基于地基GNSS掩星信号的低空大气波导监测.pdf

DOI：10.12265/j.gnss.2023046基于地基 GNSS 掩星信号的低空大气波导监测王红光，张利军，王倩南，韩杰(中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)摘要：大气波导对超短波及以上频段无线电波传播影响显著，为解决海上大气波导参数实时获取问题，提出从地基接收全球卫星导航系统(GNSS)掩星过程的接收信号中提取海上低空大气波导环境信息.采用抛物方程方法实现由大气波导参数预测地基 GNSS 掩星信号接收功率的正演模型.通过遗传算法结合正演模型、参数化的大气波导模型和目标函数，实现根据GNSS 掩星信号接收功率得到大气波导参数的反演算法.仿真模拟了标准折射、表面波导和悬空波导环境对近地面接收 GNSS 掩星信号的影响.通过试验获得不同折射环境下北斗卫星导航系统(BDS)、GLONASS、GPS 实测掩星信号，并利用实测 GNSS 掩星信号进行了低空大气波导的反演.结果表明：所采用的方法能够有效的监测反演海上低空大气波导，且具有无源被动遥感的特点.关键词：大气波导；路径损耗；抛物方程；遗传算法；掩星中图分类号：P228.4文献标志码：A文章编号：1008-9268（2023）03-0039-050引言对流层大气波导可陷获超短波及以上频段的无线电波，使其以相对低的损耗传播到视距之外.在超视距区域，大气波导传播损耗不仅低于绕射损耗，而且低于散射损耗，可能接近甚至低于自由空间传播损耗.当存在大气波导时，传播环境能够使常规视距工作的雷达、通信等无线电系统具备超视距性能.无线电系统的覆盖范围、信号强度等受大气波导环境变化的影响极为显著，系统性能评估和运行保障需要获得大气波导环境信息.因此，大气波导环境的实时监测变得非常重要，特别是大气波导环境特性的遥感反演技术.20 世纪 90 年代，国外科研人员提出了雷达杂波反演大气波导的杂波折射率(RFC)技术1-2，随后国内外研究人员在该方面开展了大量的研究3.但RFC 技术需要雷达主动发射无线电信号，且需要雷达发射机有较大的等效辐射功率.与 RFC 不同的是，利用 GNSS 信号进行大气环境探测往往只需要接收机，其中 GNSS 掩星是代表性技术之一.GNSS 掩星已发展成为对流层大气观测的重要技术手段，一般指空基 GNSS 掩星.当存在大气波导时，空基 GNSS 掩星的对流层低层大气反演精度会明显下降4-5.空基掩星反演正常的低层大气也可能受到地面反射多路径效应的影响6.大气波导经常发生在对流层低层大气，通常可以分为蒸发波导、表面波导和悬空波导.表面波导和悬空波导又可统称为低空大气波导.Wang 等7-8提出并开展了地基 GNSS掩星监测对流层大气折射率和蒸发波导的仿真反演研究.在大气波导监测反演方面，由于形成蒸发波导超视距传播的频率范围一般为 12GHz，即蒸发波导极限频率为 12GHz，从而部分蒸发波导极限频率低于 GNSS 信号工作频率，导致这部分蒸发波导难以显著影响 GNSS 信号的传播，也难以利用 GNSS 信号实现蒸发波导的反演.低空大气波导极限频率往往明显低于 GNSS 信号工作频率，容易陷获 GNSS 信号形成显著的超视距传播.因此，相对于蒸发波导，地基 GNSS 信号更适合用来监测反演低空大气波导.虽然近年来也出现了利用船舶自动识别系统(AIS)等非合作源信号监测低空大气波导的技术9，但由于GNSS 信号源具有信号质量较高、轨道固定等优点，地基 GNSS 掩星信号监测低空大气波导技术仍具有一定的优势.本文利用地基 GNSS 掩星信号进行海上低空大气波导的监测反演，给出了正演模型和反演算法，对收稿日期：2023-03-15资助项目：国家自然科学基金(42076195)通信作者：王红光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不同折射环境下地基 GNSS 掩星信号进行了仿真模型，并利用实测信号实现了低空大气波导的监测反演.1正演模型由大气波导环境参数计算地基 GNSS 信号强度的模型称为正演模型，根据地基 GNSS 信号强度获得大气波导参数称为反演模型.地基接收 GNSS 掩星信号功率用信号基底噪声比表示为C/N0=Pt+GtL+GrN0.(1)PtGtLGrN0式中：为 GNSS 星上发射功率；为发射天线增益；为路径损耗；为地面接收天线增益；为带宽1Hz 的噪声功率.路径损耗为L=32.4+20lgRss+20lg f F.(2)Rssf式中：为卫星到地面接收机的距离；为 GNSS 工作频率；F 为传播因子.大气波导环境下传播因子可以利用抛物方程计算得到：F(x,z)=20lg|u(x,z)|+10lg(R)+10lg().(3)uR式中：为抛物方程场计算结果；为抛物方程计算格点到接收机的距离；为波长.u抛物方程的场函数可以表示为：ux=ik1+1k22z21u+ik(n1)u.(4)x zkn式中：、分别表示距离和高度；为波数，为大气折射指数.抛物方程可采用离散混合傅里叶变换实现10.2反演算法在正演模型的基础上，采用遗传算法可以实现利用掩星过程 GNSS 信号反演低空大气波导，即通过实际接收 GNSS 数据和正向模拟结果比较寻优来解决，从而选择和观测数据符合最好的大气波导参数作为反演的最终结果.