1、星載相控陣GNSS-R海洋微波遙感器設計摘要：本文對星載GNSS-R海洋微波遙感器的工作原理和系統的設計進行了詳細討論。該遙感器采用相控陣天線，通過在軌鏡面反射點快速搜索，同步接收北斗和GPS兩個GNSS系統發射的直射信號和海面反射信號，經過原始信號采樣、導航定位求解、時延多普勒相關功率計算等處理，為全球海面風場反演和海面高程測量的提供高時效微波遙感數據。關鍵詞：相控陣 GNSS-R 海洋微波遙感器 多普勒延遲映射接收機1 引言GNSS-R（Global Navigation Satellite System-Reflection）微波遙感技術是利用導航衛星L波段信號為發射源，以岸基、航空、星

2、載等平臺，接收并處理海洋、陸地或目標反射信號，實現特征要素提取或目標探測的技術。目前，GNSS-R技術是一項嶄新的海洋遙感技術，是國內外遙感和導航技術領域研究熱點之一1。美國宇航局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、英國空間中心等機構在機載應用方面，開展了大量的研究和飛行試驗。在國內，中國科學院遙感應用研究所、北京航空航天大學、中國科學院空間中心等單位于2002年起相繼開展了機載應用方面的研究。開展GNSS-R研究的最終目標是能夠實現星載觀測。英國空間中心于2003年10月發射了UK-DMC災難探測衛星，星上的GNSS-R設備只能接收GPS L1頻點信號，無法修正電離層誤差，且天線增益較低，只

3、能對海面風場進行反演，無法測量海面高度。ESA于2008年啟動了PARIS（Passive Reflectometry and Interferometry System）衛星項目，計劃于2017年發射以GNSS-R為主載荷的海面高程測量衛星2。但是在國內，尚未見到有關星載GNSS-R研究的報道。星載GNSS-R技術的難點在于：1）在軌計算鏡面反射點相關參數；2）下視天線既要有一定的增益，又要求有一定的波束寬度3。星載相控陣GNSS-R海洋微波遙感器采用相控陣天線，通過在軌鏡面反射點快速搜索，同步接收北斗和GPS兩個GNSS系統發射的直射信號和海面反射信號，完成原始信號采樣、導航定位求解、時延

4、多普勒相關功率計算等處理，可為全球海面風場反演和海面高程測量的提供高時效微波遙感數據。因此，本文對星載相控陣GNSS-R海洋微波遙感器的設計進行闡述。2 星載GNSS-R海洋微波遙感器工作原理2.1 GNSS-R技術特點GNSS-R技術與傳統遙感技術相比有如下優點34：1) GNSS是一種高精度、全天時、全天候、全球性的連續定位、導航定時的多功能系統，且具有信號免費的特點；2) 無需發射機，大大減輕了有效載荷的研制難度和成本；3) 可用的在軌衛星非常多，信號源豐富，用同一臺接收機可以探測多個衛星的反射信號，時空分辨率高；4) 系統實時性強，基本不受雨、云等天氣影響，可全天候工作；5) 能同時進

5、行海面風場探測和海面高度測量。2.2 散射信號特征GNSS衛星信號為圓極化平面波，發射的信號具有右旋極性，經海面散射后，信號強度微弱衰減并且極性翻轉，呈左旋極性。GNSS-R海面反射信號相關功率表達式如下1： （1）式中，A為幅度因子，和和分別為GNSS衛星和接收機到散射點的距離；為對應散射點處的天線增益；和分別為式GNSS衛星信號偽隨機碼自相關函數和雙基散射截面；為相干積分時間；為接收機接收到散射點相對于鏡面點散射信號的時間延遲；為接收機接收到散射點相對于鏡面點散射信號的多普勒頻率差。隨著海面起伏不同、海水介電常數不同，即海面粗糙度不同，GNSS海面散射信號散射的形式、方向和強度不同。GNS

6、S-R信號能量與海面粗糙度的關系見圖1所示。海面風越大，反射信號功率波形的峰值越低，波形后沿越平坦；反之，功率波形峰值越高，波形后沿變陡峭5。因此，以衛星導航信標為照明源的海洋遙感技術的核心就是高精度地得到海面反射信號在延遲-多普勒平面內的功率譜，海面高度、海面風場等海洋參數都可以根據該功率譜反演得到。圖1 不同海況下GNSS海面散射信號功率曲線圖2.3 GNSS-R海洋遙感探測幾何關系GNSS-R海洋遙感探測的幾何關系包含微波遙感器、GNSS導航衛星、鏡面反射點。圖2所示為GNSS-R幾何關系2。圖2 GNSS-R幾何關系圖根據圖2所示，位于G點位置的GNSS衛星，軌道高度為H，其鏡面反射點

