GNSS—R海洋遥感技术浅议

摘要： GNSS-Reflection技术是以GPS等卫星导航系统的微波信号源进行遥感探测的前沿技术，在海洋环境监测中具有重要的应用前景。本文介绍了GNSS-R的基本工作原理，及其在海面高、海风、海冰监测中的具体应用，同时将GNSS-R方法和传统的微波雷达遥感进行了分析比较，以期对我国海洋遥感技术的发展和二代北斗的应用提供一定的参考。

关键词： GNSS-Reflection；海洋遥感；海面地形；风场；海冰

中图分类号：TP79 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）33-0209-03

0 引言

GNSS-R技术具有重要的研究意义和广阔的应用前景[1]，它是一种新的海洋遥感技术，通过导航卫星的反射信号，它能够对海面进行遥感，并获得有效波高、潮位、海面风速风向等参数。其与传统的卫星遥感手段相比具有更多的优势，它不仅能够获取更多信息资源，在未来，还会有数百颗导航卫星可以免费地为其服务。GNSS-R技术凭借自身卓越的优势，已经成为海洋环境监测过程中的一个重要遥感手段[2]。另外GNSS-R技术对于促进海洋研究的一个重大意义还在于它可以全天候工作，即使是在周遭环境非常恶劣的情况下，还能够正常有效地开展自身的工作。

Martin-Neira等人在1993年提出了PARIS概念，建议开展海洋遥感技术研究，自此全世界很多的研究人员都前仆后继加入到GNSS-R遥感技术的研究当中[3]。到目前为止的这段时间内，这些研究人员通过开展信号接收、原理性验证、实际参数反演等实验，利用岸基、热气球、飞机、飞船及卫星等平台，终于证明了GNSS-R海洋遥感理论及技术的可行性和有效性。

随着GNSS-R遥感技术的逐步发展，在这个时期也出现了很多的问题。首先，对于接收和处理GNSS-R信号这个问题来说，由于GNSS海面反射信号微弱，客观上受到很多条件的制约，要想有效地解决这个问题，必须提高接收天线增益，采取必要的处理措施，最大程度地提高信噪比。再加上GNSS电波经海面反射后，会发生很多的变化，有效的信号是很难被捕获到的，所以必须配备新的接收机。当前，一些西方发达国家的相关单位都在进行开环接收机的相关研究，而且得到了一些不错的成果。

在反演技术方面，很多的研究组都从不同的角度进行了研究，相继提出了自己的反演方法。现阶段国际研究关注于长期连续观测，对参数反演进行比对、验证，对反演方法进行改进[8]。王鑫等进行了中国首次GNSS-R岸基海洋遥感实验，并得到不错的成绩，为GNSS-R技术研究特别是反演技术研究及验证打下良好的基础[9]。

1 原理

GNSS卫星星座不断地向地球发射无线信号，由GNSS接收机直接收到的信号可用于许多领域包括导航到导弹制导，同时部分信号从地球表面反射回空间，反射信号的组成很弱。对一个低轨的飞行器可以同时接收直接的和反射的GNSS信号，这些信号可以用于导出反射表面的信息[10]，如图1所示。

建立如下本地直角坐标系，可以更加方便地理解GNSS-R的几何原理：以镜面反射点为坐标原点，以地球切面的法线方向为z轴，以经过z轴和发射机的平面与地球切面的交线为y轴，x、y、z轴构成右手定则关系，如图2所示。

其中，ht为卫星T到参考椭球面的高度；hr为接收机R到参考椭球面的高度；Re为地球半径；G为卫星到地心的距离；L为接收机到地心的距离；D和d分别是卫星和接收机到镜面反射点的距离；？琢是接收机、镜面反射点和卫星的连线的夹角；？着是镜面反射点与接收机连线和接收机天底方向的夹角；？专是接收机、地心和卫星连线的夹角；？兹是镜面点处接收机的高度角；R、T、O分别为接收机、卫星、镜面反射点的矢量坐标。

