GNSS-R遙感與成像探測技術綜述

● 文 |航天恒星科技有限公司 付俊明 黃宇 李時良 張鳳珊 呂鐵軍 李勐

GNSS-R遙感與成像探測技術綜述

● 文 |航天恒星科技有限公司 付俊明 黃宇 李時良 張鳳珊 呂鐵軍 李勐

一、引言

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）作為國家空間信息基礎設施的重要組成部分，具有覆蓋范圍廣，不受氣候條件影響，精度與自動化程度高等優點，在導航技術發展史中具有劃時代的意義。GNSS所發射的高度穩定、可長期使用的L頻段免費微波信號資源不僅為空間信息移動用戶提供了精準定位、導航以及授時信息，還為對地觀測與掩星應用提供了新的輻射源。基于全球導航衛星系統的微波遙感與探測技術(GNSSReflections或者GNSS-Remote Sensing)以其全天候、全天時、寬覆蓋、多信號源、高時空分辨率等應用優勢，在海面測高、海面測風、海冰探測、海洋鹽度、陸地濕度、森林覆蓋率、海洋和陸地表面成像、空間飛行器以及海面或陸地移動目標探測等方面展現出廣闊的應用前景。

二、GNSS-R遙感技術

GNSS-R技術是利用全球導航衛星所發射的L頻段信號作為發射源，以陸基/空基/天基平臺為反射信號接收設備載體，通過接收并處理來自海洋、陸地或其他物體反射的GNSS信號，實現對被測媒質的特征要素提取的技術。GNSS接收機在接收GNSS直射信號的同時，接收經過反射面反射的GNSS信號。該反射信號中包含反射面的特征信息，信號波形的極化特性、頻率、相位和幅值等參數的變化都直接顯示了反射面的物理特征。對于反射信號的精確預測和處理可實現反射面物理特征的反演。由于該項技術具有不需要發射機，擁有大量的信號源以及應用面寬等特點和優勢，迅速成為國內外遙感探測和導航技術領域研究熱點之一。

自歐洲空間局的科學家Martin-Neira發現GPS海面反射信號，Garrision研制了接收GPS反射信號的遙感儀器開始利用目標反射的GPS衛星信號來實現遙感探測。美國宇航局（NASA）、美國噴氣推進實驗室（JPL）、科羅拉多大學、普渡大學、霍普金斯大學、Navsys公司、法國空間技術實驗室、英國薩瑞大學、薩瑞衛星技術中心、日本東京大學、澳大利亞昆士蘭大學、新南威爾士大學對導航信號的反射信號進行了不同程度的研究。美國和歐洲處于GPS反射信號應用技術研究的前列，其中LaRC實驗室、科羅拉多大學宇宙力學研究中心、美國國家海洋和大氣管理局以及歐洲空間局（ESA）、JPL實驗室進行了大量機載研究；反射面特征參數估計模型、反射信號接收機、天線陣列和射頻信號處理器都取得了初步成果。GNSS-R主要應用分為散射計和高度計兩種，前者以NASA為主,用于遙感海面粗糙度、海面風場等,后者以ESA為主,用于海面高程測量等。

三、GNSS-R成像探測技術

GNSS-R探測技術作為一種雙（多）基無源雷達探測方式，與單基雷達相比具有以下優勢：①由于接收機沒有大功率器件，且不受發射機功率泄漏的影響，從而有較高的靈敏度；②可以多個視角和雙基地角觀察目標，有利于目標識別；③工作在不同頻段的多個發射機可交替工作，提高系統抗干擾能力；④多個接收機工作，可對干擾源進行無源定位；⑤多部收、發設備，增加系統的可靠性，提高系統的檢測概率，改善目標跟蹤的連續性和目標航跡精度；⑥由于收、發分置，接收機是靜止的，又可機動，所以系統具有抗電子偵察、抗干擾和抗反輻射導彈的摧毀能力；⑦在接收機前置時，可利用空中、空間的照射源，可以探測到發射機視線(地平線)以下和超低空的目標，抗超低空突防能力強；⑧系統生存能力強，多站多頻段協調工作。

