CN101846746B - 一种基于gnss-r技术的载波相位测高装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GNSS-R技术的载波相位测高装置及其方法，装置包括：GNSS-R接收模块、直接信号处理模块、反射信号处理模块和反射信号载波相位测高模块；所述的反射信号载波相位测高模块包括：开环跟踪单元和时间差分相位测高单元；所述的开环跟踪单元以直接信号跟踪频率为本地参考频率，有效地跟踪GNSS反射信号，得到反射信号载波相位观测量；所述的时间差分相位测高单元，利用开环跟踪单元得到的单频反射信号相位观测量，采用时间差分相位测高法反演精确水面高度。测高方法利用全球导航卫星系统GNSS水面反射信号载波相位精确测量水面高度，采用开环跟踪可以得到有效的反射信号相位观测量；采用时间差分相位测高算法简单，在短时间内实现水面高精度测高。

Description

一种基于GNSS-R技术的载波相位测高装置及其方法

技术领域

本发明涉及GNSS-R遥感技术领域，具体涉及一种GNSS-R开环差分相位法反演水面高度的装置和方法。

背景技术

GNSS-R海洋遥感技术是利用GNSS海洋反射信号进行遥感测量的技术，其主要有无需单独发射机、信号源丰富、全球覆盖、全天候以及实时性强等优点。GNSS-R技术测量海洋高度是GNSS-R海洋遥感的重要组成部分，GNSS-R反演海面高度主要有两种途径，一种是利用直接信号和反射信号的码延迟来测高，另一种利用反射信号的载波相位测高。

码延迟测高适用范围比较广，但需要长时间平均才可以得到厘米级的测量精度。而对于载波相位测高，由于GNSS信号载波波长短(例如GPS L1波长约19cm)，理论上利用载波相位测高更符合高精度的要求，但是GNSS反射信号受海面粗糙度和海面动态性的严重影响，当表面粗糙时，GNSS散射信号的相干分量减小，信号相关性差，反射信号幅度会有剧烈的高低变化，从而导致使用闭环跟踪(PLL)的接收机无法完成锁相，得不到有效的反射信号相位数据，尤其在空基和星载情况下，由于接收机的动态特性使接收机对反射信号更难跟踪，所以目前相位测高的应用主要局限在岸基试验中，目前载波相位测高主要采用的方法有下列几种：

(1)外推法跟踪反射信号测高法。当反射信号幅度小于一定门限时，使用时间外推的方法得到模型反射信号频率对反射信号进行跟踪，最后得到反射信号相位，再用零空间方法解反射信号相位模糊度后反推水面高度。但是该方法具有非常大的局限性，当水面粗糙度大时，小幅度的反射信号比例增大，至使外推的模型频率误差增大，甚至无法外推有效模型频率。

(2)多频率组合相位测高法。使用不同频率相位信号组合的方法来加长载波的波长，从而增加反射信号相干分量。欧空局提出的PIP(PARIS InterferometricProcessor)方法，以及在此基础上发展而来的PARFAIT(PARis Filtered-fieldAltImetricTracking)方法属于多频率组合相位测法，PARFAIT法还加入了可以恢复反射信号相干分量的滤波方法，利用直接和反射信号相位差分观测量建立高度解算方程，计算相位模糊度后再反推高度。其局限性在于方法操作复杂。

(3)低仰角直反信号合成相位测高法。同时接收低仰角的直接信号和反射信号，总和信号互相关波形的幅度和相位与直接和反射信号的干涉有关，而且是时间延迟的函数，利用非线性参数估计方法反演水面高度。但是该方法有一定的局限性，只能用于处理低仰角的信号。

当水面粗糙度较大，幅度小的反射信号比例增大时，使用上述方法(1)外推的模型频率误差增大，甚至无法外推有效模型频率，最终造成跟踪失败，而且方法(1)需要解算载波信号模糊度，算法复杂。上述方法(2)需要至少两个频率的反射信号观测量，反演水面高度时需要解算反射信号相位模糊度，算法复杂。上述方法(3)只能处理低仰角的GNSS-R信号，可处理的反射信号量小，而且其接收的是直接和反射信号的总信号，相互间影响会带来误差。

另外，中国专利CN101266292A公开了一种GNSS反射信号的频域处置装置和方法。该专利使用的是闭环的方法，而且没有涉及到相位测高领域。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于GNSS-R技术的载波相位测高装置及其方法。

为实现上述发明目的之一，本发明的一种基于GNSS-R技术的载波相位测高装置，包括：GNSS-R接收模块、直接信号处理模块、反射信号处理模块和反射信号载波相位测高模块；其特征在于，所述的反射信号载波相位测高模块包括：开环跟踪单元和时间差分相位测高单元；

所述的开环跟踪单元以直接信号跟踪频率为本地参考频率，有效地跟踪GNSS反射信号，得到反射信号载波相位观测量；所述的时间差分相位测高单元，利用开环跟踪单元得到的单频反射信号相位观测量，采用时间差分相位测高法反演精确水面高度。

作为上述技术方案的一种改进，所述的GNSS-R接收模块包括：直接天线、反射天线和射频前端；

所述的直接天线采用右旋圆极化天线，垂直向天顶方向架设；所述的反射天线，采用左旋圆极化天线，垂直向下架设；直接天线和反射天线背靠背架设于水面上；

所述的射频前端，用于对分别经直接天线和反射天线接收的直接信号和反射信号进行变频处理，2bit量化数字采样后产生中频原始采样数据。

作为上述技术方案的又一种改进，所述的直接信号处理模块采用闭环跟踪方法处理直接信号，以50Hz输出直接信号跟踪频率和解调导航电文，为反射信号开环跟踪提供本地频率。

作为上述技术方案的再一种改进，所述的开环跟踪单元采用循环相关法进行码跟踪。

为实现上述的另一发明目的，本发明的一种基于GNSS-R技术的载波相位测高方法，该方法利用全球导航卫星系统GNSS水面反射信号载波相位精确测量水面高度，该方法通过开环跟踪单元跟踪处理GNSS-R信号，以直接信号作为参考频率跟踪反射信号，得到反射信号载波相位观测量；再采用时间差分相位测高法，反演精确水面高度。