GNSS反射信号的足印在地球表面的定义为反射耀斑区的等多普勒和等距离等值线间的交叉面元。GNSS发射机发射信号接触到海洋表面后，一般都是从镜面点反射方向反射（前向），表面粗糙度和入射角决定了信号的大小。这种前向散射可以被机载（或星载）接收机收集组成多分雷达系统，理论上是可以截取从海面瞬时几个区域反弹的信号，类似于常规雷达高度计，反射GNSS信号通过接收机可以获得随时间变化的平均功率。反射信号的波形可以导出与观测几何、系统参数和表面粗糙度的函数。波形对导出海洋表面地形（从它的前缘）和风速、风向（从它的后缘）等是至关重要的。

要接收反射信号，必须利用改进的GNSS接收机，如延迟多普勒制图接收机，可以接收跨距离方向的延迟和多普勒频移的信号，测量输出指定的距离方向和多普勒频移对应于耀斑区内指定的区域。该类接收机需要对传统的GNSS接收机进行改装，尤其需要安装两个天线，一个是标准的GNSS天线，用来接收正常的GNSS信号；另一个是一个高增益的左旋极化天线，用来接收GNSS从海面反射回来的信号。

从天顶天线的信号跟踪可以由GNSS相关器硬件直接处理得到精确的接收机所处位置、速度和时间结果。产生粗的GNSS测量结果并直接下行传输。从天底点天线接收的信号受到了海况的影响，GNSS接收机必须重新研制在轨直接处理反射信号的软件，用于实时处理测量从海洋表面反射的GNSS卫星信号传播的交叉相关功率。并通过软件优化算法直接把测量的风速、风向、海面平均高度和海洋表面斜率直接下传。

2 测定海面地形

传统的单站雷达为了获得高分辨率的结果，需要精密的接收机和发射器，以及指向型天线，然而GNSS作为一个双站雷达，只需要一个接收机，就可以获得全球、连续、近实时、全天候的观测结果。虽然传统的卫星雷达技术可以获得沿轨的高空间分辨率，但是轨道间的距离通常非常大。利用海面反射的GNSS信号，可以获得高时空分辨率的海面高，Martin-Neira独立于T/P卫星获得的平静期海面高精度在2cm，表1给出了几种情况下海面高的测量精度。

海面高度定义为海面离地球参考椭球距离。波高是海洋表面峰谷高度差的平均。反射信号传播时间延迟是指从 GNSS发射相位中心到镜反射点，然后到接收机相位中心的距离。这个距离是由发射和接收位置、以及海面平均高度确定。测量时间延迟需要扣除电离层和中性大气附加延迟贡献。

3 监测风场

海面风速风向是海洋动力环境监测的重要气象要素，该数据对海洋环境数值预报、海洋灾害监测、海气相互作用、气象预报、气候研究必不可少。目前的主要探测手段是利用安装在陆地、船舶、浮标和海上平台上的各类地基测风仪以及卫星散射计等获取的风场资料，但是在监测范围和时效性方面仍然满足不了应用所需。表2给出了几种情况下海面风场的测量精度。

GNSS-R技术反演海面风场，首先利用雷达方程，如果知道发射功率、电缆损耗、电波路径损耗等量，从测量的相关函数和其导数DCF峰值确定等效海面散射系数？滓0。其次，利用模式和克希柯夫近似下，人们得到了？滓0依赖于风速关系，得到了风速依赖于相关输出尾部斜率。对于空基观测，空间滤波和天线增益也可以影响相关函数的尾部斜率。空基观测相对机载，峰值幅度对风场更加敏感，这是因为空基的照射区尺度比较大，对峰值贡献也比较大。

目前从GNSS-R观测结果计算海面风场是一个难点，涉及到海面面元随机分布函数建摸。考虑到海面状态和风速变化复杂特性，海面高度从平静海面到台风条件下是不一样的，风速也是有变化的，海面是一个复杂的散射介质。现阶段不管是从理论方面，还是从实验方面来看都存在着很多的问题，所以，研究海态参数计算是这个项目需要深入研究的问题。

4 监测海冰

由于海冰情况复杂多变，比如环境恶劣、无法接近、长期冰雪覆盖等，所以用常规手段监测海冰极为困难。因此，海冰监测主要依靠卫星雷达技术。但是，没有任何单独的传感器能提供所有必要的观测值。比如，SAR图像有足够的空间分辨率去计算详细的海冰特片，但时间分辨率太长，尤其当计算开阔水域内冰片的变化率时。当然，随着卫星的增加该情况会有所改善。但是，SAR在图像的获取和处理上成本很高。除此以外，空间被动微波传感器可以提供更多的频段，但空间分辨率较低。尽管光学和热传感器的效果介于SAR和被动微波卫星之间，但受到云层和可见条件的限制。

