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使用BD-3 B2a反射信号测量水面高度

王冬伟 孙越强 王先毅 白伟华 夏俊明 杜起飞 蔡跃荣 孟祥广 吴春俊 刘成 乔颢 李福

王冬伟, 孙越强, 王先毅, 白伟华, 夏俊明, 杜起飞, 蔡跃荣, 孟祥广, 吴春俊, 刘成, 乔颢, 李福. 使用BD-3 B2a反射信号测量水面高度[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(11): 1878-1886. doi: 10.13203/j.whugis20200278
引用本文: 王冬伟, 孙越强, 王先毅, 白伟华, 夏俊明, 杜起飞, 蔡跃荣, 孟祥广, 吴春俊, 刘成, 乔颢, 李福. 使用BD-3 B2a反射信号测量水面高度[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(11): 1878-1886. doi: 10.13203/j.whugis20200278
WANG Dongwei, SUN Yueqiang, WANG Xianyi, BAI Weihua, XIA Junming, DU Qifei, CAI Yuerong, MENG Xiangguang, WU Chunjun, LIU Cheng, QIAO Hao, LI Fu. Water Surface Altimetry Using BD-3 B2a Reflected Signal[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(11): 1878-1886. doi: 10.13203/j.whugis20200278
Citation: WANG Dongwei, SUN Yueqiang, WANG Xianyi, BAI Weihua, XIA Junming, DU Qifei, CAI Yuerong, MENG Xiangguang, WU Chunjun, LIU Cheng, QIAO Hao, LI Fu. Water Surface Altimetry Using BD-3 B2a Reflected Signal[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(11): 1878-1886. doi: 10.13203/j.whugis20200278

使用BD-3 B2a反射信号测量水面高度

doi: 10.13203/j.whugis20200278
基金项目: 

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

国家自然科学基金 41405039

中国科学院科研装备研制项目 YZ201129

中科院青年创新促进会基金 2018180

详细信息
    作者简介:

    王冬伟,博士,高级工程师,主要从事GNSS遥感应用研究及接收机设计。wangdongwei@nssc.ac.cn

    通讯作者: 王先毅,博士,研究员。wxy@nssc.ac.cn
  • 中图分类号: P237

Water Surface Altimetry Using BD-3 B2a Reflected Signal

Funds: 

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 National Natural Science Foundation of China 41405039

the Scientific Research Project of the Chinese Academy of Sciences YZ201129

Youth Innovation Promotion Association, CAS 2018180

More Information
    Author Bio:

    WANG Dongwei, PhD, senior engineer, specializes in GNSS remote sensing application research and receiver design. E-mail:wangdongwei@nssc.ac.cn

    Corresponding author: WANG Xianyi, PhD, professor. E-mail: wxy@nssc.ac.cn
  • 摘要: B2a信号是北斗三号(BeiDou-3 satellite navigation system, BD-3)新增的高宽带信号,具备非常高的伪距测量精度,适合开展基于全球导航卫星系统反射信号(global navigation satellite system-reflectometry, GNSS-R)的水面高度测量。由于BD-3近两年才开始为全球提供服务,基于BD-3反射信号的研究较少。中国科学院国家空间科学中心研发了具备自主知识产权的GNSS-R接收机,接收机专门增加了BD-3 B2a的捕获跟踪功能,可以对直射和反射B2a信号同时进行捕获和跟踪。接收机同时具备了交叉定标功能,能够有效消除由电缆和接收机通道间差异引起的系统偏差。在中国北京市怀柔开展的岸基实验过程中,累计获取了BD-3 B2a、北斗二号(BeiDou-2 satellite navigation system, BD-2)B1I和全球定位系统(global positioning system, GPS)L1C/A反射信号的相关波形数据,成功反演了水面高度并进行了系统偏差消除。数据处理结果表明,基于BD-3 B2a的水面高度在30 s非相干积分时间条件下反演精度达到了5.9 cm,比BD-2 B1I的高度测量精度提高了13 cm,比GPS L1C/A信号的高度测量精度提高了20 cm。
  • 图  1  GNSS-R高度测量原理