所述的方法包括以下步骤：

1)GNSS接收模块通过直接天线和反射天线得到同时接收的直接信号和反射信号的中频原始采样数据u(t)，

u(t)＝D(t)A(t)cos(φ(t)-φ₀)    (1)

其中，A(t)和φ(t)分别为信号的幅度和相位，φ₀＝φ(t＝0)，为初始时刻的相位值；

2)通过直接信号处理模块采用闭环跟踪方法处理直接信号，输出直接信号跟踪频率和导航电文D(t)；

3)通过开环跟踪单元处理反射信号，以直接信号跟踪频率为本地参考频率，生成本地同相信号：υⁱ(t)＝cos(φ^Local(t))和正交信号υ^q(t)＝cos(φ^Local(t))；并采用循环相关法进行码跟踪，在相干积分时间T内，根据接收的GNSS-R信号的平均幅度为

和平均频率为

对同相信号和正交信号进行相干积分得到I路与Q路的两路信号：

$I_n=\frac{2}{T}{\∫}_{t_n}^{t_n+T}u\left(t\right)*{\mathrm{\υ}}^i\left(t\right)*\mathrm{dt}+N_n^i$

$\≈D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{f}_n}T\right)*\cos (\mathrm{\π}*{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δf}}}_n*T+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_n)+N_n^i$

$=D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{f}_n}T\right)*\cos (\frac{2*\mathrm{\π}*\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}*T}{2}+{\mathrm{\Δ\φ}}_n)+N_n^i---\left(2\right)$

$Q_n=\frac{2}{T}{\∫}_{t_n}^{t_n+T}u\left(t\right)*{\mathrm{\υ}}^q\left(t\right)*\mathrm{dt}+N_n^q$

$\≈D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δf}}}_{n}T\right)*\cos (\mathrm{\π}*{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δf}}}_n*T+{\mathrm{\Δ\φ}}_n)+N_n^q$

$=D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{f}_n}T\right)*\cos (\frac{2*\mathrm{\π}*\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}*T}{2}+{\mathrm{\Δ\φ}}_n)+N_n^q---\left(3\right)$

其中，下标n代表时间t_n≤t＜t_n+T，sinc(x)＝sin(x)/x，D_n＝D(t_n)；

是t_n≤t＜t_n+T时间内接收信号平均频率和本地生成平均频率的差值；

是在t_n时刻接收信号相位和本地相位的初始相位差，其中，本地相位φ_n ^Local和接收信号相位φ_n用时间累积和表示： ${\mathrm{\φ}}_n^{\mathrm{Local}}=2*\mathrm{\π}*T*\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}_j^{\mathrm{Local}},$ ${\mathrm{\φ}}_n=2*\mathrm{\π}*T*\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}_j;$

N_n ⁱ和N_n ^q为接收机跟踪时I路和Q路的噪声；

再使用直接信号跟踪输出的导航电文辅助解调反射信号导航电文后，由I路与Q路两路信号得到GNSS-R接收机的输出残差相位

和输出幅度A_n ^out：

$A_n^{\mathrm{out}}=\sqrt{{\left(I_n\right)}^2+{\left(Q_n\right)}^2}---\left(5\right)$

其中，arctan2代表四象鉴相器，

是t_n≤t＜t_n+T时间内接收信号角频率和本地生成角频率的平均差值，N_n为t_n时刻相对t₀时刻的残差相位变化整周数；

最终，得到镜面反射信号的在[-π，π]内的相位：

其中，L_rn＝L_r(t_n)为t_n时刻镜面反射信号载波相位值，其包括：起始跟踪时刻t₀反射信号载波整周模糊度N_r0＝N_r(t₀)、反射信号接收机本地信号相位

GNSS-R开环接收机输出残差相位和反射信号误差项L_{r_noise}的和；

其中，误差项L_{d_noise}包括反射接收机和GNSS卫星钟差、大气层和电离层延迟、硬件延迟和测量误差；

其中，N_r0为未知参数；

4)通过时间差分相位测高单元采用时间差分相位测高法，反演精确水面高度；

假设直接信号相位表示为：

$L_{\mathrm{dn}}=N_{d0}+{\mathrm{\φ}}_n^{\mathrm{direc}}+L_{d\_\mathrm{noise}}=N_{d0}+{\mathrm{\φ}}_n^{\mathrm{Local}}+L_{d\_\mathrm{noise}}---\left(7\right)$

其中，L_dn＝L_d(t_n)为t_n时刻直接信号载波相位值，其包括：起始跟踪时刻t₀直接信号载波整周模糊度N_d0＝N_d(t₀)、t_n时刻直接信号接收机输出相位

和直接信号误差项L_{d_noise}；

其中，误差项L_{d_noise}包括：直接信号残差相位、接收机和GNSS卫星钟差、对流层和电离层延迟以及硬件延迟和测量误差；

其中，N_d0为未知参数；

则镜面反射信号相对直接信号的路径相位延迟为：

上式中，δL_n为t_n时刻镜面反射信号与直接信号的路径相位延迟量，L_{r_d_noise}为直反接收机间单差分误差，包括测量差分误差；

H_n为t_n时刻反射天线相位中心到水面的距离，θ_n为t_n时刻GNSS卫星与直接信号接收机的俯仰角，c为光速，τ_n为t_n时刻反射信号与直接信号的路径延迟；

