我國GNSS-R遙感技術(shù)的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢

李 黃*① 夏 青① 尹 聰① 萬 瑋②

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我國GNSS-R遙感技術(shù)的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢

李 黃夏 青尹 聰萬 瑋

(中國氣象局氣象探測中心 北京 100081)(北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院 北京 100871)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)不僅能夠為空間信息用戶提供全球共享的導(dǎo)航定位信息、測速、授時等功能，還可以提供長期穩(wěn)定、高時間和高空間分辨率的L波段微波信號源。近年來利用其作為外輻射源的遙感探測技術(shù)，形成了一門新的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象學(xué)(GNSS/MET)，其中GNSS-R反射信號遙感技術(shù)的興起和發(fā)展格外引人注目。這是一種介于被動遙感與主動遙感之間的新型遙感探測技術(shù)，可以看作為是一個非合作人工輻射源、收發(fā)分置多發(fā)單收的多基地L波段雷達系統(tǒng)，從而兼有主動遙感和被動遙感兩者的優(yōu)點，越來越受到人們的關(guān)注和青睞，先后開展了許多利用GNSS系統(tǒng)進行大氣海洋陸面遙感等領(lǐng)域研究工作。該文系統(tǒng)介紹了GNSS-R遙感技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并針對該技術(shù)給出了一個新的概念“外源助動遙感(Exogenous-Aided Remote Sensing, EARS)”

遙感；GNSS-R；雙基地雷達；主動；被動；助動

1 GNSS-R遙感技術(shù)的興起和發(fā)展

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)以美國GPS系統(tǒng)為代表取得巨大的成功，對于人類活動的各個領(lǐng)域都產(chǎn)生了空前的影響。不僅能夠為空間信息用戶提供全球共享的導(dǎo)航定位信息、測速、授時等功能外，還可以提供高時間分辨率的L波段微波信號源。隨著GNSS系統(tǒng)研究的深入，從克服多路徑效應(yīng)問題入手，發(fā)現(xiàn)目標物對GNSS的反射信號也可以被接收和利用，這是一種全新概念的遙感方法。無需專門的雷達發(fā)射機，成本低廉，全球覆蓋范圍廣，獲取數(shù)據(jù)量大，同時也是其它傳統(tǒng)測量手段的有力補充，由此開辟了一個新的研究領(lǐng)域。人們把基于GNSS反射信號的遙感技術(shù)，簡稱全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號遙感技術(shù)(Global Navigation Satellite System-Reflection, GNSS-R)。

1.1 國外研究的進展

自1980年歐空局(ESA)提出GPS的 L波段信號可以作為海洋散射計以后，1993年歐空局Martin- Neria首次提出PARIS概念，利用被動式反射與干涉技術(shù)開展GPS L波段海洋遙感。1996年美國NASA蘭利研究中心Katzberg和Garrison開展了利用雙頻GPS信號海面前向散射獲取電離層延遲的實驗研究工作，并與科羅拉多大學(xué)聯(lián)合開展GNSS-R反演海面風場的相關(guān)研究。1997年9月，歐空局Martin-Neira 等人在荷蘭鹿特丹進行了GNSS-R海面測高試驗，即有名的PARIS高度計Zeeland橋I試驗。國外許多科研機構(gòu)開展了一系列利用GNSS的反射信號的理論研究和試驗，美國的JPL、科羅拉多大學(xué)，西班牙的IEEC與Starlab等先后進行了軟/硬件GNSS-R接收機開發(fā)；實施了基于海岸、橋梁、高塔、飛機、氣球等不同平臺的高度計與散射計試驗，檢驗了GNSS-R探測海面平均高度、有效波高、粗糙度等的可行性。建立了一系列GNSS-R風場反演模型，其中，Zavorotny和Voronovich提出的 Z-V模型較為系統(tǒng)和成熟，后來Elfouhaily等對該模型進行了改進和補充。并開展了對海冰厚度、海水鹽度的探測以及用岸基GNSS-R等手段監(jiān)測海面狀態(tài)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，在理論與實際探測精度方面，取得了大量的研究成果。

