基于导航卫星载波信号的海浪高度反演系统

朱雪松 严颂华 张训械 叶其欣 尹 球 杜明斌

（1.上海市卫星遥感与测量应用中心，上海，201199；2.武汉大学电子信息学院，湖北 武汉430079；3.中国科学院武汉物理与数学研究所，湖北 武汉430071）

引 言

全球导航卫星系统（GNSS）主要包括美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯全球卫星导航系统（GLONASS）、欧盟伽利略定位系统（Galileo）、中国北斗卫星导航系统（COMPASS）。他们为全球提供了全天时、全天候、覆盖范围广、精度高、成本低的遥感信息，并迅速成为海洋遥感技术发展的一个分支学科。通过这数十颗卫星的海洋反射信号，可以用来反演海洋有效波高、潮位、盐度、海表风向、风速等海态参数，弥补了现在海洋观测资料稀缺的不足，为台风、风暴潮、海啸等恶劣天气的海洋监测预警提供便利，这对于远洋航运、海上捕捞、气象、潮位、洋流分析等均具有重要的研究意义和应用前景［1－4］。

GNSS－R海洋遥感技术在20世纪90年代最早应用于国外，经过十多年的发展，逐步形成岸基、机载、星载平台设计，其反演模型及算法也得到了完善和改进［5－14］。F.Soulat etc［15］在巴塞罗那港口进行了岸基GNSS－R实验（HOPE2），利用半经验模型，拟合载波干涉复数场的相关时间与海面有效波高的关系，反演波高。我国在这方面研究起步较晚，但是发展较快。自2000年来，已逐步完成岸基、机载的相关理论研究工作［16－20］。 王 鑫［21］等采用Oceanpal设备［22］在厦门附近海洋观测站实施了中国首次岸基实验（CORE），修正了F.Soulat的反演算法，提高了反演精度。

随着GNSS－R海洋遥感技术的发展，仍有一系列的问题需要解决。首先，岸基观测的选址问题。岸基实验是理论研究的基础，可以为机载和星载遥感提供设计和理论支撑。然而现阶段绝大部分的岸基实验均选择在近海岸，类似悬崖峭壁上进行，这样浅海海床、近海礁石和岸基的回流作用，将限制海浪的自然发展，因此这种状态下反演出的海态信息实际应用价值不高；其次是反演模型和算法问题。2004年F.Soulat等［12］提出了利用GPS载波相干技术求有效波高，其中存在假设条件和经验拟合关系，反演精度不高；最后是关于信号接收和处理系统的问题。现阶段，从信号采样、预处理到产品生成，国外的绝大部分信息处理系统进行后处理操作，即接收机输出0级数据，而1级中间数据和2级产品需要另行脱机处理，这不仅不利于业务自动化的进程，而且成本费用较高。

本研究选择上海东海大桥作为海洋遥感观测基地，进行了一年多的观测实验。在实验中，采用中国首个自主研发的GPS－R载波相位波浪仪，利用GPS直达和反射信号，通过一种全新的反演模型和方法，直接反演海浪高度。海洋遥感观测系统主要包括：观测平台、数据处理单元、终端应用平台和产品分发平台。目前该系统已实现自动化，处于业务运行阶段。

1 反演方法

一般情况下，在开阔地方，接收机可以接收到8～12颗GPS卫星的直达波和经海面的反射信号，由于不同卫星的反射点位置不同，接收机实际上可以获得一定面积范围内的海面反射信号，且面积与天线高度成正相关。

图1 GPS卫星直达和反射波传播示意原理图

如图1，对于某颗GPS卫星的一个具体过程而言，两副天线分别测量直达波和反射波的相位（以米为单位）L直、L反，表示如（1）式所示

式中：r1为GNSS卫星到观测天线相位中心的距离；r2是电离层延迟所造成的附加路径；r3是对流层延迟造成的附加路径；ΔL是反射信号经过海面反射与直达信号路径（相位）之差，与观测点高度和电波仰角等几何参数有关。ΔL可以通过直达波和反射波的载波差分处理和平滑直接得到。根据图1的几何关系不难得到

式中：h表示天线相位中心离海面反射点高度；θ为卫星仰角；ε表示反射信号经过路径所产生的延迟，ε可以利用本地气象参数估计得到。对于岸基观测而言，信号经过对流层造成的延迟量大约在厘米量级。

设定接收机每秒钟采样10次，在连续观测的时段内，若h（t1）和h（t2）表示前后两个时刻海面反射点到天线相位中心的垂直距离，那么这两者之差：h（t2）－h（t1），就是这两个时刻海面高度的变化量。同理，可以得到在某个观测时段内，海面高度变化的时间序列。在此基础上，运用统计算法就可以得到某时刻的波高和波周期，以及这段时间内的最大波高、最大波高对应的周期，1/10大波高、1/10大波对应周期，1/3大波高、1/3大波对应周期，平均波高和平均波周期等参数。这种利用相位差之差，反演海浪相关参数的方法，称为“双差法”。

2 观测平台构建

海洋遥感观测平台选择在上海东海大桥，小洋山方向24km观景台处，如图2中位置所示。东海大桥全长约32.5km，呈西北－东南向。观测基地处海床较平坦，水深在8～12m左右，潮流基本为每天二涨二落，具有明显的往复流特性。观测海域无礁石影响，桥墩离观测海域相距较远，桥墩的阻挡和回流效应几乎可以忽略，因此，可以认为该海域海浪是自然充分发展所形成。

