王煒

（天津市氣象科學(xué)研究所，天津 300074）

國外導(dǎo)航衛(wèi)星的反射信號在海洋遙感中的應(yīng)用分析

王煒

（天津市氣象科學(xué)研究所，天津 300074）

為了詳細(xì)了解國外導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號（GNSS-R）新技術(shù)在海洋遙感方面的研究進展，在外文文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了GNSS-R的反射率和雙基雷達兩種方法在海洋監(jiān)測應(yīng)用的遙感技術(shù)原理，介紹了海面風(fēng)場遙感、海冰遙感和海面測高等方面的的理論模型和方法。高空間分辨率和高時間分辨率是導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號在海洋中應(yīng)用的最大優(yōu)勢。雖然GNSS-R的海洋氣象要素反演技術(shù)只有十幾年的發(fā)展歷史，但是它已經(jīng)在海洋天氣預(yù)報和全球氣候變化等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景和巨大潛力，未來必將成為海洋大氣探測的重要技術(shù)手段。

導(dǎo)航衛(wèi)星；反射信號；雙基雷達；海洋遙感

美國的部分學(xué)者認(rèn)為1957年10月4日前蘇聯(lián)發(fā)射的低軌衛(wèi)星，可能是導(dǎo)航衛(wèi)星（GPS）的鼻祖[1]。直到1973年12月，美國國防部完成了24顆導(dǎo)航衛(wèi)星的組網(wǎng)工作[2-5]，實現(xiàn)了導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)業(yè)務(wù)化。當(dāng)今，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)不僅成為世界各國重大的空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，也成為體現(xiàn)現(xiàn)代化大國地位和國家綜合國力的重要標(biāo)志。據(jù)專家估計，2020年全世界將建成四大全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（美國GPS、俄羅斯GLONASS，歐盟GALILEO和中國COMPASS）；并且將來還有法國、德國、日本和印度等國的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)以及增強系統(tǒng)。

自導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)建成后，又誕生了GPS測量資料反演大氣中的氣象參數(shù)的方法[6-7],這個方法促進了GPS氣象學(xué)迅速發(fā)展[8-9]。而且，低軌道掩星技術(shù)已經(jīng)成為了海洋大氣水汽探測的新方法。

1993 年，科學(xué)家又提出了導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的概念，它有可能成為低成本監(jiān)測海洋的新遙感技術(shù)[10]。未來一段時間，由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將形成百余顆衛(wèi)星并存的局面，導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能為海洋表面觀測提供豐富的微波信號源。因此，人類將可以更加充分地免費利用導(dǎo)航衛(wèi)星L波段信號,開展一種嶄新的低成本、高密度的連續(xù)觀測海洋的遙感技術(shù)。

文章將向國內(nèi)氣象和海洋工作者綜合介紹導(dǎo)航衛(wèi)星的微波信號觀測海洋表面要素的基本原理，以及國外科學(xué)家在海風(fēng)、海浪、海冰和海平面變化監(jiān)測方面的最新研究成果。

1 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號應(yīng)用原理與硬件研究現(xiàn)狀

1.1 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號應(yīng)用原理與優(yōu)勢

1993 年以來，歐美等發(fā)達國家的科學(xué)家一直從事著GNSS-R的研究。目前，他們的理論研究和科學(xué)實驗等處于國際領(lǐng)先地位。

GNSS-R的工作原理是通過特殊的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機，接收導(dǎo)航衛(wèi)星直射和反射信號，通過碼延遲和相關(guān)函數(shù)波形及其后沿特性進行分析，并且結(jié)合電磁波散射理論來獲取海面或陸面參數(shù)信息，利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號監(jiān)測海洋的優(yōu)勢是導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)不斷發(fā)射的L波段微波信號，為海洋表面監(jiān)測提供豐富的反射信號源。這種方法相對其他星基遙感技術(shù)具有以下兩個方面優(yōu)點[10]：

（1）節(jié)省衛(wèi)星投資。導(dǎo)航衛(wèi)星的海洋反射信息，其發(fā)射源利用了導(dǎo)航衛(wèi)星的反射信息，而接收衛(wèi)星只需安裝反射信號接收設(shè)備（如圖1）。

