GNSS反射信号陆面遥感应用综述.pdf

DOI：10.12265/j.gnss.2023035GNSS 反射信号陆面遥感应用综述杨东凯，李杰(北京航空航天大学,北京 100191)摘要：全球卫星导航系统(GNSS)发展至今已有半个多世纪，不仅可以为用户提供导航、定位和授时(PNT)服务，还可用于地球遥感，其应用超乎想象.本文基于 GNSS 反射信号(GNSS-R)的应用，系统介绍了 GNSS-R 的基本概念和信号特征，重点针对陆面遥感应用进行了综述，并就未来可能的发展方向做出分析，可为 GNSS-R 的应用提供一个重要的参考.关键词：全球卫星导航系统(GNSS)；反射信号；陆地遥感；土壤湿度；植被含水量；雪深；水体识别；河流遥感中图分类号：P228.4文献标志码：A文章编号：1008-9268（2023）03-0003-090引言全球卫星导航系统(GNSS)发展至今已有半个多世纪，已被广泛应用于人民日常生活和生产实践中.GNSS 提供的强大定位、测速以及授时能力大大改善了生产效率，也提升了人们日常出行的效率和安全度，日益增长的位置服务需求则进一步推动了GNSS 的完善和发展.对于北斗卫星导航系统(BDS)，除定位、测速和授时外，其短报文功能还可以进行数据传输，在灾害救援紧急情况下是已有通信系统的备份和补充1.GNSS 的核心是将无线电发射机置于卫星平台上，GNSS 卫 星 轨 道 高 度 约 为 2000036000 km.对于地面或近地球表面的用户，接收到的无线电信号中除直射路径的信号外，也可能包含来自用户附近的地面或高楼大厦及其他目标的反射路径信号.早在20 世纪 80 年代有学者于海边开展定位实验，发现了海表面波浪、海风与接收机输出信号之间的相关性，提出了利用反射信号进行海面遥感的想法，GNSS 反射信号遥感由此应运而生2.1993 年欧空局 MartinManuel 教授发表的一篇文章系统论述了 GNSS 反射信号的应用3，之后该领域的研究便如雨后春笋般涌现出来，世界各地多家单位开展了地基、空基和星基试验，并专门开发特定的接收机进行应用测试，领域逐步拓展至海洋、气象、农业和环境探测等4-7.国内的研究最早始于科技部资助的 863 计划(2002AA639190)8，2003 年在北京航空航天大学电子信息工程学院导航团队(现为定位导航和遥感应用实验室，简称 PNaRL 实验室)的集中攻关下，成功研制了机载特定 GNSS 反射信号接收机，并于 2004 年在天津海域成功试飞.之后软硬件历经改版，飞行高度也由 3000m升至 5000m，并完成了大量地基、岸基应用试验，相关成果于 2012 年编辑成书，由国家科学技术专著出版基金资助，并由电子工业出版社出版9.文献 10-12 分别较为全面地介绍了国内 GNSS反射信号的发展概况.近年来国内相继有很多学者整理研究成果成书出版，其中较有代表性的有文献13-17.本文着重从 GNSS 反射信号概念、特点和对地观测应用的角度方面进行阐述.为了解 GNSS 反射信号模型、接收机处理方法、挖掘应用提供初始参考，并根据国内外研究热点方向和自身课题组的研究方向提出应用发展的一些思考.1GNSS 反射信号概念1.1GNSS 反射信号(GNSS-R)模型GNSS 在距离地表 200020000km 的中轨地球轨道(MEO)，或在 35786km 的地球同步轨道(GEO)发射右旋圆极化的电磁波，其载波频率为 L 波段(11001600MHz)，带宽有 2MHz、4MHz、20MHz和 50MHz 等，调制方式也有多种.搭载导航信号的电磁波经过地球表面反射后，电磁波的极化、幅值、收稿日期：2023-02-19通信作者：李杰E-mail：第 48卷第3期全球定位系统Vol.48，No.32023年6月GNSSWorldofChinaJune，2023频率和相位等 4 个特征参量会发生改变，且和直射信号有明显的差异.