为了消掉未知的N_r0和N_d0，采用时间差分方法：

式中，下标j代表时刻t_j，i代表时刻t_i，L_{j_i_r_d_noise}为时间和接收机差分双差测量误差；

由上式可知，GNSS-R开环跟踪后输出的残差相位时间差

代表的物理含义是反射信号相对直接信号在j时刻的路径相位延迟量和i时刻路径相位延迟量的差，即反射信号路径相位延迟量的时间差；

最后，根据公式(9)，忽略小量的误差，可以得到最终的时间差分观测方程：

如果在一段观测时间内可以同时观测到两颗或更多GNSS卫星时，可以根据公式(10)，利用最小二乘的方法以及平滑滤波方法计算得到观测时段内，不同时间的水面与反射信号天线相位中心的距离H。

其中，所述的时间差分相位测高方法的具体步骤包括：

1)数据筛选：在岸基静态情况下，如果某GNSS卫星反射信号残差相位随机变化严重则说明数据质量差予以剔除；根据直接和反射天线架设位置和GNSS导航卫星俯仰角和方位角，选择镜面反射点在水面的GNSS卫星信号；如果有效GNSS卫星大于等于2颗，并且各GNSS卫星反射信号同时有效跟踪时间大于或等于11分钟则截取该段时间的数据，执行以下步骤，否则结束；

2)残差相位滤波连接：由于残差相位在[-π，π]内变化，需要去除整周跳变，滤波后连接得到50Hz时11分钟多颗GNSS卫星的连续残差相位去除整周跳变，，滤波后连接得到11分钟多颗GNSS卫星的连续残差相位；

3)求首末一分钟平均水面高度：得到不同GNSS卫星连续残差相位后，根据时间差分公式，使用最小二乘法，计算间隔10分钟的首末一分钟的平均高度；

4)求中间各分钟平均水面高度：固定首一分钟的平均高度后，根据时间差分公式，使用最小二乘法正序反演得到中间时刻2～10分钟对应的高度；固定末一分钟的平均高度后，根据时间差分公式，使用最小二乘法反序反演得到中间时刻2～10分钟对应的高度；根据正反序反演结果，加权平均得到最终的中间时刻1分钟的平均高度；

5)最终得到所有时间1分钟的平均水面高度。

本发明提出了GNSS-R开环相位差分反演水面高度的装置和方法，其中开环差分相位测高法有两个关键部分组成：

一是开环跟踪反射信号技术，该方法使用直接信号跟踪频率作为参考频率，可以有效的跟踪GNSS反射信号；

另一个是时间差分相位测高法，可以利用开环跟踪得到反射信号相位观测量反演精确水面高度。

本发明提出的开环差分相位测高法，受水面粗糙度影响小，可以有效跟踪GNSS-R信号，得到准确的反射信号相位观测量，反演高度时，只需单频相位观测量，无需解算反射信号载波相位模糊度，算法简单，在较短时间内可以得到高精度水面测高结果。

本发明的优点在于：

(1)采用开环跟踪的方法可以克服反射信号幅度变化剧烈的影响，能够成功跟踪反射信号载波相位，得到有效的反射信号相位观测量；

(2)时间差分相位测高，只使用单频反射信号相位观测量，无需解算复杂的反射信号相位模糊度，算法简单，在短时间内可实现水面高精度测高。

相比较，中国专利CN100399044C公开了开环跟踪GPS信号的方法，虽然叫开环跟踪，但是与本申请处理的信号不同，实现的方式完全不同。

美国专利US2002/0130813A1公开了一种使用GNSS干涉方法测量海洋高度的方法及其装置(发明名称为：OCEAN ALTIMETRY INTERFEROMETRICMETHODANDDEVICEUSINGGNSS)，这是一种使用GNSS信号测高的方法，但是该专利使用的是双频信号组合的方法，本申请与该专利相比，只使用单频信号载波相位，算法简单且效果更佳。

附图说明

图1是本发明的开环差分相位测高装置的总体框图；

图2是常规的GNSS-R数据采集系统的示意图；

图3是传统闭环(PLL)跟踪方法的原理示意图；

图4是本发明的GNSS-R信号开环跟踪方法的原理示意图；

图5是本发明的开环差分相位测高装置中直接和反射信号路径差示意图；

图6是本发明时间差分相位测高方法的流程图；

图7是三营桥2009年9月22日11:45-12:07GPS方位角和俯仰角示意图；

图8是本发明一实施例的反射信号开环跟踪残差相位图；

图9是本发明的差分相位测高结果与GPS差分定位结果对比图。

具体实施方式

参考下面提出的各种细节来描述本发明，并且附图给出本发明的例示。下面的描述和附图对于本发明而言仅是示例，不能理解为是对本发明的限制。

本发明GNSS-R数据采集系统是软件接收机系统，直接和反射信号分别经天线接收后，在射频前端下变频，通过USB接口输入到数据接收计算机的硬盘中，最后得到同时接收的直接信号和反射信号的中频采样原始数据。

原始采样数据通过GNSS-R数据采集系统的预处理单元(包括直接信号和反射信号处理单元，开环跟踪是反射信号处理的重要部分)预处理模块将数据从原始中频采样数据处理为0级GNSS-R数据，主要包括：直接信号和反射信号的相关值-码相位数据(可用于码相位测高)和反射信号残差相位观测量(用于开环差分相位测高)等，其主要功能是直接信号捕获跟踪和导航电文解调，反射信号电文解调、反射信号开环跟踪和反射信号路径相位延迟量生成等。

0级数据通过GNSS-R数据采集系统数据后处理模块(包括时间差分相位测高)处理得到GNSS-R测高1级数据，主要是水面与反射天线相位中心之间的高度，后处理模块主要算法为开环差分相位测高法。

