王煒

（天津市氣象科學(xué)研究所，天津 300074）

國(guó)外導(dǎo)航衛(wèi)星的反射信號(hào)在海洋遙感中的應(yīng)用分析

王煒

（天津市氣象科學(xué)研究所，天津 300074）

為了詳細(xì)了解國(guó)外導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)（GNSS-R）新技術(shù)在海洋遙感方面的研究進(jìn)展，在外文文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了GNSS-R的反射率和雙基雷達(dá)兩種方法在海洋監(jiān)測(cè)應(yīng)用的遙感技術(shù)原理，介紹了海面風(fēng)場(chǎng)遙感、海冰遙感和海面測(cè)高等方面的的理論模型和方法。高空間分辨率和高時(shí)間分辨率是導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)在海洋中應(yīng)用的最大優(yōu)勢(shì)。雖然GNSS-R的海洋氣象要素反演技術(shù)只有十幾年的發(fā)展歷史，但是它已經(jīng)在海洋天氣預(yù)報(bào)和全球氣候變化等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景和巨大潛力，未來(lái)必將成為海洋大氣探測(cè)的重要技術(shù)手段。

導(dǎo)航衛(wèi)星；反射信號(hào)；雙基雷達(dá)；海洋遙感

美國(guó)的部分學(xué)者認(rèn)為1957年10月4日前蘇聯(lián)發(fā)射的低軌衛(wèi)星，可能是導(dǎo)航衛(wèi)星（GPS）的鼻祖[1]。直到1973年12月，美國(guó)國(guó)防部完成了24顆導(dǎo)航衛(wèi)星的組網(wǎng)工作[2-5]，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)業(yè)務(wù)化。當(dāng)今，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)不僅成為世界各國(guó)重大的空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，也成為體現(xiàn)現(xiàn)代化大國(guó)地位和國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。據(jù)專家估計(jì)，2020年全世界將建成四大全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS，歐盟GALILEO和中國(guó)COMPASS）；并且將來(lái)還有法國(guó)、德國(guó)、日本和印度等國(guó)的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)以及增強(qiáng)系統(tǒng)。

自導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)建成后，又誕生了GPS測(cè)量資料反演大氣中的氣象參數(shù)的方法[6-7],這個(gè)方法促進(jìn)了GPS氣象學(xué)迅速發(fā)展[8-9]。而且，低軌道掩星技術(shù)已經(jīng)成為了海洋大氣水汽探測(cè)的新方法。

1993 年，科學(xué)家又提出了導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的概念，它有可能成為低成本監(jiān)測(cè)海洋的新遙感技術(shù)[10]。未來(lái)一段時(shí)間，由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將形成百余顆衛(wèi)星并存的局面，導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能為海洋表面觀測(cè)提供豐富的微波信號(hào)源。因此，人類將可以更加充分地免費(fèi)利用導(dǎo)航衛(wèi)星L波段信號(hào),開(kāi)展一種嶄新的低成本、高密度的連續(xù)觀測(cè)海洋的遙感技術(shù)。

文章將向國(guó)內(nèi)氣象和海洋工作者綜合介紹導(dǎo)航衛(wèi)星的微波信號(hào)觀測(cè)海洋表面要素的基本原理，以及國(guó)外科學(xué)家在海風(fēng)、海浪、海冰和海平面變化監(jiān)測(cè)方面的最新研究成果。

1 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)應(yīng)用原理與硬件研究現(xiàn)狀

1.1 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)應(yīng)用原理與優(yōu)勢(shì)

1993 年以來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的科學(xué)家一直從事著GNSS-R的研究。目前，他們的理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

