● 文 |航天恒星科技有限公司 付俊明 黃宇 李時(shí)良 張鳳珊 呂鐵軍 李勐

GNSS-R遙感與成像探測(cè)技術(shù)綜述

● 文 |航天恒星科技有限公司 付俊明 黃宇 李時(shí)良 張鳳珊 呂鐵軍 李勐

一、引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GNSS）作為國(guó)家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，具有覆蓋范圍廣，不受氣候條件影響，精度與自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展史中具有劃時(shí)代的意義。GNSS所發(fā)射的高度穩(wěn)定、可長(zhǎng)期使用的L頻段免費(fèi)微波信號(hào)資源不僅為空間信息移動(dòng)用戶提供了精準(zhǔn)定位、導(dǎo)航以及授時(shí)信息，還為對(duì)地觀測(cè)與掩星應(yīng)用提供了新的輻射源?；谌?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的微波遙感與探測(cè)技術(shù)(GNSSReflections或者GNSS-Remote Sensing)以其全天候、全天時(shí)、寬覆蓋、多信號(hào)源、高時(shí)空分辨率等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在海面測(cè)高、海面測(cè)風(fēng)、海冰探測(cè)、海洋鹽度、陸地濕度、森林覆蓋率、海洋和陸地表面成像、空間飛行器以及海面或陸地移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

二、GNSS-R遙感技術(shù)

GNSS-R技術(shù)是利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星所發(fā)射的L頻段信號(hào)作為發(fā)射源，以陸基/空基/天基平臺(tái)為反射信號(hào)接收設(shè)備載體，通過(guò)接收并處理來(lái)自海洋、陸地或其他物體反射的GNSS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)媒質(zhì)的特征要素提取的技術(shù)。GNSS接收機(jī)在接收GNSS直射信號(hào)的同時(shí)，接收經(jīng)過(guò)反射面反射的GNSS信號(hào)。該反射信號(hào)中包含反射面的特征信息，信號(hào)波形的極化特性、頻率、相位和幅值等參數(shù)的變化都直接顯示了反射面的物理特征。對(duì)于反射信號(hào)的精確預(yù)測(cè)和處理可實(shí)現(xiàn)反射面物理特征的反演。由于該項(xiàng)技術(shù)具有不需要發(fā)射機(jī)，擁有大量的信號(hào)源以及應(yīng)用面寬等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，迅速成為國(guó)內(nèi)外遙感探測(cè)和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。

自歐洲空間局的科學(xué)家Martin-Neira發(fā)現(xiàn)GPS海面反射信號(hào)，Garrision研制了接收GPS反射信號(hào)的遙感儀器開(kāi)始利用目標(biāo)反射的GPS衛(wèi)星信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)遙感探測(cè)。美國(guó)宇航局（NASA）、美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）、科羅拉多大學(xué)、普渡大學(xué)、霍普金斯大學(xué)、Navsys公司、法國(guó)空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)薩瑞大學(xué)、薩瑞衛(wèi)星技術(shù)中心、日本東京大學(xué)、澳大利亞昆士蘭大學(xué)、新南威爾士大學(xué)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的反射信號(hào)進(jìn)行了不同程度的研究。美國(guó)和歐洲處于GPS反射信號(hào)應(yīng)用技術(shù)研究的前列，其中LaRC實(shí)驗(yàn)室、科羅拉多大學(xué)宇宙力學(xué)研究中心、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局以及歐洲空間局（ESA）、JPL實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量機(jī)載研究；反射面特征參數(shù)估計(jì)模型、反射信號(hào)接收機(jī)、天線陣列和射頻信號(hào)處理器都取得了初步成果。GNSS-R主要應(yīng)用分為散射計(jì)和高度計(jì)兩種，前者以NASA為主,用于遙感海面粗糙度、海面風(fēng)場(chǎng)等,后者以ESA為主,用于海面高程測(cè)量等。

三、GNSS-R成像探測(cè)技術(shù)