GNSS-R遙感研究工作進一步擴展到陸面、大氣等領(lǐng)域。2000年，Zavorotny和Voronovich將GNSS-R海洋研究技術(shù)應(yīng)用在土壤水分反演方面，模擬了GNSS-R信號隨土壤水分的變化進行了一系列試驗，包括利用塔基GPS雙基地雷達對土壤水分的季節(jié)性極化測量。美國NASA和科羅拉多大學(xué)等聯(lián)合開展了有名的SMEX02(Soil Moisture Experiment 2002)土壤水分觀測試驗。很多學(xué)者開展了大量針對GNSS-R土壤水分估算模型與方法研究。西班牙Starlab利用GNSS直射信號和反射信號的干涉模式信息測量技術(shù)(Interference Pattern Technique, IPT)來量化接收機中的反射信號，自行設(shè)計研發(fā)了專門用于土壤水分的SMIGOL反射計，利用垂直極化天線接收地表反射信息信號，更適宜于土壤水分的反演。用GNSS-R信號反演土壤水分的研究工作，從裸露地表模型進一步擴展到植被覆蓋地面。研究還延伸到對植被水分、生物量和植被高度等的測量。GNSS-R信號在陸面上的應(yīng)用，更涉及數(shù)字地形高度測繪、陸地地球物理參數(shù)反演以及由此延伸的對湖泊、濕地的監(jiān)測和積雪厚度、冰面厚度的探測等。

1.2 國內(nèi)研究的進展

國內(nèi)于20 世紀90年代末開始對GNSS-R遙感跟蹤研究，也是從海洋遙感入手。研究工作主要集中在海面風場、有效波高、潮位等方面。北京航空航天大學(xué)研究團隊(2004)首先在國家“863計劃”海洋監(jiān)測技術(shù)主題中開展了“基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的海面風速及風向探測技術(shù)”的子課題研究。研制了GPS-R延遲映射接收機，于2004年8月在我國渤海區(qū)域利用中國海監(jiān)飛機成功進行了GNSS-R機載測量海面風場試驗。2010年3-6月更在中國南海開展了GNSS-R海洋遙感機載飛行大型實驗，進一步研究了GPS-R反演海面風場的原理和方法。在GNSS-R設(shè)備研制、處理算法研究及軟件實現(xiàn)、機載GNSS-R海洋遙感系統(tǒng)研究與實現(xiàn)以及GNSS反射信號技術(shù)測高、反演海浪有效波高等方面取得大量成果。

總參大氣環(huán)境研究所和解放軍理工大學(xué)研究團隊(2006)對GNSS-R信號反演海面要素的方法進行了詳細討論。利用2004年渤海飛行實驗數(shù)據(jù)與NOAA颶風實驗數(shù)據(jù)進行了風場及海面高度反演研究，檢驗了GPS-R 技術(shù)遙感及反演海面風場的可行性與精度。并基于海面風速對相關(guān)功率波形峰值與后沿的影響，提出了一種能夠兼顧所有理論波形信息的2維插值風速反演方法，并取得較理想的反演結(jié)果。同時在星載實驗方面，通過模擬仿真，探討了LEO軌道參數(shù)對海洋反射信號分布和數(shù)量的影響。

國內(nèi)比較系統(tǒng)開展GNSS-R研究還有由中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、武漢大學(xué)以及海洋局第三海洋研究所、中科院大氣物理研究所、中科院空間科學(xué)應(yīng)用研究中心等單位組成的研究團隊。他們開展了GNSS-R的仿真研究，分析CHAMP掩星觀測數(shù)據(jù)中的海洋反射信息；研究了GPS-R遙感海面散射特性，反演有效波高、海面高度的方法，以及實驗數(shù)據(jù)分析。2006年9月在廈門崇武建立了實驗研究基地，開展岸基觀測實驗，反演海態(tài)、潮位和海面波浪高度，為開發(fā)我國星載GNSS-R觀測技術(shù)提供了有益的經(jīng)驗。

