国外导航卫星的反射信号在海洋遥感中的应用分析

王炜

（天津市气象科学研究所，天津 300074）

国外导航卫星的反射信号在海洋遥感中的应用分析

王炜

（天津市气象科学研究所，天津 300074）

为了详细了解国外导航卫星反射信号（GNSS-R）新技术在海洋遥感方面的研究进展，在外文文献调研的基础上，详细阐述了GNSS-R的反射率和双基雷达两种方法在海洋监测应用的遥感技术原理，介绍了海面风场遥感、海冰遥感和海面测高等方面的的理论模型和方法。高空间分辨率和高时间分辨率是导航卫星反射信号在海洋中应用的最大优势。虽然GNSS-R的海洋气象要素反演技术只有十几年的发展历史，但是它已经在海洋天气预报和全球气候变化等领域显示出广阔的应用前景和巨大潜力，未来必将成为海洋大气探测的重要技术手段。

导航卫星；反射信号；双基雷达；海洋遥感

美国的部分学者认为1957年10月4日前苏联发射的低轨卫星，可能是导航卫星（GPS）的鼻祖[1]。直到1973年12月，美国国防部完成了24颗导航卫星的组网工作[2-5]，实现了导航卫星系统业务化。当今，全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)不仅成为世界各国重大的空间和信息化基础设施，也成为体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。据专家估计，2020年全世界将建成四大全球导航定位系统（美国GPS、俄罗斯GLONASS，欧盟GALILEO和中国COMPASS）；并且将来还有法国、德国、日本和印度等国的区域导航卫星系统以及增强系统。

自导航卫星系统建成后，又诞生了GPS测量资料反演大气中的气象参数的方法[6-7],这个方法促进了GPS气象学迅速发展[8-9]。而且，低轨道掩星技术已经成为了海洋大气水汽探测的新方法。

1993 年，科学家又提出了导航卫星反射信号的概念，它有可能成为低成本监测海洋的新遥感技术[10]。未来一段时间，由于全球导航卫星网络系统将形成百余颗卫星并存的局面，导航卫星网络能为海洋表面观测提供丰富的微波信号源。因此，人类将可以更加充分地免费利用导航卫星L波段信号,开展一种崭新的低成本、高密度的连续观测海洋的遥感技术。

文章将向国内气象和海洋工作者综合介绍导航卫星的微波信号观测海洋表面要素的基本原理，以及国外科学家在海风、海浪、海冰和海平面变化监测方面的最新研究成果。

1 导航卫星反射信号应用原理与硬件研究现状

1.1 导航卫星反射信号应用原理与优势

1993 年以来，欧美等发达国家的科学家一直从事着GNSS-R的研究。目前，他们的理论研究和科学实验等处于国际领先地位。

GNSS-R的工作原理是通过特殊的导航卫星接收机，接收导航卫星直射和反射信号，通过码延迟和相关函数波形及其后沿特性进行分析，并且结合电磁波散射理论来获取海面或陆面参数信息，利用导航卫星反射信号监测海洋的优势是导航卫星系统连续不断发射的L波段微波信号，为海洋表面监测提供丰富的反射信号源。这种方法相对其他星基遥感技术具有以下两个方面优点[10]：

（1）节省卫星投资。导航卫星的海洋反射信息，其发射源利用了导航卫星的反射信息，而接收卫星只需安装反射信号接收设备（如图1）。

图1 反射信号卫星接收系统方案

（2）可获取多印迹信息。因为接收机同时有多个反射信号源，接收机可以获得一条比单发射源空间分辨率高的图像。

1.2 导航卫星反射信号的信息处理原理

现在，导航卫星反射信号处理的理论方法可以分成反射率信息处理技术和雷达截面信息处理技术两种方法。

1.2.1 反射率信息处理技术 导航卫星发射的信号为右旋圆极化电磁波信号（RHCP），称为直射信号。导航卫星的直射圆极化信号经过海洋表面时，经过反射后的信号改变为左旋圆极化电磁波信号（LHCP），即反射信号。因此，导航卫星的右旋极化信号经过地面物体反射后，变成了左旋极化信号，所以左旋极化反射信号就包含了反射表面的信息。因此，利用接收的左旋反射信号可以提取反射体的一些信息。在数据处理时，常将反射信号功率与直射信号的比值，等效为反射信号的反射率。