除正演模型和遗传算法等全局优化算法外，反演过程还需要目标函数和参数化的大气波导剖面模型.2.1 目标函数PsimPobs目标函数用于度量实测功率与仿真功率之间的符合程度，其输入为模拟功率和实测功率.这里目标函数采用最小二乘准则，如下：(m)=eTe,(5)e=Pobs PsimT,(6)T=PobsPsim.(7)PobsPsimPobsPsim式中：和分别为和的平均值.2.2 参数化的大气波导剖面模型M低空大气波导可采用三段线性波导模型的 4 参数大气波导模型，模型结果为修正折射率随高度的剖面，其数学表达式为M(z)=M0+c1zz zbc1zbMdzzbzthickzb z ztc1zbMd+c2(zzt)zt z.(8)c1c2zbzthickzt=zb+zthickMd式中：为混合层斜率；为陷获层以上大气的斜率，为非敏感参数，可取为 0.118M 单位/m；为陷获层的底高，当底高为 0m 时即为两段线性剖面模型；为反常层结的厚度；为波导强度.大气折射指数与修正大气折射率的关系如下：n=1+M106zre.(9)re式中，为地球半径.2.3 反演过程反演过程中采用的全局优化算法为遗传算法，该算法将模型参数经二进制编码后组成一个“串”，利用模拟生物遗传中染色体遗传基因的变化来改变模型参数.遗传算法从一组随机设置的初代模型参数开始，通过“选择”、“交换”和“变异”，得到下一代新的模型参数.由于遗传算法在模型空间中进行的是大范围跳跃式的搜索，搜索空间大，故适当地选择群体的大小以及选择、交换和变异的概率，就不会陷进目标函数值的局部极值，从而实现全局优化的目的.反演过程如下：Pobs1)利用地基接收机得到掩星过程中随仰角变化的接收信号强度，即得到实测的功率序列；2)根据初代模型参数和参数化的修正折射率剖面模型，计算得到一组大气波导的修正折射率剖面，以及大气折射指数；Psim3)利用正演模型和大气波导剖面，计算得到一组模拟功率；4)利用目标函数评估每个大气波导剖面对应的模拟功率和实测功率之间的量值；5)利用遗传算法根据目标函数值和当前模型参数得到下一代模型参数；6)重复步骤 3)5)，直到目标函数值或遗传代数满足要求，最小目标函数值对应的模型参数即为反演结果.3低空大气波导反演分析 3.1 正演仿真低空大气波导的发生概率、高度、强度等参数与40全 球 定 位 系 统第48卷c1=0.125zb=40zthick=60Md=10地域有关，黄海、渤海表面波导平均高度约为 100m，悬空波导平均高度约为 1000m，表面波导和悬空波导平均强度均约为 10M 单位11.利用正演模型仿真模拟不同大气折射剖面情况下的接收功率变化，输入的仿真折射率剖面如图 1 所示，其中表面波导仿真参数为、，即表面波导高度为 100m，强度为 10M 单位；仿真悬空波导高度为 500m，强度同样为 10M 单位.340360380400420修正折射率/M 单位高度/m44046048002004006008001 000表面波导悬空波导标准大气图 1 修正折射率仿真剖面分别以表面波导、悬空波导和标准大气修正折射率剖面为输入，接收机高度设为 15m，利用正演模型得到的接收功率如图 2 所示.可以看出：大气修正折射率剖面的不同对地面接收 GNSS 掩星信号存在显著影响，大气波导条件下，GNSS 信号能够以相对较高的功率强度传播到仰角为负数的超视距区域.由于接收机高度相对较低，较低的表面波导对 GNSS 信号影响更为明显，最小接收仰角小于2；相对于标准大气条件，悬空波导对 GNSS 信号也有一定的影响.2.5 2.0 1.5 1.0 0.5仰角/()00.51.01.52025303540455055接收功率/(dBHz1)表面波导悬空波导标准大气图 2 GNSS 信号接收功率仿真计算结果 3.2 实测地基掩星数据2017 年，利用中国电波传播研究所研制的地基GNSS 掩星监测低空大气波导设备，在威海成山头海边开展海上大气波导监测试验，方位区间 30180朝向海面，无明显地形地物遮挡.接收机天线离海面高度约为 15m.正常大气折射情况下，接收功率随仰角的变化如图 3 所示，图中为 11 月 8 日 BDS 被地球遮掩过程中的接收数据，最低可观测仰角约为1，方位角约为 50.21012025303540455055接收功率/(dBHz1)仰角/()卫星编号:174图 3 2017 年 11 月 8 日正常大气折射条件下的接收数据大气波导条件下地基 GNSS 掩星接收信号如图 46 所示，分别为 BDS、GLONASS 和 GPS 卫星信号.图 4 为 9 月 24 日早上 7 点 00 左右的接收数据，在 BDS 下降过程中，受到大气波导的影响，最小可观测仰角达到1.78，该掩星事件发生在方位 62；图 5所示的掩星过程发生在 10 月 9 日早 8 点 00 左右，信源为 GLONASS 导航卫星信号，同样受到大气波导的影响，最小可观测仰角低于2.5，发生在方位 69；图 6 为 GPS 掩星过程，发生在 9 月 9 日早 8 点 00 左右，最小可观测仰角约为2.