基于北斗導航衛(wèi)星反射信號探測海浪的實現(xiàn)與分析

涂滿紅，曹云昌，周 丹

(1.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；2.山東省威海市氣象局，山東威海 264200)

基于北斗導航衛(wèi)星反射信號探測海浪的實現(xiàn)與分析

涂滿紅1，曹云昌1，周 丹2

(1.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；2.山東省威海市氣象局，山東威海 264200)

基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在亞太地區(qū)的良好覆蓋能力，利用中國氣象局、山東氣象局及北京航空航天大學在威海聯(lián)合開展的北斗反射信號海洋遙感試驗所采集的海風海浪系統(tǒng)的探測數(shù)據(jù)與同址同期的浮標數(shù)據(jù)，著重對北斗GEO衛(wèi)星反射信號(BDS-GEO-R)探測海面有效波高的可行性進行了分析和檢定，并對比分析同期浮標數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，北斗反射信號探測海浪結(jié)果與浮標數(shù)據(jù)具有良好的一致性，海面浪高的探測精度為10 cm。最終證明了利用北斗反射信號探測海洋浪高的可行性。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星反射信號；海風海浪；有效波高；浮標數(shù)據(jù)

海洋漁業(yè)在我國東南沿海經(jīng)濟構(gòu)成中占有重要的地位，為保障海上生產(chǎn)作業(yè)、海水養(yǎng)殖的安全，準確掌握海洋氣象信息顯得尤為重要。海洋有效波高是海面狀態(tài)的重要物理參數(shù)，準確實時探測海面的浪高狀態(tài)，對海洋漁業(yè)的生產(chǎn)安全等具有重要的作用。浮標是目前海洋觀測站中普遍采用的有效波高探測手段，通過集成多種海洋參數(shù)傳感器，對目標海域進行觀測[1]。近年來，隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其在提供傳統(tǒng)定位、導航及授時服務的同時，還提供了大量的電磁信號源。目前，國內(nèi)外常用的有效波高遙感手段主要有衛(wèi)星高度計[2-3]、高頻地波雷達[4]等。全球?qū)Ш叫l(wèi)星反射信號(GNSS-R)技術(shù)也隨之產(chǎn)生，學者對其在遙感應用領(lǐng)域開展了大量的研究[5]。GNSS-R技術(shù)作為一種非接觸式、無需發(fā)射源設(shè)備，具有全球域、全天時以及成本低等特點[6]，可有效降低傳統(tǒng)浮標維護所需的費用，已逐漸成為遙感領(lǐng)域研究的熱點之一。

GNSS-R技術(shù)用于海面浪高探測的研究最早開始于歐洲Starlab公司。2004年Soulat等[7]在巴塞羅那港口開展了GPS反射信號探測有效波高試驗，對GPS反射信號探測有效波高進行了研究。2003年Hajj等[8]分析L波段海面散射信號相關(guān)函數(shù)與海況的關(guān)聯(lián)，提出了利用DCF波形峰值計算海面浪高的思想。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)是中國自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)[9]?；诒倍穼Ш叫l(wèi)星反射信號的海洋遙感技術(shù)，為海洋氣象觀測提供了新的途徑，同時，基于北斗在亞太地區(qū)的良好覆蓋能力，該技術(shù)可為我國沿海氣象資料提供補充。筆者著重對北斗靜止軌道衛(wèi)星(GEO)反射信號(BDS-GEO-R)探測海面有效波高的可行性進行了分析和檢定，同時與同期浮標數(shù)據(jù)進行了對比分析。

1 資料與方法

1.1 資料來源 以山東威海北斗海風海浪探測示范站(112.70 °E、37.39 °N)的有效波高探測數(shù)據(jù)作為BDS-GEO-R數(shù)據(jù)源。威海示范站于2014年4月份由中國氣象局、山東氣象局及北京航空航天大學聯(lián)合建立，主要用于北斗反射信號海洋遙感研究。觀測平臺距離海面垂直高度33 m(圖1)。觀測設(shè)備采用由北京航空航天大學研發(fā)的北斗反射信號海風海浪探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙天線觀測模式，其中右旋圓極化天線(天線增益3 dB)指向天頂方向，用于接收衛(wèi)星直射信號，左旋圓極化天線(天線增益12 dB)指向海面，相對水平方向傾斜40°。

