GNSS-R 海面風場遙感技術研究

寧尚國，尹鵬飛，馬 煦

（1.北斗星通導航技術股份有限公司，北京 100094；2.航天恒星科技有限公司，北京 100094；3.北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094）

1 GNSS-R 技術

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）不僅可以為用戶提供導航定位和精確授時功能，利用其海面反射信號（GNSS-Reflection）還可進行海洋微波遙感探測，獲得海面風場、海面高度、有效波高、海冰及海水鹽度等海洋參數(shù)。

GNSS-R 海洋微波遙感技術具有全天候、全天時、多信號源、高時空分辨率等優(yōu)點，受到各國海洋、氣象和軍事等應用部門的高度重視。國外于20世紀90年代開始研究GNSS-R 海洋微波遙感技術，以NASA 蘭利研究中心（LaRC）及科羅拉多大學天文動力學研究中心（CCAR）為主，進行了海面風場探測方面的研究和試驗。1996年，蘭利研究中心的Stephen Katzberg 和James Garrison，首次針對海洋反射的GPS 信號進行了機載驗證性試驗[1]；此后利用特殊研制的延遲映射接收機（DMR，Delay Mapping Receiver）進行了機載飛行試驗，記錄不同時延下的反射信號相關功率曲線，定性地驗證了海面粗糙度與時延相關功率曲線擴散之間的關系[2]；并將機載試驗測量結果和理論模型進行了比較[3]，初步奠定了機載高度利用GPS 反射信號進行風速反演的理論基礎，于2000年對利用GPS 反射信號進行海面風場探測進行了較為系統(tǒng)地分析，給出了海面散射信號理論模型（Z-V 模型）[4]，并將機載試驗結果與QuickSCAT 衛(wèi)星散射計探測結果進行了對比，結果表明風速反演精度可達2–3 m/s，風向反演精度可達10度[5]。

我國對GNSS-R 海洋微波遙感技術的研究處于起步階段，主要研究機構有：中國科學院遙感應用研究所、大氣物理研究所、空間科學與應用研究中心、武漢物理與數(shù)學研究所；國家海洋局第一研究所、第三研究所；北京航天航空大學等。這些機構先后開展了岸基GNSS-R 海洋遙感試驗、GNSS-R 遙感機理研究、延遲映射接收機設計，研制出了機載GNSS-R 海洋微波遙感系統(tǒng)，并正在開展星載系統(tǒng)的預研。

隨著美國GPS 和俄羅斯GLONASS 衛(wèi)星現(xiàn)代計劃、歐洲伽利略和中國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射計劃的實施，將為GNSS-R 遙感技術的發(fā)展帶來更多的信號源，使GNSS-R 遙感探測的精度得到大幅度提高，其應用空間將更加廣闊。

2 GNSS-R 接收機工作原理

用于GNSS-R 海洋微波遙感的接收裝置稱為延遲映射接收機（DMR），其結構如圖1所示。利用指向天頂?shù)挠倚炀€（RHCP）和指向天底的左旋天線（LHCP）分別接收GNSS 衛(wèi)星直射和海面反射信號。接收機包含多個并行通道，直射通道與右旋天線相連，通過正常的閉合碼跟蹤環(huán)路獲得GNSS 偽距和多普勒觀測值，并得到導航定位信息；反射通道與左旋天線相連，接收導航衛(wèi)星海面散射回波信號，通過開環(huán)方式獲得不同時延和多普勒頻移的相關功率值。并通過內嵌控制軟件進行直射和反射通道配置以及互相關處理。

圖1 GNSS-R延遲映射接收機結構示意圖

目前，國際上GNSS-R 接收機的研制主要趨于硬件接收機和軟件接收機兩個發(fā)展方向。最早出現(xiàn)的GNSS-R 硬件接收機為NASA 蘭利研究中心研制的延遲影射接收機[6]，可采集反射信號的不同時延相關功率，采樣時間間隔為0.5 μs，有12 個獨立相關器通道，相關時間為1 ms，有串行和并行兩種工作模式。由于硬件資源限制和時延多普勒功率采集需求，先后出現(xiàn)了各種信號采集存儲后處理形式的軟件的GNSS-R 接收機，其中具有代表性為基于改進的TurboRogue 接收機和Sony SIR-1000采集卡實現(xiàn)的接收裝置[7]，采集速率為20.456 kb/s，數(shù)據(jù)采集后存儲到600 G 的硬盤陣列上，該方式優(yōu)點是可提供最大的處理靈活性和重復性，但缺點是數(shù)據(jù)后處理運算量大。

