استفاده از بازتاب سنجی فاز GNSS در Haleakalā Maui

سیگنال‌های سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) که در ابتدا برای کاربردهای ناوبری و زمان‌بندی توسعه یافته بودند، اکنون معمولاً برای کاربردهای سنجش از دور ژئوفیزیکی، از جمله مشاهده سطح و جو زمین با استفاده از ایستگاه‌های زمینی نزدیک سطح دریا و همچنین سکوهای بالای کوه، هوابرد و فضابرد استفاده می‌شوند. . بازتاب سنجی GNSS (به اختصار GNSS-R)، که تکنیک استفاده از سیگنال های بازتابی برای اندازه گیری ویژگی های سطح زمین است، یک حوزه تحقیقاتی و کاربردی در حال رشد برای سنجش از دور GNSS بوده است.

 نکته قابل توجه، ماموریت ماهواره‌ای Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS) نقشه‌های تاخیری داپلر (DDM) را تولید می‌کند که برای نظارت بر سرعت باد سطح اقیانوس در طول طوفان‌ها استفاده می‌شود. در همین حال، GNSS-R زمینی و هوابرد برای نظارت بر رطوبت خاک، عمق برف و رشد پوشش گیاهی استفاده شده است.

 یکی از حوزه‌های مورد علاقه، بازتاب‌سنجی دقیق با استفاده از اندازه‌گیری‌های فاز حامل سیگنال است. اولین تلاش برای انجام ارتفاع‌سنجی دقیق (فاز) بر روی یخ دریا با استفاده از اندازه‌گیری‌های بازتاب سنجی GPS از TechDemoSat-1 در مدار پایین زمین توسط محققان در سال 2017 گزارش شد. متعاقبا، محققان استفاده از بازتاب‌های جمع‌آوری‌شده توسط یک ماهواره Spire را برای انجام ارتفاع‌سنجی بر روی زمین نشان دادند.

خلیج هادسون و دریای جاوا و نحوه استفاده از بازتاب یخ در نواحی قطبی برای اندازه‌گیری محتوای کل الکترون یونوسفر روی کلاهک‌های قطبی. در حالی که این تظاهرات GNSS-R برای بازتاب سنجی مبتنی بر فاز حامل دقیق امیدوارکننده است، کار بیشتری باید انجام شود تا مشخص شود که ارتفاع سنجی مبتنی بر حامل چه زمانی امکان پذیر است و با چه چالش هایی مواجه است.

برای مطالعه چالش‌های مرتبط با پردازش سیگنال‌های اختفای رادیویی منعکس‌شده و با زاویه ارتفاع پایین، آزمایشگاه ناوبری و حسگر ماهواره‌ای بولدر دانشگاه کلرادو (CU) یک سایت جمع‌آوری داده‌های GNSS را در بالای کوه هالیکالا در جزیره مستقر کرده است. مائوئی ، هاوایی کمپین‌های مجموعه اخیر با هدف استفاده از این سایت به عنوان یک بستر آزمایشی برای الگوریتم‌های GNSS-R که از اندازه‌گیری‌های چند فرکانس و چند قطبی استفاده می‌کنند. 

پیش از این، ما پردازش نقشه تاخیری را برای قطبش های دایره ای چپ (LHC) و دایره ای راست (RHC) برای سیگنال های GPS L1 و L2 انجام دادیم. این نتایج روش شناسی پردازش حلقه باز را تأیید می کند و یک ارزیابی اولیه از کیفیت داده ها را ارائه می دهد. مشاهده کردیم که سیگنال‌های منعکس‌شده دریافتی، محو شدن عمیق و سریع دامنه را نشان می‌دهند. در کار گزارش‌شده در این مقاله، ارزیابی خود را به سیگنال‌های GPS با فرکانس سه‌گانه (L1CA، L2C، L5Q) گسترش می‌دهیم و روش‌شناسی خود را برای استخراج فاز حامل سیگنال مستند می‌کنیم. 

نتایج اولیه ما نشان می‌دهد که استخراج فاز سیگنال منسجم چالش برانگیز است و ممکن است برای این تنظیم آزمایشی خاص امکان‌پذیر نباشد. ما در مورد روش‌هایی بحث می‌کنیم که در آن آزمایش ممکن است برای به دست آوردن بازتاب‌های سطح اقیانوس منسجم در آینده بهبود یابد.

