耦合(113颗)来模拟GNSS空间星座,作为GNSS-R的信号源。4大GNSS系统均能实现全球覆盖,且其卫星运行周期在11~13 h之间,GNSS反射事件数量和分布情况日差异很小,对单颗LEO卫星一天的GNSS反射事件进行分析便可得到具有统计规律性的结论。LEO卫星轨道高度、轨道倾角和GNSS-R接收机下视天线视场角(用HPBW表示)值见表 1。3个LEO卫星参数的设定值可组合为3×2×4=24种单颗LEO卫星场景。

      表 1  LEO卫星主要参数

      Table 1.  Key Parameters of LEO Satellite

      轨道高度/km 轨道倾角/(°) HPBW/(°)
      500 30 ±10
      800 90 ±20
      1 500 ±30
      ±40
    • 分别对24种单颗LEO卫星场景的GNSS-R镜面反射点进行了仿真分析。图 2给出了LEO卫星轨道高度为800 km,轨道倾角分别为30°(图 2(a))和90°(图 2(b))时,LEO卫星星下点轨迹(红)、BDS(蓝)、GPS(黄)、Galileo(黑)和GLONASS(绿)及各自镜面反射点全球分布情况。

      图  2  LEO卫星星下点轨迹及GNSS-R镜面反射点分布

      Figure 2.  Distributions of LEO Satellite Nadir Trajectories and GNSS-R Specular Refraction Points

      图 3图 4给出了LEO卫星轨道倾角分别为30°和90°时各12种LEO卫星场景、4系统耦合的GNSS-R镜面反射点覆盖情况。以1°×1°经纬度的网格对全球地表进行划分,褐色表示有镜面反射点的网格即覆盖区域,蓝色表示未覆盖区域。LEO卫星轨道倾角为30°时、±30°纬度带的覆盖率和轨道倾角为90°时、全球覆盖率统计结果见表 2

      图  3  LEO卫星轨道倾角为30°时反射事件对±30°纬度带的覆盖率

      Figure 3.  GNSS-R Specular Refraction Point ±30° Latitude Coverage when LEO Orbit Inclination is 30°

      图  4  LEO卫星轨道倾角为90°时反射事件全球覆盖率

      Figure 4.  GNSS-R Specular Refraction Point Global Coverage when LEO Orbit Inclination is 90°

      表 2  不同LEO卫星轨道高度、轨道倾角和下视天线视场角时,GNSS反射事件覆盖率统计

      Table 2.  GNSS-R Event Coverage due to Different LEO Orbit Heights, Inclinations and HPBWs

      HPBW 轨道倾角30°、±30°纬度带覆盖率/% 轨道倾角90°、全球覆盖率/%
      卫星高度/km 卫星高度/km
      500 800 1500 500 800 1500
      ±10° 26.55 29.39 33.60 8.39 9.34 10.73
      ±20° 59.01 65.32 76.67 22.88 28.28 37.77
      ±30° 80.04 89.02 95.67 46.73 62.44 76.92
      ±40° 91.38 97.47 99.61 66.91 86.16 95.06

      图 2~4表 2可以看出,单颗LEO卫星单日GNSS-R镜面反射点数量及其地表覆盖率随LEO卫星轨道高度和下视天线视场范围增大而增加;随轨道倾角增大,GNSS-R镜面反射点自赤道地区向两极地区铺开。

    • 同时发生反射事件的GNSS卫星数由LEO卫星轨道参数和下视天线视场决定。每颗GNSS卫星的反射信号均需要一个GNSS-R接收机通道来接收。要实现GNSS反射事件数量最大化,GNSS-R接收机通道数须不少于同时发生反射事件的GNSS卫星数。然而,GNSS-R接收机通道数越多越难以实现,成本也越高。统计同时发生反射事件的GNSS卫星数的最大值和数学期望,对优化GNSS-R接收机通道数和GNSS-R的探测能力具有重大意义。

      用不同的LEO卫星轨道高度、轨道倾角、下视天线视场范围,分别模拟分析了同时发生反射事件的GNSS卫星数。图 5统计了LEO卫星轨道高度为800 km,轨道倾角为90°,下视天线视场角分别为±10°、±20°、±30°和±40°时,同时存在镜面反射点数。图 5中,从上到下各直方图分别描述了在同一时刻BDS、GPS、Galileo、GLONASS和4系统耦合各自同时发生反射事件的GNSS卫星数。