    Figure  1.  GNSS-R Altimetry Theory

    图  2  自相关仿真波形

    Figure  2.  Auto Correlation Waveforms Simulation Results

    图  3  BD-2和BD-3系统频段分布

    Figure  3.  BD-2 and BD-3 Frequency Band Distribution

    图  4  GNSS-R接收机原理框图

    Figure  4.  Diagram of GNSS-R Receiver Block

    图  5  不同射频开关状态下信号延迟

    Figure  5.  Signal Delay with Different Reflectometry Frequency Switch State

    图  6  岸基实验现场安装图

    Figure  6.  Experiment Site Installation Diagram

    图  7  接收机接收到的相关波形对比

    Figure  7.  Different Signal Correlation Waveforms Comparison

    图  8  直射与反射信号相关结果及信号延迟

    Figure  8.  Correlation Waveforms and Delay of Direct and Reflected Signals

    图  9  高度反演结果

    Figure  9.  Retrieval Height Results

    表  1  B2a测距码参数

    Table  1.   Characteristics of B2a Ranging Codes

    调制信号 主码码长(码片数) 主码周期长度/ms 子码类型 子码码长(码片数) 子码周期长度/ms
    B2a数据分量 10 230 1 固定码 5 5
    B2a导频分量 10 230 1 Weil码截短 100 100
    下载: 导出CSV

    表  2  反演结果分析

    Table  2.   Analysis of Retrieval Height Results

    信号类型 2019-09-27
    时间段
    卫星号 数据长度/s 非相干时间/s 开关直通偏差/cm 开关交叉偏差/cm 校准后偏差/cm 测量精度/cm
    L1 C/A 09:14—09:22 17 600 30 52.7 -160.8 6.6 26.1
    B1I 16:47—16:55 13 600 30 131.5 -228.6 8.6 19.1
    B2a 10:37—10:45 27 600 30 184.6 -104.2 9.3 5.9
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-26
  • 刊出日期:  2022-11-05

使用BD-3 B2a反射信号测量水面高度

doi: 10.13203/j.whugis20200278
    基金项目:

    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

    国家自然科学基金 41405039

    中国科学院科研装备研制项目 YZ201129

    中科院青年创新促进会基金 2018180

    作者简介:

    王冬伟,博士,高级工程师,主要从事GNSS遥感应用研究及接收机设计。wangdongwei@nssc.ac.cn

    通讯作者: 王先毅,博士,研究员。wxy@nssc.ac.cn
  • 中图分类号: P237

摘要: B2a信号是北斗三号(BeiDou-3 satellite navigation system, BD-3)新增的高宽带信号,具备非常高的伪距测量精度,适合开展基于全球导航卫星系统反射信号(global navigation satellite system-reflectometry, GNSS-R)的水面高度测量。由于BD-3近两年才开始为全球提供服务,基于BD-3反射信号的研究较少。中国科学院国家空间科学中心研发了具备自主知识产权的GNSS-R接收机,接收机专门增加了BD-3 B2a的捕获跟踪功能,可以对直射和反射B2a信号同时进行捕获和跟踪。接收机同时具备了交叉定标功能,能够有效消除由电缆和接收机通道间差异引起的系统偏差。在中国北京市怀柔开展的岸基实验过程中,累计获取了BD-3 B2a、北斗二号(BeiDou-2 satellite navigation system, BD-2)B1I和全球定位系统(global positioning system, GPS)L1C/A反射信号的相关波形数据,成功反演了水面高度并进行了系统偏差消除。数据处理结果表明,基于BD-3 B2a的水面高度在30 s非相干积分时间条件下反演精度达到了5.9 cm,比BD-2 B1I的高度测量精度提高了13 cm,比GPS L1C/A信号的高度测量精度提高了20 cm。