GNSS-R探測(cè)技術(shù)作為一種雙（多）基無(wú)源雷達(dá)探測(cè)方式，與單基雷達(dá)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：①由于接收機(jī)沒(méi)有大功率器件，且不受發(fā)射機(jī)功率泄漏的影響，從而有較高的靈敏度；②可以多個(gè)視角和雙基地角觀察目標(biāo)，有利于目標(biāo)識(shí)別；③工作在不同頻段的多個(gè)發(fā)射機(jī)可交替工作，提高系統(tǒng)抗干擾能力；④多個(gè)接收機(jī)工作，可對(duì)干擾源進(jìn)行無(wú)源定位；⑤多部收、發(fā)設(shè)備，增加系統(tǒng)的可靠性，提高系統(tǒng)的檢測(cè)概率，改善目標(biāo)跟蹤的連續(xù)性和目標(biāo)航跡精度；⑥由于收、發(fā)分置，接收機(jī)是靜止的，又可機(jī)動(dòng)，所以系統(tǒng)具有抗電子偵察、抗干擾和抗反輻射導(dǎo)彈的摧毀能力；⑦在接收機(jī)前置時(shí)，可利用空中、空間的照射源，可以探測(cè)到發(fā)射機(jī)視線(地平線)以下和超低空的目標(biāo)，抗超低空突防能力強(qiáng)；⑧系統(tǒng)生存能力強(qiáng)，多站多頻段協(xié)調(diào)工作。

四、應(yīng)用案例

1.GNSS-R遙感應(yīng)用案例

目前國(guó)外多家研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了不同介質(zhì)對(duì)GNSS-R散射特性的研究工作。他們分別利用天基、機(jī)載，地基平臺(tái)接收不同介質(zhì)（海面、土壤）對(duì)GPS信號(hào)的散射、反射信號(hào)，并對(duì)其分析，以研究不同介質(zhì)對(duì)GNSS-R反射信號(hào)的影響。

（1）海面風(fēng)速風(fēng)向探測(cè)

NASA蘭利研究中心與科羅拉多大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展GNSS-R反演海面風(fēng)場(chǎng)的研究，并和歐空局和西班牙Starlab等利用專門(mén)的接收機(jī)DMR(delaymapping-receiver)做了多次機(jī)載實(shí)驗(yàn)，結(jié)合反演理論對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了海面風(fēng)場(chǎng)反演，得到風(fēng)速反演精度為±2m/s，風(fēng)向精度為±20°。

（2）海面測(cè)高

為了驗(yàn)證GNSS-R測(cè)高的可行性，歐空局的科學(xué)家Martin-Neira等人在荷蘭的Zeeland橋進(jìn)行了PARIS高度計(jì)橋I、橋Ⅱ和橋Ⅲ實(shí)驗(yàn)，誤差小于10 cm。ESA在地中海進(jìn)行了空基測(cè)高試驗(yàn)，飛行高度約1000m，飛行速度約70m/s，與TOPEX/POSEIDON衛(wèi)星軌跡相匹配。美國(guó)JPL的Low和Zuffada等人也進(jìn)行了湖畔和海上機(jī)載實(shí)驗(yàn)，在機(jī)載實(shí)驗(yàn)中，可以得到5cm精度。在湖畔實(shí)驗(yàn)中，采用低仰角衛(wèi)星，由于湖面很平靜，用相位法得到了2 cm的高精度。

圖1 利用GNSS-R反射信號(hào)進(jìn)行海嘯預(yù)警的仿真結(jié)果

Ralf Stosius等將GNSS-R反射信號(hào)用于海嘯提前預(yù)警，圖1為其仿真結(jié)果，其中黑實(shí)線為地震發(fā)生一小時(shí)后，利用GNSS-R反射信號(hào)進(jìn)行海浪測(cè)高，在1分鐘內(nèi)得到的觀測(cè)結(jié)果，其中橢圓部分能夠有效地展示海平面當(dāng)前浪高及海嘯擴(kuò)張趨勢(shì)，可以極大地縮短海嘯檢測(cè)時(shí)間。