具体步骤如下：

步骤1：按附图1连接好各部件，其中GNSS直接信号通过直接天线(右旋圆极化天线)接收，GNSS-R信号通过反射天线(左旋圆极化天线)接收，直接天线垂直向天顶方向架设，反射天线垂直向下架设，两天线背靠背架设于水面上。

步骤2：设置数据采集系统(组成如附图2)，直接和反射信号分别经天线接收后在射频前端下变频，2bit量化数字采样后产生原始采样数据，采样率为16.368MHz，最后通过USB接口输入到计算机的硬盘中。最后我们得到的是同时接收的直接信号和反射信号的中频采样原始数据约1小时以上。

步骤3：处理直接信号。使用闭环跟踪方法处理直接信号，以50Hz输出直接信号跟踪频率，解调导航电文并输出，为反射信号开环跟踪做准备。

步骤4：开环跟踪，处理反射信号。以直接信号跟踪频率为本地参考频率，进行开环频率跟踪，使用循环相关法进行码跟踪，同相和正交分量20ms相干积分滤波后，使用直接信号跟踪输出的导航电文辅助解调反射信号导航电文，最后使用4象鉴相器输出在[-π，π]内的残差相位，输出速率为50Hz。

步骤5：时间差分相位测高。

1)数据筛选：判断是否同时有两颗或两颗以上，有效跟踪时间大于等于11分钟的数据，有则截取该段时间的数据，执行以下步骤，否则结束；

2)残差相位滤波连接；

3)利用时间差分公式，使用最小二乘法求起始和结束一分钟的平均高度；

4)正序和逆序法分别反演中间时刻的高度，然后加权平均得到中间时刻各分钟的平均高度；

5)得到每分钟平均水面高度。

下面详细描述开环跟踪反射信号以及时间差分算法计算水面高度的原理：

1、开环跟踪反射信号：

闭环(PLL)跟踪方法见附图3，处理时需要构成反馈回路，该方法对于直接GNSS信号接收时最优选择。但是GNSS反射信号为弱信号，而且其振幅变化大，频率被展宽，从而导致闭环跟踪失锁。

本发明采用开环跟踪方法，见附图4，该方法无需构成回路，本地频率参考直接信号跟踪频率，具体原理如下：

假设GNSS-R接收机接收信号u(t)：

u(t)＝D(t)A(t)cos(φ(t)-φ₀)(1)

其中，接收信号幅度和相位为A(t)和φ(t)，导航电文为D(t)，φ₀＝φ(t＝0)，即初始时刻的相位值，公式(1)中忽略了C/A码的BPSK调制，开环跟踪时，使用循环相关法将其解调。

开环跟踪以直接信号跟踪频率为模型参考频率，生成本地同相信号υⁱ(t)＝cos(φ^Local(t))和正交信号υ^q(t)＝cos(φ^Local(t))分别与接收信号u(t)进行相关处理。假设在相干积分时间T内，接收的GNSS-R信号的平均幅度为

平均频率为时，同相和正交信号在T内的相干积分结果为：

$I_n=\frac{2}{T}{\∫}_{t_n}^{t_n+T}u\left(t\right)*{\mathrm{\υ}}^i\left(t\right)*\mathrm{dt}+N_n^i$

$\≈D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{f}_n}T\right)*\cos (\mathrm{\π}*{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δf}}}_n*T+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_n)+N_n^i$

$=D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{f}_n}T\right)*\cos (\frac{2*\mathrm{\π}*\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}*T}{2}+{\mathrm{\Δ\φ}}_n)+N_n^i---\left(2\right)$

$Q_n=\frac{2}{T}{\∫}_{t_n}^{t_n+T}u\left(t\right)*{\mathrm{\υ}}^q\left(t\right)*\mathrm{dt}+N_n^q$

$\≈D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δf}}}_{n}T\right)*\cos (\mathrm{\π}*{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δf}}}_n*T+{\mathrm{\Δ\φ}}_n)+N_n^q$

$=D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{f}_n}T\right)*\cos (\frac{2*\mathrm{\π}*\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}*T}{2}+{\mathrm{\Δ\φ}}_n)+N_n^q---\left(3\right)$

其中，下标n代表时间t_n≤t＜t_n+T，sinc(x)＝sin(x)/x，D_n＝D(t_n)。

是t_n≤t＜t_n+T时间内接收信号平均频率和本地生成平均频率的差值。

是在tn时刻接收信号相位和本地相位的初始相位差，其中本地相位φ_n ^Local和接收信号相位φ_n用时间累积和表示：

N_n ⁱ和N_n ^q为接收机跟踪时I路和Q路的噪声。

GNSS-R接收机I与Q路信号可得GNSS-R接收机的输出残差相位和输出幅度A_n ^out：

$A_n^{\mathrm{out}}=\sqrt{{\left(I_n\right)}^2+{\left(Q_n\right)}^2}---\left(5\right)$

arctan2代表四象鉴相器，ω_n是t_n≤t＜t_n+T时间内接收信号角频率和本地生成角频率的平均差值，N_n为tn时相对t0时刻残差相位变化整周数。

最终可得镜面反射信号的相位：

其中，L_rn＝L_r(t_n)为tn时刻镜面反射信号载波相位值，其包括起始跟踪时刻t0反射信号载波整周模糊度N_r0＝N_r(t₀)、反射信号接收机本地信号相位(以直接信号相位作为参考)

GNSS-R开环接收机输出残差相位

和反射信号误差项L_{r_noise}的和。其中误差项L_{d_noise}主要包括反射接收机和GNSS卫星钟差、大气层和电离层延迟以及硬件延迟和测量误差等。其中N_r0为未知参数。