分析直射信号和反射信号的差异依赖于反射信号的数学描述和接收机反射区及导航卫星三者之间的几何关系.1.1.1发射信号数学表达式假设卫星导航发射至地球表面的载波信号为s(t)=Ad(t)c(t)cos(t+0).(1)Ad(t)c(t)0式中：为幅度；为导航电文；为扩频码；为载波中心频率；为初始相位.同样的，GNSS 接收机接收到的自地球表面的反射信号可写为r(t)=Ardr(t)cr(t)cos(rt+r0).(2)ArA式中：为接收机天线处反射信号的幅度，和相比增加了地球表面的吸收和自地面至接收机的自由空间衰减，可表示为Ar=fa(A,h,).(3)fah式中：为幅度函数；为接收机天线至地球反射表面的高度；为反射系数.r为反射信号至接收机天线处的频率，可建立如下的关系：r=f(,h,vr).(4)fvr式中：为频率函数；为接收机的速度.r00为反射信号至接收机天线处的初相位，与关系可表示为r0=f(0,h).(5)f式中，为相位函数.由式(3)(5)可知，接收机中用于接收反射信号的天线与反射面的垂直距离(高度)h 对幅度、频率和相位三者均有影响.dr(t)cr(t)因导航电文数据率较低，式(2)中的处理相对较为简单，此处不作详细讨论.对于的处理，其关系式和式(4)类似，为cr=fc(c,h,vr).(6)fc式中，为扩频码函数.1.1.2反射信号传播几何关系GNSS 信号以视距(LoS)可见路线自卫星传播至接收机.反射信号的反射面和接收机也要保持在可视空间内，确保接收到的反射信号中仅有特定反射面的物理状态信息.简化的 GNSS 反射信号几何关系如图 1 所示.Sat1RdRecRr1Rr2PSat2图1简化的 GNSS 反射信号几何关系RdRr1Rr2RdRr1Rr2图中，Sat1 和 Sat2 表示卫星导航，Rec 表示接收机，P 为地球表面任一反射点，为导航卫星至接收机的直线距离，为导航卫星至反射点的直线距离，为反射点至接收机的直线距离.显然，利用、和三者之间的几何关系即可由卫星导航位置、接收机位置确定反射点的位置.由于地球为椭球形，其表面并非平面，地球曲率的影响对 GNSS 反射信号几何关系的描述和求解要计入在内，尤其是对于星载情况，GNSS 接收机位于几百千米高度的低轨卫星上需重点考虑.另外，还需特别强调，若导航卫星相对反射点P 位于接收机 Rec 同侧(Sat2)，则收到的反射信号为后向信号；相对反射点 P 位于接收机异侧的导航卫星反射信号为前向信号.1.2GNSS-R 特点1.2.1极化反转特性卫星导航发射的信号极化特性为右旋圆极化，可分解为垂直和水平两个线极化分量.经地球表面反射后，部分电磁波的极化特性变为左旋圆极化，即GNSS 信号的极化特性变为椭圆极化，具体各分量的比例构成则和信号的入射角(或导航卫星的高度角)有关.图 2 为卫星高度角为 090时反射信号不同极化分量的反射系数模值示意图，反射系数越高表示其所占比例越大，其中反射面为平坦的土壤表面.1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.100102030405060708090反射系数模值卫星高度角/()右旋圆极化左旋圆极化图2不同极化分量反射系数模值随卫星高度角变化在具体的应用场景中，反射信号中左旋圆极化和右旋圆极化分量将呈现不同的比例，比例值和反射面4全 球 定 位 系 统第48卷的材质、含水量以及粗糙程度均有一定的关系.1.2.2幅度衰减特性PsPr假定导航卫星发射至地球表面的信号功率为，经过反射后接收机收到的功率为(包含接收机天线的增益)，则表面反射时的信号衰减以及反射后的路径传输衰减可等效为一个“黑盒”系统来分析，如图 3所示.PsPr功率衰减系统图3GNSS-R 信号的功率衰减模型PsPr由到的功率衰减系统传输函数可表示为fp=Pr/Ps.(7)PsPr式中：功率和卫星导航与反射面的距离有关；和反射面的介电特性、与接收机的距离以及天线增益有关.