基于GPS反射信号的岸基海冰探测研究

张云 郭建京 洪中华 韩彦岭

0 引言

海冰作为全球海洋与大气系统的一员，与海洋和大气相互作用，对全球气候变化产生了重大影响。海冰的生成、发展和消融过程，反映并影响了海洋与大气的交换过程，进而影响海洋与大气的环流模式。

中国渤海和黄海北部历年来出现了不同程度的冻结，其冰情变化与全球气候变化有密切关系。自1969年出现特大冰封以来，中国已全面开展了海冰监测、预报和研究工作。在海冰常规观测基础上，进一步开展了卫星和航空遥感技术的应用研究。2010年，国家海洋局北海预报中心和国家海洋局第一海洋研究所针对渤海海冰和MODIS（中分辨率成像光谱辐射计）数据的特点，构建了基于MODIS数据的渤海海冰遥感探测系统［1］。2011年，中国海事局烟台溢油应急中心利用SAR（卫星合成孔径雷达）数据分析2010年渤海海域海冰冰缘线、海冰类型以及探测海冰运动过程，为有效应对海冰灾害提供了科学参考［2］。

传统的遥感手段如MODIS和SAR虽然具有较高的时空分辨率但是可用的信号有限，而且是单基工作模式，反射信号接收机复杂度高，遥感成本高。GNSS-R（Global Navigation Satellite Systems-Reflectometry）遥感技术是20世纪90年代以来逐渐发展起来的GNSS的一个新型分支，是国内外遥感探测和导航技术领域研究的热点之一［3］。国外采用GNSSR技术进行海冰探测相关研究有如下几个方面。2000年，Kom jathy等［4］利用 GNSS反射信号的峰值功率获得海冰表面有效介电常数的经验值（Permittivity by peak-power）。2007年 Belmonte［5］拟合反射信号波形得到了海冰表面的粗糙度。2012年，Fabra等［6］用欧洲空间局于2008—2009年在格林兰岛迪斯科海岸采集的数据，采用双极化相位测高的方法反演了海冰表面的绝对椭球高，取得了很好的测量精度。

目前，国内使用GNSS-R技术研究的方向有：海面侧风、海面测高、海洋盐度探测、土壤湿度探测、海冰探测和移动目标探测，而基于GNSS-R的海冰探测技术研究还处于起步阶段，目前还没有GNSS-R的海冰遥感实验，因此我们采用欧空局网站［7］上公布的海冰实验数据进行理论方法的验证和结果分析。

1 GNSS-R技术特点

欧空局科学家Martin-Neira于1993年首次提出对GNSS反射信号进行利用的概念——PARIS（Passive Reflectometry and Interferometry System）［8］；1994年法国科学家Auber在进行机载飞行实验时意外的发现了反射信号，证明反射信号是可以被接收并检测的［9］。

GNSS接收机在接收导航卫星直射信号的同时，也将接收反射面的反射信号。从电磁波传播基本理论看来，该反射信号中携带反射面的特性信息，反射信号波形的变化、极化特征的变化，幅值、相位和频率等参量的变化都直接反应了反射面的物理特性，或者说直接与反射面相关。对反射信号的精确估计和接收处理，可以实现对反射面物理特性的估计与反演。

目前GNSS-R在理论、技术和数据反演等方面逐步完善，GNSS卫星可以在未来几十年为人类提供精确、无偿的探测信号。该信号具有长期的稳定性，而且测量技术简单，设备费用低，易于推广。因此，这项技术为监测海平面的变化提供了一种非常理想的手段。如图1所示，如果只有一颗大型卫星进行观测，能够检测到的海面面积相对来说非常狭窄，所以存在时间分解能力不高的问题。如图2所示，GNSS反射信号接收机同时可以接收多个GNSS卫星的信号，所以相对于传统的单个观测卫星，使用GNSS反射信号可以观测到更大范围的海面，并且能够实现高时间分辨率的海洋观测。

图1 单颗大卫星海面检测概图Fig.1.Sea surface observation using single LEO（Low Earth Orbit）satellite

图2 GNSS反射信号海面检测概图Fig.2.Sea surface observation using GNSS satellite reflected signal

2 GNSS信号特征

GNSS信号自导航卫星发射后成为在空间传输的电磁波。在时变电磁场中，场矢量和场源既是空间位置的函数，又是时间的函数。在正弦稳态条件下，由场源所激励的场矢量的各个分量仍是同频率的正弦时间函数［10］。