2.GNSS-R成像探測(cè)應(yīng)用案例

美國(guó)是研究GNSS-R技術(shù)很積極的國(guó)家，其涉足GNSS-R技術(shù)研究的各個(gè)層面，包括硬件、軟件、理論與方法的研究。除了進(jìn)行塔基實(shí)驗(yàn)之外，他們還組織了一系列的SMEX實(shí)驗(yàn)進(jìn)行機(jī)載GNSS-R反射實(shí)驗(yàn)。另外佛羅里達(dá)大學(xué)和空軍實(shí)驗(yàn)室的研究者提出利用GPS成像技術(shù)，來(lái)探測(cè)隱藏在叢林中的軍事目標(biāo)，如坦克、軍用車(chē)輛以及其他強(qiáng)反射目標(biāo)，包括地面的金屬未爆炸物。

英國(guó)伯明翰大學(xué)的研究者明確提出星表雙基（Space-surface Bistatic SAR,SS-BSAR）的概念并通過(guò)設(shè)計(jì)多次不同場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該概念。他們提出了GNSS信號(hào)作為成像研究時(shí)的兩大問(wèn)題：①反射信號(hào)的功率很弱。通過(guò)計(jì)算，他們認(rèn)為1毫秒的積分時(shí)間內(nèi)輻射功率是10～15dB；②反射信號(hào)的信雜比需要增加，即所需求的目標(biāo)反射信號(hào)與其他雜波的比率要控制。因?yàn)樵诮邮諜C(jī)內(nèi)部，當(dāng)增加相干積分時(shí)間時(shí)，雜波信號(hào)的功率也會(huì)和反射信號(hào)一起增加。伯明翰大學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)主要在地面進(jìn)行。他們?cè)O(shè)計(jì)了多種場(chǎng)景來(lái)驗(yàn)證他們的設(shè)想，包括地面接收機(jī)靜止接收實(shí)驗(yàn)，地面接收機(jī)移動(dòng)接收實(shí)驗(yàn)，山基靜止接收機(jī)實(shí)驗(yàn)以及機(jī)載接收機(jī)實(shí)驗(yàn)等。

五、GNSS-R遙感與成像探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

總體說(shuō)來(lái)，目前國(guó)內(nèi)外利用GPS遙感與成像探測(cè)技術(shù)來(lái)探測(cè)目標(biāo)信號(hào)還處于剛剛起步的探索階段，比不上其在海洋遙感和土壤濕度方面的研究進(jìn)展，分析其原因，在于：

1）GNSS反射信號(hào)相比直達(dá)信號(hào)而言，由于反射物對(duì)信號(hào)的衰減，反射信號(hào)微弱，因此需要通過(guò)采取方法來(lái)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度以及對(duì)探測(cè)距離等做科學(xué)的估算。所以在多篇論文中都在反復(fù)做功率預(yù)算，以及相應(yīng)的相干積累時(shí)間的確定。

2）信號(hào)處理理論上存在難度。由于GNSS信號(hào)本身并不是專門(mén)為遙感所設(shè)計(jì)，所以信號(hào)處理上與普通接收機(jī)存在很大的差異。特別是由于目標(biāo)和發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其要求采用高速的信號(hào)處理算法。

3）在探測(cè)目標(biāo)時(shí)軟硬件的限制，如GPS發(fā)射天線的特性，以及接收天線的全向特性，導(dǎo)致接收波束很寬，達(dá)不到很高的分辨率，這種特性在大尺度和中尺度遙感時(shí)尚可，但是對(duì)于這種高分辨的需求就難以滿足，時(shí)間分辨率也不夠；接收機(jī)目前大部分是單通道，做陣列波束形成有難度。

4）空基實(shí)驗(yàn)成本高昂 ,目前的實(shí)驗(yàn)普遍采用類(lèi)似傳統(tǒng)接收機(jī)和單基地接收機(jī)的實(shí)驗(yàn)方式，從地基和山基實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，這一方面出于原理探索的考慮，另外一方面也是考慮現(xiàn)實(shí)的成本。若空基實(shí)驗(yàn)，則涉及復(fù)雜的平臺(tái)姿態(tài)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定等，實(shí)驗(yàn)復(fù)雜，涉及學(xué)科多。

