仇志金，胡桐，鄒靖，李志乾，王波

( 1. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)海洋儀器儀表研究所, 山東 青島 266061；2. 山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266061；3. 國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心, 山東 青島 266061 )

0 引 言

海面蒸發(fā)波導(dǎo)參數(shù)的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)是船載無(wú)線電氣象系統(tǒng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景[1-2]. 目前，普遍采用建立在海上大氣邊界層相似理論基礎(chǔ)上的塊體參數(shù)化方法(Bulk aerodynamical method)獲取近海面大氣折射率廓線. 船載氣象要素傳感器的測(cè)量高度是塊體參數(shù)化方法的必要參數(shù). 由于船舶吃水深度往往隨船舶載重量、海況和航速航向等因素動(dòng)態(tài)變化，安裝于船體上層建筑的氣象要素傳感器距水面高度隨之發(fā)生改變[3].氣象要素傳感器距水面高度的系統(tǒng)偏差直接影響蒸發(fā)波導(dǎo)高度監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性[4].

用于獲取氣象要素傳感器距水面高度的非接觸式測(cè)距方法主要包括圖像分析測(cè)量、激光測(cè)量、聲學(xué)測(cè)量等. 圖像分析測(cè)量利用船載光學(xué)攝像機(jī)采集吃水線多幀圖像，通過(guò)數(shù)字圖像處理?yè)Q算距離，測(cè)量結(jié)果受天氣條件和能見(jiàn)度影響較大[5]. 激光測(cè)量利用激光方向性和相干性好的特點(diǎn)，通過(guò)單機(jī)多點(diǎn)或多機(jī)光幕測(cè)量反射光信號(hào)時(shí)延、相位等特征，測(cè)量精度高，但設(shè)備成本高且受海上高溫、高濕、高鹽環(huán)境影響較大[6].聲學(xué)測(cè)量基于回聲測(cè)距原理，通過(guò)測(cè)量回波信號(hào)時(shí)延、角度計(jì)算距離，在海上受波浪破碎飛濺以及雨水的影響較大[7]. 以上測(cè)距方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，因此需要根據(jù)實(shí)際安裝環(huán)境、應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)備安裝維護(hù)成本綜合選擇適宜的測(cè)量方法與儀器設(shè)備.

目前，船舶普遍安裝有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS).GNSS在船舶自主導(dǎo)航、進(jìn)港引水、航路監(jiān)管等方面發(fā)揮著重要作用. GNSS系統(tǒng)主要包括美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo、我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)，已有100多顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行. 由于導(dǎo)航衛(wèi)星使用的L頻段微波信號(hào)對(duì)雨雪天氣不敏感，具有信號(hào)覆蓋廣、全天候的特點(diǎn)，近年來(lái)利用GNSS信號(hào)監(jiān)測(cè)大氣水汽分布[8]、建筑物結(jié)構(gòu)變形[9]、陸面積雪厚度與土壤濕度[10]、海表有效波高[11]等應(yīng)用場(chǎng)景逐漸增多[12]. 本文利用船載GNSS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，觀測(cè)信號(hào)載噪比(CNR)時(shí)間序列，分析衛(wèi)星直射信號(hào)與水面反射信號(hào)相干性，反演天線相位中心距水面高度，根據(jù)氣象要素傳感器與GNSS天線之間的幾何關(guān)系換算氣象要素傳感器距水面高度，簡(jiǎn)化安裝維護(hù)專用測(cè)距設(shè)備引入的系統(tǒng)復(fù)雜度.

1 反演方法

水面是良好的GNSS信號(hào)反射面. GNSS反射信號(hào)在接收端常被視為多路徑干擾，采用抗多徑天線和基帶信號(hào)處理算法進(jìn)行抑制. 為提高接收信號(hào)強(qiáng)度，船載GNSS天線一般安裝于桅桿或艦橋頂部開(kāi)闊區(qū)域. GNSS接收機(jī)接收的衛(wèi)星直射信號(hào)不可避免地受到水面反射信號(hào)的影響. GNSS信號(hào)經(jīng)水面反射后，極化形式由右旋圓極化變?yōu)樽笮龍A極化，反射信號(hào)相位和幅值的變化承載著反射表面粗糙度等物理特征[13].對(duì)于GNSS接收機(jī)跟蹤的某顆衛(wèi)星而言，GNSS接收機(jī)接收的是其直射信號(hào)與水面反射信號(hào)的疊加信號(hào).隨衛(wèi)星仰角的持續(xù)增大或減小，直射信號(hào)與反射信號(hào)的相干性體現(xiàn)為接收信號(hào)CNR的波動(dòng)特性，如圖1所示.