پیشینه آزمایش

شکل کنونی آزمایش CU SeNSe Lab Mount Haleakalā GNSS در ژوئن 2020 به کار گرفته شد. این آزمایش از یک آنتن شیپوری با قطبش دو طرفه تشکیل شده است که در پانل سمت چپ شکل 1 به همراه یک آنتن مرجع رو به اوج نشان داده شده است . . سیگنال‌های باند پهن افقی و عمودی پلاریزه شده از آنتن شاخ به سخت‌افزار جلویی وارد می‌شوند و با استفاده از ترکیب‌کننده‌های فاز 90 درجه ترکیب می‌شوند تا سیگنال‌های پلاریزه LHC و RHC را تشکیل دهند که سپس توسط مجموعه‌ای از تجهیزات جانبی رادیویی نرم‌افزار جهانی Ettus ضبط می‌شوند. (USRPs). در همین حال، سیگنال آنتن مرجع به گیرنده Sepentrio PolaRxS ارسال می شود . 

پانل سمت راست در شکل 1 تنظیمات سیستم را نشان می دهد. توجه داشته باشید که نوسان ساز کریستالی کنترل شده توسط اجاق Sepentrio برای هدایت USRP ها استفاده می شود. این به ما اجازه می دهد تا از خروجی های Sepentrio برای تخمین تغییرات ساعت گیرنده استفاده کنیم و از آنها در جزء ساعت گیرنده مدل های حلقه باز خود استفاده کنیم که در زیر به آن می پردازیم.

هر USRP می‌تواند تا چهار سیگنال را در دو فرکانس مخلوط کردن مختلف ضبط کند که امکان ضبط سیگنال‌های پلاریزه RHC و LHC را در حداکثر چهار باند مختلف فراهم می‌کند. اولین USRP باندهای L1 و L2 را با فرکانس مرکزی به ترتیب در 1575.42 و 1227.6 مگاهرتز در پهنای باند 5 مگاهرتز ضبط می کند. USRP دوم باندهای L5 و E6/B3 را در فرکانس‌های مرکزی 1176.45 و 1271.25 مگاهرتز و در پهنای باند 20 مگاهرتز ضبط می‌کند.

 جدول 1 شناسه های هر کانال دریافتی را به همراه باند مربوطه، قطبش و نرخ نمونه برداری فهرست می کند. توجه داشته باشید که سیگنال‌های ضبط‌شده که باند E6 را پوشش می‌دهند، سیگنال‌های BeiDou B3 را نیز دریافت می‌کنند، اما ما در این مقاله تحلیل خود را به سیگنال‌های GPS L1، L2 و L5 محدود می‌کنیم. نمونه های این USRP ها به همراه خروجی Sepentrio Binary Format (SBF) گیرنده PolaRxS روی دیسک نوشته می شوند.

از ژوئن 2021، مجموعه‌های دوره‌ای به مدت حدوداً یک ساعت در یک زمان گرفته شد، که تقریباً مدت زمانی است که برای عبور یک ماهواره GPS از زاویه ارتفاع 0 درجه به یکی از بیش از 20 درجه طول می‌کشد. زمان‌های جمع‌آوری برای هدف قرار دادن گذرگاه‌های ماهواره‌ای تنظیم شد که نقطه انعکاس آن‌ها از محدوده آزیموتال آنتن شاخ، که تقریباً رو به جنوب است و دارای عرض پرتو حدود 60 درجه است، عبور می‌کند.

 شکل 2 مجموعه داده های موجود را از ماه اول مجموعه ها خلاصه می کند. سمت راست ترین پانل های شکل 3 نمونه هایی از مسیر کاوشگر GPS PRN 6 را نشان می دهد که در 13 ژوئن 2022 در افق در حدود ساعت 12:00-13:00 UT قرار می گیرد. این مسیری است که ما در این کار روی آن تمرکز می‌کنیم، زیرا PRN 6 سیگنال‌های L1CA، L2C و L5 را منتقل می‌کند و به طور مداوم یک نقطه خاص در منطقه مورد علاقه ما دارد.

روش

روش پردازش ما برای ردیابی حلقه باز سیگنال‌های GNSS منعکس‌شده بر اساس کار قبلی ما است که در آن ما DDM و نقشه‌های تاخیر اندازه‌گیری نسبت سیگنال به نویز (SNR) برای فرکانس‌های سیگنال چندگانه و قطبش‌های دریافتی تولید کردیم.