1.2.2 雷达截面信息处理技术

（1）反射信号雷达方程

导航卫星反射的信号是L波段的扩频信号，这种信号可以理解为传统雷达遥感技术的一个延伸，即导航卫星反射信号装置是发射和接收分离的双基的雷达。

接收机接收信号是发射源的“前向”散射信号。设Pdir和 Pref分别表示直射、反射信号的功率；Gt，Gr1，Gr2分别表示卫星、RHCP天线、LHCP天线的增益；Rtr，Rts，Rsr分别表示卫星－接收机、卫星－地表、地表－接收机之间的距离；λ为波长。根据雷达方程[11]，到达接收机的直射信号功率Pdir为：

式中：Pt表示GPS卫星发射信号功率。经地面反射后到达接收机的反射信号功率Pref为：

式中：η为反射地面A单位面积上的散射系数。对于中等粗糙表面，Pref主要由两部分组成：镜面反射即相干分量PC和由表面粗糙度引起的非相干分量Pi，三者的关系满足Pref＝PC＋Pi，其中，PC可表示为：

式中：Γ为地表反射率，它随表面粗糙度的增加而增大。

（2）反射信号的雷达截面积

目标的雷达截面积（RCS）是表征目标散射强弱的物理量称作目标相对入射雷达波的有效散射截面积。它是反映目标散射特性的假想面积，用符号σ来表示。通常，雷达发射天线和接收天线距离目标很远，即到目标的距离远大于目标的最大线尺寸。因此，可以认为入射到目标处的雷达波是平面波。而目标是点散射体。因为点散射体的散射强度和雷达截面积都随目标的姿态角而变化。所以，雷达截面不是一个常数，而是同入射角和透射角密切相关的目标特征量。对于粗糙表面的反射能量常常用归一化双基雷达截面来表征。归一化双基雷达截面描述为：

上述公式是建立在受限的基尔霍夫近似光学的基础上，而且光学模型特别适合左旋极化反射信号。归一化双基雷达截面的值取决于Fresnel复系数V、散射矢量和散射矢量密度。Fresnel复系数的定义为：

式中：θ1为入射角；θ2为透射角为波阻抗。Fresnel系数V取决于信号极化状态、反射介质的复介电常数和本地入射角。因此，GNSS-R信号的归一化双基雷达截面受到信号极化状态和反射介质的复介电常数ε的影响。q→=k(n→-m→)是所谓的散射向量，其中k=2π/λ表示无线电波数，m→是入射波的单位向量，n→是散射波的单位向量。因此，海洋表面要素反演常用雷达截面计算。

在实际应用中，雷达截面大小应该考虑下列因素：

（1）目标结构。因为目标的形状、尺寸和材料的电参数不同，所以散射场不同。

（2）目标相对于入射和散射方向的姿态角。对于大多数雷达，辐射天线和接收天线几乎位于同一点上，所测量到的散射场称为单站散射。当散射方向不是指向辐射天线时，称为双站散射。

（3）入射波的频率和波形。同一目标对于不同的雷达频率呈现不同RCS.

（4）入射场和接收天线的极化形式。不同极化的电磁波散射特征完全不同。

1.3 导航卫星反射信号硬件设备研究现状

国外已经开发了多种型号的反射信号接收机。例如，NASA兰利研究中心的Oceanpal接收机，西班牙GOLD-RTR接收机，科罗拉多大学的反射信号接收机，美国NAVSYS公司的接收机等。

导航卫星反射信号接收机与传统导航卫星接收机具有一些差异。传统导航卫星接收机主要是通过改变本地复制信号的时延和多普勒频移使得相关功率最大,获取相关功率最大点,以获取精确的伪距信息。导航卫星反射信号接收机是获取最大点附近一维时延相关功率或一维多普勒相关功率曲线,或二维时延多普勒相关功率曲面。