圖1 GNSS信號(hào)路徑與CNR相干性

GNSS接收信號(hào)CNR，記作C/N0. 包括由直射信號(hào)造成的趨勢(shì)項(xiàng)，以及由直射信號(hào)與反射信號(hào)相干性造成的波動(dòng)項(xiàng)[14]，即

式中：t為觀測(cè)時(shí)刻；e(t) 為t時(shí)刻衛(wèi)星仰角；C/N0(e(t))為對(duì)應(yīng)不同仰角的CNR時(shí)間序列；tC/N0(e(t)) 為CNR時(shí)間序列中由直射信號(hào)造成的趨勢(shì)項(xiàng)，一般采用二階或三階多項(xiàng)式表示；dC/N0(e(t)) 為CNR序列中由直射信號(hào)與反射信號(hào)相干性造成的波動(dòng)項(xiàng)；Am(e(t)) 為波動(dòng)項(xiàng)振幅；f為直射信號(hào)與反射信號(hào)的相干頻率；Φ為直射信號(hào)與反射信號(hào)的相位偏移.

船載GNSS接收機(jī)捕獲并跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，隨衛(wèi)星仰角的升高或降低，C/N0(e(t)) 觀測(cè)時(shí)間序列大致呈拋物線型. 采用二階多項(xiàng)式擬合可從C/N0(e(t)) 觀測(cè)時(shí)間序列中去除衛(wèi)星直射信號(hào)造成的趨勢(shì)項(xiàng)tC/N0(e(t)) .C/N0(e(t)) 與tC/N0(e(t)) 的 殘 差即dC/N0(e(t)) . 直 射 信號(hào)與反射信號(hào)相干性造成的dC/N0(e(t)) 波動(dòng)頻率為

式中：Hantenna為GNSS天線相位中心距離反射面的垂直高度； λ 為衛(wèi)星信號(hào)載波波長(zhǎng). 對(duì)dC/N0(e(t)) 作頻譜分析可求出頻率f. 由于e(t) 并非等間隔采樣，即低仰角衛(wèi)星的仰角變化速率小于高仰角衛(wèi)星的仰角變化速率，通常采用 Lomb Scargle周期譜分析方法(簡(jiǎn)稱LSP分析)從給定仰角范圍的一段dC/N0(e(t)) 觀測(cè)時(shí)間序列中提取頻率f，計(jì)算GNSS天線相位中心到反射面的垂直距離Hantenna.

GNSS天線相位中心與船載氣象要素傳感器垂直高度差值Hoffset為已知量. 利用圖2所示幾何關(guān)系，船載氣象要素傳感器距水面高度Hsensor可表示為

圖2 反演變量幾何關(guān)系

式中： ΔHdyn為受風(fēng)、浪、流影響，船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的GNSS天線相位中心在垂直方向的位移； ΔHdyn主要包括船體縱橫搖造成的位移分量 ΔHatt和船體升沉造成的位移分量 ΔHheave. 前者由慣性測(cè)量單元(IMU)測(cè)量船體縱橫搖角度，通過(guò)歐拉角旋轉(zhuǎn)獲得；后者通過(guò)IMU或GNSS進(jìn)行測(cè)量.

船舶航行過(guò)程中，船載氣象要素傳感器距水面高度均值隨船舶載荷、燃油消耗以及水體密度的變化而變化. 上述反演算法的計(jì)算過(guò)程隨觀測(cè)衛(wèi)星列表的更新而不斷迭代.

2 躉船實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述船載氣象要素傳感器距水面高度反演方法的有效性，于2019-06-02—2019-07-30在山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所海洋實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行了躉船實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)期間，僅采集GPS單系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)CNR時(shí)間序列.