7、為S，直射信號入射角為i；星載GNSS-R海洋微波遙感器位于P點，軌道高度為h，對地天線波束寬度（掃描角度）為， （2）為地球半徑，為遙感器星下點p，地球球心O，鏡面反射點S之間的夾角， （3）R是遙感器與鏡面反射點之間的距離， （4）直射信號由對天天線接收，其波束寬度（掃描角度）為， （5）是導航衛星與微波遙感器之間距離， （6）是鏡面反射點S與導航衛星星下點g之間的夾角， （7）其中，。LEO衛星、GNSS衛星和鏡面反射點之間的幾何關系決定了微波遙感器的測高精度、可見星區域、刈幅和空間分辨率等指標1。一方面，測高精度與入射角i有關：首先，僅考慮幾何關系時，測高誤差dh與測距誤差dp的關系為

8、，如圖3所示；其次，通過電離層的斜向路徑隨入射角增大而增加，引起電離層延遲和折射，從而導致較大的電離層殘留誤差，如圖4所示；最后，如果采用固定波束天線，天線最大增益在星下點位置，當入射角較大時，則天線增益較小。基于以上三個原因，入射角i必須小。這也從另一方面說明，在相同增益情況下，采用相控陣天線，將天線波束指向鏡面反射點，可以獲得比固定波束天線更高的接收增益。圖3 測距誤差與測高誤差關系圖 圖4 電離層誤差與入射角的關系圖表1為相同增益下固定波束天線與相控陣天線對可視性比較（衛星軌道高度假定為700km，入射角為30°）。通過比較，采用相控陣天線具有較大的可視性，因此星載GNSS-R

9、微波遙感器采用相控陣天線。表1 不同天線可視性比較實現方式波束寬度掃描范圍覆蓋范圍固定波束20°278km相控陣10°±30°863km然而，可見星區域（可見星區域等價于海面的鏡面反射點數量）和刈幅（覆蓋范圍和重訪時間）卻是隨入射角i增大而增加，如圖2所示。由公式（2）（7）可以得到不同入射角與刈幅、相控陣天線掃描角之間的關系，見表2。表2 不同入射角與刈幅、相控陣天線掃描角關系入射角i(°)h(km)H(km)R(km)R(km)(°)(°)刈幅km(°) (°)30°500202005702

10、05802.423.152927.633.870020200795204803.223.171726.535.71000202001130203204.423.197725.637.240°50020200637212703.431.176036.645.170020200884212404.631.1102535.4471000202001248211906.331.1139033.849.62.4 鏡面反射點預測作用在軌實時估算GNSS-R海洋遙感參數是星載GNSS-R技術的發展方向，也是技術難點，GNSS-R信號的快速截獲與跟蹤是實現在軌實時處理的基礎。對于星載GNSS-R系統

11、，預先確定GNSS-R信號的PRN信號、時間延遲、多普勒頻移，是實現星上GNSS-R信號快速跟蹤的關鍵。通過鏡面反射點預測計算，得到閃爍區內GNSS-R信號的時間延遲、多普勒頻移范圍，輸入到星載GNSS-R接收機中，能夠極大縮短接收機的搜索時間，實現高動態環境下的GNSS-R信號的跟蹤3。目前較成熟的鏡面反射點位置計算方法有S.C.Wu方法、改進型S.C.Wu方法、圓球方法、橢球方法等幾種。圖5所示為2小時單顆GPS衛星鏡面反射點軌跡。圖5 2小時單顆GPS衛星鏡面反射點軌跡圖上圖中，紅色曲線為LEO衛星軌跡，綠色曲線為GPS衛星軌跡，黑色曲線為鏡面反射點軌跡。2.5 鏡面反射點可視性星載GN

12、SS-R海洋微波遙感器，利用海面反射的GNSS信號進行海洋遙感，反射信號發出的前緣是鏡面反射點，因此，鏡面反射點的分布直接決定可探測海域的分布。一天中出現的可視的海洋鏡面反射點數量和分布，是衡量星載GNSS-R海洋微波遙感器探測效率的最直接標準。鏡面反射點的可視性與星載GNSS-R海洋微波遙感器的上視天線和下視天線的掃描范圍有密切關系。鏡面反射點可視條件包含以下三個方面3：1） 鏡面反射點在GNSS衛星天線波束角覆蓋范圍內；2） GNSS-R海洋微波遙感器的上視天線能夠收到GNSS衛星的直射信號，即GNSS衛星對上視天線可視，某顆GNSS衛星對上視天線可視，需要滿足兩個條件：LEO衛星不在GN

13、SS衛星地球陰影區內；GNSS衛星在上視天線的方向圖內。3） 鏡面反射點在GNSS-R海洋微波遙感器的下視天線的波束掃描覆蓋范圍內。3 系統設計3.1 系統指標GNSS信號從2萬多公里傳播到地面，其傳播時間須進行修正，主要有電離層誤差、對流層誤差，需根據相應誤差模型進行校正。因此，星載GNSS-R海洋微波遙感器工作在GPS L1、L2頻點和XX-2 B1、B2頻點，通過接收一個導航系統的兩個載波頻率來消除電離層誤差。因此，系統指標如下：1) 工作頻段Ø GPS L1頻點、L2頻點；Ø XX-2 B1頻點、B2頻點；2) 海面風場反演精度：風速2m/s，風向20°；