结合图 2 中的模拟仿真结果，可以确认传播环境对地基 GNSS 掩星信号的变化存在明显影响，根据该信号可以进行低空大气波导的反演.21012025303540455055接收功率/(dBHz1)仰角/()卫星编号:171图 4 2017 年 9 月 24 日大气波导条件下接收 BDS 数据第3期王红光，等：基于地基 GNSS 掩星信号的低空大气波导监测4121012025303540455055仰角/()接收功率/(dBHz1)卫星编号:56图 5 2017 年 10 月 9 日大气波导条件下接收 GLONASS 数据2.5 2.0 1.5 1.0 0.500.51.01.52025303540455055接收功率/(dBHz1)仰角/()卫星编号:10图 6 2017 年 9 月 9 日大气波导条件下接收 GPS 数据 3.3 基于实测数据的反演利用 2017 年 9 月 9 日的实测掩星数据，进行大气波导反演.遗传算法种群规模：40，迭代次数：10，代沟：0.9，选择概率：0.7.反演参数结果如表 1 所示，反演的修正折射率剖面如图 7 所示.图 7 还给出了威海成山头附近荣成的气象探空剖面.反演得到的大气波导高度为 536.4m，强度为 29.3M 单位.根据气象探空得到的大气波导高度为 517.6m，强度为 36.6M 单位.反演结果与实际探空结果较为一致.根据反演剖面计算地基 GNSS 掩星信号与实测信号如图8 所示，两者变化具有一致性，表明地基 GNSS 掩星正演模型和反演方法的有效性.表 1 低空大气波导反演参数波导参数单位搜索边界反演结果最小值最大值c1M单位/m10.40.066zthickm0500434.6zbm01500101.8MdM单位05029.336037038039040041042043002004006008001 000高度/m反演剖面探空剖面修正折射率/M 单位图 7 2017 年 9 月 9 日反演剖面与探空剖面2.5 2.0 1.5 1.0 0.500.51.00.52025303540455055反演剖面预测信号实测信号接收功率/(dBHz1)仰角/()图 8 反演剖面计算信号与实测信号4结束语大气波导的有效感知是掌握和发挥海上无线电系统性能的重要条件.本文针对海上低空大气波导常规监测难度大的问题，采用地基接收海面方向 GNSS卫星掩星过程中的信号，监测反演低空大气波导的新技术.提出采用大气波导传播预测常用的抛物方程方法，实现大气波导环境参数预测地基 GNSS 掩星信号接收功率，作为正演模型，结合遗传算法参数化的大气波导模和目标函数，建立根据 GNSS 掩星信号的大气波导参数反演模型.本文利用正演模型模拟了标准折射、表面波导和悬空波导环境对地基 GNSS 掩星信号的影响，重点利用实测 BDS、GLONASS、GPS掩星信号进行了低空大气波导的反演，并与探空结果进行了比较，结果表明所采用的方法能够有效监测反演海上低空大气波导.该技术由于仅需进行 GNSS 信号接收，易于开展，能够进行海上大气的无源被动遥感，因此，具有较好的研究和推广应用价值.参考文献PAPPERTRA,PAULUSRA,TAPPERTFD,Seaechointropospheric ducting environmentsJ.Radio science,1992,27(2):189-209.DOI:10.1029/91RS02962142全 球 定 位 系 统第48卷ROGERSLT,HATTANCP,KROLIKJL.UsingradarseaechotoestimatesurfacelayerrefractivityprofilesC/IEEE1999InternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium.IGARSS99(Cat.No.99CH36293)，2002.2KARIMIAN A,YARDIM C,GERSTOFT P,et al.Refractivityestimationfromseaclutter:aninvitedreviewJ.Radio science,2011,46(6):1-16.DOI:10.1029/2011RS0048183AO C O.Effect of ducting on radio occultationmeasurements:an assessment based on high-resolutionradiosonde soundingsJ.Radio science,2007,42(2):1-15.DOI:10.1029/2006RS0034854FENGXL,XIEFQ,AOCO,etal.DuctingandbiasesofGPSradiooccultationbendingangleandrefractivityinthemoist lower troposphereJ.Journal of atmospheric andoceanictechnology,2020,37(6):1013-1025.DOI:10.1175/JTECH-D-19-0206.15BEYERLE G,HOCKE K,WICKERT J,et al.GPS radiooccultationswithCHAMP:aradioholographicanalysisofGPS signal propagation in the troposphere and surfacereflectionsJ.Journalofgeophysicalresearch:atmospheres,2002,107(24):4802.DOI:10.1029/2001JD0014026WANGHG,WUZS,KANGSF,etal.Monitoringthemarine