四、應用案例

1.GNSS-R遙感應用案例

目前國外多家研究機構已經開展了不同介質對GNSS-R散射特性的研究工作。他們分別利用天基、機載，地基平臺接收不同介質（海面、土壤）對GPS信號的散射、反射信號，并對其分析，以研究不同介質對GNSS-R反射信號的影響。

（1）海面風速風向探測

NASA蘭利研究中心與科羅拉多大學聯合開展GNSS-R反演海面風場的研究，并和歐空局和西班牙Starlab等利用專門的接收機DMR(delaymapping-receiver)做了多次機載實驗，結合反演理論對試驗數據進行了海面風場反演，得到風速反演精度為±2m/s，風向精度為±20°。

（2）海面測高

為了驗證GNSS-R測高的可行性，歐空局的科學家Martin-Neira等人在荷蘭的Zeeland橋進行了PARIS高度計橋I、橋Ⅱ和橋Ⅲ實驗，誤差小于10 cm。ESA在地中海進行了空基測高試驗，飛行高度約1000m，飛行速度約70m/s，與TOPEX/POSEIDON衛星軌跡相匹配。美國JPL的Low和Zuffada等人也進行了湖畔和海上機載實驗，在機載實驗中，可以得到5cm精度。在湖畔實驗中，采用低仰角衛星，由于湖面很平靜，用相位法得到了2 cm的高精度。

圖1 利用GNSS-R反射信號進行海嘯預警的仿真結果

Ralf Stosius等將GNSS-R反射信號用于海嘯提前預警，圖1為其仿真結果，其中黑實線為地震發生一小時后，利用GNSS-R反射信號進行海浪測高，在1分鐘內得到的觀測結果，其中橢圓部分能夠有效地展示海平面當前浪高及海嘯擴張趨勢，可以極大地縮短海嘯檢測時間。

2.GNSS-R成像探測應用案例

美國是研究GNSS-R技術很積極的國家，其涉足GNSS-R技術研究的各個層面，包括硬件、軟件、理論與方法的研究。除了進行塔基實驗之外，他們還組織了一系列的SMEX實驗進行機載GNSS-R反射實驗。另外佛羅里達大學和空軍實驗室的研究者提出利用GPS成像技術，來探測隱藏在叢林中的軍事目標，如坦克、軍用車輛以及其他強反射目標，包括地面的金屬未爆炸物。

英國伯明翰大學的研究者明確提出星表雙基（Space-surface Bistatic SAR,SS-BSAR）的概念并通過設計多次不同場景的實驗來驗證該概念。他們提出了GNSS信號作為成像研究時的兩大問題：①反射信號的功率很弱。通過計算，他們認為1毫秒的積分時間內輻射功率是10～15dB；②反射信號的信雜比需要增加，即所需求的目標反射信號與其他雜波的比率要控制。因為在接收機內部，當增加相干積分時間時，雜波信號的功率也會和反射信號一起增加。伯明翰大學的現場實驗主要在地面進行。他們設計了多種場景來驗證他們的設想，包括地面接收機靜止接收實驗，地面接收機移動接收實驗，山基靜止接收機實驗以及機載接收機實驗等。

五、GNSS-R遙感與成像探測技術的發展趨勢

總體說來，目前國內外利用GPS遙感與成像探測技術來探測目標信號還處于剛剛起步的探索階段，比不上其在海洋遙感和土壤濕度方面的研究進展，分析其原因，在于：

1）GNSS反射信號相比直達信號而言，由于反射物對信號的衰減，反射信號微弱，因此需要通過采取方法來增強信號強度以及對探測距離等做科學的估算。所以在多篇論文中都在反復做功率預算，以及相應的相干積累時間的確定。