14、3) 海面高度測量精度：25cm。3.2 系統組成GNSS-R海洋微波遙感器由相控陣天線和多普勒延遲映射接收機組成，系統組成框圖如圖6所示。圖6 相控陣GNSS-R海洋微波遙感器系統組成框圖1) 相控陣天線相控陣天線由左旋天線陣列、右旋天線陣列和射頻前端組成，主要實現GNSS直射信號、海面反射信號的寬帶接收，完成方位、俯仰方向±30°的波束掃描。如圖7所示為左旋天線陣列與射頻前端三維結構圖。圖7 左旋相控陣天線子系統三維結構圖2) 多普勒延遲映射接收機多普勒延遲映射接收機由通道分離放大單元、相關器單元組成，通道分離放大單元將射頻前端送來的L波段寬帶直射、反射射頻信號進行通道

15、分離，將不同頻點的直射、反射信號分開，然后進行放大、下變頻、中頻濾波、AGC放大等處理后得到直射、反射信號的中頻模擬信號，輸出給相關器單元。中頻模擬信號經高速采樣后，進入多通道FPGA專用相關器進行相關處理，利用直射信號提供的信息進行導航定位求解，同時利用直射信號對反射信號進行時延多普勒相關處理，進而獲得不同時間延遲和多普勒頻移下的相關功率。DSP處理器完成直射信號的快速捕獲和跟蹤導航定位解算；完成直射和反射信號的相關通道配置控制；最后輸出相關功率和導航定位信息。相關器處理流程如圖8所示。圖8 相關器單元處理流程圖3.3 關鍵技術及實現途徑1) GNSS海面反射信號接收技術基于GNSS海面反射

16、信號的極性變化、星載高度信號強度減弱、測高精度以及對衛星數量和入射角的觀測要求，因此，相控陣天線成為研制中的關鍵技術。相控陣天線研制中需考慮增益和波束角平衡問題、天線結構和體積重量問題、以及在衛星平臺上安裝方式問題等。2) 信號捕獲與碼環控制技術信號捕獲與碼環控制技術是GNSS-R海洋微波遙感器的核心，實現通道配置、邏輯控制、碼環和載波環控制、導航定位解與時延多普勒相關功率計算功能。需研究多頻點高靈敏度信號捕獲、高精度碼跟蹤環路和載波跟蹤環路、反射信號的開環跟蹤和多通道資源優化配置等核心算法。3) GNSS海面微弱散射信號增強技術與GNSS直射信號相比，星載高度GNSS反射信號的強度大大衰減，

17、信號信噪比急劇惡化，為獲取GNSS海面反射信號的相關特性，低信噪比下的微弱散射信號增強技術成為關鍵技術。對于低信噪比信號通常采用長時間相關累加和非相關累加的方法進行處理，但對高動態、低信噪比的反射信號跟蹤帶來困難。可采用直射信號輔助的方法對反射通道信號進行開環跟蹤，并采用延后處理的方法消除載波多普勒變化和導航電文數據位對長時間累加造成的影響。4) GNSS-R信號實時相關處理技術遙感器內部時延多普勒相關功率信號實時相關處理通過多通道FPGA專用相關器實現，具備多通道并行處理、高分辨率碼相位跟蹤的邏輯功能。不僅完成接收信號與本地信號的相關運算、直射信號原始觀測量的測量等工作，還需要完成對反射通道

18、信號在不同碼相位延遲和載波多普勒下的相關值輸出，因此需要對反射信號同時在時延和多普勒兩個方向上進行相關。5) 適合星上使用的鏡面反射點快速搜索算法在軌實時估算GNSS-R海洋遙感參數是星載GNSS-R系統發展方向，也是技術難點，GNSS-R信號的快速截獲與跟蹤是實現在軌實時處理的基礎。所以，對于星載GNSS-R系統，預先確定GNSS-R信號的PRN信號、時間延遲、多普勒頻移，是實現星上GNSS-R信號快速跟蹤的關鍵。在星載計算機上進行鏡面反射點預測計算，得到閃爍區內GNSS-R信號的時間延遲、多普勒頻移范圍，能夠極大縮短接收機的搜索時間，實現高動態環境下的GNSS-R信號的跟蹤。6) GNSS

19、-R高精度海面測高技術利用海面觀測點鏡面反射信號與直射信號的時間延遲和導航定位解可以進行海面高度測量，提高海面測高精度的關鍵是解決鏡面點反射信號和反射信號分離、大氣傳播誤差等問題。解決方式是：通過接收導航衛星發射的2個頻點信號，實現電離層誤差的高精度校正；通過同衛星平臺協同載荷獲取的大氣水汽含量計算對流層濕大氣延遲校正量；利用海浪譜和前向散射模型，精確確定海面鏡面點位置。4 仿真及計算4.1 天線仿真圖9所示為天線陣列方向圖仿真結果。（軸向0º） （掃描30º）圖9 天線陣列方向圖仿真結果圖從圖9可知，在±30°的掃描范圍內，天線增益大于20dB，滿足系統指標要求。4.2 測高誤差計算測高精度與天線增益、測量碼測量碼延遲方法、電離層和對流層誤差等因素有關，在700km衛星高度，GNSS-R海洋微波遙感器測高誤差計算見表32。表3 測