為分析和驗證北斗反射信號探測浪高的有效性與穩(wěn)定性，采用附近浮標浪高數(shù)據(jù)作為基準對比數(shù)據(jù)。浮標輸出有效波高的更新速度為1 h。

1.2 北斗反射信號有效波高探測方法

1.2.1 干涉復數(shù)場計算有效波高。探測系統(tǒng)采用計算干涉復數(shù)場相關(guān)時間的方法反演有效波高。干涉復數(shù)場定義為衛(wèi)星反射信號及直射信號所對應的最大復數(shù)相關(guān)值序列之間的比[10]，其公式為：

FI=FR/FD

(1)

式中，F(xiàn)I表示干涉復數(shù)場，F(xiàn)R、FD分別表示反射信號、直射信號所對應的最大復數(shù)相關(guān)值序列。公式中的直射分量用于剔除與海面狀態(tài)無關(guān)的因素，如衛(wèi)星信號功率的波動、接收機內(nèi)部的熱噪聲、電離層延遲等影響，可有效提高干涉復數(shù)場與海面狀態(tài)的相關(guān)性。

圖1 海風海浪探測示范站觀測點位置(a)和觀測平臺(b)Fig.1 Location(a)and observation platform(b)of ocean wind and wave detection station

定義相關(guān)時間為干涉復數(shù)場的自相關(guān)函數(shù)的時間寬度，它表征接收機接收的信號之間的相關(guān)性，與海面的坡度、衛(wèi)星仰角、散射信號波長等因素有關(guān)。根據(jù)文獻[10]，相關(guān)時間可以看做服從高斯函數(shù)分布的二階距：

(2)

式中，θ表示衛(wèi)星仰角，τz表示表面相關(guān)時間，SWH表示有效波高。

1.2.2 北斗反射信號海風海浪探測系統(tǒng)。示范站采用由北京航空航天大學研發(fā)的北斗反射信號海風海浪探測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由右旋圓極化天線、左旋圓極化天線、四通道射頻前端、中頻處理單元和監(jiān)控工作站組成。射頻采樣速率為16.369MHz，2bit量化。北斗反射信號接收機輸出直射、反射信號復數(shù)相關(guān)值，其更新速率為1kHz。最終輸出直射信號復數(shù)相關(guān)值峰值序列以及反射信號復數(shù)相關(guān)值。對輸出的相關(guān)值分別提取直射、反射信號最大復數(shù)相關(guān)值，進而計算干涉復數(shù)場(圖3)。

圖2 北斗反射信號海風海浪探測系統(tǒng)組成Fig.2 Block diagram of BDS-R

圖3 相關(guān)時間計算流程Fig.3 Flow of calculating correlation time

1.3 分析方法 為檢驗北斗反射信號探測海面有效波高的性能及可行性，該研究針對2014年6—9月海風海浪探測系統(tǒng)輸出的有效波高數(shù)據(jù)進行分析，并與浮標數(shù)據(jù)進行了對比分析。由于浮標輸出的有效波高數(shù)據(jù)為整點平均結(jié)果，北斗海風海浪探測系統(tǒng)的輸出結(jié)果為分鐘數(shù)據(jù)，因此，在進行數(shù)據(jù)對比前，需要對結(jié)果進行平均處理，完成將探測數(shù)據(jù)與同比浮標數(shù)據(jù)對齊。

2 結(jié)果與分析

從圖4可看出，2014年6—8月浮標輸出的有效波高為0.1～2.5 m，2種觀測手段輸出的有效波高分布具有良好的一致性。初步證明了利用北斗反射信號探測海面有效波高的可行性。

