基于gps信號與反射波信號反演的gnss-r海洋參數(shù)

基于gps信號與反射波信號反演的gnss-r海洋參數(shù)

gyss-r（全球陸地環(huán)境感知系統(tǒng)）是一種新興的海上遙感技術。利用導航衛(wèi)星的反射信號在海上遙感，可以獲得有效波高、潮汐位置、海面風速等參數(shù)。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感設備相比，gnss-r海洋遙感信息資源豐富?，F(xiàn)在和將來，gps、glnas和galileo系統(tǒng)的數(shù)十萬顆跟蹤衛(wèi)星可以用作免費信號源。每天在全球范圍內反射數(shù)十萬反射事件可以達到幾十個，這是高效的海洋遙感手段。gnss-r是整個工作的一部分。它可以用于海上環(huán)境條件（如臺風和海盜），也可以用于研究和應用海洋、天然氣相互作用和海上交通。自1993年Martin-Neira等人提出PARIS(PassiveReflectometryandInterferometrySystem)概念建議進行海洋遙感以來,美國與歐洲的眾多研究人員投入到了GNSS-R遙感技術的研究當中.在近10年的時間里,利用岸基、熱氣球、飛機、飛船及衛(wèi)星等平臺分別開展了信號接收、原理性驗證、實際參數(shù)反演等實驗,證明了GNSS-R海洋遙感理論及技術的有效性與可行性[2,4,5,6,7,8,9,10,11].在GNSS-R遙感技術逐漸成為一個嶄新的研究領域的同時,許多新的問題也相應出現(xiàn)首先,對于GNSS-R信號的接收、處理與接收機研制GNSS海面反射信號微弱,反射波振幅通常小于直達波1/3甚至1/2以上,需要提高接收天線增益,并使用相干積分或其他技術對信號進行處理,盡可能提高信噪比.同時,GNSS電波經海面反射后,由右旋圓極化變?yōu)樽笮龍A極化,電波信號隨海面狀況快速變化,多普勒移可達25Hz以上,常規(guī)鎖相環(huán)接收機常常失鎖,難以捕獲有效信號,因此需要新的接收機以供使用.目前,歐洲Starlab研究所、歐洲空間技術研究中心、美國科羅拉多大學等單位都在進行開環(huán)接收機的相關研究,并已取得了相當?shù)倪M展[12~14](http://starlab.es/Sections/Library.html).反演技術方面,不同的研究組分別利用岸基、機載及星載數(shù)據對海面高度、有效波高及海面風速風向反演進行了研究,提出了各自的反演方法.當前國際研究關注于長期連續(xù)觀測,特別是利用獨立儀器的同步原位觀測,對參數(shù)反演進行比對、驗證對反演方法進行改進.而岸基實驗是GNSS-R技術研究的重要途徑.它利于開展長時間的多種儀器的聯(lián)合觀測,便于數(shù)據連續(xù)積累,是數(shù)據采集與參數(shù)反演技術研究的基礎.鑒于此,我們與當前國際該領域的前沿組織之一西班牙的Starlab研究所進行了聯(lián)系與交流,經雙方研究決定開展中國首次岸基GNSS-R海洋遙感實驗,選擇理想的地點,盡可能長地進行連續(xù)同步觀測,為GNSS-R技術研究特別是反演技術研究及驗證打下基礎.1實驗數(shù)據及信號接收本次實驗從2006年9月2~16日,命名為CORE(ChinaOceanReflectionExperiment),地點選擇在廈門附近的海洋觀測站.該站朝南面向開闊海面,周圍沒有高大建筑物對GPS信號接收構成遮擋,具有很好的方位角和仰角視場.天線到海面最大距離約33m,海水深度2~20m,潮差約7m,經常出現(xiàn)大浪,是一個理想的觀測場地,如圖1所示.GPS反射接收設備采用西班牙Starlab研制的Oceanpal接收機.該接收機由天線、信號采集前端、信號處理單元及電腦終端四部分構成.