一般情况下，随着接收机与反射面的距离不同，需要配置的天线增益也不同，距离越远需要的天线增益越大.GNSS 信号的幅度随卫星高度角改变，一般用功率来衡量，即能量的时间平均效应用来表征信号幅度的变化特点.进一步由式(7)可得：fp=PsG/Ps=G.(8)式中：反映自反射面至接收机直线距离的信号衰减程度；为反射面的反射系数，反映其对 L 波段电磁波的衰减程度；G 为接收反射信号的天线增益.在图 3 所示模型中，参数包含了地球表面反射面的物理特性，是求解的核心.此处需要指出的是，GNSS-R应用是非合作的，故本文不对 GNSS-R 天线的增益作分析.1.2.3时间延迟特性GNSS-R 的另一个关键特性是时间延迟特性，这是除能量衰减的另一个最为直观、简单的观测量.作为基于测时测距的导航定位系统，GNSS-R 和直射信号之间的传播时间延迟量比较容易计算，不管是利用前向散射还是后向散射，测量时间延迟的几何关系均由图 4 实现.为方便分析和阐述，图 4 假设地球表面为平面，绘制前向散射的几何关系示意图，并标注各个距离量和观测角度.h图 4 中为地球表面镜面反射点处的卫星导航高度角.由于卫星导航离地球的距离远远大于镜面反射点和接收机间的距离，接收机天线和地面镜面反射点接收到的导航信号电磁波束可视为相互平行.假定接收机反射天线与实际发射面的垂直距离(高度)为，则有r1+r2d=2hsin.(9)Satdrr2Rec图4地球表面为平面情况下的前向散射几何关系示意图(r1+r2)d注意，图 4 中 GNSS-R 接收机的天线视为一个点，即直射天线和反射天线之间的间隔忽略.在实际工程应用中，直射和反射天线之间的间隔固定，可通过几何方法消除影响.式(9)中，为反射信号的传播距离，需要特定的开环接收处理方法求解18.直射信号的传播距离用传统的 GNSS 接收机处理方法即可获得.当 GNSS-R 接收机安装在低轨卫星上时，镜面反射点的计算要复杂一些19，地球模型也要考虑曲率的影响，但是其电磁波的传播时延获取方法和式(9)仍然类似，只是各个观测量需要重新界定.1.2.4干涉特性当来自相同发射源的两个波束以不同的传播距离到达同一点时会发生干涉现象，而干涉条纹的特征和两个波束的距离差有关.对于地基情况，当仅使用右旋圆极化的导航天线时，GNSS 直射信号到达接收机天线与经地面反射后再到达接收天线后在频率上几乎没有差别，则会产生干涉.GNSS 直射和反射信号或相互加强，或相互减弱，形成随卫星高度角变化的振荡.如图 5 所示为 GPS32 号卫星高度角变化时地面固定接收天线所收到的信号干涉效果示意图.44424038363432301012141618202224262830CNR/(dB-Hz)卫星高度角/()图5卫星导航信号干涉效果示意图图 5 中，横轴为卫星导航高度角，纵轴为载噪比(CNR)数据.很明显，CNR 数据呈现类似正弦函数的波形变化.从此波形中提取的频率、幅值或者相位信息则可用于求解地面物理特性，如土壤湿度；也可以第3期杨东凯，等：GNSS 反射信号陆面遥感应用综述5用于求解接收天线离地面的垂直高度，从而获得反射面的高度，也包括植被的高度、积雪深度等参量.在通用的 GNSS 接收机中，若满足一定的条件，则右旋圆极化天线收到的信号中必定包含附近地面反射的信号.无论反射信号的极化特性如何，当其能量足以和直射信号发生干涉时，干涉特性就可以在GNSS-R 遥感中应用.2GNSS-R 陆面遥感应用2.1土壤湿度反演双天线 GNSS-R 进行土壤湿度的反演首先分别采集直射和经过土壤反射的 GNSS 信号，并建立直射和反射信号的相干特征量和土壤介电常数的关系，进一步反演土壤湿度.2000 年，Zavorotny 等20利用土壤介电常数模型和双基散射模型对粗糙地表散射的 GPS 信号进行了仿真分析.仿真得到的 GPS 信号相关功率对土壤湿度敏感，可以用来提取土壤介电常数，进而反演土壤湿度.此外，该技术还可以在机载和星载平台上进行土壤湿度遥感.2008 年，Li 等21提出了一种基于GPS 双基地雷达方法测量海滩土壤