      图  5  同时发生反射事件的GNSS卫星数统计

      Figure 5.  Number of Simultaneous GNSS-R Events Statistics

      表 3给出了不同模拟条件下,同时存在镜面反射点数的平均值和最大值,为GNSS-R接收机通道数和下视天线视场大小优化设计提供参考。

      表 3  不同LEO卫星轨道高度、轨道倾角和下视天线视场角时,同时发生反射事件的GNSS卫星数统计

      Table 3.  Number of Simultaneous GNSS-R Events due to Different LEO Orbit Heights, Inclinations and HPBWs

      卫星高度/km HPBW 卫星数(平均值/最大值)/个
      轨道倾角90° 轨道倾角30°
      BDS GPS Galileo GLONASS GNSS BDS GPS Galileo GLONASS GNSS
      ±10° 0.18/4 0.17/3 0.17/1 0.13/1 0.65/5 0.22/4 0.18/2 0.18/1 0.12/1 0.69/4
      500 ±20° 0.74/5 0.67/3 0.69/3 0.57/2 2.67/9 1.00/6 0.76/4 0.75/3 0.48/2 2.99/9
      ±30° 1.79/9 1.61/5 1.66/4 1.40/4 6.46/15 2.64/9 1.81/6 1.95/4 1.13/3 7.54/17
      ±40° 3.65/10 3.20/7 3.40/6 2.80/6 13.0/23 4.75/11 3.64/7 3.52/6 2.35/4 14.2/23
      ±10° 0.21/4 0.21/2 0.20/1 0.16/1 0.78/6 0.27/4 0.23/2 0.21/2 0.13/3 0.86/4
      800 ±20° 0.91/6 0.83/3 0.83/3 0.69/2 3.26/10 1.22/6 0.91/3 0.91/3 0.57/3 3.62/11
      ±30° 2.21/9 2.00/5 2.04/4 1.81/4 8.05/17 3.29/10 2.31/6 2.394 1.40/4 9.41/20
      ±40° 4.60/12 4.18/7 4.25/6 3.41/6 16.4/27 5.64/12 4.42/8 4.23/6 2.95/5 17.2/28
      ±10° 0.29/4 0.28/3 0.28/2 0.23/2 1.08/7 0.40/4 0.30/3 0.30/2 0.19/2 1.21/5
      1 500 ±20° 1.34/7 1.18/4 1.23/4 1.02/3 4.77/12 1.85/8 1.34/5 1.37/4 0.85/3 5.42/14
      ±30° 3.50/10 3.16/6 3.28/6 2.74/6 12.6/22 4.70/10 3.60/7 3.45/6 2.30/4 14.0/23
      ±40° 7.37/15 7.11/11 6.80/9 5.37/9 26.6/39 8.09/16 6.64/11 6.27/9 4.55/7 25.5/35

      图 5表 3可以看出,单颗LEO卫星每秒内同时发生反射事件的GNSS卫星数(即GNSS-R接收机所需通道数)的平均值和最大值随LEO卫星轨道高度和下视天线视场范围增大而增加;轨道倾角变化对同时发生反射事件的GNSS卫星数影响不大。

    • 基于星载GNSS反射事件数学判据,建立了GNSS-R镜面反射点模拟系统;分别用BDS、GPS、Galileo、GLONASS和4系统星座作为GNSS信号源,统计分析了LEO卫星轨道高度、轨道倾角和天线视场等参量对GNSS-R镜面反射点的数量和时空分布的影响。得出如下结论:①LEO卫星轨道越高, 反射事件越多,镜面反射点分布越稠密;②LEO卫星轨道倾角对GNSS-R镜面反射点的纬度分布影响显著,倾角越小, 镜面反射点越趋于赤道地区分布;③下视天线视场越大,有效的反射事件越多。

      通过统计同时发生反射事件的GNSS卫星数,分别估计了下视天线视场角为±10°、±20°、±30°和±40°时,BDS、GPS、Galileo、GLONASS和4系统耦合进行GNSS-R探测时,GNSS-R接收机所需要的通道数。同时发生反射事件的GNSS卫星数(GNSS-R接收机所需通道数)随LEO卫星轨道高度和下视天线视场范围增大而增加;轨道倾角变化对同时发生反射事件的GNSS卫星数量影响较小。研究结果对GNSS-R低轨卫星系统设计具有一定的理论参考价值。

参考文献 (12)

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