مدل شبه رنگ. ما با تولید مدلی از شبه برای سیگنال مستقیم و منعکس شده شروع می کنیم. مدل فقط باید تا سطح تراشه دقیق باشد، زیرا ما بین چندین تراشه تاخیر برای سیگنال های دریافتی همبستگی داریم. تنظیم یک نیاز دلخواه دقت 0.5 تراشه (معادل تاخیر در حدود 150 متر برای L1CA/L2C یا 15 متر برای سیگنال های L5)، به ما اجازه می دهد تا تاخیرهای مسیر از یونوسفر و تروپوسفر را نادیده بگیریم، که فقط باید چندین مورد را به حساب آورد.

متر تاخیر مدل دارای سه عبارت است که ما نسبت به زمان سیستم GPS (GPST) تخمین می زنیم: خطای ساعت گیرنده، خطای ساعت فرستنده ماهواره و محدوده هندسی.

 ما از موقعیت بررسی شده آنتن بوق همراه با محصولات مدار و ساعت دقیق سرویس بین المللی GNSS برای خطای ساعت و موقعیت فرستنده استفاده می کنیم. اینها به ما اجازه می دهند تا خطای ساعت فرستنده و تاخیر مسیر را برای سیگنال مستقیم محاسبه کنیم. تأخیر مسیر سیگنال منعکس شده را می توان با محاسبه نقطه انعکاس چشمی در بیضی WGS84 و افزودن فواصل فرستنده به نقطه چشمی و نقطه چشمی به گیرنده پیدا کرد.

 مدت باقی مانده برای تخمین خطای ساعت گیرنده است. به یاد بیاورید که USRP های ما توسط نوسانگر داخلی Sepentrio هدایت می شوند. بنابراین، خطای ساعت در اندازه‌گیری‌های Sepentrio با تغییرات در نوسانگر مرجع برای USRPs همراه است. 

ما از یک تکنیک کاهش روند ژئودتیکی برای تخمین این تغییرات ساعت و اعمال آنها در مدل شبه رنگ خود استفاده می کنیم. برای ساختن خطای ساعت کامل گیرنده، با ردیابی یک دقیقه از یک ماهواره قوی با زاویه ارتفاع متوسط ​​و رمزگشایی اطلاعات زمان‌بندی آن، تراز زمانی نمونه‌ها را در نزدیکی ابتدای مجموعه‌ها به GPST تخمین می‌زنیم. این یک تخمین از GPST را در ابتدای فایل به ما می دهد، که می توانیم از آن برای ایجاد یک تخمین کامل از GPST در هر نمونه موجود در فایل استفاده کنیم. همچنین، با توجه به مدل شبه ما، می‌توانیم فاز کد دریافتی و فرکانس داپلر را پیدا کنیم.

همبستگی سیگنال با استفاده از فاز کد ایجاد شده و مدل‌های داپلر، همبستگی‌هایی را برای سیگنال‌های بازتابی و مستقیم ایجاد می‌کنیم. ما یک سیگنال مرجع را در هر بازه 1 میلی‌ثانیه‌ای به هم مرتبط می‌کنیم، و برای اهداف بررسی سلامت عقل، همبستگی‌های بیش از 3 تراشه را در فاصله 0.5 تراشه محاسبه می‌کنیم.

 این منجر به خروجی های همبستگی درون فازی و مربعی (I/Q) در هر 1 میلی ثانیه می شود. پانل های سمت چپ در شکل 3 نمونه هایی از سیگنال های منعکس شده پردازش شده برای سیگنال های قطبش RHC و LHC L1CA، L2C و L5Q از PRN 6 در 13 ژوئن 2021، ساعت 12:00-13:00 UT را نشان می دهند.

 توجه داشته باشید که با تنظیم ماهواره، در حدود 4 درجه زاویه ارتفاع، سیگنال های منعکس شده با سیگنال مستقیم قوی تر در سیگنال های L1 و L2 ادغام می شوند. این اتفاق بعداً در L5 به دلیل پهنای باند بالاتر آن رخ می دهد. ما از تراشه 0.0 برای به دست آوردن خروجی های I/Q برای پردازش فاز حامل برای L1 و L2 استفاده می کنیم. برای L5، ما از تراشه 0.0، -0.5، یا -1.0 استفاده می کنیم تا عدم تطابق مدل را در انتهای فایل محاسبه کنیم.

محو شدن سیگنال و مدل اقیانوسی WW3. هدف نهایی آزمایش بازتاب سنجی Haleakalā مقایسه ویژگی های سیگنال های بازتابی پردازش شده با پارامترهای سطح اقیانوس در نزدیکی نقطه چشمی و منطقه درخشان است. برای این منظور، ما داده‌هایی را از مدل WaveWatcher 3 (WW3) منطقه‌ای هاوایی ترکیب کرده‌ایم. این مدل اطلاعاتی در مورد ارتفاع موج، جهت و دوره به دلیل باد و تورم خروجی می دهد و وضوحی در حدود 5 کیلومتر دارد. داده های این مدل در قالب NetCDF از چندین سرویس وب در دسترس است. 

