袁國良，張衛(wèi)峰，衛(wèi)豪杰

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

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基于GNSS-R的反演海面風(fēng)速技術(shù)的研究

袁國良，張衛(wèi)峰，衛(wèi)豪杰

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

對(duì)利用全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的海洋反射信號(hào)(GNSS-R)反演海面風(fēng)速的方法進(jìn)行了研究。GNSS-R技術(shù)作為一種新型的、低成本的海洋微波遙感測(cè)風(fēng)技術(shù)，與其他測(cè)風(fēng)技術(shù)相輔相成，彌補(bǔ)了某些測(cè)風(fēng)手段的不足。文中還討論了散射信號(hào)相關(guān)功率模型中的散射截面、多普勒區(qū)、等延時(shí)區(qū)、天線覆蓋區(qū)四部分函數(shù)的定義和性質(zhì)。使用Elfouhaily海浪譜模型，數(shù)值模擬了機(jī)載高度下散射信號(hào)相關(guān)功率的理論波形，在此基礎(chǔ)上，又結(jié)合機(jī)載高度下獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演得到海面風(fēng)速，反演得到的風(fēng)速的均值與試驗(yàn)時(shí)浮標(biāo)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速的均值比較相差1.4 m/s，誤差在可接受的范圍內(nèi)，反演得到的風(fēng)速與浮標(biāo)數(shù)據(jù)相一致。

GNSS-R；海面風(fēng)速；反演

0 引言

GNSS-R可以用于反演海面風(fēng)速、海面測(cè)高、海冰的探測(cè)、海洋鹽度的探測(cè)、土壤濕度的探測(cè)等。GNSS-R的技術(shù)特點(diǎn)是利用反射的導(dǎo)航衛(wèi)星偽隨機(jī)測(cè)距碼信號(hào)或者載波信號(hào)，提取目標(biāo)反射面特征，對(duì)于海面風(fēng)場(chǎng)及移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)等應(yīng)用，其工作模型為收發(fā)分置的雙基雷達(dá)模式，與傳統(tǒng)的后向散射單基工作模式的衛(wèi)星散射計(jì)和雷達(dá)高度計(jì)相比，其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)為：(1)不用發(fā)射機(jī)，利用全球共享的GNSS星座為多元微波信號(hào)反射源；(2)大量的信號(hào)源，不僅利用目前已有的24顆GPS衛(wèi)星，還有Galileo衛(wèi)星、GLONASS衛(wèi)星、中國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)等；(3)采用擴(kuò)頻通信技術(shù)帶來的增益使得導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)接收機(jī)可以接收到低于背景噪聲的微弱信號(hào)；(4)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、全球覆蓋、全天候等。

關(guān)于利用GNSS-R反演海面風(fēng)速風(fēng)向的研究，歐美國家起步較早。在過去的幾年中，此技術(shù)逐漸趨近成熟。1993年，Martin-Neria率先提出了利用GNSS-R反演海面波高的概念，并且對(duì)其概念進(jìn)行了系統(tǒng)性的理論描述[1]；1996年，美國蘭利研究生中心研制出了用來測(cè)量反射信號(hào)的一種特殊的延時(shí)映像接收機(jī)(DMR),并用此接收機(jī)進(jìn)行了機(jī)載實(shí)驗(yàn)[2]，將機(jī)載實(shí)驗(yàn)反演得到的風(fēng)場(chǎng)和浮標(biāo)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最后得出GNSS-R反演海面風(fēng)速精度在2 m/s，風(fēng)向精度在10°左右[3]。2000年Zavorotny 和 Voronovich[4]對(duì)雙基結(jié)構(gòu)的反射信號(hào)與海面風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系進(jìn)行了理論分析，并建立了Z-V模型。為了驗(yàn)證GNSS-R與海面風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系，西班牙研究機(jī)構(gòu)、美國國家海洋大氣管理局、英國國家空間中心、歐洲空間局等機(jī)構(gòu)均開展了關(guān)于機(jī)載、氣球、星載的大量試驗(yàn)。