导航卫星硬件接收设备是导航卫星反射信号数据处理的物质基础。导航卫星反射信号接收设备一般由天线、信号接收设备和信息处理计算机三部分组成。导航卫星反射信号接收设备可以设置在陆基，也可以装载在航天器和航空器上[12-13]。

在陆基设备中，导航卫星直射信号天线指向天空，负责接收导航卫星发射的直射信号。导航卫星反射信号天线指向海面，负责接收海面的反射信号。

导航卫星接收机设备可以分为软件接收机和硬件接收机两种，软件接收机结构简单，信号处理灵活方便。但是，数据信息量较大，数据处理实时性差。硬件接收机可以直接输出相关功率波形，具有数据量小、实时性高等优点。但是，设备结构复杂，成本较高而且数据处理灵活性欠缺。

导航卫星发射信号通过扩频把比特转换成码片（C/A码）。一个数据信号（如逻辑1或0）通过多个编码信号进行编码，其中一个编码信号就称为一个码片。码片相当于模拟调制中的载波，是信号的载体。扩频信号是用一个伪随机噪声序列（PN序列）与窄带PSK信号相乘。PN序列通常用符号C来表示，一个PN序列式就是一个有序的由1和0构成的二元码流。因为PN序列的1和0不承载信息，所以不称它为BIT而称为CHIP（码片）。搜索方法是把不同延迟的C/A码与接收的数据做相关,然后逐个比较。如果信号中含有该伪随机噪声信号,通过相关处理可以检测出来。

2 导航卫星反射信号的海风监测研究

欧美国家的科技工作者将导航卫星的发射信号设备和接收信号设备做为双基雷达，进行了海洋表面风矢量的测量，获得了有效的海面风场反演模型[14-18]。这种方法是通过接收导航卫星反射信号功率来提取海洋表面信息。反射信号功率产生于一个名义上的谱反射点周围的信号延迟和多普勒信号。因为反射区域的大小和形状同海洋表面的粗糙度密切相关[19]，而且海洋表面粗糙度又依赖于海洋表面的风速和风向；所以导航卫星的反射信号可以测量海洋表面风速和风向。

导航卫星反射信号观测海洋风速和风向一般采用导航卫星双基散射模型[20]。散射模型的形式为：

在上式中，等式左侧为反射信号功率。等式右侧σ0为归一化双基雷达截面；Pt和Gt为卫星发射功率和发射天线增益；Gr为接收天线的增益；T是积分时间，单位为s；ρ是反射面；D是天线增益；S是多普勒同步函数；P是海洋表面坡度函数；q是散射矢量；Λ是导航卫星的相关函数；c是光速；fD是反射点的多普勒飘移；fc是多普勒频率补偿；R是接收机到反射点距离；R0是导航卫星到反射点距离。

美国NASA科学工作者开展了使用导航卫星反射信号观测飓风的实验。他们认为，导航卫星反射信号观测可以弥补QuickSCAT和ASCAT等设备在海洋观测时存在空间空隙的缺陷[21]。而且，美国计划2016年发射一个由8颗小卫星构成的星座CY GNSS（Cyclone Global Navigation Satellite System)，开展导航卫星反射信号的海洋表面要素观测。

3 导航卫星反射信号的海冰监测研究

海冰作为气候环境系统的重要组成部分已日益受到人们的关注。但是，由于海冰环境的复杂性和云覆盖的持续性，使得常规仪器观测海冰很困难。随着导航卫星系统不断发展，导航卫星反射信号监测海冰的技术受到了重视。

在海冰探测算法方面，西班牙Starlab研究所做了大量的研究工作。有学者研究认为，因为冰的介电常数决定了冰的内部状态，所以受冰介电常数影响的导航卫星反射信号可以获取更多的海冰内容信息[22]。美国学者分析了美国Alaska附近机载导航卫星反射信号的海冰观测数据，认为导航卫星反射信号能够提供海冰环境中的有用信息[23]。

天津市气象科学研究所王炜等在天津汉沽开展了岸基导航卫星反射信号的海冰观测和模拟分析[24]。这项工作验证了导航卫星反射信号的可模拟性，能够解决观测实验中的不确定性。而且，试验结果表明，通过掌握反演的关键技术、试验方法、反演模型等技术，可以利用导航卫星反射信号获取丰富的海冰信息。

