GNSS-IR解译地表环境参数研究进展及展望.pdf

DOI：10.12265/j.gnss.2023061GNSS-IR 解译地表环境参数研究进展及展望周昕1，张双成1,2，张勤1，刘奇1，马中民1，刘宁1(1.长安大学地质工程与测绘学院,西安 710054；2.地理信息工程国家重点实验室,西安 710054)摘要：全球卫星导航系统(GNSS)具有全天候、近实时、高精度的特点，可持续发射 L 波段信号，广泛应用于定位、导航和授时(PNT).随着 GNSS 研究与应用的不断深入，全球定位系统干涉反射(GNSS-IR)技术为地表参数探测提供了一种全新的手段.GNSS 无线电导航信号经不同地表介质(如土壤、积雪、水面等)反射后，被反射的 GNSS 多路径信号承载反射面的特性信息，通过对 GNSS 反射信号中振幅、相位和频率等参数的分析，可有效获取地表反射面的物理参数.GNSS-IR 作为当前 GNSS 和遥感领域的研究热点，取得了一些研究进展和成果.本文详细介绍了 GNSS-IR 原理和方法及该技术在土壤湿度、植被、积雪和水位等方面的应用进展，并在此基础上，提出 GNSS-IR 研究中存在的问题及发展方向.关键词：全球卫星导航系统(GNSS)；多路径效应；信噪比(SNR)；地表环境参数中图分类号：P227文献标志码：A文章编号：1008-9268（2023）03-0012-120引言全球卫星导航系统(GNSS)遥感是卫星导航技术与遥感技术不断融合发展起来的新的交叉学科，利用 GNSS 免费提供的覆盖全球、全天候、连续的波段的微波信号进行遥感探测.具体来说，即将 GNSS在导航定位中与信号传播相关的误差和经地球表面的反射信号转化成进行遥感探测感知环境的信号源，是一种全新的遥感手段.依据对 GNSS 卫星信号不同的应用方式，目前通常将 GNSS 遥感总体划分为两类，分别是 GNSS 折射信号遥感(GNSSRefractometry)和GNSS 反射信号遥感GNSS-R(GNSSReflectometry).GNSS 反射遥感技术是指利用卫星信号经过反射物的反射后，接收机接收的反射信号会因反射物(如水面、地面、建筑物与植被等)的不同而发生相应的改变，从中提炼出关于研究对象的大量信息.依据接收和处理反射信号方式的差异，GNSS-R技术测量模式可分为“多天线模式”与“单天线模式”1-2.多天线模式采用特制的接收机和两副天线分别接收直射信号与反射信号.接收机主要接收高仰角的 GNSS 反射信号，通过分析反射信号伪随机码的时间延迟和相关峰值功率及波形的变化，并结合电磁波散射理论，反演出地表的物理参数.其观测平台有星载、机载和地基模式.而单天线模式只基于常规的大地测量型接收机，因此观测平台仅为地基模式，它利用低仰角范围内 GNSS 信号信噪比(SNR)序列中的干涉振荡特性，便可完成对站点周围环境的监测，称为 GNSS 干涉遥感(GNSS-IR)技术.1996 年，国外学者 Axelrad 等3指出 SNR 观测值可以用来表示多径信号的频率和幅值.Bilich 等4发现 SNR 观测对多路径环境的变化很敏感.Larson等较早的研究了利用 SNR 估计多路径环境的原理与可行性，并于 2008 年创新性地提出了 GPS-IR 技术5，即利用常规大地测量型 GPS 接收机进行地表参数信息反演，进一步为 GNSS 遥感领域注入新的活力.现有的多项研究发现，GNSS-IR 技术在土壤湿度、植被生长、积雪深度和水位变化等地表环境参数监测方面表现良好，并取得了一系列具有重要价值的理论与应用成果.