2）信號處理理論上存在難度。由于GNSS信號本身并不是專門為遙感所設計，所以信號處理上與普通接收機存在很大的差異。特別是由于目標和發射機、接收機的高速運動，導致其要求采用高速的信號處理算法。

3）在探測目標時軟硬件的限制，如GPS發射天線的特性，以及接收天線的全向特性，導致接收波束很寬，達不到很高的分辨率，這種特性在大尺度和中尺度遙感時尚可，但是對于這種高分辨的需求就難以滿足，時間分辨率也不夠；接收機目前大部分是單通道，做陣列波束形成有難度。

4）空基實驗成本高昂 ,目前的實驗普遍采用類似傳統接收機和單基地接收機的實驗方式，從地基和山基實驗開始，這一方面出于原理探索的考慮，另外一方面也是考慮現實的成本。若空基實驗，則涉及復雜的平臺姿態設計和穩定等，實驗復雜，涉及學科多。

5）由于該技術涉及軍事應用，話題敏感，可能有部分成果或者先進技術沒有報道。

但是，該方法確實有很大的優點。除了上述普通遙感的優點外，這種系統具有自身隱身的特點，也可以觀測隱身的飛行目標，所以值得關注。

值得關注的是，NASA于2013年立項的CYGNSS計劃，2016年開始發射8顆微小衛星，每顆衛星上面搭載GNSS-R反射信號接收設備，計劃通過海面風場的反演來實現臺風眼的觀測。這是一個非常典型的天基反射信號研究項目，項目參與者包括密歇根大學、英國薩瑞衛星技術公司等研究機構。這些龐大的數據，也將為探測目標信號提供可能。

總體上的趨勢：①硬件設備上，普遍采用開環GNSS-R接收機，即打開GPS接收機中的跟蹤環路，高速率采樣，從而實現高靈敏度接收性能；天線接收處理上，采用陣列接收天線，以便得到高分辨的方向性；②軟件上，進行不斷的創新，主要是基于DDM理論和雙站SAR成像理論進行GNSS-R成像探測的應用。另外，也派生出類SAR成像和偽隨機碼信號處理理論等，來推進研究的深入。

[1]Wickert.J,Cardellach.E,Jorge .B,et al.GEROS-ISS:GNSS Reflectometry, Radio Occulta tion,and Scatterometry Onboard the International Space Station[J].IEEE Journal of Selec ted Topics in Applied Earth Obs.and Remote Sensing.VOL.9,No.10,Oct 2016:4552-4581.

[2]Neira M.M.,Salvatore D’Addio,Christopher B.,et al. The PARIS Ocean Altimeter In-Orbit Demonstrator.IEEE Transactions on geosciences and remote sensing, VOL. 49, No. 6, JUNE 2011:2209-2237.

[3]Kosteleeky J，Klokocnik J，Wagner C A．Geometry and accuracy of reflecting points in bistatic satellite altimetry[J]．Journal of Geodesy,2005，V79：421-430．

[4]Belmonte Rivas M．，Maslanik J．A．，Axelrad，P-Bistatic Scattering of GPS Signals Off Arctic Sea lee[J]．IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2010，V48(3):1548-1553．

[5]N．Rodriguez-Alvarez,J,F.Marchan,A.Camps,et a1.Soil moisture retrieval using GNSS-R techniques:Measurement campaign in a wheat field[J].Proc.IEEE Int.,2008,V2: 245-248.

[6]Simon H.Y.,Tang W.Q.,Alexander G. F.,et al.L-Band Passive and Active Microwave Geophysical Model Functions of Ocean Surface Winds and Applications to Aquarius Retrieval. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,Vol.51,No.9,September 2013:4619-4632.

[7]Clarizia M.P.,Christopher S. Ruf,Braca P.et al.Target Detection using GPS Signals of Opportunity.18th International conference on information fusion Washington, DC.July 6-9,2015.

[8]Lazarov A.,Kostadinov T.,Chen V.C.,et al,Bistatic SAR System with GPS Transmitter. IEEE Radar Conference 2013,978-1-4673-5794-4.