随着未来中国北斗系统的发展，我国科学工作者将利用导航卫星反射信号技术，实现海冰反演的实时性和有效性。尤其是在人类不可进入的恶劣海洋环境中，导航卫星反射信号监测海冰技术具有很大的发展潜力。

4 导航卫星反射信号的海面变化监测研究

4.1 海平面高度监测

海面高度是一个重要的物理量,全球海面高度数据可以应用于大洋环流的确定、大洋潮汐模型的建立以及中尺度气候模型的研究等方面的工作。因此，高精度海面高度数据对气象学和海洋学研究工作都非常重要。目前,海面高度主要采用现场船测和卫星高度计测量等方法来获取。卫星高度计是一种星载主动式微波测量仪器,具有全天候、长时间历程、高精度等特点,但缺点是功耗大、时空分辨率不高。

图2 导航卫星反射信号测量海面高度示意图

星载或机载GNSS-R测高技术,可以有效弥补卫星高度计的不足。1993年，ESA科学家利用GPS反射信号建立了测量海面高度系统PARIS。1998年10月，美国喷气推进实验室在本国海岸进行了两次重要的空基测高试验。

GNSS-R海面高度测量原理是利GNSS海面反射信号与直射信号到达接收机的时间差来计算路程差，从而实现测高（图2）。GNSS反射信号可以监测到反射信号天线与海面高度的变化。这测高公式可以表示为：

在计算中，考虑海面散射延迟误差、各种随机噪声产生的误差和上下天线安装带来的误差。在数据处理中，应该采用滤波的方法，去除浪的波动因数，提取潮位变化信息。

4.2 有效波高估算

在有效波高反演中,主要利用反射信号的自相关特性。定义FD(t)和FR(t)分别为接收机输出的直接信号和反射信号的最大相关值对应的复数时间序列。为了剔除与海面运动无关的分量,采用干涉法处理数据。FI(t)为干涉复数场(interferometer complex field,ICF),它的定义如下:

定义相关时间τf为ICF的自相关函数Г(Δt)的时间宽度。Γ(Δt)=〈FI*(t)FI(t+Δt)〉,它表示在相关时间内,接收机接收的信号之间存在正相关。这个相关时间量同海面的坡度、电波入射的仰角等因素有关。

为了剔除与海面运动无关的分量,采用干涉法,即通过对反射场和直射场求比,得到干涉复数场,可以消除两个分量中指数项的公共误差,如残留多普勒、导航码相位偏差、卫星发射功率变化以及绝大部分由电离层和中性大气引起的附加时间延迟。

这样,ICF的相关时间可以看作这个高斯函数的二阶矩：

从式（9）可以看出,τf依赖于表面相关时间τz和有效波高SWH的比值，以及电磁波长λ；ε是导航卫星仰角。通过干涉复数场的自相关时间τf和有效波高SWH的经验模型,可以得到SWH的计算公式:

式中：方程的系数为a=0.003 8,b=-0.073,c= 0.026 7。

5 结束语

导航卫星反射信号的海洋遥感是一个新的遥感研究领域，它正在引起国内外科技工作者的广泛关注。目前，导航卫星反射信号的海洋遥感理论和算法方面正在逐步完善，并且已经趋于成熟并正在尝试投入业务化运行。

未来几十年，导航卫星可以为人类提供精确、无偿的海洋探测信号，使得导航卫星反射信号具备无源探测、全球覆盖、成本低、数据量大等优势。这项技术将成为监测台风风场、海冰和海平面长年变化的非常理想的遥感技术。

由于导航卫星反射信号观测海洋的时间连续性特征，使得它在一定程度上解决了普通遥感技术的时间维度问题。随着全球气候变化以及各种自然灾害的频繁发生，导航卫星反射信号作为一种新型的遥感手段，在海洋灾害监测方面具有重要的科学意义和广阔的发展空间。

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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

王炜（1965-），男，博士，主要研究方向为数值模拟和遥感技术。E-mail:wwei356@163.com