除了上述应用，Nievinski 等6开发了一个模拟器，允许用户模拟不同环境参数的反射特性，以更好地理解多径观测对环境变化的响应.Roesler 等7开收稿日期：2023-03-26资助项目：国家自然科学基金(42074041，42127802)；国家重点研发计划(2019YFC1509802)；地理信息工程国家重点实验室基金(SKLGIE2022-ZZ2-07)通信作者：张双成E-mail：第 48卷第3期全球定位系统Vol.48，No.32023年6月GNSS World of ChinaJune，2023发了 GNSS-IR 工具，实现 GNSS-IR 反射点轨迹和菲涅尔反射区的绘制、SNR 频率的计算、反射面高度的估算等功能.Larson8以更简单、更直观的 Web 应用程序的形式实现了 GNSS-IR 工具的功能.本文详细描述了 GNSS-IR 原理和方法及其最新应用进展，包括土壤湿度、植被监测、积雪深度、水位探测等，对 GNSS-IR 技术进行了全面概述.最后给出了将来 GNSS-IR 的应用前景和展望，包括 GNSS-IR技术的独特优势以及面临的挑战.1GNSS-IR 遥感原理与方法GNSS-IR 技术一般采用的是大地测量型接收机，主要接收右旋圆极化(RHCP)信号，接收机天线朝上.虽然该种接收机抑制了反射信号，但在低卫星高度角时，依然可以接收到反射信号，并与直射信号叠加在一起产生多路径效应，反射信号携带的地表特性信息体现在多路径中，因而，可以通过多路径信息反演地表反射面的物理特征.本章节将介绍 GNSS 多路径，以及与 SNR 的相互关系和 GNSS-IR 解译地表环境参数基本原理.1.1 GNSS 多路径和 SNR 特性分析GNSS 天线对来自卫星的直射信号敏感，但在GNSS 实际测量中，接收机天线并不能完全抑制反射信号，因此一部分经天线周围物体反射的卫星信号同样会到达天线并被接收机记录，两种信号的叠加改变了天线相位中心(APC)位置，导致观测值偏离真实值，产生所谓的“多路径误差”9.多路径误差的变化随接收机天线周围反射面的性质不同而异，很难控制，其会对 GNSS 测距码与载波相位观测值造成影响.因此，多路径效应误差是高精度定位中的重要误差源.在高精度定位的数据处理中，一般选择剔除低高度角数据，这样可减少多路径误差.GNSS 卫星发射的信号在接近地面时，特别是卫星高度角较低时，会与各种反射面发生反射，比如土壤、积雪和水面等，相较于直射信号反射信号会形成一个相位差，并且信号强度一般也会减少，具体表现在振幅上.因此，GNSS 接收机接收的信号实际是直射信号与反射信号的合成信号.由于经不同反射面所形成的反射信号分量不尽相同，反射信号中极大可能包含了反射面的一些物理特性，即反射信号可以在一定程度上反映测站周围的观测环境信息.图 1 是 GPS 卫星多路径误差时间序列以及其高度角.可以看出，伪距多路径误差的振荡幅度较大，可以达到数米；同时，随着高度角的变化，多路径也相应变化.低高度角的情况下，由于受观测环境等影响，多路径效应比较严重，出现剧烈的振荡；当高度角升高后，多路径对测量的影响迅速降低，并趋于稳定.这个特征为下面多路径与 SNR 关系的研究进而应用到 GNSS 反射测量技术中提供了基础.多路径/m高度角/()2.81.401.4845628000.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8历元图 1 测站多路径误差与高度角对比图SNR 是指接收的载波信号强度与噪声强度的比值，通常被用来衡量接收信号的质量好坏.在 RINEX文件中表示为 S1 和 S2 观测值数据，一般表示为C/N0，单位为 dB-Hz10.它主要受天线增益参数、接收机内部相关器状态、卫星到接收机的距离和多路径效应等因素影响.SNR 观测值被认为是直接信号和反射信号组合而成的干涉信号，如图 2 所示，呈现抛物线形式的曲线被认为是直射信号，而低高度角的高频振荡曲线是反射信号所致(虚线框中所示).