5）由于該技術(shù)涉及軍事應(yīng)用，話題敏感，可能有部分成果或者先進(jìn)技術(shù)沒(méi)有報(bào)道。

但是，該方法確實(shí)有很大的優(yōu)點(diǎn)。除了上述普通遙感的優(yōu)點(diǎn)外，這種系統(tǒng)具有自身隱身的特點(diǎn)，也可以觀測(cè)隱身的飛行目標(biāo)，所以值得關(guān)注。

值得關(guān)注的是，NASA于2013年立項(xiàng)的CYGNSS計(jì)劃，2016年開(kāi)始發(fā)射8顆微小衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星上面搭載GNSS-R反射信號(hào)接收設(shè)備，計(jì)劃通過(guò)海面風(fēng)場(chǎng)的反演來(lái)實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)眼的觀測(cè)。這是一個(gè)非常典型的天基反射信號(hào)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目參與者包括密歇根大學(xué)、英國(guó)薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司等研究機(jī)構(gòu)。這些龐大的數(shù)據(jù)，也將為探測(cè)目標(biāo)信號(hào)提供可能。

總體上的趨勢(shì)：①硬件設(shè)備上，普遍采用開(kāi)環(huán)GNSS-R接收機(jī)，即打開(kāi)GPS接收機(jī)中的跟蹤環(huán)路，高速率采樣，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度接收性能；天線接收處理上，采用陣列接收天線，以便得到高分辨的方向性；②軟件上，進(jìn)行不斷的創(chuàng)新，主要是基于DDM理論和雙站SAR成像理論進(jìn)行GNSS-R成像探測(cè)的應(yīng)用。另外，也派生出類(lèi)SAR成像和偽隨機(jī)碼信號(hào)處理理論等，來(lái)推進(jìn)研究的深入。

[1]Wickert.J,Cardellach.E,Jorge .B,et al.GEROS-ISS:GNSS Reflectometry, Radio Occulta tion,and Scatterometry Onboard the International Space Station[J].IEEE Journal of Selec ted Topics in Applied Earth Obs.and Remote Sensing.VOL.9,No.10,Oct 2016:4552-4581.

[2]Neira M.M.,Salvatore D’Addio,Christopher B.,et al. The PARIS Ocean Altimeter In-Orbit Demonstrator.IEEE Transactions on geosciences and remote sensing, VOL. 49, No. 6, JUNE 2011:2209-2237.

[3]Kosteleeky J，Klokocnik J，Wagner C A．Geometry and accuracy of reflecting points in bistatic satellite altimetry[J]．Journal of Geodesy,2005，V79：421-430．

[4]Belmonte Rivas M．，Maslanik J．A．，Axelrad，P-Bistatic Scattering of GPS Signals Off Arctic Sea lee[J]．IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2010，V48(3):1548-1553．

[5]N．Rodriguez-Alvarez,J,F.Marchan,A.Camps,et a1.Soil moisture retrieval using GNSS-R techniques:Measurement campaign in a wheat field[J].Proc.IEEE Int.,2008,V2: 245-248.

[6]Simon H.Y.,Tang W.Q.,Alexander G. F.,et al.L-Band Passive and Active Microwave Geophysical Model Functions of Ocean Surface Winds and Applications to Aquarius Retrieval. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,Vol.51,No.9,September 2013:4619-4632.

[7]Clarizia M.P.,Christopher S. Ruf,Braca P.et al.Target Detection using GPS Signals of Opportunity.18th International conference on information fusion Washington, DC.July 6-9,2015.

[8]Lazarov A.,Kostadinov T.,Chen V.C.,et al,Bistatic SAR System with GPS Transmitter. IEEE Radar Conference 2013,978-1-4673-5794-4.