GNSS反射信号在沙丘形状探测中的应用

赵 娜，曹新亮

(延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000)

0 引言

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的精确定位是人们集中精力研究的焦点。在精确定位研究中，把反射信号作为多径干扰加以抑制或剔除，以防止影响定位的精度。同时，也注意到要变害为利，把这种反射信号加以利用，便出现了全球卫星导航系统反射信号(GNSS-Reflections，GNSS-R)[1-2]遥感技术。

GNSS-R经历二十多年的发展，理论架构逐步完善，取得了许多成果[3-5]。GNSS-R技术利用经陆面、海面、目标反射面反射的全球导航卫星系统信号进行遥感测量，信号源稳定，无需发射设备，属于一种无源雷达模式[6-7]。利用GNSS-R技术已实现海面风场[8]、海冰厚度[9]、有效波高[10]、土壤湿度[11]、植被探测[12]和目标检测[13]等探测，在国内利用GNSS-R技术已经取得反射信号接收与处理方法，实现了海态地物测量和目标定位等方面的GNSS-R成果，但利用GNSS反射信号实现地形探测的应用研究较少。沙地作为一种特殊的土壤，对沙丘形状的测量，实际上就是对地形的测量。

本文利用GNSS-R地基观测法，提出了基于GNSS反射信号反演沙丘形状的方法。通过对卫星反射信号进行接收、处理，结果与全站仪工程测量地形图进行比较，验证此方法的正确性。

1 GNSS反射信号地形探测原理

GNSS-R遥感实际上是一种L波段微波遥感技术，导航卫星信号经探测目标反射后由右旋圆极化(Right Hand Circularly Polarized,RHCP)转变为左旋圆极化(Left Hand Circularly Polarized,LHCP)，利用配备在陆地、机载、卫星等设备载体上的探测装置对来自海洋或陆地反射的GNSS信号进行全天候接收和处理[14-15]。

地形探测系统由GNSS卫星、接收机和探测目标组成，如图1所示。一台接收机可以接收多颗导航卫星的反射信号，利用至少4颗GNSS卫星作为信号源，1个地面接收机接收卫星直射信号和反射信号，通过直射信号对自身定位解算，反射信号实现对反射面进行探测[16]。

图1 地形探测系统Fig.1 Terrain detection system

假设4个满足条件的导航卫星坐标分别为：T(XSi,YSi,ZSi)，i=1,2,3,4；目标反射点坐标为：S(Xo,Yo,Zo)；地面接收机坐标为：R(XR,YR,ZR)；以图1中1号导航卫星为例，反射信号相对直射信号到达接收机的路径差为：

(1)

同理，可列出其他3颗卫星路径差方程。最后联立4个方程即可解算目标反射点位置坐标S(Xo,Yo,Zo)。

由于导航卫星信号是从位于2万多千米高空发射至地面的电磁波，可认为平面波平行入射到地面[17]。GNSS-R实现地形探测示意如图2所示。图中点R′是接收机位置点R关于反射面的镜像点；点O为2段信号的垂足点。其中一路直射信号在R点被右旋圆极化天线接收；另一路直射信号经山坡S点反射后，在R点被左旋圆极化天线接收，相对直射信号多进行一段为OR′长度的路径。对应存在时间延迟δτ，根据GNSS卫星、接收机与反射点的位置关系，经反射点S反射信号相对直达信号的路径延迟为：

τ=2·d·sinθ，

(2)

式中，d为接收机到反射面的垂直距离；θ为GNSS直射信号入射角。

图2 地形探测示意Fig.2 Terrain detection

以北斗信号为例，反射信号相对直射信号的路径延迟对应信号处理回路中码相位延迟，码片延迟为：

τ0·T/NT=τ/c，

(3)

式中，τ0为反射信号相对直射信号的码片延迟个数；c为电磁波传播速率；T为导航信号码周期；NT一个周期的码片数为2 046。通过对2个信号环路中码相位跟踪，得到延迟码片，即可求解路径延迟τ。

设直射信号为ri(t)，本地信号为ui(t)，则直射信号相关功率为：

(4)

式中，ξ为码延迟偏移量。当ξ=ξ1时，直达信号相关功率最大。

接收反射信号相关功率为：

(5)

直射信号与反射信号的相关功率波形与码延迟ξ1和路径延迟τ的对应关系如图3所示。当ξ=ξ1+τ时，反射信号相关功率最大，所对应的码片延迟即为所求。

图3 直射信号和反射信号路径差示意Fig.3 Path difference between direct signal and reflected signal

2 GNSS反射信号地形探测系统

2.1 硬件架构

中频信号采集器通过直射天线和反射天线同时接收2通道信号，通过下变频得到中频信号，将转换后的数字信号传输至上位机，进而利用软件程序进行事后处理。

2.1.1 中频信号采集器

实验采用的中频信号采集器是由常州市莱特信息科技有限公司研发的多天线卫星中频信号采样器(LT-C-002)。详细参数说明如表1所示。

表1 (LT-C-002)详细参数说明Tab.1 (LT-C-002) Detailed parameter description 单位：MHz

2.1.2 接收天线

实验采用的直射天线是由常州市莱特信息科技有限公司研发的GNSS高精度卫星右旋圆极化天线，可同时接收GPS和北斗频段的信号，具有高增益、良好的低仰角增益、广角圆极化和稳定的相位中心等特点，适用于双系统、高精度测绘领域；反射信号接收采用左旋圆极化天线，详细监测参数如表2所示。