2、时间差分算法计算水面高度：

直接信号相位可以表示为：

$L_{\mathrm{dn}}=N_{d0}+{\mathrm{\φ}}_n^{\mathrm{direc}}+L_{d\_\mathrm{noise}}=N_{d0}+{\mathrm{\φ}}_n^{\mathrm{Local}}+L_{d\_\mathrm{noise}}---\left(7\right)$

其中，L_dn＝L_d(t_n)为tn时刻直接信号载波相位值，其主要包括起始跟踪时刻t0直接信号载波整周模糊度N_d0＝N_d(t₀)、tn时刻直接信号接收机输出相位

和直接信号误差项L_{d_noise}。其中误差项L_{d_noise}主要包括直接信号残差相位(直接信号使用闭环跟踪，残差相位趋于0)、接收机和GNSS卫星钟差、对流层和电离层延迟以及硬件延迟和测量误差等。其中N_d0为未知参数。

镜面反射信号相位见公式(6)，则镜面反射信号相对直接信号的路径相位延迟为：

见附图5，上式中，δL_n为tn时刻镜面反射信号与直接信号的路径相位延迟量，L_{r_d_noise}为直反接收机间单差分误差，主要包括测量差分误差。因为直接接收机和反射接收机位置非常接近，而且在岸基情况下，直接信号和反射信号路径相似，所以GNSS卫星钟差、大气层和电离层延迟可以差分掉，此外，直接信号接收机和GNSS-R接收机使用同一个晶振，所以接收机钟差可以去掉。H_n为tn时刻反射天线相位中心到水面的距离，θ_n为tn时刻GNSS卫星与直接信号接收机的俯仰角，c为光速，τ_n为tn时刻反射信号与直接信号的路径延迟。

为了消掉未知的N_r0和N_d0，采用时间差分方法：

式中，下标j代表时刻tj，i代表时刻ti，L_{j_i_r_d_noise}为双差(时间以及接收机差分)测量误差。其他含义见上面的描述。由上式可知，GNSS-R开环跟踪后输出的残差相位时间差代表的物理含义是反射信号相对直接信号在j时刻的路径相位延迟量和i时刻路径相位延迟量的差，即反射信号路径相位延迟量的时间差。

综上所述，根据公式(9)，忽略小量的误差，可以得到最终的时间差分观测方程：

式中，上标S代表某GNSS卫星S，下标j代表时刻tj，i代表时刻ti，

为GNSS-R开环接收机输出残差相位，H为某时刻反射天线相位中心到水面的距离，θ为某时刻GNSS卫星S与直接信号接收机的俯仰角。

如果在一段观测时间内可以同时观测到两颗或更多GNSS卫星时，可以根据公式(10)，利用最小二乘的方法以及平滑滤波方法计算得到观测时段内，不同时间的水面与反射信号天线相位中心的距离H。

3、时间差分相位测高，具体流程图见附图6，主要包括：

1)数据筛选。在岸基静态情况下，滤波输出的反射信号残差相位应该呈有规律渐变的过程，如果某GNSS卫星反射信号残差相位随机变化严重则说明数据质量差予以剔除。根据直接和反射天线架设位置和GNSS导航卫星俯仰角和方位角，选择镜面反射点在水面的GNSS卫星信号。如果有效GNSS卫星大于等于2颗，并且各GNSS卫星反射信号同时有效跟踪时间大于等于11分钟则截取该段时间的数据，执行以下步骤，否则结束。

2)残差相位滤波连接。由于步骤3中输出的残差相位在[-π，π]内变化，需要去除整周跳变，滤波后连接得到11分钟多颗GNSS卫星的连续残差相位(50Hz)。

3)求首末一分钟平均水面高度。得到不同GNSS卫星连续残差相位后，根据时间差分公式(其中对应两个时间的高度均为未知数)，使用最小二乘法，计算间隔10分钟的首末一分钟的平均高度。

4)求中间各分钟平均水面高度。固定首分钟(第1分钟)的平均高度后，根据时间差分公式(中间时刻对应的高度为未知数)，使用最小二乘法得到中间时刻(2～10分钟)对应的高度，称为正序反演。固定末分钟(第11分钟)的平均高度后，根据时间差分公式(中间时刻对应的高度为未知数)，使用最小二乘法得到中间时刻(2～10分钟)对应的高度(反序反演)。根据正反序反演结果，加权平均得到最终的中间时刻1分钟的平均高度。

5)最终得到所有时间1分钟的平均水面高度。

其中时间差分公式为：

式中，上标S代表某GNSS卫星S，下标j代表时刻tj，i代表时刻ti，

为GNSS-R开环接收机输出残差相位，H为某时刻反射天线相位中心到水面的距离，θ为某时刻GNSS卫星S与直接信号接收机的俯仰角。(参见发明内容部分)

实验验证

实验概况

中国科学院空间科学与应用研究中心(空间中心)和北京应用气象研究所在河北官厅水库铁路桥上联合开展了两次GNSS-R岸基测高实验。第一次观测时间为2009年9月22日11时至14时，共3个小时，天气晴朗微风1到2级，第二次观测时间2009年10月21日11时至17时，共6个小时，天气晴朗，2到4级风。实验目的是是验证开环差分相位测高法的可行性及其测高精度。

见附图7，将GNSS-R数据采集系统架设在三营桥中段的西南侧，其主要包括直接信号天线、反射信号天线和信号中频采集系统。此外，桥上、岸基及水面浮标均设置GPS双频定位系统，使用三点差分定位来获得精确的水面距桥上定位天线的精确高度。

实验结果

采用2009年9月22日，11:45-12:07，将22分钟数据进行开环差分相位测高反演，该时段的GPS卫星星空图见附图7，根据GNSS卫星、天线架设位置和信号质量进行选星和质量控制，选择PRN7、11和25三颗卫星数据进行处理。

