UK-DMC卫星接收机GNSS反射信号的应用分析

UK-DMC卫星接收机GNSS反射信号的应用分析

刘风玲，张云，孟婉婷，徐节龙，洪中华，韩彦岭

(上海海洋大学 信息学院，上海 201306)

摘要：GNSS反射信号(GNSS-R)遥感技术作为一种新型的遥感手段已经逐步发展起来。UK-DMC卫星接收机接收到的GNSS反射信号数据，是目前较为完整的一套GNSS-R星载数据集。本文介绍了UK-DMC上卫星接收机用到的关键技术并对其接收到的原始数据进行了系统的分析。论文首先利用一维多普勒功率计算公式以及时延-多普勒公式获得对应的相关功率矩阵，然后通过对陆地、海面和冰面的反射信号数据处理，做出对应的波形。最后分析了3种不同反射面的相关功率波形，发现在不同反射面条件下，反射信号的相关功率呈现不同的规律。结果表明：低轨道卫星接收到的反射信号可以用于反演地球表面土壤湿度、冰面厚度、海面风场等物理参数信息，此次试验为GNSS-R星载实验的开展提供了一套较为穖和全面的支持。

关键词：GNSS-R；UK-DMC；土壤湿度；海面风场；海冰

doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.015

中图分类号：P228文献标识码：A

收稿日期：2013-11-05修订日期：2014-04-18

基金项目：国家自然科学基金(41371351)；公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206040)；自然科学基金项目重点基金(41120114001)。

作者简介：宾婵佳(1987～)，女，硕士研究生，研究方向为被动微波遥感应用研究。

Application Analysis of Airborne GNSS Reflected Data from

UK-DMC Satellite Receiver

LIU Feng-ling，ZHANG Yun，MENG Wan-ting，XU Jie-long，HONG Zhong-hua，HAN Yan-ling

(CollegeofInformationTechnology，ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306)

Abstract：As a new method of remote sensing，GNSS Reflection (GNSS-R) has developed rapidly.The reflected signal received by the receiver on the UK-DMC is a dataset of GNSS-R satellite research.This data is rare in this field.This paper introduces the key technologies used in the receiver and explains the data format of the raw data received.Firstly，it obtains the one-dimensional correlation power and two-dimensional correlation power taking use of the corresponding formula and gives out the figures in the different situations.It finds that the correlation power of different signals appear various laws.The results show that the reflected signals received from the low-orbit satellites can retrieve the physical parameters of the earth surface such as soil moisture，ice thickness，ocean wind，etc.This can provides a more comprehensive and systematic support for GNSS-R satellite experiments.

Key words：GNSS-R；UK-DMC；soil moisture；ocean wind；sea ice

1引言

GNSS-R(GNSS-Reflections)技术是自20世纪90年代以来逐渐发展起来的GNSS的一个新型分支，是国内外遥感探测和导航技术领域研究热点之一[1]。从电磁波传播基本理论来看，反射信号中携带着反射面的特性信息，即反射信号波形、极性特征、幅值、相位和频率等参量的变化都直接反映了反射面的物理特性。因此，可以利用反射信号的精确估计和接收处理实现对反射面物理特性的估计与反演[2]。

自1993年以来，国内外学者开展了导航反射信号的研究，其热点主要集中在海面测风、海面测高、海冰探测、海洋盐度、土壤湿度探测以及移动目标探测等方面。几个接近地面的试验(如机载、地基、船载等)已经完成，其结果已经成功地应用于海面风场、海面高度、土壤湿度测量、海冰探测等[3-7]。同时，反射信号接收机也是一个重要研究方向[8]。

UK-DMC是英国DMC国际成像公司发射的一颗高清光学成像卫星DMC-1，是“灾难监测星座”(DMC)的一部分。于2003年9月27日发射，2011年11月退役。搭载了遥感图像传感器、实验室设备——低轨道思科路由器、GNSS反射接收设备和水下电阻式推进系统。UK-DMC首次展示了在星际互联网上的应用[9]。