پانل سمت راست شکل 3 خطوط ارتفاع موج قابل توجه باد و موج را در منطقه هالیکالا جنوبی نشان می دهد. در همین حال، توجه داشته باشید که سیگنال های بازتاب شده (پانل های سمت چپ) تغییرپذیری بالایی در توان دریافتی در طول مدت زمان مجموعه نشان می دهند. در حالی که امیدوار بودیم بتوانیم فوراً همبستگی بین این پارامترهای موج و نوسانات توان را مشاهده کنیم، واضح است که برای از بین بردن چنین سیگنالی به پردازش بیشتری نیاز داریم، و تغییر هندسه ماهواره احتمالاً مشاهده و تأیید آن را دشوار خواهد کرد. 

با این حال، نتایج ما در پایان این مقاله نشان خواهد داد که احتمالاً بین پارامترهای محو شدن و باد همبستگی وجود دارد، اگرچه تا چه حد ناشناخته است. در نهایت، توجه داشته باشید که قطبش های LHC (RX6، RX8، RX2) سیگنال های بازتابی بسیار قوی تری نسبت به قطبش های RHC نشان می دهند. از آنجایی که ما علاقه مند به پردازش فاز برای سیگنال های بازتابی هستیم، ما به طور انحصاری در مورد استفاده از سیگنال های پلاریزاسیون LHC در ادامه این مقاله گزارش می دهیم.

پردازش فاز حامل. پس از انجام همبستگی‌ها، همبستگی‌های I/Q را برای سیگنال‌های مستقیم و منعکس‌شده می‌گیریم و آنها را پردازش می‌کنیم تا فاز سیگنال بازتاب‌شده پاک‌شده را بازیابی کنیم. اولین سری از مراحل در این فرآیند شامل پردازش سیگنال مستقیم برای تعیین تراز نماد ناوبری / پوشش و تخمین هرگونه نوسانات فاز باقیمانده است که بیشتر به دلیل نوسانات ساعت گیرنده مدل نشده است. شکل 4 این فرآیند را برای سیگنال L1CA نشان می دهد. همبستگی های خام I/Q در پانل بالایی نشان داده شده است.

 برای این موارد، ما یک حلقه قفل فاز Costas (PLL) برای ردیابی نوسانات فاز باقیمانده بدون حساس بودن به انتقال نمادهای ناوبری / پوشش اعمال می کنیم. در مرحله بعد، این نوسانات فاز باقیمانده را حذف می کنیم تا مقادیر I/Q کاهش یافته را بدست آوریم.

همانطور که در پانل دوم نشان داده شده است، این مولفه های مربعی مقادیر I/Q کاهش یافته در مرکز صفر هستند در حالی که مولفه درون فاز اکنون بیت های داده / نمادهای همپوشانی را نشان می دهد. ما از مقادیر I/Q کاهش یافته برای تخمین توالی بیت های ناوبری در سیگنال های L1CA و L2C استفاده می کنیم.

 به همین ترتیب، تراز توالی همپوشانی نویمان-هافمن را برای سیگنال L5 تخمین می زنیم. در نهایت، بیت‌های داده تخمینی یا توالی همپوشانی را برای تأیید رویه پاک می‌کنیم. نتایج پاک کردن بیت های ناوبری تخمین زده شده برای سیگنال L1CA در پانل سوم شکل 4 نشان داده شده است.

پس از به دست آوردن نوسانات فاز باقیمانده و نمادهای ناوبری / همپوشانی برای سیگنال مستقیم، در مرحله بعدی آنها را برای تمیز کردن سیگنال منعکس شده اعمال می کنیم. به طور خاص، ما نوسانات فاز باقیمانده را از مقادیر I/Q سیگنال منعکس شده خام حذف می‌کنیم و سپس بیت‌های ناوبری یا کد پوشش مربوطه را پاک می‌کنیم. 

شکل 5 نمونه ای از داده های I/Q منعکس شده را قبل و بعد از این روش نشان می دهد. بیت های ناوبری به وضوح حذف می شوند، اما سیگنال بازتاب شده همچنان نوسانات نسبتاً قابل توجهی را در مقادیر I/Q پاک شده نشان می دهد. از این مقادیر است که امیدواریم فاز سیگنال منعکس شده باقیمانده را استخراج کنیم.