表2 天线可检测信号参数Tab.2 Antenna detectable signal parameters

2.2 软件架构

2.2.1 GNSS卫星中频信号采样器V2.0软件

利用多通道卫星中频信号采样器进行直射与反射信号同时采样，以便事后借助其配套软件——GNSS卫星中频信号采样器V2.0，对接收机接收到的信号进行处理与数据传输。软件界面如图4所示，通过加载文件路径，设置数据长度，可以把采集到的数据传输到上位机。

图4 中频信号采样器Fig.4 IF signal sampler

2.2.2 反射信号处理算法

由于反射信号经障碍物反射会出现强烈衰减，如果信号过于微弱，还可以借助信号转发/增强器实现放大，进行相干累加以提高反射信号信噪比。过长的相干累加会造成信噪比下降，需要结合非相干累加提高反射信号信噪比[18]：

(6)

(7)

式中，Q1为第kms输出的原始二维相关值；Q2为累加为TCOHms的相干累加结果；Q3为非相干累加后的二维相关功率。

3 GNSS反射信号地形探测实验

3.1 实验方案

实验所测坡面为含沙丰富、表面较为光滑的背风沙坡，实验环境如图5所示。地基探测是较适合的手段，相比机载探测地表形态而言，应用地基探测反射区面积小，可以克服机载实验带来的反射区面积大、反射区内形态复杂的因素，有利于提高反演精度。

图5 观测环境示意Fig.5 Observation environment

本实验观测模式为双天线模式。为了避免观测点频繁移动，天线组安装在位置较高处，且需要视野开扩，无遮挡，反射信号接收天线方位角调节灵活，固定天线杆的长度大于1.5 m为宜。通过中频信号采样器对直射信号与反射信号双通道同时采样。右旋圆极化天线面对上空接收导航卫星的直射信号，左旋圆极化天线面向测区接收反射信号，判断某一时刻直射、反射信号是否来源于同一星座的标准是卫星编号。在接收信号的同时，轻微调整天线角度，以获取不同反射面相关信息，最后生成数据文件。通过对直射通道进行事后处理获取载波和伪码相位，对反射通道码片信息进行处理求得路径延迟，解算镜面反射点位置。

3.2 实验结果

确定反射点的位置，需要接收机位置信息和卫星星座位置信息。使用上位机软件GNSS卫星导航信息解算系统，可解算获得接收机定位信息和导航卫星位置信息。本地接收机定位信息如图6所示。

图6 本地接收机位置Fig.6 Local receiver position

安置在已知点基准站上的GNSS接收机对4颗或4颗以上的卫星进行观测，可实现定位，求出基准站的测量坐标。卫星位置解算时会跟随误差产生，卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层延迟和对流层延迟均为公共误差[19]。对处于同一区域的接收机，基站将坐标改正数发送给用户站，用户站用接收到的坐标改正数对其坐标进行改正。由于本文针对地形进行探测，忽略数据传送时间引起用户位置的瞬时变化对定位精度的影响。

部分高度角在30°～60°范围内的BD2卫星信号导航电文解析结果如表3所示。选用信噪比大于35 dB的信号通道进行跟踪和分析。

表3 导航电文解析结果Tab.3 Result of navigation message analysis

以通道14，3号BD2卫星为例解算，卫星高度角为48.81°，北斗信号测距码码片长度为2 046，一个码片被采样8个点，采样频率16.368 MHz测距精度为：

(8)

式中，T为1 ms；c为电磁波传播速度。由直射信号和反射信号相关功率解算可得，反射信号在第3个码片功率达到最大值。可得实际路径τ′=3×λ=55 m，理论路径τ=2×d×sin48.81°=51.9 m。误差在允许范围，实际路径与理论路径较为吻合。即可根据此颗卫星的直射信号和反射信号信息解算出一个反射点，当接收到反射信号为直射信号中的2颗卫星产生时，可对反射面进行定位，同理解算出其他反射点的坐标，表4为部分反射点坐标信息，根据全部反射点数据描绘西坡反射面等高线示意,如图7所示。

表4 反射点位置坐标Tab.4 Coordinates of reflection point position

图7 西坡反射面等高线示意Fig.7 Contours of reflecting surface on the west slope

实验利用全站仪采集测区凹面坡43个点的坐标位置信息，来验证后续实验数据的准确性。表5为使用全站仪以附近建筑测量基准点为基准的部分位置坐标，图8为对全站仪数据处理后的二维等高线图，高程范围为1 103.5～1 110.5 m。

图8 二维等高线Fig.8 Two-dimensional contour map

表5 全站仪位置坐标Tab.5 Total station position coordinates

4 结束语

本文利用配置右旋圆极化天线和左旋圆极化天线的接收机，于2020年8月对含沙凹面坡开展地基地形探测实验。通过GNSS-R探测原理分析和对实验接收到的直射信号和反射信号跟踪和捕获，给出了采用软硬件结合的系统架构。把全站仪测绘图作为标准，用GNSS-R数据拟合出测区地形与全站仪工程测量对应地形相比较具有相似性，证明了使用GNSS卫星反射信号进行地形探测的可行性。需要说明的是：① 采用位置差分定位时难以确保基准站和用户站观测同一组卫星，系统的可靠性较差。② 接收机定位误差可造成解算求得反射点坐标与给定标准点位置信息产生偏差。③ 接收机定位信息越准确，通过反射点描绘的地形图就越接近全站仪工程测绘结果。④ 本次研究只对沙丘背风面进行了测试研究，对沙丘迎风面测试需要长距离移动接收设备，还有待于近地机载观测实验。