GNSS-R的工作原理是通過(guò)特殊的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)，接收導(dǎo)航衛(wèi)星直射和反射信號(hào)，通過(guò)碼延遲和相關(guān)函數(shù)波形及其后沿特性進(jìn)行分析，并且結(jié)合電磁波散射理論來(lái)獲取海面或陸面參數(shù)信息，利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)監(jiān)測(cè)海洋的優(yōu)勢(shì)是導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)不斷發(fā)射的L波段微波信號(hào)，為海洋表面監(jiān)測(cè)提供豐富的反射信號(hào)源。這種方法相對(duì)其他星基遙感技術(shù)具有以下兩個(gè)方面優(yōu)點(diǎn)[10]：

（1）節(jié)省衛(wèi)星投資。導(dǎo)航衛(wèi)星的海洋反射信息，其發(fā)射源利用了導(dǎo)航衛(wèi)星的反射信息，而接收衛(wèi)星只需安裝反射信號(hào)接收設(shè)備（如圖1）。

圖1 反射信號(hào)衛(wèi)星接收系統(tǒng)方案

（2）可獲取多印跡信息。因?yàn)榻邮諜C(jī)同時(shí)有多個(gè)反射信號(hào)源，接收機(jī)可以獲得一條比單發(fā)射源空間分辨率高的圖像。

1.2 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的信息處理原理

現(xiàn)在，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)處理的理論方法可以分成反射率信息處理技術(shù)和雷達(dá)截面信息處理技術(shù)兩種方法。

1.2.1 反射率信息處理技術(shù) 導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)為右旋圓極化電磁波信號(hào)（RHCP），稱為直射信號(hào)。導(dǎo)航衛(wèi)星的直射圓極化信號(hào)經(jīng)過(guò)海洋表面時(shí)，經(jīng)過(guò)反射后的信號(hào)改變?yōu)樽笮龍A極化電磁波信號(hào)（LHCP），即反射信號(hào)。因此，導(dǎo)航衛(wèi)星的右旋極化信號(hào)經(jīng)過(guò)地面物體反射后，變成了左旋極化信號(hào)，所以左旋極化反射信號(hào)就包含了反射表面的信息。因此，利用接收的左旋反射信號(hào)可以提取反射體的一些信息。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，常將反射信號(hào)功率與直射信號(hào)的比值，等效為反射信號(hào)的反射率。

1.2.2 雷達(dá)截面信息處理技術(shù)

（1）反射信號(hào)雷達(dá)方程

導(dǎo)航衛(wèi)星反射的信號(hào)是L波段的擴(kuò)頻信號(hào)，這種信號(hào)可以理解為傳統(tǒng)雷達(dá)遙感技術(shù)的一個(gè)延伸，即導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)裝置是發(fā)射和接收分離的雙基的雷達(dá)。

接收機(jī)接收信號(hào)是發(fā)射源的“前向”散射信號(hào)。設(shè)Pdir和 Pref分別表示直射、反射信號(hào)的功率；Gt，Gr1，Gr2分別表示衛(wèi)星、RHCP天線、LHCP天線的增益；Rtr，Rts，Rsr分別表示衛(wèi)星－接收機(jī)、衛(wèi)星－地表、地表－接收機(jī)之間的距離；λ為波長(zhǎng)。根據(jù)雷達(dá)方程[11]，到達(dá)接收機(jī)的直射信號(hào)功率Pdir為：

式中：Pt表示GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)功率。經(jīng)地面反射后到達(dá)接收機(jī)的反射信號(hào)功率Pref為：

式中：η為反射地面A單位面積上的散射系數(shù)。對(duì)于中等粗糙表面，Pref主要由兩部分組成：鏡面反射即相干分量PC和由表面粗糙度引起的非相干分量Pi，三者的關(guān)系滿足Pref＝PC＋Pi，其中，PC可表示為：