國內(nèi)利用GNSS-R進行土壤濕度的研究，處在起步階段。很多學(xué)者利用SMEX02試驗資料，對GNSS-R監(jiān)測土壤水分的可行性、植被層對土壤水分的影響、建模方法、測量精度等進行了研究。特別是張訓(xùn)械等深入探索了土壤反射波形仿真及估算方法，并與中科院武漢植物研究所合作開展了GNSS-R測量地表土壤濕度的地基實驗。吳學(xué)睿等在理論仿真，北京大學(xué)萬瑋等在GNSS信號校正、土壤水分估算誤差分析、植被覆蓋對信號校正的影響等方面作了進一步的研究。

應(yīng)該提及的是，另一個旨在推進GNSS-R遙感技術(shù)從科學(xué)研究向工程化、業(yè)務(wù)實用化發(fā)展的研究團隊是由中國氣象局與中科院空間中心、北京航空航天大學(xué)以及北京大學(xué)等單位合作組成的。近年來開展了一系列GNSS-R探測試驗研究。包括： 2007年8月青島奧帆賽域岸基GNSS-R探測海面狀態(tài)試驗，2009年1月廣東陽江海陵島岸基GNSS-R探測海面狀態(tài)試驗，2009年5月青島海域機載GNSS-R探測海面狀態(tài)試驗，2010年1月廣東電白博賀岸基GNSS-R探測海面狀態(tài)試驗，2011年1月廣東汕尾岸基GNSS-R探測海面狀態(tài)試驗，2011年5月山東泰安地基GNSS-R探測土壤濕度狀態(tài)試驗，2012年1月河南鄭州地基GNSS-R探測土壤濕度狀態(tài)試驗，2012年8月四川若爾蓋地基GNSS-R探測土壤濕度狀態(tài)試驗，2013年2月天津塘沽岸基GNSS-R探測海冰狀態(tài)試驗等，取得了不少試驗研究成果。

當前，國內(nèi)工作與國際比較，尚需進行大量深入系統(tǒng)的研究，特別是改進接收機系統(tǒng)、開展長期觀測試驗以積累觀測數(shù)據(jù)、反演方法及模型研究等。其中，地基岸基試驗和機載飛行實驗是現(xiàn)實可行的有效手段，隨著我國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的逐步完善、新型GNSS反射信號接收機的研制以及星載GNSS-R試驗的開展，GNSS-R遙感技術(shù)將會具有越來越廣闊的應(yīng)用空間。

2 GNSS-R遙感的原理和測量技術(shù)

2.1 GNSS-R遙感技術(shù)的基本原理

GNSS-R 遙感技術(shù)的原理，是利用目標物對GNSS信號的反射探測目標物狀態(tài)，實質(zhì)是L波段微波遙感。以岸基山基、機載船載以及星載GNSS接收機，獲取目標物對GNSS電磁波的反射信號，可以看作為一種收發(fā)分置的L波段雷達系統(tǒng)。基于無線電物理微波信號散射理論，特別是利用雙基地雷達傳輸方程，分析目標物反射信號與GNSS直接信號在強度、頻率、相位、極化方向等參數(shù)之間的變化。基于這種散射特性；反演反射面的粗糙度、反射率等，計算目標物的介電常數(shù)等參數(shù)，從而確定目標物的性質(zhì)和狀態(tài)。

由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多星座同頻的特點，以及全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(包括美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲GALILEO和中國北斗BDS)共享互操作，使得一個GNSS接收機就可以同時接收和分辨多個發(fā)射源的信號，因此GNSS-R 遙感系統(tǒng)可以說是一個多發(fā)單收的多基雷達系統(tǒng)。