图2 东海大桥海洋遥感观测基地地理位置示意图（出自百度地图）

东海大桥NNE向水域开敞，为该海区的强浪向。如图3（a）、（b）所示，设定 GPS左、右旋天线均为NNE向，该方向上全向无遮挡，天线到海面平均距离约25m.通过处理L1直达波和反射波的载波相位，可以消除卫星和接收机之间的钟差，以及电离层和对流层时间延迟，得到直达波和反射波路径差，其精度可达到厘米级。这是国内自行设计、加工研制，独立编写数据处理程序的第一台载波波浪观测仪器。

3 观测系统构建

观测系统工作流程为：1）右旋天线朝上接收右旋极化直达波，左旋天线朝下接收经过海面反射的左旋极化反射波，左右旋天线采用0相位中心的高精度测量天线，低噪声放大器增益加天线增益共28 dB；2）两路GPS接收机共用一个时钟，同步接收分别来自两副天线的右旋极化直达波和左旋极化反射波信号，信号经过GPS软件接收机的RF前端，再经过低噪声放大、滤波、正交混频、中频数字采样得到数据流；3）数据流再进入基带处理器，得到直达波和反射波的载波相位、码相位和多普勒频移信息；4）将上步数据通过无线网络从观测基地传回业务单位的终端应用平台，计算最终产品；5）产品分发平台负责将终端应用平台的海浪高度产品，分发给用户。

按照信号处理的流程，整个数据分为三级：0级数据为原始数据，包括时间、载波的相位、频移、卫星序号、仰角、方位角等与卫星和信号相关的参数；1级数据为中间数据，即与“双差法”得到的海面高度相关的数据；2级为产品数据，最终产品，比如浪高、周期等。目前，业务试运行阶段输出的两种产品为海面最大波高和海面平均波高。

终端应用平台（图略）提供参数设置选项，可以用来控制数据质量，比如为了剔除较低或较高仰角造成的多路经效应，设定只有仰角在10°～80°之间的卫星数据才能进入该平台。针对每一颗卫星的信号，设定20s的分析时段，每秒钟采样10次，符合条件的卫星信号经过运算后，首先得到每个采样时刻的“双差”，即1级数据，然后根据统计算法就可以得到这20s时段内的一个浪高值，并输出最终结果。其他卫星信号的处理依次类推，经过30s的运算处理，最终将20s内所有有效卫星结果输出到一个文件中，即2级浪高产品。

图4为产品分发平台的最大浪高产品，平均浪高产品图略。产品分发平台每5min主动去终端应用平台取2级产品数据，通过业务网络分发给用户。

图4 产品分发平台的最大浪高产品，以2012年2月21日为例

4 反演结果分析

图5给出了2011年7月15、16日连续两天的最大波高、平均波高、自动站风场信息。其中红色线条表示最大浪高，黑色线条为最大浪高100min滑动平均，灰色线条为平均浪高，蓝色线条为自动气象站2min风场产生的风浪［23］，紫色点为对应时刻附近自动气象站3秒钟瞬时风速，绿色点为自动站平均风速，其中前三者采用左侧纵坐标，后两者采用右侧纵坐标。

由图5可见，这两天的平均风速不大，在4～8 m/s之间，最大波高起伏在0.5～3m之间，平均波高变化相对较小，为0.3～0.7m.虽然风速和波高之间并不是简单的线性关系，但仍可以用来对GPS反演波高的趋势作初步的定性比对：第一，东海潮汐属半日潮，一天两次，从最大波高的滑动平均曲线可以看出这种一天两次的波动趋势，特别是16日（农历初16），这种现象最明显，落差也最大；其二，根据胡维平等［23］的风浪推算关系，利用自动站平均风场资料计算了由风产生的风浪值，图如5中蓝线所示，虽然GPS反演的平均波高一般比风浪值大，但是其低值部分与风浪值较一致，这是由于真实海浪是风浪和涌浪叠加的效果；其三，图5（c）给出了从2011年7月16日01∶50到12∶15最大波高、平均风速、瞬时风速时间序列，可见在01∶50到09∶15之间，平均风速与最大波高滑动平均这两者间的关系对应较好。由图5（a）、（b）平均风速与最大浪高滑动平均之间关系可见，风与浪之间存在着某种提前和延后的关系。说明东海地区波浪以风驱动的风浪为主，涌浪所占比例较小。

5 结论及展望

本次实验是采用中国首个自主研发的GPS－R载波相位波浪仪，通过一年多不断修改和完善，目前已形成较成熟的GPS－R海洋遥感观测系统，处于业务试运行阶段。通过与自动站风场的初步比较，定性地分析和验证了GPS反演波浪高度的特征及可信度，为下一步定量分析和验证浪高精度打好基础。

海洋遥感是解决海上观测稀缺最有效的途径之一，GNSS为遥感探测提供了全天时全天候的观测。北斗是中国自主研发的定位系统，在不久的将来，GNSS－R接收机能够接收到包括中国北斗的信息，这不仅增加了反射点数量、增大了数据采用、提高了产品精度，而且推动了我国北斗系统民用事业的发展。

海面风场是气象、海洋部门非常关心的要素，GPS信号处于L波段，相比微波辐射计和微波散射仪，更不容易受到降水的影响，因此可以用来穿透对流云，反演海表风场，为海上风暴潮、台风监测提供有力的帮助。另外，从本实验结果初步可以看出潮汐现象。因此，基于GNSS－R海洋遥感的技术能够为更多部门提供更多信息。

致谢：感谢上海市海洋气象台黄宁立和黄波同志的热心帮助。

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