式中：Γ為地表反射率，它隨表面粗糙度的增加而增大。

（2）反射信號(hào)的雷達(dá)截面積

目標(biāo)的雷達(dá)截面積（RCS）是表征目標(biāo)散射強(qiáng)弱的物理量稱作目標(biāo)相對(duì)入射雷達(dá)波的有效散射截面積。它是反映目標(biāo)散射特性的假想面積，用符號(hào)σ來(lái)表示。通常，雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線距離目標(biāo)很遠(yuǎn)，即到目標(biāo)的距離遠(yuǎn)大于目標(biāo)的最大線尺寸。因此，可以認(rèn)為入射到目標(biāo)處的雷達(dá)波是平面波。而目標(biāo)是點(diǎn)散射體。因?yàn)辄c(diǎn)散射體的散射強(qiáng)度和雷達(dá)截面積都隨目標(biāo)的姿態(tài)角而變化。所以，雷達(dá)截面不是一個(gè)常數(shù)，而是同入射角和透射角密切相關(guān)的目標(biāo)特征量。對(duì)于粗糙表面的反射能量常常用歸一化雙基雷達(dá)截面來(lái)表征。歸一化雙基雷達(dá)截面描述為：

上述公式是建立在受限的基爾霍夫近似光學(xué)的基礎(chǔ)上，而且光學(xué)模型特別適合左旋極化反射信號(hào)。歸一化雙基雷達(dá)截面的值取決于Fresnel復(fù)系數(shù)V、散射矢量和散射矢量密度。Fresnel復(fù)系數(shù)的定義為：

式中：θ1為入射角；θ2為透射角為波阻抗。Fresnel系數(shù)V取決于信號(hào)極化狀態(tài)、反射介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)和本地入射角。因此，GNSS-R信號(hào)的歸一化雙基雷達(dá)截面受到信號(hào)極化狀態(tài)和反射介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)ε的影響。q→=k(n→-m→)是所謂的散射向量，其中k=2π/λ表示無(wú)線電波數(shù)，m→是入射波的單位向量，n→是散射波的單位向量。因此，海洋表面要素反演常用雷達(dá)截面計(jì)算。

在實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)截面大小應(yīng)該考慮下列因素：

（1）目標(biāo)結(jié)構(gòu)。因?yàn)槟繕?biāo)的形狀、尺寸和材料的電參數(shù)不同，所以散射場(chǎng)不同。

（2）目標(biāo)相對(duì)于入射和散射方向的姿態(tài)角。對(duì)于大多數(shù)雷達(dá)，輻射天線和接收天線幾乎位于同一點(diǎn)上，所測(cè)量到的散射場(chǎng)稱為單站散射。當(dāng)散射方向不是指向輻射天線時(shí)，稱為雙站散射。

（3）入射波的頻率和波形。同一目標(biāo)對(duì)于不同的雷達(dá)頻率呈現(xiàn)不同RCS.

（4）入射場(chǎng)和接收天線的極化形式。不同極化的電磁波散射特征完全不同。

1.3 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)硬件設(shè)備研究現(xiàn)狀

國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種型號(hào)的反射信號(hào)接收機(jī)。例如，NASA蘭利研究中心的Oceanpal接收機(jī)，西班牙GOLD-RTR接收機(jī)，科羅拉多大學(xué)的反射信號(hào)接收機(jī)，美國(guó)NAVSYS公司的接收機(jī)等。

導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)接收機(jī)與傳統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)具有一些差異。傳統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)主要是通過(guò)改變本地復(fù)制信號(hào)的時(shí)延和多普勒頻移使得相關(guān)功率最大,獲取相關(guān)功率最大點(diǎn),以獲取精確的偽距信息。導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)接收機(jī)是獲取最大點(diǎn)附近一維時(shí)延相關(guān)功率或一維多普勒相關(guān)功率曲線,或二維時(shí)延多普勒相關(guān)功率曲面。

導(dǎo)航衛(wèi)星硬件接收設(shè)備是導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)數(shù)據(jù)處理的物質(zhì)基礎(chǔ)。導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)接收設(shè)備一般由天線、信號(hào)接收設(shè)備和信息處理計(jì)算機(jī)三部分組成。導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)接收設(shè)備可以設(shè)置在陸基，也可以裝載在航天器和航空器上[12-13]。