English Abstract

王冬伟, 孙越强, 王先毅, 白伟华, 夏俊明, 杜起飞, 蔡跃荣, 孟祥广, 吴春俊, 刘成, 乔颢, 李福. 使用BD-3 B2a反射信号测量水面高度[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(11): 1878-1886. doi: 10.13203/j.whugis20200278
引用本文: 王冬伟, 孙越强, 王先毅, 白伟华, 夏俊明, 杜起飞, 蔡跃荣, 孟祥广, 吴春俊, 刘成, 乔颢, 李福. 使用BD-3 B2a反射信号测量水面高度[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2022, 47(11): 1878-1886. doi: 10.13203/j.whugis20200278
WANG Dongwei, SUN Yueqiang, WANG Xianyi, BAI Weihua, XIA Junming, DU Qifei, CAI Yuerong, MENG Xiangguang, WU Chunjun, LIU Cheng, QIAO Hao, LI Fu. Water Surface Altimetry Using BD-3 B2a Reflected Signal[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(11): 1878-1886. doi: 10.13203/j.whugis20200278
Citation: WANG Dongwei, SUN Yueqiang, WANG Xianyi, BAI Weihua, XIA Junming, DU Qifei, CAI Yuerong, MENG Xiangguang, WU Chunjun, LIU Cheng, QIAO Hao, LI Fu. Water Surface Altimetry Using BD-3 B2a Reflected Signal[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(11): 1878-1886. doi: 10.13203/j.whugis20200278
  • 全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)可以为地球表面或近地空间的用户提供全天候位置信息和时间信息。目前常见的GNSS系统包括美国的全球定位系统(global positioning system,GPS)、中国的北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)、俄罗斯的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GLONASS)和欧洲的伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system,Galileo)。随着GNSS的不断发展,GNSS应用也在不断扩展。科学家发现被海洋表面、土壤、海冰反射的GNSS信号(GNSS- reflectometry,GNSS-R)可以被接收机接收,从而衍生出基于GNSS-R的海面风场[1-2]、海面粗糙度[3]、海冰厚度[4]、土壤湿度[5-6]等参数的遥感探测。1993年,欧洲空间局(European Space Agency,ESA)首次提出利用GNSS-R进行中尺度海面高度测量[7-8],扩展了GNSS-R的应用。与经典的雷达测高技术[9]相比,GNSS-R测高技术具有全天候、低功耗、小型化、高空间分辨率等优点。

    在GNSS反射遥感项目方面,英国的技术演示卫星(technology demonstration satellite-1,TDS-1)[10]和美国的旋风全球导航卫星系统(cyclone global navigation satellite system,CYGNSS)星座[11]已经成功实现全球海面风场观测,中国即将发射的风云3号E气象卫星上的掩星探测仪同时兼容接收GNSS-R,实现全球风场观测[12]。在GNSS-R测高应用方面,ESA的国际空间站上的GNSS反射测量、无线电掩星和散射测量(GNSS reflectometry,radio occultation,and scatterometry onboard the International Space Station,GEROS-ISS)[13]项目首次计划并实施了星载海面高度观测,对应的GNSS-R接收机已于2020年安装在空间站上,实现实时的全球海面高度观测。文献[14-15]使用GPS L1 C/A信号进行了机载水面高度测量实验,取得了较好的高度测量结果。文献[16]使用GPS L1P信号结合长非相干积分时间获取实现了5 cm的测量精度。文献[17]首次利用星载的GPS反射信号进行了海面高度反演。文献[18]在厦门通过岸基实验成功反演了海面波高。文献[19]对GPS L1C/A码和Galileo E1码在测高精度上进行了对比分析。文献[20]对比了GPS L1 C/A信号和L5信号在高度测量精度上的区别。文献[21]对影响星载GNSS-R测高的误差进行了细致的分析。文献[22]使用北斗二号(BeiDou-2 satellite navigation system,BD-2)地球静止轨道卫星(geostationary orbit,GEO)信号进行了海面高度测量。目前,GNSS-R测高应用所使用的信号主要是GPS L1 C/A和Galileo E1信号,有关北斗三号(BeiDou-3 satellite navigation system,BD-3)信号在GNSS-R测高方面的应用的研究相对较少。