2.2 GNSS-R測量系統(tǒng)的技術(shù)特點

2.2.1 系統(tǒng)工作方式及特性 在GNSS反射信號測量系統(tǒng)中，為接收高仰角的GNSS反射信號，接收機一般采用兩副天線，一副向上的低增益右旋圓極化(RHCP)天線用于接收直射信號，另一副向下的高增益左旋圓極化(LHCP)天線用于接收地面反射信號。GNSS衛(wèi)星與地球表面、反射信號接收機構(gòu)成一種收發(fā)分置雷達工作方式。通過測量GNSS直射、反射信號功率得到地表特征信息。GNSS地表散射信號傳播的空間結(jié)構(gòu)，如圖1所示，,,分別表示GNSS衛(wèi)星、地表和接收機。

GNSS-R遙感技術(shù)充分利用GNSS電磁波的傳播特點：(1)利用GNSS直射信號進行定位解算，具有數(shù)據(jù)處理自定位能力和自定時能力。(2)由于GNSS星座位于中高地球軌道，在距地面2萬公里以上的高空，信號的行程長，接收機收到的直射信號與目標物入射信號之間誤差相對很小。(3)L波段電波處于大氣透明窗，其信號受電離層影響不大，穿透折射率校正計算難度不大；同時基本不受云雨等水化物影響，對流層傳輸衰減小，可全天候工作。(4)L波段電波受目標物反射影響明顯，衰減高達29- 30 dB；對右旋極化的 GNSS入射信號，目標物的反射信號極化方向會發(fā)生改變，在一定入射角下由右旋極化為主變?yōu)樽笮龢O化為主，以此可以分離直射信號與反射信號。(5)L波段電波具有一定的穿透地表植被、沙土、雪蓋能力，特別對土壤水分十分敏感。

2.2.2 鏡像點位置 當GNSS信號穿過大氣層到達地球表面，受地球表面特性(如土壤水分、積雪、海水鹽度、海風)等的影響，其信號相位和幅度特性將發(fā)生變化。由于目標物表面粗糙程度不同，GNSS信號與目標物的相互作用需從兩個方面進行考慮，即光滑表面的鏡面反射和粗糙表面的散射。在鏡像反射點處(圖3中點)，可以視作表面平坦光滑，滿足菲涅爾反射。由此可建立GNSS-R的幾何結(jié)構(gòu)，導(dǎo)出目標物的幾何位置，見圖2，圖3。

圖1 GNSS-R遙感系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖[57]

2.2.3 計算模型 目前在GNSS-R 技術(shù)研究中主要還是利用其信號強度。包括兩個方面：(1)反射信號強度相對直接信號的時間延遲計算相關(guān)功率譜；(2)反射信號強度相對直接信號的強度變化計算反射率。

對于海面風場GNSS-R反射信號，主要是利用(1)計算相關(guān)功率譜。海面風越大，散射面粗糙度越大，GNSS-R信號功率波形和峰值越低，波形后沿斜率越小越平坦；反之GNSS-R功率波形峰值變高，波形后沿變陡峭。在海浪頻譜模型支持下，可以通過GNSS-R回波信號來反演海面風場。對于海面來說大多數(shù)的海浪主要是由風產(chǎn)生的，特別是對自由海洋。GNSS-R反射信號反演海面風場的基本著眼點就是，風生浪，測浪得風。難度在于風浪譜的求取，不同的海區(qū)有不同的特點，很難有一個通用的普適模型。

對于GNSS-R陸地反射信號，以土壤水分為例，主要是利用(2)。第1步計算強度衰減，得到最重要的參數(shù)土壤反射率；第2步從推算土壤介電常數(shù)；第3步從推算土壤水分。

A. 地表反射率通過GNSS反射信號功率與直射信號功率的比值計算得到，即。在基爾霍夫估計的近似條件下，在鏡像反射點處滿足表面完全光滑，地表反射率可表示為

2.3 GNSS-R測量系統(tǒng)的誤差與校正

圖2 GNSS-R坐標系圖

圖3 GNSS-R目標物鏡像點圖[35]