在陸基設(shè)備中，導(dǎo)航衛(wèi)星直射信號(hào)天線指向天空，負(fù)責(zé)接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的直射信號(hào)。導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)天線指向海面，負(fù)責(zé)接收海面的反射信號(hào)。

導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)設(shè)備可以分為軟件接收機(jī)和硬件接收機(jī)兩種，軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)處理靈活方便。但是，數(shù)據(jù)信息量較大，數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性差。硬件接收機(jī)可以直接輸出相關(guān)功率波形，具有數(shù)據(jù)量小、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)。但是，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高而且數(shù)據(jù)處理靈活性欠缺。

導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)通過(guò)擴(kuò)頻把比特轉(zhuǎn)換成碼片（C/A碼）。一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)（如邏輯1或0）通過(guò)多個(gè)編碼信號(hào)進(jìn)行編碼，其中一個(gè)編碼信號(hào)就稱為一個(gè)碼片。碼片相當(dāng)于模擬調(diào)制中的載波，是信號(hào)的載體。擴(kuò)頻信號(hào)是用一個(gè)偽隨機(jī)噪聲序列（PN序列）與窄帶PSK信號(hào)相乘。PN序列通常用符號(hào)C來(lái)表示，一個(gè)PN序列式就是一個(gè)有序的由1和0構(gòu)成的二元碼流。因?yàn)镻N序列的1和0不承載信息，所以不稱它為BIT而稱為CHIP（碼片）。搜索方法是把不同延遲的C/A碼與接收的數(shù)據(jù)做相關(guān),然后逐個(gè)比較。如果信號(hào)中含有該偽隨機(jī)噪聲信號(hào),通過(guò)相關(guān)處理可以檢測(cè)出來(lái)。

2 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的海風(fēng)監(jiān)測(cè)研究

歐美國(guó)家的科技工作者將導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)設(shè)備和接收信號(hào)設(shè)備做為雙基雷達(dá)，進(jìn)行了海洋表面風(fēng)矢量的測(cè)量，獲得了有效的海面風(fēng)場(chǎng)反演模型[14-18]。這種方法是通過(guò)接收導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)功率來(lái)提取海洋表面信息。反射信號(hào)功率產(chǎn)生于一個(gè)名義上的譜反射點(diǎn)周圍的信號(hào)延遲和多普勒信號(hào)。因?yàn)榉瓷鋮^(qū)域的大小和形狀同海洋表面的粗糙度密切相關(guān)[19]，而且海洋表面粗糙度又依賴于海洋表面的風(fēng)速和風(fēng)向；所以導(dǎo)航衛(wèi)星的反射信號(hào)可以測(cè)量海洋表面風(fēng)速和風(fēng)向。

導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)觀測(cè)海洋風(fēng)速和風(fēng)向一般采用導(dǎo)航衛(wèi)星雙基散射模型[20]。散射模型的形式為：

在上式中，等式左側(cè)為反射信號(hào)功率。等式右側(cè)σ0為歸一化雙基雷達(dá)截面；Pt和Gt為衛(wèi)星發(fā)射功率和發(fā)射天線增益；Gr為接收天線的增益；T是積分時(shí)間，單位為s；ρ是反射面；D是天線增益；S是多普勒同步函數(shù)；P是海洋表面坡度函數(shù)；q是散射矢量；Λ是導(dǎo)航衛(wèi)星的相關(guān)函數(shù)；c是光速；fD是反射點(diǎn)的多普勒飄移；fc是多普勒頻率補(bǔ)償；R是接收機(jī)到反射點(diǎn)距離；R0是導(dǎo)航衛(wèi)星到反射點(diǎn)距離。

美國(guó)NASA科學(xué)工作者開(kāi)展了使用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)觀測(cè)颶風(fēng)的實(shí)驗(yàn)。他們認(rèn)為，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)觀測(cè)可以彌補(bǔ)QuickSCAT和ASCAT等設(shè)備在海洋觀測(cè)時(shí)存在空間空隙的缺陷[21]。而且，美國(guó)計(jì)劃2016年發(fā)射一個(gè)由8顆小衛(wèi)星構(gòu)成的星座CY GNSS（Cyclone Global Navigation Satellite System)，開(kāi)展導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的海洋表面要素觀測(cè)。