    随着BD-3系统卫星数量逐渐增多、系统稳定性逐渐增强,BD-3卫星信号在GNSS测高及其他遥感应用上将会成为主流信号。本文首次将BD-3 B2a信号应用于水面高度测量,分析BD-3 B2a信号组成并设计实现了一款兼容B2a信号的GNSS反射接收机,接收机使用了一种双通道卫星跟踪技术,结合交叉校准方法,使得GNSS水面高度的系统误差得到有效消除。接收机还使用了一种信号辅助技术,解决了由于较长的B2a码长(一个主码周期内拥有10 230码片)导致捕获速度慢的难题,实现了B2a反射信号的快速捕获。岸基实验首次接收到了BD-3 B2a反射信号的相关波形,并成功反演出水面高度,将其与BD-2 B1I和GPS L1 C/A反演出的水面高度进行了对比。

    • 当L波段的GNSS信号到达水面后,会被水面反射,被反射后的GNSS信号极性由右旋圆极化变为左旋圆极化,同时信号的幅值和相位均发生变化[23]。接收机处于水面上方H处并配置两幅天线:一幅为朝天顶方向的右旋圆极化天线,用于接收直射信号;另一幅是朝下的左旋圆极化天线,用于接收GNSS反射信号。接收机捕获信号并且估算反射相对直射信号的路径延迟,再通过直射和反射信号的几何关系反演接收机相对水面的高度,如图 1所示。

      图  1  GNSS-R高度测量原理

      Figure 1.  GNSS-R Altimetry Theory

      图 1中,T为GNSS发射卫星,R为接收机,H为接收机距离水面的高度,P点为镜面反射点,$ \theta $为卫星的高度角,QR点在TP线上的投影点。由于接收机距离水面的距离远远小于信号传播至接收机的距离,因此,到达接收机的直射信号与到达镜面反射点的直射信号被认为完全平行,反射信号比直射信号多经过的距离为$ {S}_{{R}^{{{'}}}} $。因此,有关系式:

      $$ H=\frac{{S}_{{R}^{{{'}}}}}{2\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta }=\frac{c\mathrm{\Delta }t}{2\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta } $$ (1)

      式中,c为光速;$ \mathrm{\Delta }t $为反射信号相对直射信号的路径延迟。如果接收机可以准确估算出$ \mathrm{\Delta }t $,通过式(1)即可获取接收机相对水面的高度。$ \mathrm{\Delta }t $的估算精度直接影响了水面高度测量精度。

      通常GNSS-R接收机使用本地再生伪码与输入信号相关来获取反射信号,通过分析相关波形峰值点位置来反演反射信号的路径延迟。根据伪随机信号自相关理论,码速率越高,互相关波形越陡峭。图 2为不同GNSS信号的自相关波形仿真。仿真结果表明,BD-3 B2a信号的带宽为20 MHz,自相关波形最为陡峭;GPS L1 C/A带宽为2 MHz,自相关曲线最为平缓;BD-2 B1I信号带宽为4 MHz,自相关曲线处于两条曲线中间。文献[8]给出了高度测量精度与相关曲线的关系:

      $$ \mathrm{\sigma }h=\frac{c}{2\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\varphi }\times \frac{{\bar{P}}_{Z, S}}{{\bar{P}{'}}_{Z, S}}\times \frac{1}{\sqrt{N}}\sqrt{{(1+\frac{1}{S})}^{2}+{\left(\frac{1}{S}\right)}^{2}} $$ (2)

      图  2  自相关仿真波形

      Figure 2.  Auto Correlation Waveforms Simulation Results

      式中,$ \mathrm{\sigma }h $为测高误差;$ \varphi $为入射角;$ {\bar{P}{'}}_{Z, S} $为波形的一阶导数在跟踪点处的功率;$ \frac{{\bar{P}}_{Z, S}}{{\bar{P}{'}}_{Z, S}} $代表波形的倾斜因子;$ N $为非相干累加次数;S为相关波形信噪比。式(2)详细描述了高度测量精度与相关波形信噪比、非相干次数N和波形斜率的关系。相关波形的$ S $越大,则测高精度越高。非相干累加次数若增加$ N $倍,则高度测量精度变为原来的$ 1/\sqrt{N} $。因此,可以通过提高反射信号的信噪比和增加非相干累加次数来提高测量精度。式(2)中的$ {\bar{P}}_{Z, S}/{\bar{P}{'}}_{Z, S} $直接体现了相关波形形状和测量精度的关系,曲线越陡峭,则斜率越大,倾斜因子越小,测量精度越高。因此,相比BD-2 B1I和GPS L1 C/A信号,B2a更加适合水面高度测量,测量精度更高。