信號采集前端連接兩副獨立天線,一副是右旋極化天線,朝上安裝用于接收GPS直達信號,另外一副是左旋極化天線,朝向海面用于接收GPS海面反射信號.兩副天線被安裝在觀測站的頂部,在海面的正上方(如圖1所示).實驗過程中,利用超聲波浪儀、潮位計、風速風向儀進行同步原位觀測.實驗初始階段主要進行信號接收測試,確定天線指向及信號接收范圍.以正北向為0°,在朝向海面范圍內對天線指向做水平旋轉,進行信號接收及分析,最終確定在該站點,約90°方向為最佳指向,同時將信號接收設定在仰角15°~90°,方位角30°~225°范圍,以盡可能減少礁石反射帶來的影響.圖2是該設定下,每小時形成反射事件的GPS衛(wèi)星分布.縱軸為GPS衛(wèi)星序號,橫軸為時間.可看出GPS衛(wèi)星的平均連續(xù)觀測時間在2~4h之間,觀測時間最長的是PRN3衛(wèi)星,達到7h.2波浪參數(shù)反演在海面反射事件中,GPS直達信號與反射信號的振幅與相位是最直接的觀測量.經相干積分后,可得到直達波與反射波的相關波形,被定義為0級數(shù)據.如圖3,4是由2006年9月4日第5號GPS衛(wèi)星的一個反射個例處理所得的直達波與反射波波形.利用GNSS-R數(shù)據可反演有效波高、海面高度、潮位、風速風向等參數(shù).這里,首先利用CORE實驗數(shù)據進行了波浪參數(shù),即有效波高(significantwaveheight,SWH)的反演研究.2004年,Soulat等人提出利用相干方法求解有效波高,認為有效波高是相關時間τ′F的函數(shù).基于該原理,取出部分GNSS-R觀測數(shù)據,求解得到相關時間,與對應的有效波高真值進行擬合,得到計算SWH的二階經驗公式:其中a,b和c分別為待定系數(shù).當a,b,c確定后,如τ′F已知,則有效波高可得.在CORE實驗中,由0級數(shù)據求得相關時間τ′F,同步超聲波浪儀SWH實測數(shù)據作為真值.利用2006年9月2~12日的GNSS-R及SWH觀測數(shù)據進行擬合得到(1)式,其中a=0.0038,b=-0.0733,c=0.8267.其余數(shù)據用于反演及對比驗證.3波高參數(shù)反演利用2006年9月12日后的GNSS-R反射事件,由0級數(shù)據計算得到對應相關時間,通過確定后的反演算式,求解得到有效波高參數(shù).圖5給出了9月13~15日3d共65組反演結果,如圖5所示,三角代表GNSS-R反演結果,星號代表同步超聲波浪儀觀測結果.從圖中可以看出,GNSS-R反演結果與同步觀測非常接近.特別是9月13日,反演結果與觀測幾乎完全一致.反演平均誤差2.88cm,標準差3.28cm相對偏差小于10%.4波高反演數(shù)據處理CORE實驗是中國首次GNSS-R岸基海洋遙感實驗,歷時15d,取得了初步的成果.利用GNSS-R實測及超聲波浪儀同步觀測數(shù)據,修正了反演算式,計算了有效波高參數(shù).與波浪儀實測數(shù)據對比,反演平均誤差2.88cm,標準差3.28cm,相對偏差小于10%.與2004年Soulat研究結果相比,達到了較高精度.有效波高反演結果與觀測數(shù)據對比系統(tǒng)偏小,分析認為GNSS-R反射點通常距離海岸數(shù)十米至百米,而超聲波浪儀觀測點在站點正下方,容易受到近岸地形影響,兩者觀測點并不完全重合是主要原因.由于在已進行的反演中,海面環(huán)境相對平靜,因此還需要利用盡可能多的觀測數(shù)據進行反演分析,以檢驗該方法在較大觀測值域內,特別是有大浪出現(xiàn)時的反演精度與國際同類研究相比,實驗站點海面開闊,自然條件良好,同時使用波浪儀、潮位計、風速風向儀做接近原位的同步觀測,實驗條件優(yōu)越.后續(xù)進行了約5個月的連續(xù)觀測,積累了大量數(shù)據,為反演技術的進一步研究、驗證及改進提供了可能.利用GNSS-R技術還可能反演波速及波向