时变电磁场中的任一坐标分量随时间做正弦变化时，其振幅和初始相位也都是空间坐标的函数。以电场强度E为例，以一定的频率ω随时间t和空间r按正弦规律变化，可表示为

由于电场强度E、磁场强度H和传播方向K三者之间的关系是确定的，所以一般用电场强度E的矢量端点在空间任意固定点上随时间变化所描述的轨迹来表示电磁波的极化［11］。

假设均匀平面波沿着z轴方向传播，电场强度和磁场强度均在垂直于z轴的平面内，令电场强度E分解为两个相互正交的分量Ex和Ey，其频率和传播方向均相同，

E矢量端点的轨迹方程可以经由三角运算获得，

这是半径为E0的圆的方程，故而称为圆极的传播方向满足右手螺旋关系，称为右旋圆极化（RHCP）；反之称为左旋圆极化（LHCP）。GNSS的导航信号（直射信号）是右旋圆极化的，当直射信号照射到物体表面时极化方式会发生改变，部分转变为左旋圆极化信号。研究反射信号的极化类型的变化可以提取出反射物体的物质特性信息，这是GNSS-R技术的理论基础。

3 数据采集

3.1 GPS开环实时差分接收机

本文分析的海冰数据是欧洲空间局（ESA）于2009年1—5月在格林兰岛迪斯科海岸，采用ICE／IEEC-CSIC制造的GPS开环实时差分接收机（GPS Open Loop Differential Real-Time Receiver，GOLDRTR）采集。接收机原理如图3所示。

图3 GPS开环实时差分接收机原理框图［12］Fig.3.Diagram of GPSopen-loop differential real-time receiver

GOLD-RTR接收机的Link-1接口与射频前端的天顶右旋圆极化（RHCP）天线连接收集直射信号，用来提供时间、卫星仰角和接收机姿态等参数。另外的两个射频前端可以连接其他任意方向的左旋圆极化（LHCP）和右旋圆极化（RHCP）天线，接收反射信号。接收机有10个可编程的相关通道，可以根据实验需要用多个通道以不同的多普勒频移处理同一颗卫星信号，也可以用单个相关通道以不同的几何参数处理多达10个不同的卫星。

GOLD-RTR接收机的原始数据采样频率为40 MHz，相关通道采样频率为20 MHz，内置的FPGA芯片可以实时地在每个通道每毫秒产生64个复数相关值，波形序列的延迟间隔为50 ns（约15 m），相关波形采用1 bit量化。

3.2 实验场景

本次实验是欧空局在格林兰岛开展的GNSSSIDS（Sea Ice and Dry Snow）项目的一部分，实验的目的是验证星载接收机接收GNSS反射信号研究海冰和积雪物理特性的可行性。如图4所示，接收机天线架设在迪斯科海岸悬崖边的一个电信信号塔上，距离海面高度约650 m，直射天线朝向天顶，两个反射天线水平放置朝向海面，可以通过网络远程控制。实验从2008年10月下旬开始，到2009年5月初结束，连续观测7个月，采集到了观测海域的海冰从开始形成到完全结冰再到消融过程的全部数据。但是2008年10月下旬至当年底的数据由于设备等原因实验数据不能够使用，所以本文分析的是自2009年1月1日起的实验数据。

4 实验数据分析

4.1 GNSS反射信号极化比

GNSS反射信号的不同极化类型提供了反射面的物理特性信息。为了序列除以直射右旋圆极化信号的峰值序列，并对处理结果取平均值，得到了如图5所示的极化比均值。如图5所示，反射LHCP／直射RHCP的极化比值有一个逐渐减小，然后逐渐增加的过程。

4.2 模拟海冰表面复介电常数

海水在结冰之初，盐分来不及完全排出，有一部分被冻结在海冰中；在形成海冰后，盐分会逐渐排出去。如初生海冰的盐度可以达到20左右，经过一个冬天，一年冰的盐度降到4—6［14］。由于海冰在形成过程中表面包含海水，因此可以用海水介电常数估计海冰表面的介电常数。海水介电常数通常用德拜（Debye）公式表示为：

其中：ε0＝8.854×10－12F／m，为自由空间介电常数；频率无限大时 ε∞＝4.9；ω＝2πf为电磁波角频率；S，T分别为海水的盐度和温度（℃）；电导率σ；静态介电常数ε1和弛豫时间τ随温度T和盐度S变化。

根据德拜公式和海冰形成过程中海冰表面盐度和温度的变化，GPS L1波段的频率为1 575.42 MHz，温度变化范围－20—0℃，盐度变化范围4—20，近似计算出2009年格林兰岛迪斯科海域1—5月的海冰表面介电常数变化曲线（如图6所示）。

图6 海冰形成过程中复介电常数（实部）的变化趋势Fig.6.Complex dielectric constant（real part）during sea ice freezing and melting