3 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的海冰監(jiān)測(cè)研究

海冰作為氣候環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分已日益受到人們的關(guān)注。但是，由于海冰環(huán)境的復(fù)雜性和云覆蓋的持續(xù)性，使得常規(guī)儀器觀測(cè)海冰很困難。隨著導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)不斷發(fā)展，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)監(jiān)測(cè)海冰的技術(shù)受到了重視。

在海冰探測(cè)算法方面，西班牙Starlab研究所做了大量的研究工作。有學(xué)者研究認(rèn)為，因?yàn)楸慕殡姵?shù)決定了冰的內(nèi)部狀態(tài)，所以受冰介電常數(shù)影響的導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)可以獲取更多的海冰內(nèi)容信息[22]。美國(guó)學(xué)者分析了美國(guó)Alaska附近機(jī)載導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的海冰觀測(cè)數(shù)據(jù)，認(rèn)為導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)能夠提供海冰環(huán)境中的有用信息[23]。

天津市氣象科學(xué)研究所王煒等在天津漢沽開(kāi)展了岸基導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的海冰觀測(cè)和模擬分析[24]。這項(xiàng)工作驗(yàn)證了導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的可模擬性，能夠解決觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中的不確定性。而且，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)掌握反演的關(guān)鍵技術(shù)、試驗(yàn)方法、反演模型等技術(shù)，可以利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)獲取豐富的海冰信息。

隨著未來(lái)中國(guó)北斗系統(tǒng)的發(fā)展，我國(guó)科學(xué)工作者將利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海冰反演的實(shí)時(shí)性和有效性。尤其是在人類不可進(jìn)入的惡劣海洋環(huán)境中，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)監(jiān)測(cè)海冰技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的海面變化監(jiān)測(cè)研究

4.1 海平面高度監(jiān)測(cè)

海面高度是一個(gè)重要的物理量,全球海面高度數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于大洋環(huán)流的確定、大洋潮汐模型的建立以及中尺度氣候模型的研究等方面的工作。因此，高精度海面高度數(shù)據(jù)對(duì)氣象學(xué)和海洋學(xué)研究工作都非常重要。目前,海面高度主要采用現(xiàn)場(chǎng)船測(cè)和衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量等方法來(lái)獲取。衛(wèi)星高度計(jì)是一種星載主動(dòng)式微波測(cè)量?jī)x器,具有全天候、長(zhǎng)時(shí)間歷程、高精度等特點(diǎn),但缺點(diǎn)是功耗大、時(shí)空分辨率不高。

圖2 導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)測(cè)量海面高度示意圖

星載或機(jī)載GNSS-R測(cè)高技術(shù),可以有效彌補(bǔ)衛(wèi)星高度計(jì)的不足。1993年，ESA科學(xué)家利用GPS反射信號(hào)建立了測(cè)量海面高度系統(tǒng)PARIS。1998年10月，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室在本國(guó)海岸進(jìn)行了兩次重要的空基測(cè)高試驗(yàn)。

GNSS-R海面高度測(cè)量原理是利GNSS海面反射信號(hào)與直射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算路程差，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)高（圖2）。GNSS反射信號(hào)可以監(jiān)測(cè)到反射信號(hào)天線與海面高度的變化。這測(cè)高公式可以表示為：

在計(jì)算中，考慮海面散射延遲誤差、各種隨機(jī)噪聲產(chǎn)生的誤差和上下天線安裝帶來(lái)的誤差。在數(shù)據(jù)處理中，應(yīng)該采用濾波的方法，去除浪的波動(dòng)因數(shù)，提取潮位變化信息。