天線接收到的GNSS衛(wèi)星信號還存在如下幾個方面的誤差：(1)GNSS信號到達RHCP天線與到達土壤，會存在不盡相同的多路徑效應(yīng)；(2)GNSS反射信號從地表到達LHCP天線增加的行程受到大氣衰減作用的影響；(3)直射/反射信號接收天線器件、靈敏度不一致等問題，都會對測量精度造成影響。因此，GNSS反射信號接收機在被作為反射計使用之前，必須對接收的直射、反射信號進行校正，以得到盡可能準確的目標(地表)反射率。

2.3.2 直射信號校正 一般可簡單采用3次多項式進行擬合濾波，消除多徑等隨機誤差的影響。若進一步考慮GNSS衛(wèi)星高度角、方位角的變化的影響，可利用小波分析方法，對不同衛(wèi)星的信號分別濾波，提取主分量濾掉高頻分量或噪聲。另外，從信號傳播的物理機理考慮，可利用微波大氣輻射傳輸方程計算直射信號行程差中大氣對信號能量的衰減D，則校正后直射信號功率可表示為。

2.3.3 反射信號校正 (1)同步水面反射試驗方法。主要是利用水面反射信號對接收機進行校準，給出一個補償系數(shù)，來修正接收到的原始反射信號功率值(Katzberg等，2005，嚴頌華和張訓(xùn)械，2010)。也可以考慮利用微波大氣輻射傳輸方程，計算反射信號行程中大氣對反射信號能量的衰減，則校正后反射信號功率可表示為：。

3 外源助動遙感遙感技術(shù)的一種全新方式

3.1 無源雷達

綜上所述，GNSS-R遙感系統(tǒng)實質(zhì)上是利用GNSS星座的外人工輻射源作為非合作雷達發(fā)射源，GNSS接收機獲取目標物的反射信號的一種收發(fā)分置的L波段雷達系統(tǒng)。一個GNSS接收機可同時接收和分辨多個發(fā)射源的信號，因此它也是一個多發(fā)單收的多基雷達系統(tǒng)。

收發(fā)分置的雷達系統(tǒng)本是現(xiàn)代雷達的“祖宗”。在雷達發(fā)展最初階段，就是以收發(fā)分開方式進行雷達原理實驗的，在20世紀30年代廣泛應(yīng)用。只是到1936年繼天線收發(fā)開關(guān)和1940年高功率脈沖磁控管的發(fā)明之后，人們才集中精力研制收發(fā)合一的有源主動單基地雷達。

事物的發(fā)展總是螺旋式上升，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對雷達系統(tǒng)提出了越來越高的要求，不僅要求其具有較高的探測精度和快速的反應(yīng)能力，而且要求具有極強的抗拒電子干擾、反輻射導(dǎo)彈、超低空突防和隱身武器技術(shù)的四大威脅的能力。而從雷達系統(tǒng)的收發(fā)分置發(fā)展出來的分布式雷達和“無源”雷達系統(tǒng)，以其優(yōu)勢在軍事偵察定位和電子空防上得到愈來愈多的重視，使這一古老的雷達體制又煥發(fā)了青春。

分布式雷達系統(tǒng)主要是通過雷達的空間分布，擴大雷達的探測領(lǐng)域。最典型的就是雙基地、多基地雷達系統(tǒng)，成為現(xiàn)代雷達發(fā)展的重要方向之一。

而“無源”雷達系統(tǒng)，并不是真正意義上的無信號源，而是沒有自己主動發(fā)射的電磁波信號源。利用了其它的輻射源，特別是利用來自外部的非合作人工輻射源(第三方)發(fā)射的直射電磁波，以及其照射目標后形成的反射或散射波，完成對目標的探測、定位和跟蹤。基于外輻射源的無源雷達實際上是一種收發(fā)分開的雙(多)基地雷達的特殊形式。