1 GNSS-R遙感風(fēng)場(chǎng)與其他技術(shù)的比較

GNSS-R遙感風(fēng)場(chǎng)與其他技術(shù)的比較如表1所示。

表1 GNSS-R遙感風(fēng)場(chǎng)與其他技術(shù)的比較

2 GNSS-R海面風(fēng)速探測(cè)機(jī)理

根據(jù)2000年Zavorotny 和 Voronovich建立的針對(duì)雙基結(jié)構(gòu)的GPS信號(hào)的前向散射模型—Z-V模型，經(jīng)過幾何光學(xué)近似可以得到海面散射信號(hào)相關(guān)功率模型，它是時(shí)間延遲τ和多普勒頻移fc的表達(dá)式[5]：

(1)

其中，Rt(r)、Rr(r)分別是GPS衛(wèi)星和接收機(jī)到散射點(diǎn)之間的距離；D(r)是散射點(diǎn)r處到天線的增益；Λ為自相關(guān)函數(shù)；S為多普勒頻移函數(shù)；σ0(r)表示散射截面；Ti為相干積分時(shí)間。

風(fēng)作用于海面時(shí)，會(huì)使海面產(chǎn)生表面波，此時(shí)海面的粗糙度將會(huì)發(fā)生變化。GNSS海面散射信號(hào)相關(guān)功率模型中的σ0與海面粗糙度有關(guān)，它將會(huì)影響散射信號(hào)相關(guān)功率模型的后沿斜率，如圖1[6]所示。

圖1 不同海況條件下散射信號(hào)功率曲線

2.1 閃耀區(qū)

海面閃耀是與海面對(duì)太陽光反射相似的一種現(xiàn)象(如圖2)，GPS衛(wèi)星相當(dāng)于太陽，接收機(jī)相當(dāng)于人的眼睛。對(duì)于粗糙海面，一個(gè)更加寬廣的海面可以產(chǎn)生指向接收機(jī)的輻射，這個(gè)有明顯的微波反射的區(qū)域的海面被稱為閃耀區(qū)。閃耀區(qū)的形狀和大小受接收機(jī)的高度和海面粗糙度等因素的影響。閃耀區(qū)的定義如圖3所示。在圖3中，T、R、P分別為發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、散射點(diǎn)的位置，PA為∠ZPR的角平分線，β為PA與Z軸的夾角，則定義鏡面反射點(diǎn)[7]

圖3 閃耀區(qū)的定義

O周圍滿足β≤β0的區(qū)域?yàn)殚W耀區(qū)，其中β0=arctan(2σ/L)[8]，為描述海面粗糙度的常量，σ為海面高度標(biāo)準(zhǔn)偏差，L為波面相關(guān)長度[9]。

2.2 多普勒等值區(qū)

多普勒頻移是由GPS衛(wèi)星、接收機(jī)以及海面散射面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。觀測(cè)區(qū)域內(nèi)，具有相同多普勒頻移的點(diǎn)組成的集合稱為多普勒等值線。

對(duì)于在平均海面上，r端點(diǎn)處的多普勒頻移為：

fD(r)=[Vt·m(r)-Vr·n(r)]/λ

(2)

fc用來補(bǔ)償多普勒頻移fD的本振頻率，即鏡面反射點(diǎn)處的多普勒頻移為：

fc=[Vt·m(O)-Vr·n(O)]/λ

(3)

2.3 天線覆蓋區(qū)

函數(shù)D(r)表示的是天線的增益，由于機(jī)載接收機(jī)的高度較低，所以此處使用的是全向天線增益，G2=1。

2.4 等延遲區(qū)

GPS信號(hào)經(jīng)過海面反射到達(dá)接收機(jī)，觀測(cè)區(qū)域內(nèi)具有相同時(shí)延的點(diǎn)的集合稱作等延時(shí)線。如果以鏡面反射點(diǎn)O為參考點(diǎn)，就可以理解為Δτ=τ(r)-τ0=(Rt(r)+Rr(r))/c-τ0為常數(shù)的點(diǎn)的集合(τ0為鏡面反射點(diǎn)處的時(shí)延)。

表達(dá)式(1)中的偽隨機(jī)碼自相關(guān)函數(shù)Λ,事實(shí)上表示的是偽隨機(jī)碼的卷積過程，如下定義：

(4)