4.2 有效波高估算

在有效波高反演中,主要利用反射信號(hào)的自相關(guān)特性。定義FD(t)和FR(t)分別為接收機(jī)輸出的直接信號(hào)和反射信號(hào)的最大相關(guān)值對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)時(shí)間序列。為了剔除與海面運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的分量,采用干涉法處理數(shù)據(jù)。FI(t)為干涉復(fù)數(shù)場(chǎng)(interferometer complex field,ICF),它的定義如下:

定義相關(guān)時(shí)間τf為ICF的自相關(guān)函數(shù)Г(Δt)的時(shí)間寬度。Γ(Δt)=〈FI*(t)FI(t+Δt)〉,它表示在相關(guān)時(shí)間內(nèi),接收機(jī)接收的信號(hào)之間存在正相關(guān)。這個(gè)相關(guān)時(shí)間量同海面的坡度、電波入射的仰角等因素有關(guān)。

為了剔除與海面運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的分量,采用干涉法,即通過(guò)對(duì)反射場(chǎng)和直射場(chǎng)求比,得到干涉復(fù)數(shù)場(chǎng),可以消除兩個(gè)分量中指數(shù)項(xiàng)的公共誤差,如殘留多普勒、導(dǎo)航碼相位偏差、衛(wèi)星發(fā)射功率變化以及絕大部分由電離層和中性大氣引起的附加時(shí)間延遲。

這樣,ICF的相關(guān)時(shí)間可以看作這個(gè)高斯函數(shù)的二階矩：

從式（9）可以看出,τf依賴于表面相關(guān)時(shí)間τz和有效波高SWH的比值，以及電磁波長(zhǎng)λ；ε是導(dǎo)航衛(wèi)星仰角。通過(guò)干涉復(fù)數(shù)場(chǎng)的自相關(guān)時(shí)間τf和有效波高SWH的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?可以得到SWH的計(jì)算公式:

式中：方程的系數(shù)為a=0.003 8,b=-0.073,c= 0.026 7。

5 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的海洋遙感是一個(gè)新的遙感研究領(lǐng)域，它正在引起國(guó)內(nèi)外科技工作者的廣泛關(guān)注。目前，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的海洋遙感理論和算法方面正在逐步完善，并且已經(jīng)趨于成熟并正在嘗試投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

未來(lái)幾十年，導(dǎo)航衛(wèi)星可以為人類提供精確、無(wú)償?shù)暮Ｑ筇綔y(cè)信號(hào)，使得導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)具備無(wú)源探測(cè)、全球覆蓋、成本低、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)技術(shù)將成為監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)、海冰和海平面長(zhǎng)年變化的非常理想的遙感技術(shù)。

由于導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)觀測(cè)海洋的時(shí)間連續(xù)性特征，使得它在一定程度上解決了普通遙感技術(shù)的時(shí)間維度問(wèn)題。隨著全球氣候變化以及各種自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生，導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)作為一種新型的遙感手段，在海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面具有重要的科學(xué)意義和廣闊的發(fā)展空間。

[1]Sameer K,Kevin BM.The Evolution ofGlobalPositioning System(GPS)Technology[J].JournalofScience Education and Technology, 2002,11(1):59-80.

[2]Kaplan ED.UnderstandingGPS:Principlesand Application[M].Norwood:Massachusetts,1996:1-50.

[3]Hoffman-Wellenhof,BLichteneggerH,Collins J.GlobalPositioning System:Theory and Practice[M].New York:Springer,1997:1-20.

[4]Barth M,Farrell JA.TheGlobalPositioning System&InertialNavigation[M].New York:McGraw-Hill,1999:1-25.

[5]TaubesG.TheGlobalPositioning System:The Role ofAtomic Clocks[M].Washington,DC.:NationalAcademy ofScience,2001:1-20.

[6]Duan J,etal.GPSMeteorology:Direct Estimation of the Absolute Value of PrecipitableWater[J].JApplied Meteorology,1996,35: 830-838.