圖1 反射信號衛(wèi)星接收系統(tǒng)方案

（2）可獲取多印跡信息。因為接收機同時有多個反射信號源，接收機可以獲得一條比單發(fā)射源空間分辨率高的圖像。

1.2 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的信息處理原理

現(xiàn)在，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號處理的理論方法可以分成反射率信息處理技術(shù)和雷達截面信息處理技術(shù)兩種方法。

1.2.1 反射率信息處理技術(shù) 導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號為右旋圓極化電磁波信號（RHCP），稱為直射信號。導(dǎo)航衛(wèi)星的直射圓極化信號經(jīng)過海洋表面時，經(jīng)過反射后的信號改變?yōu)樽笮龍A極化電磁波信號（LHCP），即反射信號。因此，導(dǎo)航衛(wèi)星的右旋極化信號經(jīng)過地面物體反射后，變成了左旋極化信號，所以左旋極化反射信號就包含了反射表面的信息。因此，利用接收的左旋反射信號可以提取反射體的一些信息。在數(shù)據(jù)處理時，常將反射信號功率與直射信號的比值，等效為反射信號的反射率。

1.2.2 雷達截面信息處理技術(shù)

（1）反射信號雷達方程

導(dǎo)航衛(wèi)星反射的信號是L波段的擴頻信號，這種信號可以理解為傳統(tǒng)雷達遙感技術(shù)的一個延伸，即導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號裝置是發(fā)射和接收分離的雙基的雷達。

接收機接收信號是發(fā)射源的“前向”散射信號。設(shè)Pdir和 Pref分別表示直射、反射信號的功率；Gt，Gr1，Gr2分別表示衛(wèi)星、RHCP天線、LHCP天線的增益；Rtr，Rts，Rsr分別表示衛(wèi)星－接收機、衛(wèi)星－地表、地表－接收機之間的距離；λ為波長。根據(jù)雷達方程[11]，到達接收機的直射信號功率Pdir為：

式中：Pt表示GPS衛(wèi)星發(fā)射信號功率。經(jīng)地面反射后到達接收機的反射信號功率Pref為：

式中：η為反射地面A單位面積上的散射系數(shù)。對于中等粗糙表面，Pref主要由兩部分組成：鏡面反射即相干分量PC和由表面粗糙度引起的非相干分量Pi，三者的關(guān)系滿足Pref＝PC＋Pi，其中，PC可表示為：

式中：Γ為地表反射率，它隨表面粗糙度的增加而增大。

（2）反射信號的雷達截面積

目標(biāo)的雷達截面積（RCS）是表征目標(biāo)散射強弱的物理量稱作目標(biāo)相對入射雷達波的有效散射截面積。它是反映目標(biāo)散射特性的假想面積，用符號σ來表示。通常，雷達發(fā)射天線和接收天線距離目標(biāo)很遠，即到目標(biāo)的距離遠大于目標(biāo)的最大線尺寸。因此，可以認(rèn)為入射到目標(biāo)處的雷達波是平面波。而目標(biāo)是點散射體。因為點散射體的散射強度和雷達截面積都隨目標(biāo)的姿態(tài)角而變化。所以，雷達截面不是一個常數(shù)，而是同入射角和透射角密切相關(guān)的目標(biāo)特征量。對于粗糙表面的反射能量常常用歸一化雙基雷達截面來表征。歸一化雙基雷達截面描述為：

上述公式是建立在受限的基爾霍夫近似光學(xué)的基礎(chǔ)上，而且光學(xué)模型特別適合左旋極化反射信號。歸一化雙基雷達截面的值取決于Fresnel復(fù)系數(shù)V、散射矢量和散射矢量密度。Fresnel復(fù)系數(shù)的定義為：

式中：θ1為入射角；θ2為透射角為波阻抗。Fresnel系數(shù)V取決于信號極化狀態(tài)、反射介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)和本地入射角。因此，GNSS-R信號的歸一化雙基雷達截面受到信號極化狀態(tài)和反射介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)ε的影響。q→=k(n→-m→)是所謂的散射向量，其中k=2π/λ表示無線電波數(shù)，m→是入射波的單位向量，n→是散射波的單位向量。因此，海洋表面要素反演常用雷達截面計算。