3 海面風(fēng)場(chǎng)反演流程

海面風(fēng)場(chǎng)反演的方法通常是首先找到與實(shí)測(cè)相關(guān)功率的波形相匹配的理論相關(guān)功率波形，然后此理論波形所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速就是實(shí)測(cè)的風(fēng)速。主要依據(jù)是：風(fēng)速越大，海面傾斜變化越大，海面越粗糙，反射信號(hào)的功率譜峰值越小，波形越扁平；反之，功率譜的峰值越高，波形越陡峭。因此提出了這種測(cè)量反射信號(hào)相關(guān)功率波形的方法來反演海面風(fēng)速。如圖(4)是海面風(fēng)場(chǎng)反演的流程圖。步驟如下：

(1)將接收機(jī)高度與速度、相干積分時(shí)間、衛(wèi)星高度角等參數(shù)輸入到海面散射信號(hào)相關(guān)功率模型，即式(1)，生成不同風(fēng)速條件下的相關(guān)功率理論波形。

(2)由于天線環(huán)境因素的影響，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中有噪聲存在。因?yàn)殓R面反射點(diǎn)處的信號(hào)最先到達(dá)接收機(jī)，故可以將早于鏡面反射點(diǎn)2個(gè)碼片的輸出數(shù)據(jù)功率均值作為噪底。

(3)計(jì)算每個(gè)實(shí)測(cè)波形相對(duì)于鏡面反射點(diǎn)的碼延時(shí)，以確保實(shí)測(cè)波形與理論波形的時(shí)間延遲軸一致。

(4)分別對(duì)實(shí)測(cè)波形和理論波形進(jìn)行歸一化處理。歸一化因子是總的反射信號(hào)功率，因?yàn)榭偟姆瓷湫盘?hào)功率與海面統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)，可近似為常量。

(5)采用最小二乘法將實(shí)測(cè)波形和散射信號(hào)相關(guān)功率的理論波形進(jìn)行匹配，當(dāng)兩波形的后延的均方偏差達(dá)到最小時(shí)，理論波形對(duì)應(yīng)的風(fēng)速即為所求的海面風(fēng)速。

圖4 風(fēng)速反演流程

4 風(fēng)速反演實(shí)例

本文以2004年9月11日的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例來進(jìn)行海面風(fēng)場(chǎng)反演。試驗(yàn)中，接收機(jī)的高度為4 000m，飛行速度為300m/s，該接收機(jī)是有6個(gè)反射通道的并行延時(shí)映像接收機(jī)，其采樣頻率是1Hz，每秒可記下32個(gè)離散時(shí)間延時(shí)下的相關(guān)功率值。

圖5是接收機(jī)在17:00時(shí)采集到的PRN02衛(wèi)星的反射信號(hào)功率和該時(shí)間的平均數(shù)據(jù)。此時(shí)，接收機(jī)的平均高度是3 942m，接收機(jī)的平均速度是293m/s，衛(wèi)星的平均仰角是60.05°。

圖5 實(shí)測(cè)PRN02衛(wèi)星1 min的反射數(shù)據(jù)及平均值

圖6是將測(cè)得的反射信號(hào)功率轉(zhuǎn)化成分貝形式，并且與風(fēng)速從5～14m/s的具有幾何結(jié)構(gòu)的理論波形進(jìn)行比較。因?yàn)槟承┭訒r(shí)點(diǎn)的信噪比小于1，所以在減去噪聲后再求對(duì)數(shù)時(shí)，結(jié)果為虛數(shù)，這就造成了數(shù)據(jù)不均勻的情況。但是，這并不影響風(fēng)速的反演。從圖中可以看出，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的散射信號(hào)功率曲線與風(fēng)速為5m/s的理論散射信號(hào)功率曲線較一致。因此通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演得到的海面風(fēng)速為5m/s。

圖6 實(shí)測(cè)波形與理論波形對(duì)比

5 結(jié)果檢驗(yàn)

使用上述的風(fēng)速反演方法和流程，以1min平均相關(guān)功率波形為實(shí)測(cè)值反演得到的海面風(fēng)速值與試驗(yàn)所記錄的浮標(biāo)值得到的風(fēng)速相對(duì)應(yīng)，如圖7所示。由圖可看出浮標(biāo)測(cè)得的風(fēng)速值與GNSS反演得到的風(fēng)速值有較好的吻合，在測(cè)量的這段時(shí)間里，反演風(fēng)速的均值為5m/s，浮標(biāo)得到的風(fēng)速均值為6.4m/s，相差1.4m/s。誤差在可接受的范圍內(nèi)。