為了最大限度發(fā)揮GNSS-R 技術優(yōu)勢，需要最大限度采集反射信號特征，能夠同時采集不同GNSS 導航系統(tǒng)、不同衛(wèi)星、不同載波頻率、不同時延、不同多普勒頻移范圍的相關功率。

近年來，DDMR（Delay Doppler Mapping Receiver）多普勒延遲映射接收機不僅增加了多普勒頻移信息，在通道數(shù)和信號資源配置上更具靈活性和擴展性，支持多種應用對信號源的選擇和通道數(shù)的要求，接收天線具有高增益、多波束、方向可控功能，這也是GNSS-R 接收機的未來發(fā)展方向。

3 GNSS-R 海面風場反演原理

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）發(fā)射的L 波段信號為右旋圓極化波，經(jīng)海面散射后，信號強度衰減，極性由右旋翻轉為左旋。

直射信號與海面散射信號時延相關功率特征示意如圖2所示，直射信號的功率譜為三角形，寬度為2個碼片寬度。在理想鏡面條件下，信號散射功率譜形狀和直射信號近似。隨著海面起伏不同、海水介電常數(shù)不同，即海面粗糙度不同，信號散射的形式、方向和強度隨之而改變。海面風速越大，海面粗糙度越大，GNSS-R 海面散射信號功率曲線峰值越低，波形后沿越平坦；反之，波形后沿越陡峭。

因此，可以通過散射功率曲線變化反演海洋環(huán)境要素，即利用航空或衛(wèi)星平臺上搭載的GNSS-R 接收機和指向天頂?shù)挠倚炀€、指向天底的左旋天線，完成GNSS 衛(wèi)星直射和海面回波信號的同步接收，通過特定的反演模型實現(xiàn)海面風場遙感探測。

4 GNSS-R 海面風場反演模型

GNSS-R 海面風場反演模型是基于雙基雷達探測機理[4]，以發(fā)射與接收平臺分置的方式，接收前向海面散射信號，監(jiān)測海面粗糙度變化，并根據(jù)電磁波海面散射理論和海浪譜理論反演海面風場參數(shù)。

GNSS 海面散射信號平均功率可按Z-V 模型[3]表示為時間延遲ι 和多普勒fD兩個變量的函數(shù)|Y（ι，：

式中，Ti為相干積分時間；G 為天線增益，假設接收機的天線為全向的天線，則G2=1；S 為多普勒濾波函數(shù)，當h<

（1）求解費涅爾反射系數(shù)

式中，H、V 下標，分別表示水平極化和垂直極化。

（2）求解散射矢量的模q2及z 軸分量qz：

式中，K 為GNSS 衛(wèi)星載波信號的波數(shù)，且K=2π/λ（λ為波長）。

式中，τc為碼元寬度，當偽隨機碼為C/A 碼時τc=1us；Ti為周期，當偽隨機碼為C/A 碼時Ti=1ms。

海面均方傾斜和相關系數(shù)與海面風場之間可以通過海浪譜建立如下關系：

式中，kx和ky分別為沿x 方向和y 方向的波數(shù)，并且k0=2πsinθ/（3λ）為截止波數(shù)；ψ（kx，ky）為海浪譜函數(shù)。

海浪譜函數(shù)ψ（kx，ky）的求解可通過Jonswap，Apel，Elfouhaily 等海浪譜模型，但通常采用Elfouhaily海浪譜模型[8]對方程（7）進行譜積分，可求出海面均方傾斜和相關系數(shù)，進而可求得海面傾斜（s）的概率密度函數(shù)（PDF）。

從公式（1）-（7）的推導可以看出，GNSS-R 海面風場反演流程如圖3所示。首先通過海浪譜模型、雙基雷達散射模型、Z-V 模型，建立GNSS-R 海面風場反演模型；然后通過數(shù)值積分建立理論功率曲線模型庫；最后通過機載或星載GNSS-R 接收機獲得的實測數(shù)據(jù)與理論模型庫中數(shù)據(jù)進行匹配，完成海面風場要素反演。

5 結束語

GNSS-R 海洋微波遙感技術作為一種新型的海洋遙感手段，可以實現(xiàn)對全球范圍的海洋環(huán)境監(jiān)測，且不受天氣和人為條件的限制，可以探測地理位置偏遠、環(huán)境條件惡劣而無法進入的海區(qū)，以彌補我國現(xiàn)階段海面風場資料缺乏的現(xiàn)狀。

圖3 GNSS-R海面風場反演流程圖