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

躉船實(shí)驗(yàn)平臺(tái)位于青島市西部海濱，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)長(zhǎng)42 m，寬19 m，建有三層結(jié)構(gòu)用于模擬船舶上層建筑，如圖3所示. GNSS天線安裝于桅桿頂部，距設(shè)計(jì)水線所在平面的垂直高度Hantenna為14.9 m. GNSS接收機(jī)安裝于最上層艙室內(nèi)，采用串口連接工控機(jī).工控機(jī)采集、處理并存儲(chǔ)GPS衛(wèi)星L1單頻CNR時(shí)間序列，通過(guò)反演程序計(jì)算GNSS天線相位中心距水面垂直高度Hantenna. 實(shí)驗(yàn)期間在桅桿橫桁安裝超聲測(cè)風(fēng)傳感器，同步采集海表風(fēng)速數(shù)據(jù). GNSS接收機(jī)與超聲測(cè)風(fēng)傳感器的采樣頻率均為1 Hz.

相對(duì)于實(shí)船平臺(tái)，躉船平臺(tái)縱橫搖與升沉造成的GNSS天線相位中心距水面的垂直位移 ΔHdyn基本可以忽略，式(3)可簡(jiǎn)化為

因Hoffset已知，圖3為本次實(shí)驗(yàn)采用直接量化Hantenna與Hantenna偏差的方式對(duì)本文提出的反演方法有效性進(jìn)行驗(yàn)證.

圖3 躉船實(shí)驗(yàn)概況

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

工控機(jī)接收GNSS接收機(jī)發(fā)送的NMEA標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)，由$GPGSV語(yǔ)句提取當(dāng)前可見(jiàn)衛(wèi)星信號(hào)CNR. 本實(shí)驗(yàn)使用的GNSS接收機(jī)輸出的NMEA標(biāo)準(zhǔn)格式中，CNR分辨率為0.25 dB-Hz. 為了提高反演dC/N0波動(dòng)曲線頻率的準(zhǔn)確性，在工控機(jī)端使用RTKLIB以二進(jìn)制格式接收GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)流，將CNR分辨率提高至0.1 dB-Hz，然后以NMEA標(biāo)準(zhǔn)格式輸出并存儲(chǔ).

反演程序接收RTKLIB輸出的NMEA標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)，更新當(dāng)前可見(jiàn)衛(wèi)星列表及其CNR時(shí)間序列. 當(dāng)新的可見(jiàn)衛(wèi)星加入列表后開(kāi)始記錄CNR；當(dāng)某顆可見(jiàn)衛(wèi)星的仰角達(dá)到極大值或該衛(wèi)星退出列表后觸發(fā)LSP分析，解算GNSS天線相位中心距水面垂直高度Hantenna.

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)周圍(方位角為0°～120°)矗立有若干高層建筑會(huì)阻礙低仰角衛(wèi)星信號(hào)的正常接收，為確保GNSS天線接收低仰角反射信號(hào)的鏡面反射點(diǎn)位于水面，選擇方位角為120°～360°的CNR觀測(cè)數(shù)據(jù). 其中，方位角300°～360°岸邊環(huán)境無(wú)高層建筑遮擋，故未在以方位角篩選觀測(cè)數(shù)據(jù)的步驟中予以剔除. 對(duì)CNR觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，以45°間隔將方位角劃分為不同象限，然后將衛(wèi)星仰角增大或減小過(guò)程處于同一象限內(nèi)的CNR觀測(cè)數(shù)據(jù)加入LSP分析隊(duì)列. 可見(jiàn)衛(wèi)星仰角越低，直射信號(hào)與反射信號(hào)的相干性越顯著，選擇LSP分析隊(duì)列中衛(wèi)星仰角在0°～25°的CNR觀測(cè)時(shí)間序列進(jìn)行反演. 解算GNSS天線相位中心距水面高度Hantenna. 圖4為實(shí)驗(yàn)期間某顆衛(wèi)星CNR觀測(cè)時(shí)間序列及Hantenna反演結(jié)果實(shí)例. 圖4(a)中，tC/N0為三階多項(xiàng)式擬合得到的趨勢(shì)項(xiàng)，dC/N0為去趨勢(shì)項(xiàng)后得到的波動(dòng)項(xiàng). 其中，dC/N0時(shí)間序列中仍可見(jiàn)微弱慢變趨勢(shì)，即高階tC/N0殘差. 造成tC/N0在一定時(shí)間內(nèi)存在起伏的原因涉及衛(wèi)星端與接收機(jī)端的信號(hào)處理，以及GNSS信號(hào)在電離層與對(duì)流層傳播過(guò)程中的環(huán)境影響，提高多項(xiàng)式階數(shù)有助于降低tC/N0殘差.但是，考慮到時(shí)域上頻率較低的慢變趨勢(shì)對(duì)頻域上利用譜分析提取直射與反射信號(hào)相干頻率的影響幾乎可以忽略，故本文在去趨勢(shì)項(xiàng)過(guò)程中僅采用三階多項(xiàng)式擬合進(jìn)行處理.