国外采用UK-DMC卫星接收机反射信号数据进行相关研究主要有以下几个方面：MatrinUnwin等介绍了UK-DMC上GNSS反射信号接收设备以及其参数信息[10]。Gleason等讨论了利用UK-DMC上GNSS反射信号接收机接收到的信号对积分时间、反射信号入射角对于GNSS信号时延-多普勒图的影响。数据分析的结果与现存的模型(光学基础)显示了一致性。这些结果表面利用低轨道GNSS系统反射信号是目前海洋遥感的一种可行性方案[11]。Gleason等对经过不同陆地地形的反射信号进行接收处理发现，当反射点越过密西比河时，信号有一个明显的峰值；经过沙漠接收到的反射信号比其他陆地地形要强，且其功率曲线趋向于镜面反射[12]。Clarizia等利用时延-多普勒图计算均方斜率(Mean Square Slopes)，其结果与国家浮标中心的实测数据相比，显示出良好的一致性。这是第一次利用完整的时延-多普勒图分析GNSS反射数据[13]。Li and Huang将空间整合的方法(SIA)利用到溢油监测上。利用UK-DMC卫星接收机观测到的海面溢油反射面接收到的信号。通过空间整合方法得到一个合理的近似值来进行散射系数的反演，将时延-多普勒域和空间域结合起来。结果显示，在允许的时间消耗下，SIA方法提高了散射系数反演的精度，但如果要达到一个较高的分辨率，则需要反射信号接收机有一个较高的采样频率[14]。同一年，Li and Huang提出了反演海面风速的方法。同样对UK-DMC卫星接收机上接收到的数据进行处理，利用了所有比门限值高的DDM点来最小二乘拟合，并得到了一个最优化的门限值[15]。以上各种研究并没有对不同反射面接收到的信号进行一个详细的对比介绍。而在我国，目前对于低轨道卫星反射信号的研究较少。

本文提出了一种利用UK-DMC上的GNSS反射信号接收机接收到的数据进行海面、冰面以及陆地的信息反演的方法。同时对UK-DMC的反射信号数据格式进行了详细的说明，并提取了不同反射面对应的反射信号的二维相关功率值，绘制了不同反射面下的相关功率波形，对比了不同条件下的波形特点。该方法可以对利用低轨道卫星反射信号进行海面高度、海面风场、海冰密度、海冰厚度、土壤湿度等参数提供一定的帮助。

2GNSS反射信号特征

在GNSS反射信号测量系统中，GNSS卫星与地球表面、反射信号接收机构成一个收发雷达结构。由于电场强度E、磁场强度和传播方向三者之间的关系是确定的，一般用电场强度的矢量端点在空间任意固定点上随时间变化所描述的轨迹来表示电磁波的极化[16]。

假设均匀平面波沿着z轴方向传播，电场强度和磁场强度均在垂直于z轴的平面内，令电场强度分解为两个相互正交的分量Ex和Ey，其频率和传播方向均相同。

Ex=Ex0cos(ωt+φx)

(1)

Ey=Ey0cos(ωt+φx)

(2)

E矢量端点的轨迹方程可以经由三角运算获得：

=sin2(φy-φx)

(3)

当满足条件Ex0=Ey0=E0时，矢量E端点的轨迹方程为

(4)

3UK-DMC卫星反射信号探测关键技术

3.1UK-DMC反射信号接收装置

表1中列出了搭载在UK-DMC卫星上的GNSS反射信号接收机的一些参数。此套接收设备使用了三副天线，每一副接收到的信号都可以通过3个GNSS L1前端混频到中频信号。采样到的中频信号既可以实时地在C/A码通道处理，也可以存储在一个IF(Intermediate Frequency)数据记录仪中。

表1　UK-DMC卫星装置的接收机参数

数据记录仪有128Mbytes的存储空间。UK-DMC卫星可以下载1GByte的图像，因此128Mbytes的反射数据很容易处理。采样过程中，GNSS接收机可以通过直射信号获取位置信息，包括接收机的位置、速度、时间、跟踪的卫星、伪随机码、多普勒频移，相位信息等。这些信息可以用来辅助捕获反射信号。