    • 随着GNSS应用的不断扩展,全球导航系统也在不断地升级和更新,尤其中国的北斗系统发展最为迅速,2019年已经基本形成了BD-3的全球组网。2020年6月,BD-3的组网卫星全部发射完毕。根据官方发布的BDS空间信号接口数据文件(interface control document,ICD),BD-3较BD-2新增了多个性能优越的码型,包括1 575.42 MHz频段的B1C码、1 207.14 MHz频段的B2b码和1 176.45 MHz频段的B2a码,BD-2和BD-3系统的频段分布见图 3

      图  3  BD-2和BD-3系统频段分布

      Figure 3.  BD-2 and BD-3 Frequency Band Distribution

      BD-2系统在1 561.098 MHz、1 268.52 MHz、1 207.14 MHz频段上分别调制了B1I码、B3I码和B2I码,其中B1I码和B2I码带宽为4 MHz,B3I码带宽为20 MHz。BD-3系统在原有频段的基础上新增了B1C码、B2b码和B2a码,B2a和B2b带宽均为20 MHz,属于二进制相移键控(binary phase shift keying,BPSK)调制,且官方公开了完整的B2b、B2a的调制方式、伪随机码及电文信息。BD-3新增的B2a和B2b信号带宽明显高于BD-2系统信号,会带来更加优越的伪距测量性能。本文选取了B2a码作为本文实验的接收码型。根据官方发布的ICD,B2a信号由数据分量和导频分量构成,分别调制在I支路和Q支路上,采用正交相移键控(quadrature phase shift keying,QPSK)(10)调制方式。数据分量由测距码和电文构成,导频分量只包含测距码,且测距码由主码和子码异或得到。表 1为数据分量和导频分量的主码和子码配置情况。

      表 1  B2a测距码参数

      Table 1.  Characteristics of B2a Ranging Codes

      调制信号 主码码长(码片数) 主码周期长度/ms 子码类型 子码码长(码片数) 子码周期长度/ms
      B2a数据分量 10 230 1 固定码 5 5
      B2a导频分量 10 230 1 Weil码截短 100 100

      表 1可知,B2a信号的数据分量和导频分量测距码速率均为10.23 Mb/s,导频分量的子码更长,且不含导航电文,更加适合长时间的非相干积分操作。因此,根据主码和子码生成规则,接收机可完整生成本地B2a导频分量的测距码,使之与输入信号进行相关来获取B2a信号,并进行导频分量的信号跟踪。

    • 为了获取BD-3 B2a信号,中国科学院国家空间科学中心(简称空间中心)自主设计并实现了一款兼容接收B2a信号的GNSS-R硬件接收机,接收机拥有3路射频通道、2路反射通道和1路定位通道,可同时支持两颗反射卫星信号的实时跟踪。接收机带宽为20 MHz,符合B2a信号的带宽要求。为了使采样后的B2a信号频谱不发生混叠,采样率应不小于2倍信号带宽(40 MHz)。信号采样率越大,码分辨率越大,伪距测量精度越高,然而更高的采样率给接收机的实现带来了困难,因此,权衡接收机与测量精度要求,最终采样率设置为80 MHz。接收机每路反射相关通道包含160级码延迟,每级码延迟间隔为1个采样时钟周期,以便拥有最低的码相关间距来提高测量精度。接收机同时拥有独立的导航定位模块,用于接收机自身位置确定和系统时间同步。接收机内部完成了直射和反射信号的相关、相干积分和非相干累加运算,最终以1 Hz速率输出1 s非相干累加后的相关波形用于后期的高度反演。