外輻射源雷達的發(fā)展首先是利用民用地面廣播電臺、電視臺發(fā)射的調(diào)頻廣播、電視信號以及移動通信 (包括GSM, GPRS, CDMA等)信號作非合作式輻射源，對空中目標進行無源定位。采用的信號主要集中在VHF米波段(30 MHz～300 MHz)及UHF/P分米波段(300 MHz～1 GHz)。近年來基于星載輻射源的無源雷達系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注。主要的星載輻射源有多種地球通信衛(wèi)星，數(shù)字電視廣播衛(wèi)星，星載雷達(比如星載SAR)系統(tǒng)以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)等，使用的信號頻率段也提高到微波段(1 GHz～30 GHz)和毫米波段(30 GHz～ 300 GHz)。

外輻射源電磁波在空中的傳播不可避免受到大氣空間狀態(tài)干擾，特別是電離層電子濃度、對流層大氣中云雨水汽的三相態(tài)水化物的不均勻分布和不規(guī)則變化，成為無源雷達探測噪聲誤差的重要部分，直接影響探測精度，必須加以訂正。而這種誤差被氣象學(xué)家“變廢為寶”，反過來用于大氣海洋空間地球物理參數(shù)的探測研究。

美國Zahn等(2000)利用現(xiàn)行通信衛(wèi)星雙基地散射模擬評估對粗糙表面的遙感研究， NASA的Diamond等(2002)基于地球靜止軌道通信衛(wèi)星廣播信號，提出被動多普勒降水雷達(Passive Doppler Precipitation Ratar, PDPR)測量降水和風速的可行性研究；中國李黃(2005) 利用地球通信衛(wèi)星Ku波段氣象VSAT系統(tǒng)雨衰無源分布式雷達系統(tǒng)探測大氣降水及利用手機信號探測大氣降水的Satellite Telecommunication System/Meteorology, SATS/MET研究；以色列Messer等(2006)基于無線通訊網(wǎng)絡(luò)(the Digital Fixed Radio Systems, DFRS)系統(tǒng)的降雨探測；中國單海濱等(2010)利用風云二號氣象衛(wèi)星信號進行電離層閃爍監(jiān)測研究等工作。

而全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的發(fā)展，更給這種大氣海洋空間地球物理參數(shù)探測的應(yīng)用，帶來了普及全球的長期穩(wěn)定的外輻射源，提供了更大的發(fā)展空間，發(fā)展了一門全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象學(xué)(Global Navigation Satellite System/METeorology, GNSS/ MET)。

3.2 外源助動遙感

GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號探測技術(shù)是介于被動遙感與主動遙感之間的一種新型遙感探測技術(shù)。它只需用接收機，這一點類似于被動遙感(Passive)；而又不同于被動遙感，不是利用自然輻射源或本身的電磁波輻射，而是利用目標物對人工輻射源發(fā)出的電磁波的反射。它的這一點類似于雷達主動遙感(Active)；但卻又不同于雷達主動遙感，需要自建人工輻射源自發(fā)自收電磁波，而是利用他人的輻射源來接收電磁波；另外接收的是目標物對電磁波的前向散射，不像雷達主動遙感是接收目標物對電磁波的后向散射。可以看作為是一個非合作人工輻射源、收發(fā)分置多發(fā)單收的多基地L波段雷達系統(tǒng)。從而兼有主動遙感信噪比高、定位準確、針對性強和被動遙感設(shè)備簡潔方便，性價比高、系統(tǒng)維護成本低廉、穩(wěn)定安全、隱蔽性好的優(yōu)點，盡管數(shù)據(jù)處理反演難度大、探測精度尚需不斷提高，還是越來越受到人們的關(guān)注和青睞。

目前國內(nèi)外業(yè)界對于這一技術(shù)的稱呼十分混亂：有稱雙基地雷達、有稱無源主動遙感或有源被動遙感，更多的仍直稱為GNSS-R技術(shù)，都尚未能夠確切地表達其特殊內(nèi)涵。本文試圖給出一個新的名詞：外源助動遙感(Exogenous-Aided Remote Sensing, EARS)。