GNSS-R可以作为海冰监测的新技术。Komjathy利用飞机进行GPS反射试验，获得了北冰洋海域的海冰和阿拉斯加附近的浮冰。通过和RADARSAT反向散射器的比较，表明GPS反射信号可以提供海冰情况的有用信息。反射信号的变化和空基GPS接收机的高度变化非常一致，峰值功率沿着航迹显著变化。反射信号清楚地显示了海冰的敏感性，说明GPS信号可以用来进行海冰的测定。除此以外，由于海冰的有效介电常数取决于不同的因子，比如冰情、密度、年龄、来源、盐度、温度、形态等，海冰的真实情况可以通过冰和水的有效介电常数来测定冰面上的反射系数。未来，GNSS反射信号可以提供海冰的详细信息和本质情况，包括脊、霜、破裂的冰、以及冰雪交接处精细尺度上的粗糙度。因此，GNSS反射信号在海冰状况的监测和研究中具有很大的应用前景。

5 结论和建议

传统的海洋遥感是基于雷达技术的，需要精密的接收和发射设备，而且时空分辨率低。新兴的GNSS-R技术只需要接收机，就可以获得高精度、连续、全天候、近实时的海态信息，比如海面高、风速风向、海冰等。只要将延迟多普勒制图接收机安装在任何空间飞行器上，就可以用GNSS-R遥感技术获得各种地面环境参数。

未来随着更多导航定位系统的建立，各种反射和散射GNSS信号将作为更强有力的工具去提取海态各种信息。如果能利用我国的二代北斗系统进行海洋遥感，将会提高获取数据的独立性，也将扩大我国二代北斗的应用范围。

在利用GNSS进行地球海洋遥感测量研究方面，国外已经取得许多重要成果。我国应进一步开展对国外各项试验计划的深入研究，了解其研究内容、关键技术、试验方法等，以此为参考，进一步研究新方法的潜在应用价值，进一步明确我国在这一领域的研究方向、研究目标。

参考文献：

[1]Komjathy， A.， Maslanik， J.A.， Zavorotny， V.U.， Axelrad， P. Katzberg， S.J. Sea ice remote sensing using surface reflected GNSS signals， in： Proceedings of the IEEE International Geosciences and Remote Sensing Symposium （IGARSS 2000）， Honolulu， Hawaii， 24-28 July， 2855-2857， 2000b.

[2]Jin， S.， Komjathy， A. GNSS reflectometry and remote sensing： New objectives and results [J]. J. Adv. Space Res. （2010）， doi：10.1016/j.asr.2010.01.014.

[3]Martin-Neira， M. A passive reflectometry and interferometry system （PARIS）： application to ocean altimetry[J]. ESA Journal，1993，17（4）：331-355.

[4]Katzberg， S.， Torres， O.， Ganoe， G. Calibration of reflected GNSS for tropical storm wind speed retrievals [J]. Geophysical Research Letters 33， L18602， doi：10.1029/2006GL026825， 2006a.

[5]Gleason S， Hodgart S， Sun Y， et al. Detection and processing of bistatically reflected GNSS signals from low earth orbit for the purpose of ocean remote sensing [J]. IEEE Trans Geosci Rem Sen， 2005， 43（6）： 1229-1241.

[6]Lowe S T， LaBrecque J L， Zuffada C， et al. First spaceborne observation of an Earth-reflected GNSS signal [J]. Radio Sci， 2002， 37（1）： 1007， 10.1029/2000RS002539.

[7]陈世平，方宗义，林明森.利用全球导航定位系统进行大气和海洋遥感[J].遥感技术与应用，2005，20（1）：30-37.

[8]林明森，王其茂，彭海龙.GNSS反射信号的海洋应用[J].海洋湖沼通报，2004（4）：32-40.

[9]王鑫，孙强，张训械，等.中国首次岸基GNSS-R海洋遥感实验[J].科学通报，2008，53（5）：589-592.

[10]张益强.基于GNSS反射信号的海洋微波遥感技术[D].北京：北京航空航天大学，2008.

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