atmospheric refractivity profiles by ground-basedGPS occultationJ.IEEE geoscience&remote sensing7letters,2013,10(4):962-965.DOI:10.1109/LGRS.2012.2227294WANGHG,WUZS,LINLK,etal.Retrievingevaporationduct heights from power of ground-based GPS occultationsignalJ.ProgressinelectromagneticsresearchM,2013(30):183-194.DOI:10.2528/PIERM130226028张利军,王红光,李建儒,等.基于AIS信号的低空大气波导监测试验分析J.电波科学学报,2023,38(1):108-113.9DOCKERY D,KUTTLER J R,An improved impedance-boundary algorithm for fourier split-step solutions of theparabolic wave equationJ.IEEE transactions on antennasandpropagation,1996,44(12):1592-1599.DOI:10.1109/8.54624510黄立峰,刘成国,姜明波,等.黄海海域低空大气波导发生概率和特征量统计分析J.电波科学学报,2022,37(6):1080-1088.11作者简介王红光(1980)，男，博士，研究员，研究方向为对流层大气波导等电波传播及其应用技术.张利军(1982)，男，硕士，高级工程师，研究方向为对流层电波传播.王倩南(1992)，女，硕士，工程师，研究方向为对流层大气波导、外辐射源信号应用技术等.Lower atmospheric duct monitoring based on ground-basedGNSS occultation signalWANGHongguang，ZHANGLijun，WANGQiannan，HANJie(China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)Abstract：Theatmosphericducthasasignificantimpactonthepropagationofultra-shortandtheaboveradio waves.In order to solve the problem of real-time acquisition of the parameters of the marineatmosphericduct,itisproposedtoextracttheenvironmentalinformationofthemarineatmosphericductfromthereceivedsignalsoftheground-basedGNSSsatelliteoccultationprocess.Theparabolicequationmethodisused to realize the forward model for predicting the received power of ground-based GNSS occultationsignalsfromductingparameters.Throughcombiningtheforwardmodel,theparameterizedatmosphericductmodelandtheobjectivefunctionwithgeneticalgorithm,theinversionalgorithmofductingparametersbasedonthereceivedpowerofGNSSoccultationsignalisrealized.Theinfluenceofstandardrefraction,surfaceduct and elevated duct on GNSS occultation signal received near the ground is simulated.Throughexperiments,themeasuredoccultationsignalsofBeidou,GLONASSandGPSunderdifferentrefractionenvironmentsareobtained,andthemeasuredGNSSoccultationsignalsareusedtoretrievethelow-altitudeatmosphericduct.Theresultsshowthattheadoptedmethodcaneffectivelymonitorandretrievethelow-altitudeatmosphericduct,whichhasthecharacteristicsofpassiveremotesensing.Keywords：atmosphericduct;pathloss;parabolicequation;geneticalgorithm;occultation第3期王红光，等：基于地基 GNSS 掩星信号的低空大气波导监测43