助動遙感的概念可涵蓋所有的利用外輻射源的雷達技術(shù)，包括：GNSS/MET遙感技術(shù)的各分支地基GNSS/MET對流層水汽電離層電子濃度探測技術(shù)，山基機載星載GNSS掩星測量大氣折射率、水汽電離層濃度分布技術(shù)，GNSS-R反射信號技術(shù)和利用通信廣播遙感衛(wèi)星無線電載波信號測量大氣溫濕特征、電離層閃爍的所謂衛(wèi)星通信系統(tǒng)氣象學(xué)(SATS/MET)遙感技術(shù)以及軍事上無源雷達技術(shù)等。

考察氣象探測特別是氣象雷達的發(fā)展歷程，發(fā)現(xiàn)氣象遙感探測正是在通訊、廣播、測量等其它領(lǐng)域電磁波空間應(yīng)用技術(shù)，解決受大氣空間環(huán)境影響造成的干擾誤差的進程中發(fā)展起來的，這種誤差可以成為探測大氣空間環(huán)境的信息源，從其中反演提取大氣海洋空間環(huán)境信息，將成為發(fā)展對地遙感探測技術(shù)、廣開地球空間信息獲取資源的一種重要的新途徑。

4 GNSS-R遙感技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展

GNSS-R遙感技術(shù)，由于其眾多的星基外輻射源，具有全球域、全天時、全天候的自由享用特點，作為外輻射源助動遙感雷達的重要成員，在海洋遙感、陸面遙感以及大氣空間遙感方面可以定量化測量各類目標的定位信息和狀態(tài)信息。

由于GNSS-R觀測為L波段，相對于通常的微波雷達頻率較低，因此探測空間分辨率也不高；但是相對于低頻地波雷達，其頻率及探測空間分辨率又要高很多。岸基GNSS-R觀測，在近海探測方面具有很大的優(yōu)越性，對岸基高頻地波雷達在近海0-5 km盲區(qū)是一個很好的補充。機載、星載GNSS-R觀測，適用于大范圍下墊面大尺度狀態(tài)普查，特別在海洋遙感探測領(lǐng)域有更大的用武之地。因為現(xiàn)用的星載微波探測設(shè)備，頻率都比較高，最常用的微波散射計采用的也是Ku和C波段，在降水情況下還無法實現(xiàn)定量探測；而且投資大、時空覆蓋范圍有限，長期持續(xù)維持困難。因此GNSS-R探測作為可能替代星載主動微波遙感雷達的新技術(shù)手段，其應(yīng)用前景越來越受到國防界及科技界的重視。

GNSS-R遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢可以歸納為3個方面：

(1) 突破技術(shù)難點，走向星載平臺

發(fā)展星載GNSS-R探測技術(shù)是當前試驗研究工作的重點，要解決在設(shè)備和算法方面的一些技術(shù)難點。主要包括：1)接收機及天線：星載GNSS-R 接收機與常規(guī)接收機具有很大區(qū)別。接收的反射信號有相當大的延時，要做成延遲接收機DMR，并發(fā)展為延時-多普勒映射接收機DDR，可以提供延時數(shù)據(jù)和多普勒數(shù)據(jù)。另外，由于GNSS-R信號經(jīng)過海陸目標散射再返回到衛(wèi)星高度，信號強度有30 dB左右的衰減，必需通過提高星載天線增益來彌補電波傳播損耗；2)反演產(chǎn)品的精度比較低。為此，采用開環(huán)接收機處理接收的信號，以提高測量精度；3)測量誤差：星載直射信號路徑明顯小于反射信號的路徑，直射信號不等同于地球表面的入射信號，反射信號在大氣空間輻射傳輸損耗也大于直射信號損耗，在進行兩者相關(guān)功率計算時也必須考慮這一差異。

