基于GPS反射信號的岸基海冰探測研究

張云 郭建京 洪中華 韓彥嶺

0 引言

海冰作為全球海洋與大氣系統的一員，與海洋和大氣相互作用，對全球氣候變化產生了重大影響。海冰的生成、發展和消融過程，反映并影響了海洋與大氣的交換過程，進而影響海洋與大氣的環流模式。

中國渤海和黃海北部歷年來出現了不同程度的凍結，其冰情變化與全球氣候變化有密切關系。自1969年出現特大冰封以來，中國已全面開展了海冰監測、預報和研究工作。在海冰常規觀測基礎上，進一步開展了衛星和航空遙感技術的應用研究。2010年，國家海洋局北海預報中心和國家海洋局第一海洋研究所針對渤海海冰和MODIS（中分辨率成像光譜輻射計）數據的特點，構建了基于MODIS數據的渤海海冰遙感探測系統［1］。2011年，中國海事局煙臺溢油應急中心利用SAR（衛星合成孔徑雷達）數據分析2010年渤海海域海冰冰緣線、海冰類型以及探測海冰運動過程，為有效應對海冰災害提供了科學參考［2］。

傳統的遙感手段如MODIS和SAR雖然具有較高的時空分辨率但是可用的信號有限，而且是單基工作模式，反射信號接收機復雜度高，遙感成本高。GNSS-R（Global Navigation Satellite Systems-Reflectometry）遙感技術是20世紀90年代以來逐漸發展起來的GNSS的一個新型分支，是國內外遙感探測和導航技術領域研究的熱點之一［3］。國外采用GNSSR技術進行海冰探測相關研究有如下幾個方面。2000年，Kom jathy等［4］利用 GNSS反射信號的峰值功率獲得海冰表面有效介電常數的經驗值（Permittivity by peak-power）。2007年 Belmonte［5］擬合反射信號波形得到了海冰表面的粗糙度。2012年，Fabra等［6］用歐洲空間局于2008—2009年在格林蘭島迪斯科海岸采集的數據，采用雙極化相位測高的方法反演了海冰表面的絕對橢球高，取得了很好的測量精度。

目前，國內使用GNSS-R技術研究的方向有：海面側風、海面測高、海洋鹽度探測、土壤濕度探測、海冰探測和移動目標探測，而基于GNSS-R的海冰探測技術研究還處于起步階段，目前還沒有GNSS-R的海冰遙感實驗，因此我們采用歐空局網站［7］上公布的海冰實驗數據進行理論方法的驗證和結果分析。

1 GNSS-R技術特點

歐空局科學家Martin-Neira于1993年首次提出對GNSS反射信號進行利用的概念——PARIS（Passive Reflectometry and Interferometry System）［8］；1994年法國科學家Auber在進行機載飛行實驗時意外的發現了反射信號，證明反射信號是可以被接收并檢測的［9］。

GNSS接收機在接收導航衛星直射信號的同時，也將接收反射面的反射信號。從電磁波傳播基本理論看來，該反射信號中攜帶反射面的特性信息，反射信號波形的變化、極化特征的變化，幅值、相位和頻率等參量的變化都直接反應了反射面的物理特性，或者說直接與反射面相關。對反射信號的精確估計和接收處理，可以實現對反射面物理特性的估計與反演。

目前GNSS-R在理論、技術和數據反演等方面逐步完善，GNSS衛星可以在未來幾十年為人類提供精確、無償的探測信號。該信號具有長期的穩定性，而且測量技術簡單，設備費用低，易于推廣。因此，這項技術為監測海平面的變化提供了一種非常理想的手段。如圖1所示，如果只有一顆大型衛星進行觀測，能夠檢測到的海面面積相對來說非常狹窄，所以存在時間分解能力不高的問題。如圖2所示，GNSS反射信號接收機同時可以接收多個GNSS衛星的信號，所以相對于傳統的單個觀測衛星，使用GNSS反射信號可以觀測到更大范圍的海面，并且能夠實現高時間分辨率的海洋觀測。

圖1 單顆大衛星海面檢測概圖Fig.1.Sea surface observation using single LEO（Low Earth Orbit）satellite

圖2 GNSS反射信號海面檢測概圖Fig.2.Sea surface observation using GNSS satellite reflected signal

2 GNSS信號特征

GNSS信號自導航衛星發射后成為在空間傳輸的電磁波。在時變電磁場中，場矢量和場源既是空間位置的函數，又是時間的函數。在正弦穩態條件下，由場源所激勵的場矢量的各個分量仍是同頻率的正弦時間函數［10］。