3.2微弱信号的探测技术

在一些陆地实验中，非常弱的信号可以通过长时间的相干积分进行信号重建。但是，与空间反射信号有关的模型和测量显示，由于卫星的速度和海面特征，即使经长时间(大于1ms)的相干积分，也无法获得信号。必须通过对微弱信号的非相干累加，经过几秒钟的非相干累加，才能恢复信号。这些额外的增益可以帮助恢复微弱信号，提高信号的信噪比[10]。

以1ms相干累加作为准基点，当增大相干累加时长时，等效于噪声带宽变窄，从而可以提高处理增益，即

Gc=10lgn

(5)

相比于直射信号，反射信号相干时间较短，此方法对于提高反射信号信噪比的作用有限。因而在实际应用中还需要增加天线增益，并通过提高非相干累加次数以进一步提高信噪比。

在相干累加之后，将其结果在进行非相干累加可以进一步提高处理增益。但是非相干累加存在平方损失，其损失值(单位为dB)可以表示为[17]：

(6)

其中，Dc(l)是检测概率和虚警概率的函数。

使用相干累加和非相干累加组合的方法后，信号处理的总增益可以表示为[17]：

G=10lgn+10lgm-L(m)

(7)

在测试嵌入卫星的这些设备时，需要提前测试以确定在星载高度需要通过非相干积分获得多少增益才能恢复信号。最后发现，当信号的相关功率低于正常捕获门限7dBs～8dBs时，信号仍然能被捕获到。处理增益的增加提高了信号被捕获的概率，同时也提高了整个实验的探测能力。

4UK-DMC实验数据的分析

UK-DMC最初开展实验的目的是来确认从低轨道卫星接收到的反射信号是否可用。因为此卫星采用的天线增益较低，并不能确切知道在此高度接收到的GNSS信号所包含的信息。经过陆地、冰面、海面三种反射面接收到的数据进行分析发现，从低轨道卫星接收到的反射信号是可以捕获的，并且能够作为GNSS-R土壤水分、风速反演、海面高度等模型验证的数据源。下面是本文从陆地、海面、冰面分析其反射信号特性的处理过程。

4.1UK-DMC原始信号集

表2是星载原始数据集合的中英文表达方式以及对应的参数单位。

4.2反射信号分析处理模型

对于反射信号主要有三个方面的处理，一是获取不同时间延迟下反射信号的原始功率；二是对反射通路数据进行去噪声处理，获得最大多普勒频移处最大功率值；三是提取反射信号二维功率相关值。

时延一维相关函数是指在某个特定的多普勒频移f0下，接收信号与本地伪码在不同时间延迟τ下的相关值[17]，即

×exp[2πj(fL+fR+f0)×(t0+t′)]dt′

(8)

从式(8)可以看出，反射信号相关值随时延的一维变化趋势，反映了反射面上特定的等多普勒区域内不同等延迟区的反射信号的分布情况。

(9)

对于二维功率相关值的提取需要按照式(10)来计算[16]：

×exp[2πj(fL+fR+f)

×(t0+t′)a(t0+t′)]dt′

(10)

时延-多普勒二维相关功率值可以用来描述反射信号在不同反射面单元的反射强度，其幅度的最大值可用于描述反射面的反射率；二维相关功率值的时间延迟可用于描述反射信号相对于直射信号的路径延迟关系；二维相关功率值的相位可用于描述反射信号自身的相干特性。这些物理参量对于利用GNSS反射信号进行遥感而言是至关重要的。获得二维相关值矩阵，是反射信号特征提取的关键问题。

按照上述3种不同处理方法，下面分别对陆地、海面、冰面的收集到的反射信号进行处理。

4.3陆地反射信号处理

此处采用的数据是2005年12月7日上午5点03分26秒开始收集的在北美Nebraska州Ormaha市附近上空的UK-DMC卫星上进行的双基GNSS实验记录的一组长20s的数据集。该数据集包含了天线覆盖范围内的两个卫星即GPS卫星PRN 15(南)和PRN 18(北)的反射点。