不同于载波伪距中所包含的多路径信息难以全部提取，由GNSS 接收机中记录的 SNR 数据也受多路径影响，自可以对多径效应进行量化.SNR多项式拟合历元52SNR/dB-Hz5048464442403836341.52.02.53.03.54.04.5104图 2 PRN06 卫星信号的 SNR 变化图 1.2 GNSS-IR 解译地表环境参数基本原理由于反射信号含有的多路径信息直接影响 SNR，在高度角较高条件下，多路径影响较小，天线增益较第3期周昕，等：GNSS-IR 解译地表环境参数研究进展及展望13AdAm大，使得 SNR 提高；而在高度角较低的条件下，天线增益减小，同时由于多路径效应使得 SNR 下降严重，并且低高度角下 SNR 受多路径影响而震荡剧烈.GNSS-IR 技术通过低高度角下 SNR 的频谱分析来获取地表环境参数，如图 3 所示.h 为接收机 APC 到反射面的高度，即有效垂直反射高；E 为卫星高度角，为直射信号和土壤表面的夹角；为直射信号振幅；为反射信号振幅.经过裸土反射产生的SNR曲线EhAdAm增设雪层添加植被润湿土壤图 3 GNSS-IR 技术示意图Am=0AdSNR=AdSNR=Ac不存在多路径效应的情况下，即，此时，SNR 观测值为单一信号的幅度，即；当存在多路径效应的情况下，SNR 观测值变为所有信号矢量和的幅度，即.因此，在仅发生一次镜面反射的简化模型下，SNR 观测值可表示为SNR2A2c=A2d+A2m+2AdAmcos.(1)AdAmAc式中：、和分别为直射、反射和复合信号的幅度；为两信号的相位差，当卫星从测站上方经过时，反射几何和发生变化，从而引起 SNR 幅度的震荡.考虑到接收机天线增益和信号反射过程中的损耗，有：AdAm.(2)AdAm因此将 SNR 数据绘制成曲线图时，曲线的总体变化趋势是由直接信号决定的，即信号的整体趋势走向，如图 4(a)中的红色曲线所示.而反射信号则表现为伴随在直射信号中的局部周期性震荡中，而这是由低高度角多路径所致.我们常使用低阶多项式拟合实现两者的分离.(a)PRN07卫星SNR变化图(b)去趋势项的SNR残差序列SNR/dB-HzSNR观测值/VE/()SNR观测值直射信号50454035302501020304050607080403020100102030400.100.150.200.250.300.350.400.45sin E图 4 PRN07 卫星 SNR 及去趋势项后的 SNR 观测值去除直射信号后，得到低高度角的 SNR 残差序列，如图 4(b)所示.表征多路径水平的 SNR 可表示为SNRm=cos(4hsin E+).(3)t=sin E,f=2h式中：h 为有效垂直反射高；为载波波长；为相位.若记，则式(3)可简化为标准的余弦函数表达式：SNRm=Amcos(2ft+).(4)SNRmf对曲线进行 Lomb-Scargle 谱(LSP)分析得到多径反射信号的频率，然后利用非线性最小二乘求解出振幅与相位观测量.如图 3 所示，因 SNR 特征频率取决于 GNSS 天线到最高反射表面(例如，雪层顶部或裸露土壤顶部)的垂直距离，而振幅与相位主要取决于表面类型(植被和湿土)11，利用 GNSS 反射信号中的振幅、相位和频率等参数来实现对地表环境信息参数提取.2GNSS-IR 遥感研究进展1993 年，Martin-Neira12首次提出利用 GPS 反射信号建立测量海面高度系统 PARIS(PassiveReflec-tometryandInterometrySystem).Kavak 等13随后提出利用 GNSS 接收机单一的 RHCP 天线接收的反射信号与直射信号耦合在一起所产生的干涉现象，测量地面介电常数.经过 20 多年的发展，GNSS-IR 技术14全 球 定 位 系 统第48卷已在诸多领域取得了多项重大突破，主要集中在土壤湿度、植被、积雪深度和水位等参数的反演.2.1 土壤湿度土壤湿度作为陆地水循环和能量循环一个至关重要的变量，不仅能够影响净辐射能量转换为潜热和感热的分配比例来影响气象和气候14，还能够影响降水转变为渗透、径流以及蒸发蒸腾的比例15.全球气候观测系统已将土壤湿度确定为基本气候变量.因此，土壤水分的监测对天气预报和气候研究非常有价值16-17，对灌溉管理和洪水预测也很重要18.此外，土壤水分在污染物