      为了实现B2a反射信号的快速捕获,接收机采用了一种辅助捕获方法,该方法首先进行了北斗B1I信号的捕获,因为B1I信号码长较短,可实现快速的反射信号捕获。捕获成功后的B1I码延迟和多普勒频率分别为$ {d}_{1} $和$ {f}_{1} $,因相同卫星的B1I与B2a信号的初始相位一致,则有:

      $$ {d}_{2}=\frac{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{m}({d}_{1}, 2\;046)}{2\;046}\times 10\;230 $$ (3)
      $$ {f}_{2}={f}_{1}\times \frac{{f}_{\mathrm{B}2\mathrm{a}}}{{f}_{\mathrm{B}1\mathrm{I}}} $$ (4)

      式中,rem为求余运算符;$ {f}_{\mathrm{B}1\mathrm{I}}=1\;561.098\;\mathrm{M}\mathrm{H}\mathrm{z} $;$ {f}_{\mathrm{B}2\mathrm{a}}=1\;176.45\;\mathrm{M}\mathrm{H}\mathrm{z} $;$ {d}_{2} $和$ {f}_{2} $分别为B2a的码延迟和多普勒频率。通过式(3)、式(4)获取了B2a捕获所需的输入信息,将这两个参数置入B2a码生成器中,即生成了与输入信号相位相近的本地复制码信号,即迅速获取了反射信号的相关波形。由于B2a信号的主码码长为B1I的5倍,根据信号捕获原理,若单独捕获B2a信号,会花费5倍时间于B1I信号的捕获,因此,B1I辅助B2a的方式可以将B2a反射信号的捕获速度提升5倍,大大缩减信号的捕获时间。

      为了减少接收机时钟误差对本地复制码生成带来的影响,接收机在设计上采用双反射通道共用相同码生成器的方式。反射通道1接收直射信号,反射通道2接收反射信号。由于本文更加关心反射相对直射信号的路径延迟,因此,通过两通道间的差值运算可以完全消除接收机时钟带来的系统偏差。GNSS-R接收机结构框见图 4

      图  4  GNSS-R接收机原理框图

      Figure 4.  Diagram of GNSS-R Receiver Block

      虽然通过共用相同码生成器的方式消除了部分系统误差,然而,由于接收机射频通道间差异以及实际实验过程中的电缆差异,使得估算的$ \mathrm{\Delta }t $中仍然包含这些因素所带来的系统偏差,应予以剔除。对此,本文采用了一种交叉校准的方案:在直射和反射天线的输出端增加了射频开关,定时切换开关的位置,使得反射和直射信号定时切换不同的路径,结合后期数据处理消除两个通道间由于不同的射频链路延时而造成的系统偏差,从而免除了繁琐的接收机通道延迟定标操作。图 5为射频开关分别处于直通和交叉状态下的信号延迟。

      图  5  不同射频开关状态下信号延迟

      Figure 5.  Signal Delay with Different Reflectometry Frequency Switch State

      信号到达直射天线和反射天线的时间分别为$ {t}_{d} $和$ {t}_{r} $,电缆B、射频单元B和电缆C、射频单元C造成的通道延迟分别$ {t}_{b} $和$ {t}_{c} $。射频开关直通情况下,反射通道1和2的相关波形测得的延迟分别为$ {\tau }_{a} $和$ {\tau }_{b} $。射频开关交叉情况下,反射通道1和2的相关波形测得的延迟分别为$ {\tau }_{a}^{{{'}}} $和$ {\tau }_{b}^{{{'}}} $,因此射频开关处于直通状态下有:

      $$ {t}_{r}-{t}_{d}+{t}_{c}-{t}_{b}={\tau }_{b}-{\tau }_{a} $$ (5)

      射频开关处于交叉状态时有:

      $$ {t}_{r}-{t}_{d}+{t}_{b}-{t}_{c}={\tau }_{a}^{{{'}}}-{\tau }_{b}^{{{'}}} $$ (6)

      式(5)与式(6)相加,则有:

      $$ \mathrm{\delta }t={t}_{r}-{t}_{d}=\frac{{\tau }_{b}-{\tau }_{a}+{\tau }_{a}^{{{'}}}-{\tau }_{b}^{{{'}}}}{2} $$ (7)