在预处理模块中采用以直接信号跟踪频率为参考频率的开环跟踪，得到开环跟踪输出残差相位，见附图8，图中显示了在11分钟内PRN7、11和25号星反射信号开环跟踪输出残差相位变化图，其中PRN13俯仰角变化很小，其随时间输出残差相位也变化较小，PRN19为上升星，其随时间输出残差相位递减，PRN23为下降星，其随时间输出残差相位递增。

得到反射信号残差相位观测量后，使用时间差分法进行水面高度反演。根据相位时间差分公式(10)，利用最小二乘法和平滑算法计算间隔最远的首末一分钟的平均水面高度，然后固定首末一分钟的高度，采用顺序和逆序反演中间时刻的数据，最后将顺序和逆序反演结果加权平均，数据滤波后得到最后每分钟的水面与反射天线相位中心高度。

与GPS差分精密定位得到的水面高度结果相比见附图9，图中，连线为GPS差分测高每秒的测高结果，黑叉为GPS差分测高每分钟的测高结果，点为22分钟开环差分相位测高的结果，星号为前11分钟的开环差分相位测高结果，加号为后11分钟的开环差分相位测高结果。其中22分钟开环差分相位测高结果与每分钟的GPS差分测高结果相比，其误差平均值为0.1067cm，误差标准差为3.3768cm；前11分钟开环差分相位测高结果与每分钟的GPS差分测高结果相比，其误差平均值为7.8179cm，误差标准差为3.5472cm；后11分钟开环差分相位测高结果与每分钟的GPS差分测高结果相比，其误差平均值为-5.9534cm，误差标准差为0.3404cm。

使用开环时间差分测高法处理不同时间段的数据结果如表1：

表1算例结果表

时间	使用的GPS卫星	误差平均值	误差标准差
				2009.09.22，11:45-12:07	PRN13、19、23	0.1067cm	3.3768cm
2009.09.22，11:45-11:56	PRN13、19、23	7.8179cm	3.5472cm
				2009.09.22，11:56-12:07	PRN13、19、23	-5.9534cm	0.3404cm
2009.09.22，12:22-12:33	PRN13、23、25	-7.8989cm	0.5554cm
				2009.10.21，11:15-11:26	PRN11、13、25	7.8989cm	0.4744cm
2009.10.21，11:54-12:05	PRN07、11、25	5.1101cm	0.2699cm

通过以上实验可知，该方法有两个关键技术组成，一是开环跟踪的方法跟踪处理GNSS-R信号，该方法以直接信号作为参考频率跟踪反射信号，得到反射信号载波相位观测量；另一个关键技术是时间差分相位测高法，如果在一段时间内同时跟踪到2颗或更多GNSS-R信号的相位观测量，可以利用该方法反演精确水面高度。本例中，利用11分钟三颗GPS反射信号的相位观测量数据，反演水面高度结果与双频GPS差分定位结果一致。

结论：使用GNSS-R开环差分相位测高法处理三营桥GNSS-R实验数据，结果与GPS差分定位测高数据相比，可以得到1分钟平均测高结果精度为厘米级，验证了GNSS-R开环差分相位法高精度测量水面高度的可行性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于GNSS-R技术的载波相位测高装置，包括：GNSS-R接收模块、直接信号处理模块、反射信号处理模块和反射信号载波相位测高模块；其特征在于，所述的反射信号载波相位测高模块包括：开环跟踪单元和时间差分相位测高单元；

所述的开环跟踪单元以直接信号跟踪频率为本地参考频率，有效地跟踪GNSS反射信号，得到反射信号载波相位观测量；所述的时间差分相位测高单元，利用开环跟踪单元得到的单频反射信号相位观测量，采用时间差分相位测高法反演水面高度；

所述的时间差分相位测高方法的具体步骤包括：

1）数据筛选：在岸基静态情况下，如果某GNSS卫星反射信号残差相位随机变化严重则说明数据质量差予以剔除；根据直接和反射天线架设位置和GNSS导航卫星俯仰角和方位角，选择镜面反射点在水面的GNSS卫星信号；如果有效GNSS卫星大于等于2颗，并且各GNSS卫星反射信号同时有效跟踪时间大于或等于11分钟则截取该段时间的数据，执行以下步骤，否则结束；

2）残差相位滤波连接：由于残差相位在[-π,π]内变化，需要去除整周跳变，滤波后连接得到50Hz时11分钟多颗GNSS卫星的连续残差相位，去除整周跳变；

3）求首末一分钟平均水面高度：得到不同GNSS卫星连续残差相位后，根据时间差分公式，使用最小二乘法，计算间隔10分钟的首末一分钟的平均高度；

4）求中间各分钟平均水面高度：固定首一分钟的平均高度后，根据时间差分公式，使用最小二乘法正序反演得到中间时刻2~10分钟对应的高度；固定末一分钟的平均高度后，根据时间差分公式，使用最小二乘法反序反演得到中间时刻2~10分钟对应的高度；根据正反序反演结果，加权平均得到最终的中间时刻1分钟的平均高度；