对比 GPS14、17、18、22、28号卫星极化比均值（图5）和海冰形成过程中复介电常数（实部）的变化趋势图（图6）可知，海冰形成过程中海冰表面的复介电常数逐渐减小，而对应的反射LHCP／直射RHCP极化比均值逐渐减小，反之，海冰融化过程中，表面的复介电常数逐渐增加，而对应的反射LHCP／直射RHCP极化比均值逐渐增加，我们可以总结出反射LHCP／直射RHCP的极化比均值与海冰表面的介电常数具有相同的变化趋势，随着海冰的形成，反射LHCP／直射RHCP极化比均值会不断减小，随着海冰的消融，反射 LHCP／直射 RHCP极化比均值会不断增加，所以我们可以通过GNSS-R技术观测海面GPS反射信号的极化比值检测海冰的形成和消融过程。

由于图6是我们通过根据德拜公式模拟出的2009年1—5月海冰形成过程中复介电常数（实部）的变化趋势，在以后的研究中，我们将利用该海域的遥感图像分析等手段，更进一步证实我们的研究理论。

5 结论

利用欧洲空间局（ESA）于2008年10月下旬开始，到2009年5月初结束，在格林兰岛迪斯科海岸的GNSS反射信号实验数据，讨论了基于GNSS反射信号用来检测海冰的形成和消融过程的基本方法。由于2008年10月下旬至2008年底的数据不能够使用，所以着重分析了从2009年1月1日起的实验数据。跟踪了20°左右的GPS卫星，并且计算出反射LHCP／直射RHCP的极化比值，并与德拜公式模拟的海冰形成过程中复介电常数（实部）的变化趋势进行了对比，初步得出了利用GPS反射信号的极化比值与海冰表面介电常数变化关系。

我们将以此为基础继续研究海冰（厚度）增长率或海冰生消速度和检测海冰的厚度，为中国使用GNSS-R技术对渤海和黄海进行海冰灾害预警做好充分准备。未来我们将继续分析欧空局的海冰数据来验证其他的海冰探测方法。

基于全球卫星定位系统的GNSS-R技术以其全天候、全天时、多信号源、宽覆盖、高时空分辨率等应用优势，在海冰遥感领域展现出广阔的应用前景，已经成为卫星导航应用领域的一个热点研究内容。

致谢 感谢北京航空航天大学电子信息工程学院杨东凯教授、李伟强博士在GNSS-R的学习中给予的帮助。同时，感谢欧空局地球观测中心Fabra博士，在解析格林兰岛的海冰数据时提供的大力帮助。

1 王宁，纪永刚，张晣，等.基于MODIS数据的渤海海冰遥感探测系统的设计.海洋预报，2011，28（1）：33—38.

2 舒迟.星载SAR在防抗海冰灾害中的应用研究.中国水运，2011，11（6）：71—73.

3 杨东凯，张其善.GNSS反射信号处理基础与实践.北京：电子工业出版社，2012.

4 Kom jathy A，Maslanik J，Zavorotny V U，etal.Sea ice remote sensing using surface reflected GPSsignals∥Proceedingsof IEEE 2000 International Geoscience and Remote Sensing Symposium，IGARSS.Honolulu，HI：IEEE，2000，7：2855—2857.

5 Belmonte M.Bistatic scattering of GPS signals off Arctic sea ice.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2010，48（3）：1548—1553.

6 Fabra F，Cardellach E，Rius A，et al.Phase altimetry with dual polarization GNSS-R over sea ice.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2012，50（6）：2112—2121.

7 Cardellach E，Fabra F，Nogués-Correig O，et al.GNSS-R ground-based and airborne campaigns for Ocean，Land，Ice，and Snow techniques：application to the GOLD-RTR data sets.Radio Science，2011，46（6），doi：10.1029／2011RS004683.

8 Martin-Neira M.A passive Reflectometry and interferometry system（PARIS）：Application to ocean altimetry.ESA Journal，1993，17：331—355.

9 Auber JC，Bibaut A，Rigal JM.Characterization ofmultipath on land and sea at GPS frequencies.ION GPS 1994，Salt Lake City，UT，1994，1155—1171.

10 熊皓.电磁波传播与空间环境.北京：电子工业出版社，2004.

11 姜宇.工程电磁场与电磁波.武汉：华中科技大学出版社，2009.

12 Nogués-Correig O，Gali E C，Campderros JS，etal.A GPS-reflections receiver that computes doppler／delaymaps in real time.IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing，2007，45（1）：156—174.

13 Rius A，Cardellach E，Martín-Neira M.Altimetric analysis of the sea-surface GPS-reflected signals.IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing，2010，48（4）：2119—2127.

14 李群，张璐，吴辉碇.一个北极区域冰海耦合模式的设置与应用.极地研究，2010，22（1）：79—89.