時變電磁場中的任一坐標分量隨時間做正弦變化時，其振幅和初始相位也都是空間坐標的函數。以電場強度E為例，以一定的頻率ω隨時間t和空間r按正弦規律變化，可表示為

由于電場強度E、磁場強度H和傳播方向K三者之間的關系是確定的，所以一般用電場強度E的矢量端點在空間任意固定點上隨時間變化所描述的軌跡來表示電磁波的極化［11］。

假設均勻平面波沿著z軸方向傳播，電場強度和磁場強度均在垂直于z軸的平面內，令電場強度E分解為兩個相互正交的分量Ex和Ey，其頻率和傳播方向均相同，

E矢量端點的軌跡方程可以經由三角運算獲得，

這是半徑為E0的圓的方程，故而稱為圓極的傳播方向滿足右手螺旋關系，稱為右旋圓極化（RHCP）；反之稱為左旋圓極化（LHCP）。GNSS的導航信號（直射信號）是右旋圓極化的，當直射信號照射到物體表面時極化方式會發生改變，部分轉變為左旋圓極化信號。研究反射信號的極化類型的變化可以提取出反射物體的物質特性信息，這是GNSS-R技術的理論基礎。

3 數據采集

3.1 GPS開環實時差分接收機

本文分析的海冰數據是歐洲空間局（ESA）于2009年1—5月在格林蘭島迪斯科海岸，采用ICE／IEEC-CSIC制造的GPS開環實時差分接收機（GPS Open Loop Differential Real-Time Receiver，GOLDRTR）采集。接收機原理如圖3所示。

圖3 GPS開環實時差分接收機原理框圖［12］Fig.3.Diagram of GPSopen-loop differential real-time receiver

GOLD-RTR接收機的Link-1接口與射頻前端的天頂右旋圓極化（RHCP）天線連接收集直射信號，用來提供時間、衛星仰角和接收機姿態等參數。另外的兩個射頻前端可以連接其他任意方向的左旋圓極化（LHCP）和右旋圓極化（RHCP）天線，接收反射信號。接收機有10個可編程的相關通道，可以根據實驗需要用多個通道以不同的多普勒頻移處理同一顆衛星信號，也可以用單個相關通道以不同的幾何參數處理多達10個不同的衛星。

GOLD-RTR接收機的原始數據采樣頻率為40 MHz，相關通道采樣頻率為20 MHz，內置的FPGA芯片可以實時地在每個通道每毫秒產生64個復數相關值，波形序列的延遲間隔為50 ns（約15 m），相關波形采用1 bit量化。

3.2 實驗場景

本次實驗是歐空局在格林蘭島開展的GNSSSIDS（Sea Ice and Dry Snow）項目的一部分，實驗的目的是驗證星載接收機接收GNSS反射信號研究海冰和積雪物理特性的可行性。如圖4所示，接收機天線架設在迪斯科海岸懸崖邊的一個電信信號塔上，距離海面高度約650 m，直射天線朝向天頂，兩個反射天線水平放置朝向海面，可以通過網絡遠程控制。實驗從2008年10月下旬開始，到2009年5月初結束，連續觀測7個月，采集到了觀測海域的海冰從開始形成到完全結冰再到消融過程的全部數據。但是2008年10月下旬至當年底的數據由于設備等原因實驗數據不能夠使用，所以本文分析的是自2009年1月1日起的實驗數據。

4 實驗數據分析

4.1 GNSS反射信號極化比

GNSS反射信號的不同極化類型提供了反射面的物理特性信息。為了序列除以直射右旋圓極化信號的峰值序列，并對處理結果取平均值，得到了如圖5所示的極化比均值。如圖5所示，反射LHCP／直射RHCP的極化比值有一個逐漸減小，然后逐漸增加的過程。

4.2 模擬海冰表面復介電常數

海水在結冰之初，鹽分來不及完全排出，有一部分被凍結在海冰中；在形成海冰后，鹽分會逐漸排出去。如初生海冰的鹽度可以達到20左右，經過一個冬天，一年冰的鹽度降到4—6［14］。由于海冰在形成過程中表面包含海水，因此可以用海水介電常數估計海冰表面的介電常數。海水介電常數通常用德拜（Debye）公式表示為：

其中：ε0＝8.854×10－12F／m，為自由空間介電常數；頻率無限大時 ε∞＝4.9；ω＝2πf為電磁波角頻率；S，T分別為海水的鹽度和溫度（℃）；電導率σ；靜態介電常數ε1和弛豫時間τ隨溫度T和鹽度S變化。

根據德拜公式和海冰形成過程中海冰表面鹽度和溫度的變化，GPS L1波段的頻率為1 575.42 MHz，溫度變化范圍－20—0℃，鹽度變化范圍4—20，近似計算出2009年格林蘭島迪斯科海域1—5月的海冰表面介電常數變化曲線（如圖6所示）。

圖6 海冰形成過程中復介電常數（實部）的變化趨勢Fig.6.Complex dielectric constant（real part）during sea ice freezing and melting