圖4 2014年6—8月相關(guān)時間探測有效波高值與浮標數(shù)據(jù)分布Fig.4 Distribution comparison between significant wave height observed by correlation time and buoy from June to August in 2014

為進一步驗證海風海浪探測系統(tǒng)的可行性和精度，對系統(tǒng)輸出的9月有效波高結(jié)果進行了分析和精度計算。由圖5可見，2014年9月浮標輸出的有效波高為0.1～3.0 m，其中海面浪高大部分集中在0.1～0.7 m(海面處于較穩(wěn)定狀態(tài))。同期北斗反射信號海風海浪探測系統(tǒng)輸出的有效波高與浮標數(shù)據(jù)具有良好的一致性。

圖5 2014年9月相關(guān)時間探測有效波高與浮標數(shù)據(jù)分布Fig.5 Distribution comparison between significant wave height observed by correlation time and buoy in September in 2014

為研究北斗反射信號探測有效波高的精度，對9月的數(shù)據(jù)進行一元線性回歸分析，結(jié)果表明(圖6)，利用相關(guān)時間探測有效波高的平均偏差為10 cm，與浮標數(shù)據(jù)具有良好的一致性，因此利用北斗反射信號探測海面有效波高具有很好的可行性。

圖6 2014年9月相關(guān)時間探測有效波高值與氣象站浮標數(shù)據(jù)對比Fig.6 Comparison between significant wave height observed by correlation time and buoy from meteorological station in September，2014

3 結(jié)論與討論

(1)通過將2014年6—8月利用北斗反射信號測量技術(shù)探測的有效波高與浮標數(shù)據(jù)的對比，驗證了海風海浪探測系統(tǒng)利用干涉復數(shù)場相關(guān)時間反演的有效波高與浮標數(shù)據(jù)具有良好的一致性。

(2)通過對2014年9月數(shù)據(jù)進行一元線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)北斗反射信號探測的有效波高值與浮標數(shù)據(jù)分布具有良

好的一致性，反演平均偏差為10 cm。

(3)岸基條件下，利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星反射信號探測海洋信息，需要克服復雜的地理環(huán)境和干擾，主要包括陸地干擾、近海海溝地形、海面斑點噪聲等。試驗過程中，采用北斗靜止軌道衛(wèi)星，利用其相對穩(wěn)定的幾何關(guān)系，通過分析接收機、衛(wèi)星及海面的位置關(guān)系，調(diào)整反射天線與水平面的角度，可有效減少來自海岸地面的反射干擾，對有效波高的探測具有積極的作用。

(4)此次試驗利用GNSS-R技術(shù)進行岸基海洋氣象遙感試驗，受限于觀測平臺的高度和天線的覆蓋區(qū)。在后期的研究工作中，將增加對機載、星載平臺下GNSS-R海洋遙感性能表現(xiàn)的分析。

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Implementation and Analysis of Detecting Ocean Wave Height by Beidou Navigation Satellite Reflected Signal

TU Man-hong1, CAO Yun-chang1, ZHOU Dan2et al

(1. Meteorological Observation Centre of CMA, Beijing 100081; 2 Weihai Meteordogical Bureall, Weihai, Shandong 264200)

Based on good coverage capability of Beidou satellite navigation system in the Asian- Pacific Region, using detection data of ocean wave and buoy data collected by CMA, SMA, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, the feasibility of detecting significant wave height by BDS-GEO-R was analyzed, and compared with buoy data. The result of significant wave height showed a good consistence between BDS reflectometry and buoy, and the accuracy was 10cm. Ultimately,it proves the feasibility on detecting ocean wave height using BDS reflected signal.

Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R); Sea breeze and wave; Significant wave height; Buoy data

總裝備部中國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用重大專項(GFZX 03030303)。

涂滿紅(1973- )，女，北京人，高級工程師，碩士，從事氣象探測方法及應用研究。

2016-09-23

S 951.1

A

0517-6611(2016)35-0188-03