圖4 衛(wèi)星CNR反演 Hantenna 示例

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 有效反演次數(shù)統(tǒng)計(jì)

將經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)控后反演獲得GNSS天線相位中心到水面垂直距離Hantenna作為一次有效反演，以6 h時(shí)間窗口統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量和有效反演次數(shù)，結(jié)果如圖5所示. 實(shí)驗(yàn)期間，可見(jiàn)GPS衛(wèi)星數(shù)量較為穩(wěn)定，6 h時(shí)間窗口內(nèi)均值大于19顆. 由于數(shù)據(jù)質(zhì)控濾除了上升與下降過(guò)程跨越不同方位角區(qū)域的GPS衛(wèi)星CNR觀測(cè)數(shù)據(jù)，在一定程度上降低了有效反演次數(shù)，6 h時(shí)間窗口內(nèi)均值為9.7次. 在本實(shí)驗(yàn)使用的數(shù)據(jù)質(zhì)控條件下，每小時(shí)至少能進(jìn)行一次有效反演，同時(shí)觀測(cè)GNSS多系統(tǒng)衛(wèi)星CNR將增加有效反演次數(shù).

圖5 可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量及有效反演次數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.3.2 海況對(duì)Hantenna反演高度偏差的影響

利用實(shí)驗(yàn)期間同步采集的海表風(fēng)速數(shù)據(jù)劃分海況，分析海況對(duì)Hantenna反演高度偏差的影響，結(jié)果如圖6所示. 實(shí)驗(yàn)期間4級(jí)、5級(jí)海況對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)量較少. 各級(jí)海況條件下Hantenna反演結(jié)果最大偏差分別為0.17 m、0.21 m、0.21 m、0.22 m、0.12 m，對(duì)應(yīng)Hantenna反演結(jié)果中位數(shù)在14.95～14.97 m. 由統(tǒng)計(jì)結(jié)果的整體趨勢(shì)可見(jiàn)，5級(jí)及以下海況條件下，利用GNSS CNR反演Hantenna的方法受海況影響較小.

圖6 海況對(duì) Hantenna 反演高度的影響

2.3.3Hantenna反演高度時(shí)均變化

對(duì)實(shí)驗(yàn)期間Hantenna反演結(jié)果以1 h時(shí)間窗口進(jìn)行滑動(dòng)平均，結(jié)果如圖7所示. 滑動(dòng)平均后，Hantenna反演高度均值為14.96 m，與Hantenna設(shè)計(jì)高度的偏差為4‰；最大值15.02 m，偏差8‰；最小值14.82 m，偏差5‰.以海上蒸發(fā)波導(dǎo)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)應(yīng)用為例，Hantenna反演高度偏差遠(yuǎn)小于蒸發(fā)波導(dǎo)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)模型輸出的蒸發(fā)波導(dǎo)高度偏差，因此根據(jù)GNSS天線與船上氣象要素傳感器的垂直高度差值Hoffset獲取船載氣象要素傳感器距水面高度是可行的.

圖7Hantenna 反演高度時(shí)均變化

3 結(jié) 論

船載氣象要素傳感器測(cè)量高度是海面蒸發(fā)波導(dǎo)等無(wú)線電氣象參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要輸入?yún)?shù). 利用船舶GNSS設(shè)備觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)CNR，反演船載氣象要素傳感器距水面高度. 該方法無(wú)需安裝其他外部測(cè)距設(shè)備，避免了定期清理維護(hù)測(cè)距傳感器可能產(chǎn)生的若干問(wèn)題. 躉船實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明該方法能夠有效反演船舶GNSS天線距水面高度并用于換算氣象要素傳感器距水面高度. 受衛(wèi)星水面反射信號(hào)的鏡面反射點(diǎn)與船體的距離限制，該方法更適用于開(kāi)闊水域. 本文僅采用躉船實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程忽略了船體縱橫搖及升沉對(duì)傳感器測(cè)量高度的影響，后期將設(shè)計(jì)實(shí)船實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)該方法在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的實(shí)際效果進(jìn)行驗(yàn)證.