圖7 浮標(biāo)風(fēng)速值與反演得到的風(fēng)速值的比較

6 結(jié)束語

GNSS-R作為一種新型的遙感技術(shù)，用來反演海面風(fēng)速在理論上和實(shí)踐上都是可行的。由于海浪譜模型[10]對(duì)風(fēng)速的局限性，GNSS-R反演海面風(fēng)速技術(shù)只適應(yīng)于中低風(fēng)速的條件(≤20 m/s)，當(dāng)風(fēng)速超過這個(gè)范圍時(shí)，反演較困難。接收機(jī)收到的經(jīng)過海面散射后的GNSS信號(hào)非常微弱，這對(duì)接收機(jī)的增益和噪聲處理要求較高。因此研制更好的接收機(jī)非常關(guān)鍵。

[1] MARTIN-NERIA M. A passive reflectoetry and interferometry system(PARIS): application to ocean altimetry[J]. ESA Journal,1993,17: 331-355.

[2] AUBER J C, BIBAULT A, RIGAL J M. Characterization of multipath on land and sea at GPS frequencies[J]. Geoph Ysical Research Letters, 2013, 25(13): 2257-2260.

[3] KOMJATHY A, ARTMATYS M, MASTERS D. Developments in using GPS for ocean ographic remote sensing: retrieval of ocean surface wind speed and wind direction[J]. IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 48(2): 956-962.

[4] ZAVOROTNY V U, VORONOVICH A G. Scattering of GPS signals from the ocean with wind remote sensing application[J]. IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, 2014,38(2): 951-964.

[5] GLEASON S, ADJRAD M, UNWIN M. Sensing ocean ice and land reflected signals from space: results from the UK-DMC GPS reflect ometry experiment[J].GPS World,2010,10(4): 50-56.

[6] 路勇.基于GNSS反射信號(hào)的海面風(fēng)速探測(cè)技術(shù)研究[D].北京：北京航空航天大學(xué),2009.

[7] WU S C, MEEHAN T, YOUNG L. The potential use of GPS signals as ocean altimetry observable[C]. Proceedings of the National Technical Meeting of the Institute of Navigation, 1997.

[8] APOSTOL B F. Scattering of the electromagnetic waves from a rough surface[J]. Journal of Modern Optics, 2012, 59(18): 1607-1616.

[9] GARRISON J L,KATZBERG S J, HOWELL C T. Detection of ocean reflected GPS signals: theory and experiment[C]. The IEEE Southeastcon, Blacksburg,1997: 256-258.

[10] EIFOUHAILY T,CHAPRON B,KATSAROS K,et al. A unified directional spectrum for long and short wind- driven waves[J].Journal Geophysical Research,1997,102(C7):15781-157961.

Sea surface wind speed measurement using GNSS reflection signal

Yuan Guoliang, Zhang Weifeng, Wei Haojie

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

This paper introduces the mechanism of sea surface wind speed measurement using GNSS reflection signal. GNSS-R technology is a new, low-cost microwave remote sensing technology of ocean wind measurement.This technology complementarity with other wind measurement technology and make up for the shortcomings of some wind measurement technology. This article also discusses the definition and natures of the scattering cross section, Doppler area, peer delay area, the antenna coverage area four parts function in the scattering signal correlation power model. This paper uses Elfouhaily wave spectrum model to simulate the theoretical waveform of the scattering signal power under the airborne height. On this basis and also combined the measured data obtained from the airborne height to get the inversion wind speed whose mean value has a difference of 1.4 m/s compared with the buoy data of wind speed when in testing.The difference is in the range of acceptable error and the inversion wind speed is consistent with the buoy data.

GNSS-R; sea surface wind speed; retrieval

TP79； P228.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.027

袁國良，張衛(wèi)峰，衛(wèi)豪杰.基于GNSS-R的反演海面風(fēng)速技術(shù)的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(13)：88-90，93.

2017-01-10)

袁國良(1963-)，男，副教授，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)化、光電通信。

張衛(wèi)峰(1991-)，男，碩士，主要研究方向：基于GNSS-R的反演海面風(fēng)速技術(shù)的研究、人體摔倒?fàn)顟B(tài)識(shí)別。

衛(wèi)豪杰(1990-)，男，碩士，主要研究方向：基于GNSS-R的反演海面風(fēng)速技術(shù)的研究。