在實際應(yīng)用中，雷達截面大小應(yīng)該考慮下列因素：

（1）目標(biāo)結(jié)構(gòu)。因為目標(biāo)的形狀、尺寸和材料的電參數(shù)不同，所以散射場不同。

（2）目標(biāo)相對于入射和散射方向的姿態(tài)角。對于大多數(shù)雷達，輻射天線和接收天線幾乎位于同一點上，所測量到的散射場稱為單站散射。當(dāng)散射方向不是指向輻射天線時，稱為雙站散射。

（3）入射波的頻率和波形。同一目標(biāo)對于不同的雷達頻率呈現(xiàn)不同RCS.

（4）入射場和接收天線的極化形式。不同極化的電磁波散射特征完全不同。

1.3 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號硬件設(shè)備研究現(xiàn)狀

國外已經(jīng)開發(fā)了多種型號的反射信號接收機。例如，NASA蘭利研究中心的Oceanpal接收機，西班牙GOLD-RTR接收機，科羅拉多大學(xué)的反射信號接收機，美國NAVSYS公司的接收機等。

導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號接收機與傳統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星接收機具有一些差異。傳統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星接收機主要是通過改變本地復(fù)制信號的時延和多普勒頻移使得相關(guān)功率最大,獲取相關(guān)功率最大點,以獲取精確的偽距信息。導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號接收機是獲取最大點附近一維時延相關(guān)功率或一維多普勒相關(guān)功率曲線,或二維時延多普勒相關(guān)功率曲面。

導(dǎo)航衛(wèi)星硬件接收設(shè)備是導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號數(shù)據(jù)處理的物質(zhì)基礎(chǔ)。導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號接收設(shè)備一般由天線、信號接收設(shè)備和信息處理計算機三部分組成。導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號接收設(shè)備可以設(shè)置在陸基，也可以裝載在航天器和航空器上[12-13]。

在陸基設(shè)備中，導(dǎo)航衛(wèi)星直射信號天線指向天空，負(fù)責(zé)接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的直射信號。導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號天線指向海面，負(fù)責(zé)接收海面的反射信號。

導(dǎo)航衛(wèi)星接收機設(shè)備可以分為軟件接收機和硬件接收機兩種，軟件接收機結(jié)構(gòu)簡單，信號處理靈活方便。但是，數(shù)據(jù)信息量較大，數(shù)據(jù)處理實時性差。硬件接收機可以直接輸出相關(guān)功率波形，具有數(shù)據(jù)量小、實時性高等優(yōu)點。但是，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高而且數(shù)據(jù)處理靈活性欠缺。

導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射信號通過擴頻把比特轉(zhuǎn)換成碼片（C/A碼）。一個數(shù)據(jù)信號（如邏輯1或0）通過多個編碼信號進行編碼，其中一個編碼信號就稱為一個碼片。碼片相當(dāng)于模擬調(diào)制中的載波，是信號的載體。擴頻信號是用一個偽隨機噪聲序列（PN序列）與窄帶PSK信號相乘。PN序列通常用符號C來表示，一個PN序列式就是一個有序的由1和0構(gòu)成的二元碼流。因為PN序列的1和0不承載信息，所以不稱它為BIT而稱為CHIP（碼片）。搜索方法是把不同延遲的C/A碼與接收的數(shù)據(jù)做相關(guān),然后逐個比較。如果信號中含有該偽隨機噪聲信號,通過相關(guān)處理可以檢測出來。

2 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的海風(fēng)監(jiān)測研究

歐美國家的科技工作者將導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射信號設(shè)備和接收信號設(shè)備做為雙基雷達，進行了海洋表面風(fēng)矢量的測量，獲得了有效的海面風(fēng)場反演模型[14-18]。這種方法是通過接收導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號功率來提取海洋表面信息。反射信號功率產(chǎn)生于一個名義上的譜反射點周圍的信號延遲和多普勒信號。因為反射區(qū)域的大小和形狀同海洋表面的粗糙度密切相關(guān)[19]，而且海洋表面粗糙度又依賴于海洋表面的風(fēng)速和風(fēng)向；所以導(dǎo)航衛(wèi)星的反射信號可以測量海洋表面風(fēng)速和風(fēng)向。