5）最终得到所有时间1分钟的平均水面高度；

其中，时间差分公式为：

式中，上标S代表某GNSS卫星S，下标j代表时刻tj，i代表时刻ti；

为GNSS-R开环接收机输出残差相位；

H为某时刻反射天线相位中心到水面的距离；

θ为某时刻GNSS卫星S与直接信号接收机的俯仰角；

是指在一段观测时间内可以同时观测到两颗或更多GNSS卫星时，在i时刻多颗GNSS卫星中的某一颗GNSS卫星与直接信号接收机的俯仰角；

是指在一段观测时间内可以同时观测到两颗或更多GNSS卫星时，在j时刻多颗GNSS卫星中的某一颗GNSS卫星与直接信号接收机的俯仰角；

是指在一段观测时间内可以同时观测到两颗或更多GNSS卫星时，在i时刻反射天线相位中心到水面的距离；

是指在一段观测时间内可以同时观测到两颗或更多GNSS卫星时，在j时刻反射天线相位中心到水面的距离。

2.根据权利要求1所述的基于GNSS-R技术的载波相位测高装置，其特征在于，所述的GNSS-R接收模块包括：直接天线、反射天线和射频前端；

所述的直接天线采用右旋圆极化天线，垂直向天顶方向架设；所述的反射天线，采用左旋圆极化天线，垂直向下架设；直接天线和反射天线背靠背架设于水面上；

所述的射频前端，用于对分别经直接天线和反射天线接收的直接信号和反射信号进行变频处理，2bit量化数字采样后产生中频原始采样数据。

3.根据权利要求1所述的基于GNSS-R技术的载波相位测高装置，其特征在于，所述的直接信号处理模块采用闭环跟踪方法处理直接信号，以50Hz输出直接信号跟踪频率和解调导航电文，为反射信号开环跟踪提供本地频率。

4.根据权利要求1所述的基于GNSS-R技术的载波相位测高装置，其特征在于，所述的开环跟踪单元采用循环相关法进行码跟踪。

5.一种基于GNSS-R技术的载波相位测高方法，该方法利用全球导航卫星系统GNSS水面反射信号载波相位测量水面高度，该方法通过开环跟踪单元跟踪处理GNSS-R信号，以直接信号跟踪频率为本地参考频率跟踪反射信号，得到反射信号载波相位观测量；再采用时间差分相位测高法，反演水面高度；

所述的时间差分相位测高方法的具体步骤包括：

1）数据筛选：在岸基静态情况下，如果某GNSS卫星反射信号残差相位随机变化严重则说明

数据质量差予以剔除；根据直接和反射天线架设位置和GNSS导航卫星俯仰角和方位角，选择镜面反射点在水面的GNSS卫星信号；如果有效GNSS卫星大于等于2颗，并且各GNSS卫星反射信号同时有效跟踪时间大于或等于11分钟则截取该段时间的数据，执行以下步骤，否则结束；

2）残差相位滤波连接：由于残差相位在[-π,π]内变化，需要去除整周跳变，滤波后连接得到50Hz时11分钟多颗GNSS卫星的连续残差相位，去除整周跳变；

3）求首末一分钟平均水面高度：得到不同GNSS卫星连续残差相位后，根据时间差分公式，使用最小二乘法，计算间隔10分钟的首末一分钟的平均高度；

4）求中间各分钟平均水面高度：固定首一分钟的平均高度后，根据时间差分公式，使用最小二乘法正序反演得到中间时刻2~10分钟对应的高度；固定末一分钟的平均高度后，根据时间差分公式，使用最小二乘法反序反演得到中间时刻2~10分钟对应的高度；根据正反序反演结果，加权平均得到最终的中间时刻1分钟的平均高度；

5）最终得到所有时间1分钟的平均水面高度；

其中，时间差分公式为：

式中，上标S代表某GNSS卫星S，下标j代表时刻tj，i代表时刻ti；

为GNSS-R开环接收机输出残差相位；

H为某时刻反射天线相位中心到水面的距离；

θ为某时刻GNSS卫星S与直接信号接收机的俯仰角；

是指在一段观测时间内可以同时观测到两颗或更多GNSS卫星时，在i时刻多颗GNSS卫星中的某一颗GNSS卫星与直接信号接收机的俯仰角；

是指在一段观测时间内可以同时观测到两颗或更多GNSS卫星时，在j时刻多颗GNSS卫星中的某一颗GNSS卫星与直接信号接收机的俯仰角；

是指在一段观测时间内可以同时观测到两颗或更多GNSS卫星时，在i时刻反射天线相位中心到水面的距离；

是指在一段观测时间内可以同时观测到两颗或更多GNSS卫星时，在j时刻反射天线相位中心到水面的距离。

6.根据权利要求5所述的基于GNSS-R技术的载波相位测高方法，其特征在于，所述基于GNSS-R技术的载波相位测高方法包括以下步骤：

1）GNSS-R接收模块通过直接天线和反射天线得到同时接收的直接信号和反射信号的中频原始采样数据u(t)，

u(t)＝D(t)A(t)cos(φ(t)-φ₀)                   （1）

其中，A(t)和φ(t)分别为信号的幅度和相位，φ₀＝φ(t＝0)，为初始时刻的相位值；

2）通过直接信号处理模块采用闭环跟踪方法处理直接信号，输出直接信号跟踪频率和导航电文D(t)；

3）通过开环跟踪单元处理反射信号，以直接信号跟踪频率为本地参考频率，生成本地同相信号：υⁱ(t)＝cos(φ^Local(t))和正交信号υ^q(t)＝cos(φ^Local(t))；并采用循环相关法进行码跟踪，在相干积分时间T内，根据接收的GNSS-R信号的平均幅度为 $\stackrel{\‾}{A_n}=\frac{1}{T}\underset{t_n}{\overset{t_n+T}{\∫}}A\left(t\right)\mathrm{dt}=\stackrel{\‾}{A\left(t_n\right)}$ 和平均频率为 $\stackrel{\‾}{f_n}=\frac{1}{T}\underset{t_n}{\overset{t_n+T}{\∫}}f\left(t\right)\mathrm{dt}=\stackrel{\‾}{f\left(t_n\right)}$ 对同相信号和正交信号进行相干积分得到I路与Q路的两路信号：