表2　星载卫星原始数据集合

表3　3种不同反射面一维多普勒图与二维时延-

4.4陆地反射信号处理

图1是陆地反射信号相关功率的原始功率输出，横轴代表码片数，纵轴代表相关功率。图2是去除噪声之后各频率处的最大相关功率值。图3是陆地反射信号时延-多普勒图，X轴为多普勒频率，Y轴为C/A码片长度，图中不同的颜色代表相关功率大小的不同。由图1和图3可以看出，反射信号功率的最大值是0.18dB，反射信号的平均功率为0.09dB。最大值处的多普勒频率是3600Hz，码片是573.1个。

图1　陆地反射信号原始相关功率的输出

图2　陆地反射信号除噪后的最大相关功率

图3　陆地反射信号二维时延-多普勒图

4.5冰面反射信号处理

此处采用的是2005年2月4日上午10点24分17秒开始收集的离开Alaska海岸线的UK-DMC卫星上的双基试验记录的一组共7s的数据，从美国海冰观测中心返回的数据显示该区域冰的厚度在30cm到70cm之间。

图4是冰面反射信号相关功率的原始功率输出，横轴代表码片数，纵轴代表相关功率。图5是去除噪声之后各频率处的最大相关功率值。图6是冰面反射信号时延-多普勒图，X轴为多普勒频率，Y轴为C/A码片个数，图中不同的颜色代表相关功率大小的不同。由图4和图6可以看出，反射信号功率的最大值为3.4dB，平均功率为0.13dB。最大值处的多普勒频率是9620Hz，码片是102.3个。

图4　冰面反射信号的原始相关功率输出

图5　冰面反射信号除噪后的最大相关功率

图6　冰面反射信号二维时延-多普勒图

4.6海面反射信号处理

此处采用的数据是2004年11月16日上午7点54分51秒开始收集的在南大洋的南极洲附近海面使用UK-DMC收集的共19s原始海洋数据，监测到当时该区域风速为3.9m/s，浪高为3.0m。

图7　海面反射信号的原始相关功率输出

图8　海面反射信号除噪后的最大相关功率

图9　海面反射信号二维时延-多普勒图

图7是海面反射信号相关功率的原始功率输出，横轴代表码片数，纵轴代表相关功率。图8是去除噪声之后各频率处的最大相关功率值。图9是海面反射信号时延多普勒图，X轴为多普勒频率，Y轴为C/A码片长度，图中不同的颜色代表相关功率大小的不同。由图8和图9可以看出，反射信号功率的最大值是0.32dB，反射信号的平均功率为0.20dB。最大值处的多普勒频率是10800Hz，码片是577.2个。

4.7数据处理结果分析

通过UK-DMC卫星对陆地、海冰和海水的反射信号的分析可以看出，利用星载设备遥感陆地、海冰和海水参数信息具有可行性。3种反射模型特点的对比分析如表3所示。

由表3可以看出，峰值的大小和后沿部分的陡峭度在陆地、海冰和海水的遥感图像中具有明显的不同。其中，海面的反射信号峰值较小，后沿的陡峭度最低，最后趋于平静，GNSS反射信号强度主要受到海水表面粗糙度的影响，而海水表面的粗糙度又受风速和风向的制约，风力越强，后沿陡峭度越高，同时闪烁区也越大；海冰的反射信号的峰值最高，后沿的陡峭度也最明显，基本呈现正态分布，说明冰面的粗糙度较少以至于产生了表面的相干反射，而不是通常观测到的粗糙表面散射；陆地的反射信号峰值最小，后沿陡峭度也极其明显，闪烁区也较大。

通过3种不同反射面的反射信号的比较发现，当GPS信号在粗糙面发生反射时，各个反射点的相位在接收机处以不可预知的方式叠加，以至在接收机处接收到的信号具有完全随机的相位。使得总接收功率在不同的频率波动。

5结束语

本文利用UK-DMC卫星接收机接收到的陆地、冰面、海面的反射信号进行了分析，证明了通过1ms相干积分，可以可靠地检测到卫星反射信号。通过对陆地、冰面和海面3种不同反射面接收到的反射信号进行二维相关值的提取、比较发现，海面的反射信号峰值较小，后沿的陡峭度最低；海冰的反射信号的峰值最高，后沿的陡峭度也最明显，基本呈现正态分布；陆地的反射信号峰值最小，后沿陡峭度也极其明显，闪烁区也较大。