導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號觀測海洋風(fēng)速和風(fēng)向一般采用導(dǎo)航衛(wèi)星雙基散射模型[20]。散射模型的形式為：

在上式中，等式左側(cè)為反射信號功率。等式右側(cè)σ0為歸一化雙基雷達截面；Pt和Gt為衛(wèi)星發(fā)射功率和發(fā)射天線增益；Gr為接收天線的增益；T是積分時間，單位為s；ρ是反射面；D是天線增益；S是多普勒同步函數(shù)；P是海洋表面坡度函數(shù)；q是散射矢量；Λ是導(dǎo)航衛(wèi)星的相關(guān)函數(shù)；c是光速；fD是反射點的多普勒飄移；fc是多普勒頻率補償；R是接收機到反射點距離；R0是導(dǎo)航衛(wèi)星到反射點距離。

美國NASA科學(xué)工作者開展了使用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號觀測颶風(fēng)的實驗。他們認(rèn)為，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號觀測可以彌補QuickSCAT和ASCAT等設(shè)備在海洋觀測時存在空間空隙的缺陷[21]。而且，美國計劃2016年發(fā)射一個由8顆小衛(wèi)星構(gòu)成的星座CY GNSS（Cyclone Global Navigation Satellite System)，開展導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的海洋表面要素觀測。

3 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的海冰監(jiān)測研究

海冰作為氣候環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分已日益受到人們的關(guān)注。但是，由于海冰環(huán)境的復(fù)雜性和云覆蓋的持續(xù)性，使得常規(guī)儀器觀測海冰很困難。隨著導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)不斷發(fā)展，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號監(jiān)測海冰的技術(shù)受到了重視。

在海冰探測算法方面，西班牙Starlab研究所做了大量的研究工作。有學(xué)者研究認(rèn)為，因為冰的介電常數(shù)決定了冰的內(nèi)部狀態(tài)，所以受冰介電常數(shù)影響的導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號可以獲取更多的海冰內(nèi)容信息[22]。美國學(xué)者分析了美國Alaska附近機載導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的海冰觀測數(shù)據(jù)，認(rèn)為導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號能夠提供海冰環(huán)境中的有用信息[23]。

天津市氣象科學(xué)研究所王煒等在天津漢沽開展了岸基導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的海冰觀測和模擬分析[24]。這項工作驗證了導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的可模擬性，能夠解決觀測實驗中的不確定性。而且，試驗結(jié)果表明，通過掌握反演的關(guān)鍵技術(shù)、試驗方法、反演模型等技術(shù)，可以利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號獲取豐富的海冰信息。

隨著未來中國北斗系統(tǒng)的發(fā)展，我國科學(xué)工作者將利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號技術(shù)，實現(xiàn)海冰反演的實時性和有效性。尤其是在人類不可進入的惡劣海洋環(huán)境中，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號監(jiān)測海冰技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的海面變化監(jiān)測研究

4.1 海平面高度監(jiān)測

海面高度是一個重要的物理量,全球海面高度數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于大洋環(huán)流的確定、大洋潮汐模型的建立以及中尺度氣候模型的研究等方面的工作。因此，高精度海面高度數(shù)據(jù)對氣象學(xué)和海洋學(xué)研究工作都非常重要。目前,海面高度主要采用現(xiàn)場船測和衛(wèi)星高度計測量等方法來獲取。衛(wèi)星高度計是一種星載主動式微波測量儀器,具有全天候、長時間歷程、高精度等特點,但缺點是功耗大、時空分辨率不高。

圖2 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號測量海面高度示意圖

星載或機載GNSS-R測高技術(shù),可以有效彌補衛(wèi)星高度計的不足。1993年，ESA科學(xué)家利用GPS反射信號建立了測量海面高度系統(tǒng)PARIS。1998年10月，美國噴氣推進實驗室在本國海岸進行了兩次重要的空基測高試驗。

GNSS-R海面高度測量原理是利GNSS海面反射信號與直射信號到達接收機的時間差來計算路程差，從而實現(xiàn)測高（圖2）。GNSS反射信號可以監(jiān)測到反射信號天線與海面高度的變化。這測高公式可以表示為：