$I_n=\frac{2}{T}{\∫}_{t_n}^{t_n+T}u\left(t\right)*{\mathrm{\υ}}^i\left(t\right)*\mathrm{dt}+N_n^i$

$\≈D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}T\right)*\cos (\mathrm{\π}*\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}*T+{\mathrm{\Δ\φ}}_n)+N_n^i$

$=D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}T\right)*\cos (\frac{2*\mathrm{\π}*\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}*T}{2}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_n)+N_n^i---\left(2\right)$

$Q_n=\frac{2}{T}{\∫}_{t_n}^{t_n+T}u\left(t\right)*{\mathrm{\υ}}^q\left(t\right)*\mathrm{dt}+N_n^q$

$\≈D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}T\right)*\cos (\mathrm{\π}*\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}*T+{\mathrm{\Δ\φ}}_n)+N_n^q$

$=D_n*\stackrel{\‾}{A_n}*\sin c\left(\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}T\right)*\cos (\frac{2*\mathrm{\π}*\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δf}}_n}*T}{2}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_n)+N_n^q---\left(3\right)$

其中，下标n代表时间t_n≤t＜t_n+T，sinc(x)＝sin(x)/x，D_n＝D(t_n)；

是t_n≤t＜t_n+T时间内接收信号平均频率和本地生成平均频率的差值；

是在t_n时刻接收信号相位和本地相位的初始相位差，其中，本地相位和接收信号相位φ_n用时间累积和表示：

${\mathrm{\φ}}_n=2*\mathrm{\π}*T*\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}_j;$

和

为接收机跟踪时I路和Q路的噪声；

再使用直接信号跟踪输出的导航电文辅助解调反射信号导航电文后，由I路与Q路两路信号得到GNSS-R接收机的输出残差相位

和输出幅度

$A_n^{\mathrm{out}}=\sqrt{{\left(I_n\right)}^2+{\left(Q_n\right)}^2}---\left(5\right)$

其中，arctan2代表四象鉴相器，

是t_n≤t＜t_n+T时间内接收信号角频率和本地生成角频率的平均差值，N_n为t_n时刻相对t₀时刻的残差相位变化整周数；

最终，得到镜面反射信号的在[-π,π]内的相位：

其中，L_rn＝L_r(t_n)为t_n时刻镜面反射信号载波相位值，其包括：起始跟踪时刻t₀反射信号载波整周模糊度N_r0＝N_r(t₀)、反射信号接收机本地信号相位GNSS-R开环接收机输出残差相位

和反射信号误差项L_{r_noise}的和；

其中，误差项L_{d_noise}包括反射接收机和GNSS卫星钟差、大气层和电离层延迟、硬件延迟和测量误差；

其中，N_r0为未知参数；

4）通过时间差分相位测高单元采用时间差分相位测高法，反演水面高度；

假设直接信号相位表示为：

$L_{\mathrm{dn}}=N_{d0}+{\mathrm{\φ}}_n^{\mathrm{direc}}+L_{d\_\mathrm{noise}}=N_{d0}+{\mathrm{\φ}}_n^{\mathrm{Local}}+L_{d\_\mathrm{noise}}---\left(7\right)$

其中，L_dn＝L_d(t_n)为t_n时刻直接信号载波相位值，其包括：起始跟踪时刻t₀直接信号载波整周模糊度N_d0＝N_d(t₀)、t_n时刻直接信号接收机输出相位

和直接信号误差项L_{d_noise}；

其中，误差项L_{d_noise}包括：直接信号残差相位、接收机和GNSS卫星钟差、对流层和电离层延迟以及硬件延迟和测量误差；

其中，N_d0为未知参数；

则镜面反射信号相对直接信号的路径相位延迟为：

上式中，δL_n为t_n时刻镜面反射信号与直接信号的路径相位延迟量，L_{r_d_noise}为直反接收机间单差分误差，包括测量差分误差；

H_n为t_n时刻反射天线相位中心到水面的距离，θ_n为t_n时刻GNSS卫星与直接信号接收机的俯仰角，c为光速，τ_n为t_n时刻反射信号与直接信号的路径延迟；

为了消掉未知的N_r0和N_d0，采用时间差分方法：

式中，下标j代表时刻t_j，i代表时刻t_i，L_{j_i_r_d_noise}为时间和接收机差分双差测量误差；

由上式可知，GNSS-R开环跟踪后输出的残差相位时间差

代表的物理含义是反射信号相对直接信号在j时刻的路径相位延迟量和i时刻路径相位延迟量的差，即反射信号路径相位延迟量的时间差；

最后，根据公式（9），忽略小量的误差，得到最终的时间差分公式：

如果在一段观测时间内同时观测到两颗或更多GNSS卫星时，根据公式（10），利用最小二乘的方法以及平滑滤波方法计算得到观测时段内，不同时间的水面与反射信号天线相位中心的距离H；

其中，

φ^Local(t)是指本地的相位；

f(t)是指GNSS-R信号的频率；

u(t)是指直接信号和反射信号的中频原始采样数据；

vⁱ(t)是指本地同相信号；

v^q(t)是指正交信号；

是指GNSS-R信号的平均幅度；

f_j是指j时刻的频率；

是指j时刻的本地频率；

是指是t_n≤t＜t_n+T时间内接收信号角频率和本地生成角频率的平均差值；

θ_i是指i时刻的GNSS卫星S与直接信号接收机的俯仰角；

θ_j是指j时刻的GNSS卫星S与直接信号接收机的俯仰角；

H_i是指i时刻反射天线相位中心到水面的距离；

H_j是指j时刻反射天线相位中心到水面的距离；

τ_i是指在i时刻反射信号与直接信号的路径延迟；

τ_j是指在j时刻反射信号与直接信号的路径延迟。

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