در شرایط منسجم، فاز داده‌های I/Q منعکس‌شده تمیز باید فقط شامل اثرات مدل‌نشده، از جمله هرگونه نشانه تغییر ارتفاع سطح اقیانوس باشد. با این حال، اثر چند مسیری به دلیل سطح ناهموار اقیانوس باعث نوساناتی در دامنه و فاز سیگنال دریافتی می‌شود و همچنین می‌تواند باعث لغزش چرخه در هنگام باز کردن فاز شود.

 برای فیلتر کردن این لغزش‌های چرخه، ما روش همزمان لغزش سیکل و فیلتر نویز (SCANF) خود را اعمال می‌کنیم، که در اصل فقط یک PLL فیلتر کالمن با یک مرحله اضافی است که سعی در تخمین و حذف لغزش‌های چرخه دارد. 

شکل‌های بخش بعدی نتایج اعمال کل این رویه را برای سیگنال‌های منعکس شده نشان می‌دهد. خطوط سیاه و آبی فاز قبل و بعد از اعمال SCANF را نشان می دهد. سیگنال منعکس شده I/Q SNR نیز برای مرجع گنجانده شده است. توجه داشته باشید که چگونه پرش ها در خط سیاه با SNR محو می شوند و خط آبی به طور موثر روند فاز خط سیاه را بدون این پرش ها بازسازی می کند. این شواهد کیفی خوبی است که نشان می دهد الگوریتم SCANF موثر بوده است.

نتایج

شکل های 6، 7، 8، 9، 10، و 11 سیگنال منعکس شده SNR و فاز برای GPS PRN 6 را در 6 روز مختلف نشان می دهد. توجه داشته باشید که این روزها مطابق با روزهای مشخص شده در شکل 2 است که از آنجا مشاهده می کنیم که ارتفاع موج قابل توجه باد در روزهای 1، 5 و 6 نسبتا زیاد، در روزهای 2 و 3 معتدل و در روز 4 نسبتا کم است. ما متوجه شدیم که نوسانات SNR در روزهای 1، 5، و 6 نسبتاً بیشتر از روزهای دیگر است، که معتقدیم ممکن است نشانه‌ای از شرایط سطح اقیانوس باشد. تجزیه و تحلیل دقیق تر این نتیجه موضوعی برای کار آینده ما است.

به طور کلی، مشاهده می کنیم که روند فاز در سه سیگنال (L1CA، L2C، L5) برای هیچ یک از روزها سازگار نیست. با همه امضاهای چند مسیری در سیگنال بازتابی تمیز شده، مشخص نبود که آیا فاز استخراج‌شده برای کاربردهایی مانند ارتفاع‌سنجی سطح اقیانوس مفید خواهد بود یا خیر، و این نتایج کیفی نشان می‌دهد که احتمالاً چنین نخواهد بود.

 با این حال، فصل و ساعاتی از روز که برای کار ما در مورد بحث در این مقاله پردازش شد، بسیار محدود است. این امکان وجود دارد که پردازش داده‌های بیشتر، بینش بیشتری در مورد اینکه آیا فاز سیگنال بازتاب‌شده در این آزمایش قابل استفاده است یا خیر، ایجاد کند.

قدردانی

سیستم جمع آوری داده هالیکالا با حمایت موسسه نجوم دانشگاه هاوایی و آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی ایجاد شده است. نویسندگان از کمک های مایکل مابری، راب راتکوفسکی، دانیل اوگارا، کریگ فورمن، فرانک ون گراس و نیراج پوجارا قدردانی می کنند. این تحقیق توسط یک جایزه فرعی از اداره ملی اقیانوسی و جوی از طریق شرکت دانشگاهی برای تحقیقات جوی به CU Boulder و با حمایت مالی جزئی از برنامه کسب داده های تجاری ناسا Smallsat تامین می شود.

این مقاله بر اساس مقاله «پردازش فاز حامل اولیه برای آزمایش GNSS-R در بالای کوه Haleakala» است که در ION ITM 2023، نشست فنی بین‌المللی 2023 مؤسسه ناوبری، لانگ بیچ، کالیفرنیا، 23 تا 26 ژانویه 2023 ارائه شده است. .

برایان بریتش یک دانشجوی فوق دکتری در دانشگاه کلرادو (CU) بولدر است، جایی که دکترای خود را دریافت کرد. در علوم مهندسی هوافضا
JADE MORTON استاد دپارتمان علوم مهندسی هوافضا Ann and HJ Smead و مدیر مرکز تحقیقات نجومی کلرادو در CU Boulder است.