在計算中，考慮海面散射延遲誤差、各種隨機噪聲產(chǎn)生的誤差和上下天線安裝帶來的誤差。在數(shù)據(jù)處理中，應(yīng)該采用濾波的方法，去除浪的波動因數(shù)，提取潮位變化信息。

4.2 有效波高估算

在有效波高反演中,主要利用反射信號的自相關(guān)特性。定義FD(t)和FR(t)分別為接收機輸出的直接信號和反射信號的最大相關(guān)值對應(yīng)的復(fù)數(shù)時間序列。為了剔除與海面運動無關(guān)的分量,采用干涉法處理數(shù)據(jù)。FI(t)為干涉復(fù)數(shù)場(interferometer complex field,ICF),它的定義如下:

定義相關(guān)時間τf為ICF的自相關(guān)函數(shù)Г(Δt)的時間寬度。Γ(Δt)=〈FI*(t)FI(t+Δt)〉,它表示在相關(guān)時間內(nèi),接收機接收的信號之間存在正相關(guān)。這個相關(guān)時間量同海面的坡度、電波入射的仰角等因素有關(guān)。

為了剔除與海面運動無關(guān)的分量,采用干涉法,即通過對反射場和直射場求比,得到干涉復(fù)數(shù)場,可以消除兩個分量中指數(shù)項的公共誤差,如殘留多普勒、導(dǎo)航碼相位偏差、衛(wèi)星發(fā)射功率變化以及絕大部分由電離層和中性大氣引起的附加時間延遲。

這樣,ICF的相關(guān)時間可以看作這個高斯函數(shù)的二階矩：

從式（9）可以看出,τf依賴于表面相關(guān)時間τz和有效波高SWH的比值，以及電磁波長λ；ε是導(dǎo)航衛(wèi)星仰角。通過干涉復(fù)數(shù)場的自相關(guān)時間τf和有效波高SWH的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?可以得到SWH的計算公式:

式中：方程的系數(shù)為a=0.003 8,b=-0.073,c= 0.026 7。

5 結(jié)束語

導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的海洋遙感是一個新的遙感研究領(lǐng)域，它正在引起國內(nèi)外科技工作者的廣泛關(guān)注。目前，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的海洋遙感理論和算法方面正在逐步完善，并且已經(jīng)趨于成熟并正在嘗試投入業(yè)務(wù)化運行。

未來幾十年，導(dǎo)航衛(wèi)星可以為人類提供精確、無償?shù)暮Ｑ筇綔y信號，使得導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號具備無源探測、全球覆蓋、成本低、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)勢。這項技術(shù)將成為監(jiān)測臺風(fēng)風(fēng)場、海冰和海平面長年變化的非常理想的遙感技術(shù)。

由于導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號觀測海洋的時間連續(xù)性特征，使得它在一定程度上解決了普通遙感技術(shù)的時間維度問題。隨著全球氣候變化以及各種自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號作為一種新型的遙感手段，在海洋災(zāi)害監(jiān)測方面具有重要的科學(xué)意義和廣闊的發(fā)展空間。

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Analysis on the Application of Global Navigation Satellite Reflected Signals in Ocean Remote Sensing

WANGWei
Tianjin Institute of Meteorological Science,Tianjin 30074,China

This paper introduces the research progress of the application of Global Navigation Satellite Reflected Signals (GNSS-R)in ocean remote sensing based on the detailed overseas reference studying.Twomethods of Navigation Satellite Reflected Signals applied in ocean monitoring are described:the Reflect Signal Reflectivity Method and Bistatic Radar Method.Moreover,the theoreticmodel and method are presented for sea surface wind and sea ice remote sensing and sea surface heightmeasuring.High spatial and temporal resolutions are themost obvious advantages of GNSS-R in marine applications.It can be concluded that GNSS-R have shown broad prospect and great potential in the fields of ocean weather forecast and global climate changemonitoring.In the future,itwill become an important technique for ocean-atmosphere detecting and monitoring.

navigation satellite;reflected signals;bistatic radar;ocean remote sensing

P715.6

A

1003-2029（2017）01-0031-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.006

2016-01-20

王煒（1965-），男，博士，主要研究方向為數(shù)值模擬和遙感技術(shù)。E-mail:wwei356@163.com