GNSS-R技术的研究领域很多，主要集中在海面风场、海面测高、海冰探测、海洋盐度、陆地湿度和移动目标探测等方面。GNSS-R研究的最终目标是能够实现星载观测，结合高精度的卫星数据，GNSS-R技术可以提供一个对于海面、陆地、冰面的长期稳定的观测。但是真正实现星载之前，需要大量的关于验证星载可行性的试验和仿真分析，这也是现在亟需解决的。

致谢：本课题研究过程中得到了北京航空航天大学杨东凯教授、李伟强博士关于GNSS-R方面的悉心指导，在此表示感谢。

参考文献：

[1]符养，周兆明.GNSS-R 海洋遥感方法研究[J].武汉大学学报 (信息科学版)，2006，31(2)：128-132.

[2]MARTIN-NEIRA M，CAPARRINI M，FONT-ROSSELLOM J，et al.The PARIS concept：An experimental demonstration of sea surface altimetry using GPS reflected signals[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2001，39(1)：142-150.

[3]杨东凯，张益强，张其善，等.基于GPS散射信号的机载海面风场反演系统[J].Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2006，27(2)：310-313.

[4]俞雷，吴彦鸿，贾鑫.基于 GPS 反射信号测量的海洋测高方法研究[J].装备指挥技术学院学报，2005，16(3)：78-81.

[5]严颂华，龚健雅，张训械，等.GNSS-R 测量地表土壤湿度的地基实验[J].地球物理学报，2011，54(11)：2735-2744.

[6]王炎，杨东凯，胡国英，等.利用 GPS 反射信号遥感土地湿度变化趋势[J].全球定位系统，2009，34(5)：7-10.

[7]张云，郭建京，袁国良，等.基于 GNSS 反射信号的海冰检测的研究[J].全球定位系统，2013，38(2)：1-6.

[8]李伟强，杨东凯，李明里，等.面向遥感的 GNSS 反射信号接收处理系统及实验[J].武汉大学学报(信息科学版)，2011，36(10)：1204-1208.

[9]WIKIPEDIA.UK-DMC[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/UK-DMC，2013-12-16.

[10]UNWIN M J，GLEASON S，BRENNAN，M.The space GPS reflectometry experiment on the UK disaster monitoring constellation satellite[C].Proc.ION.2003：2656-2663.

[11]GLEASON S，ADJRAD M，UNWIN M.Sensing ocean，ice and land reflected signals from space：Results from the UK-DMC GPS reflectometry experiment[C].ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division，Long Beach，CA，September，2005：1679-1685.

[12]GLEASON S.Detecting bistatically reflected GPS signals from low earth orbit over land surfaces[C].Geoscience and Remote Sensing Symposium，2006.IGARSS 2006.IEEE International Conference on.IEEE，2006：3086-3089.

[13]CLARIZIA M P，GOMMENGINGER C P，GLEASON S T，et al.Analysis of GNSS-R delay-doppler maps from the UK-DMC satellite over the ocean[J].Geophysical Research Letters，2009，36(2)：L02608.

[14]LI C，HUANG W.Sea surface oil slick detection from GNSS-R delay-doppler maps using the spatial integration approach[C].Radar Conference (RADAR)，2013 IEEE.IEEE，2013：1-6.

[15]LI C，HUANG W.Sea surface wind retrieval from GNSS delay-doppler map using two-dimension least-squares fitting[C].OCEANS-Bergen，2013 MTS/IEEE.IEEE，2013：1-5.

[16]姜宇.工程电磁场与电磁波[M].武汉：华中科技大学出版社，2009：169-177.

[17]杨东凯，张其善.GNSS 反射信号处理基础与实践[M].北京：电子工业出版社，2012：81-95.

[18]GLEASON S，HODGART S，SUN Y，et al.Detection and processing of bistatically reflected GPS signals from low earth orbit for the purpose of ocean remote sensing[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2005，43(6)：1229-1241.

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