      式中,$ \mathrm{\delta }t $为天线输出端反射相对直射的信号延迟。如果忽略直射和反射天线之间的相位中心差,该值则正是所需要的反射相对直射的真实路径差。因此,只需测量射频开关直通和交叉情况下相关波形的延迟,即可根据式(7)获取真实反射相对直射信号的路径延迟信息。最终的高度测量结果变为:

      $$ H=\frac{\mathrm{\delta }tC}{2\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta }=\frac{C}{4\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta }({\tau }_{b}-{\tau }_{a}+{\tau }_{a}^{{{'}}}-{\tau }_{b}^{{{'}}})+{\tau }_{\varepsilon } $$ (8)

      式中,$ H $为最终测高结果;$ {\tau }_{\varepsilon } $为测量误差。§2.1已经分析了影响该误差的因素,并提出了减少该误差的方法。

    • 2019年9月26日—27日,空间中心在北京怀柔水库开展了2 d的岸基水面高度测试实验。现场安装情况见图 6

      图  6  岸基实验现场安装图

      Figure 6.  Experiment Site Installation Diagram

      实验使用3幅天线接收信号,导航天线安装于结构顶部,用来接收天顶GNSS卫星信号。高增益左旋圆极化天线面朝水面安装,用于获取被水面反射的GNSS信号。高增益右旋圆极化直射天线与反射天线背靠背安装,与导航天线安装朝向一致,用于接收直射信号。

      实验使用的接收机为空间中心自主研发的GNSS-R接收机,专门用于接收BD-3 B2a信号,同时兼容接收GPS L1信号和BD-2 B1I信号。

      天线和接收机均固定在平台上方的结构上,平台距离水面大约28 m。天线与接收机使用射频电缆按照图 5(a)交叉校准方式进行连接,直射信号经过电缆B和射频单元B到达接收机反射处理通道1,反射信号经过电缆C和射频单元C到达接收机反射处理通道2。射频开关安装于天线输出端口,并定时切换开关位置。根据§2的分析,这种方式可以有效消除电缆及通道偏差带来的系统误差。接收机通过网口将反射相关波形数据发送至计算机,计算机实时存储数据并显示。数据处理软件最终利用波形数据反演出水面高度。

      为了验证高度测量的准确性,需要一个准确的水面高度参考值。实验采取了差分定位方式获取水面高度作为参考。在水面和观测平台上均放置了商业接收机,实时记录平台和水面之间的高度,按照差分定位的方式解算平台与水面间的高度差,作为实验的水面高度参考。

    • 实验接收到了多组GNSS反射数据,包括BD-2 B1I和GPS L1 C/A信号,并且首次接收到了B2a反射信号。图 7绘制了接收机实际接收到的BD-3 B2a、BD-2 B1I和GPS L1 C/A反射信号相关结果。图 7中B2a信号拥有最窄的相关峰,L1 C/A拥有最宽的相关峰,与§2仿真分析结果一致。由于反射信号延迟于直射信号到达天线,实际相关峰较自相关函数的仿真结果向右偏移,偏移的大小取决于反射相对直射信号的路径延迟。

      图  7  接收机接收到的相关波形对比

      Figure 7.  Different Signal Correlation Waveforms Comparison

    • §2对比分析了BD-3 B2a相关波形的优势。为了验证B2a信号在高度测量方面的优越性,本文实验对接收到的多组GNSS-R进行了水面高度反演,包括BD-3 B2a信号、BD-2 B1I信号和GPS L1 C/A信号。图 8(a)8(c)8(e)绘制了GPS L1 C/A、BD-2 B1I和BD-3 B2a的直射与反射信号相关波形的位置关系。从直射和反射的波形形状可以看出,反射信号的相关峰值均比直射小,并且均比直射向右偏移了若干码片,这是由于GNSS信号经过水面反射后,不仅信号强度被部分削弱,信号相位也受到了延迟。

      图  8  直射与反射信号相关结果及信号延迟

      Figure 8.  Correlation Waveforms and Delay of Direct and Reflected Signals

      根据§2的高度精度分析结果,非相关积分时间越长,高度测量误差越小,为了获取良好的测量精度,本文实验对GPS L1 C/A、B1I和B2a信号均进行了30 s的非相干平均,见表 2