[7]Tregoninge P,R Boers,D O'Brien M Hendy,Accuracy of Absolute PrecipitableWater Vapor Estimates from GPSObservations[J].J Geophys Res,1998,103:28701-28710.

[8]Ware R H,Fulker DW,Stein SA,etal.A Real-Time NationalGPSNetwork for Atmospheric Research and Education[J].Bull Am MeteoroISoc,2000,81:677-694.

[9]Wolfe D E,Gutman S I.Developing an Operational,Surface-Based GPS,Water Vapor Observing System for NOAA:Network:Design and Results[J].JAtmosOceanic TechnoI,2000,17:426-440.

[10]Martín-Neira M.A Passive Reflectometry and Interferometry System (PARIS):Application to Ocean Altimetry[J].ESA Journal, 1993,17:331-355.

[11]Ulaby FT,Moore RK,Fung A.Microwave Remote Sensing:Active and Passive[M].Norwood,MA:Artech House,1986:1-41.

[12]Jin S,Kom jathy A.GNSSReflectometry and Remote Sensing:New Objectives and Results[J].Advances in Space Research,2010,46: 111-117.

[13]Soulat F,Caparr ini M,Germain O,et al.Sea State Monitoring Using Coastal GNSS-R[J].Geophy Res Letters,2004,31: 21303-21309.

[14]Lin B,Katzberg SJ,Garrison JL,etal.The Relationship Between the GPSSignalsReflected from Sea Surface and the SurfaceWinds: Modeling Resultsand Comparisonswith AircraftMeasurements[J].JournalofGeophysicalResearch,1998,104:20713-20727.

[15]Komjathy A,ArmatysM,Masters D,etal.RetrievalofOcean SurfaceWind Speed and Wind Direction Using Reflected GPSSignals [J].JournalofAtmospheric and Oceanic Technology,2004,21:515-526.

[16]Garrison J L,Kom jathy A,Zavorotny V U,et al.Wind Speed Measurement from Forward Scattered GPS Signals[J].IEEE Transactionson Geoscienceand Remote Sensing,2002,40:50-65.

[17]Cardellach E,RuffiniG,Pino D,etal.Mediterranean Balloon Experiment:Ocean wind Speed Sensing from the Stratosphere,Using GPSReflections[J].Remote SensingofEnvironment,2003,88:351-362.

[18]Zavorotny V U,Voronovich,A G.Scattering ofGPSSignals from the Ocean with Wind Remote Sensing Application[J].IEEE Trans GeosciRemote Sens,2000，38:951-964.

[19]Garrison J L,Katzberg S J,Hill,M.I.Effect of Sea Roughness on Bistatically Scattered Range Coded Signals from the Global Positioning System[J].GeophysRes Lett,1998,25:2257-2260.

[20]Elfouhaily T,Chapron B,Katsaros K,etal.A Unified Directional Spectrum for Long and ShortWind-Driven Waves[J].JGeophys Res,1997,102:15781-15796.

[21]RufC,Lyons,A,Ward A.NASA IntensifiesHurricane Studieswith CYGNSS.The Earth Observer,2013,25:12-21.

[22]Melling H.Detection of Features in First-Yyear Pack Ice by Syntheticaperture Radar(SAR)[J].International Journal of Remote Sensing，1998,19:1223-1249.

[23]Kom jathy A,Maslanik JA,Zavorotny VU,etal.Sea Ice Remote Sensing Using Surface Reflected GPSSignals[C]//Proceedingsof the IEEE InternationalGeosciencesand RemoteSensing Symposium(IGARSS 2000),Hawaii:Honoluluy,2000:2855-2857.

[24]WangW,Gao Q,Wu BG.The Simulation and Analysis of the Sea Ice CharacteristicsWith Reflect Signalof Navigation Satellite[J]. TransactionsofOceanology and Limnology,2015,147(4):1-7.

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

王煒（1965-），男，博士，主要研究方向?yàn)閿?shù)值模擬和遙感技術(shù)。E-mail:wwei356@163.com