對比 GPS14、17、18、22、28號衛星極化比均值（圖5）和海冰形成過程中復介電常數（實部）的變化趨勢圖（圖6）可知，海冰形成過程中海冰表面的復介電常數逐漸減小，而對應的反射LHCP／直射RHCP極化比均值逐漸減小，反之，海冰融化過程中，表面的復介電常數逐漸增加，而對應的反射LHCP／直射RHCP極化比均值逐漸增加，我們可以總結出反射LHCP／直射RHCP的極化比均值與海冰表面的介電常數具有相同的變化趨勢，隨著海冰的形成，反射LHCP／直射RHCP極化比均值會不斷減小，隨著海冰的消融，反射 LHCP／直射 RHCP極化比均值會不斷增加，所以我們可以通過GNSS-R技術觀測海面GPS反射信號的極化比值檢測海冰的形成和消融過程。

由于圖6是我們通過根據德拜公式模擬出的2009年1—5月海冰形成過程中復介電常數（實部）的變化趨勢，在以后的研究中，我們將利用該海域的遙感圖像分析等手段，更進一步證實我們的研究理論。

5 結論

利用歐洲空間局（ESA）于2008年10月下旬開始，到2009年5月初結束，在格林蘭島迪斯科海岸的GNSS反射信號實驗數據，討論了基于GNSS反射信號用來檢測海冰的形成和消融過程的基本方法。由于2008年10月下旬至2008年底的數據不能夠使用，所以著重分析了從2009年1月1日起的實驗數據。跟蹤了20°左右的GPS衛星，并且計算出反射LHCP／直射RHCP的極化比值，并與德拜公式模擬的海冰形成過程中復介電常數（實部）的變化趨勢進行了對比，初步得出了利用GPS反射信號的極化比值與海冰表面介電常數變化關系。

我們將以此為基礎繼續研究海冰（厚度）增長率或海冰生消速度和檢測海冰的厚度，為中國使用GNSS-R技術對渤海和黃海進行海冰災害預警做好充分準備。未來我們將繼續分析歐空局的海冰數據來驗證其他的海冰探測方法。

基于全球衛星定位系統的GNSS-R技術以其全天候、全天時、多信號源、寬覆蓋、高時空分辨率等應用優勢，在海冰遙感領域展現出廣闊的應用前景，已經成為衛星導航應用領域的一個熱點研究內容。

致謝 感謝北京航空航天大學電子信息工程學院楊東凱教授、李偉強博士在GNSS-R的學習中給予的幫助。同時，感謝歐空局地球觀測中心Fabra博士，在解析格林蘭島的海冰數據時提供的大力幫助。

1 王寧，紀永剛，張晣，等.基于MODIS數據的渤海海冰遙感探測系統的設計.海洋預報，2011，28（1）：33—38.

2 舒遲.星載SAR在防抗海冰災害中的應用研究.中國水運，2011，11（6）：71—73.

3 楊東凱，張其善.GNSS反射信號處理基礎與實踐.北京：電子工業出版社，2012.

4 Kom jathy A，Maslanik J，Zavorotny V U，etal.Sea ice remote sensing using surface reflected GPSsignals∥Proceedingsof IEEE 2000 International Geoscience and Remote Sensing Symposium，IGARSS.Honolulu，HI：IEEE，2000，7：2855—2857.

5 Belmonte M.Bistatic scattering of GPS signals off Arctic sea ice.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2010，48（3）：1548—1553.

6 Fabra F，Cardellach E，Rius A，et al.Phase altimetry with dual polarization GNSS-R over sea ice.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2012，50（6）：2112—2121.

7 Cardellach E，Fabra F，Nogués-Correig O，et al.GNSS-R ground-based and airborne campaigns for Ocean，Land，Ice，and Snow techniques：application to the GOLD-RTR data sets.Radio Science，2011，46（6），doi：10.1029／2011RS004683.

8 Martin-Neira M.A passive Reflectometry and interferometry system（PARIS）：Application to ocean altimetry.ESA Journal，1993，17：331—355.

9 Auber JC，Bibaut A，Rigal JM.Characterization ofmultipath on land and sea at GPS frequencies.ION GPS 1994，Salt Lake City，UT，1994，1155—1171.

10 熊皓.電磁波傳播與空間環境.北京：電子工業出版社，2004.

11 姜宇.工程電磁場與電磁波.武漢：華中科技大學出版社，2009.

12 Nogués-Correig O，Gali E C，Campderros JS，etal.A GPS-reflections receiver that computes doppler／delaymaps in real time.IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing，2007，45（1）：156—174.

13 Rius A，Cardellach E，Martín-Neira M.Altimetric analysis of the sea-surface GPS-reflected signals.IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing，2010，48（4）：2119—2127.

14 李群，張璐，吳輝碇.一個北極區域冰海耦合模式的設置與應用.極地研究，2010，22（1）：79—89.