      表 2  反演结果分析

      Table 2.  Analysis of Retrieval Height Results

      信号类型 2019-09-27
      时间段
      卫星号 数据长度/s 非相干时间/s 开关直通偏差/cm 开关交叉偏差/cm 校准后偏差/cm 测量精度/cm
      L1 C/A 09:14—09:22 17 600 30 52.7 -160.8 6.6 26.1
      B1I 16:47—16:55 13 600 30 131.5 -228.6 8.6 19.1
      B2a 10:37—10:45 27 600 30 184.6 -104.2 9.3 5.9

      为了消除由电缆和通道差异引起的系统偏差,本文实验采用了交叉校准的方式,直射和反射天线输出端口配置了射频开关进行周期性交替切换,周期为1 s。接收机时间为偶数秒时,射频开关处于直通状态,此时直射信号通过电缆B和射频单元B到达相关器,反射信号通过电缆C和射频单元C到达相关器,见图 5(a)。接收机时间为奇数秒时,直射信号通过电缆C和射频单元C到达相关器,反射信号通过电缆B和射频单元B到达相关器,见图 5(b)。根据式(7),可以计算校准后的反射信号相对直射信号的路径延迟。图 8(b)8(d)8(f)绘制了开关处于不同状态下的L1 C/A、B1I和B2a直射和反射信号延迟。

      反射相对直射信号的延迟采用峰值半功率法进行估计。由于受到信号带宽的限制,相关波形无法形成尖锐的峰值点,利用峰值直接估计信号延迟误差较大,本文采取峰值半功率法首先计算半功率点所在波形位置,根据该位置重塑峰值位置,该位置更加真实地反映了反射相对直射的延迟信息。

      获取不同开关状态下的反射与直射信号的延迟后,根据式(8)可轻松计算校准后水面高度。图 9(a)9(c)9(e)分别绘制了射频开关处于直通和交叉两种状态下的反射和直射射频延迟差和修正后的延迟差,图 9(b)9(d)9(f)则对GPS L1 C/A、BD-2 B1I、BD-3 B2a信号校准前后的高度结果进行了对比。表 2汇总了GPS L1 C/A、BD-2 B1I和BD-3 B2a水面高度测量精度结果。测试结果表明:相同的时间段、相同非相干积分时间(30 s)情况下,BD-3 B2a信号拥有最高的测量精度,达到5.9 cm,比BD-2 B1I降低了13 cm,比GPS L1 C/A降低了20 cm,大大提升了水面高度测量精度。

      图  9  高度反演结果

      Figure 9.  Retrieval Height Results

      表 2同时说明了交叉校准方法可以有效地消除接收机的系统偏差,将校准前的米级的系统偏差缩小到10 cm以内,使得高度测量的系统偏差更小。系统偏差并没有完全消除的原因是直射和反射天线相位中心的差异,本文实验的射频开关处于天线后端,直射和反射天线相位中心不同引起的系统偏差无法得到消除。空间中心将会开展天线相位中心的定标研究工作,将天线相位中心的变化进行量化,以便在今后的测高系统中补偿该项偏差。

    • 随着BD-3系统全球组网的完成,基于BD-3系统的GNSS遥感应用变得非常迫切。BD-3系统新增的B2a信号拥有较宽的信号带宽和高码片速率,容易获取高的伪距测量精度。因此,在GNSS-R测高应用中,BD-3 B2a比BD-2 B1I码和GPS L1 C/A码具有更高的高度测量精度。本文首次使用空间中心自主研发的GNSS-R接收机接收到BD-3 B2a反射信号,并成功反演出水面高度,实验中采用的通道交叉校准方法较好地消除了由电缆和接收机通道间差异造成的系统偏差。对比BD-3 B2a、BD-2 B1I和GPS L1 C/A反演出的水面高度可知,B2a信号获取了最高的水面高度测量精度,相比BD B1I测量精度提高了13 cm,相比GPS L1 C/A精度提高了20 cm,为GNSS-R测高及北斗的应用拓展奠定基础。

参考文献 (23)

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