(2) 發(fā)展多極化技術(shù)，提高目標判識能力

主動微波遙感雷達，無論地基、機載或星載，都在從單極化走向多極化，以獲取目標物的更多信息，但是對雷達的發(fā)射、接收系統(tǒng)都提出新的高要求。導(dǎo)航衛(wèi)星的L波段輻射源發(fā)出的右旋極化電磁波是極佳的多極化信號，其目標物的反射信號也是多極化的。發(fā)展GNSS-R信號的多極化處理，進而實現(xiàn)目標全極化信息的提取，可以大大提高對目標狀態(tài)的判識能力。

(3) 從試驗研究，迅速地走向工程化、業(yè)務(wù)實用化

為此，各國都加強了GNSS-R探測技術(shù)的國際合作和相應(yīng)的業(yè)務(wù)化工程項目。

2012年6 月18日美國國家航空航天局宣布，在地球系統(tǒng)科學(xué)創(chuàng)新系列項目計劃中，實施氣旋全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)項目CYGNSS(The CYclone Global Navigation Satellite System)，選擇全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號GNSS-R遙感技術(shù)探測熱帶颶風海面風場，來代替在2009年超期失效的QUICKSCAT雷達散射計衛(wèi)星，由8顆微小衛(wèi)星組成星座，全天候無間隙覆蓋全球海洋超過+/-35°緯度地區(qū)。可以滿足大部分臺風風場探測，幫助預(yù)報員改善颶風預(yù)報模式、提高預(yù)測準確性。將在2016年由一箭發(fā)射送入低地球軌道。2017年提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品公共服務(wù)。

2011年中國國家科技部與歐空局簽署的關(guān)于導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號研究(GNSS-R)協(xié)議。2011年11月國家遙感中心(中國歐盟伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星應(yīng)用合作中心)召集有關(guān)單位專家成立了相應(yīng)的中國GNSS-R研究工作組，在科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、聯(lián)合試驗等方面與歐空局開展多種形式的合作交流。并在2013年8月在中國廣東開展了北斗/GPS-R觀測臺風的試驗。

中國有關(guān)部門已將GNSS-R技術(shù)列入星載有效載荷研制指南，提出應(yīng)用GNSS-R技術(shù)的小衛(wèi)星項目計劃，目標也首先指向造成重大災(zāi)害天氣的臺風觀測。

總之，GNSS-R以及其所推動的外源助動遙感技術(shù)將在科學(xué)技術(shù)進步和實用化方面發(fā)揮越來越巨大的作用。

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The Current Status of Research on GNSS-R Remote Sensing Technologyin China and Future Development

Li HuangXia QingYin CongWan Wei

(Meteorological Observation Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China)(School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China)

Global Navigation Satellite System (GNSS), has a significant impact on all areas of human activity, not only can provide users with shared global navigation, position and timing information, but also can provide a L-band microwave signal source of long term stability and high temporal-spatial resolution. In recent years, development of the navigation satellite remote sensing applications using GNSS as a external illuminator, it has been forming a new Global Navigation Satellite System METeorology (GNSS/MET), of which Global Navigation Satellite System-Reflection (GNSS-R) signals remote sensing technology is rising. It could be considered as a non-cooperative artificial illuminator, bistatic (multi-static) radar system, and has the advantages of both passive and active remote sensing. Then it gets more and more people’s attention and favor, and broadening into Atmosphere -ocean and land surface remote sensing fields. However, the address of this technology is very messy at home and abroad, and not able to accurately express its special meaning. This article attempts to give a new term: Exogenous-Aided Remote Sensing (EARS) for discussion.

Remote sensing; Global Navigation Satellite System-Reflection (GNSS-R); Bistatic radar; Active; Passive; Exogenous-aided

TN958.97; TP7

A

2095-283X(2013)04-0389-11

10.3724/SP.J.1300.2013.13080

2013-08-30收到，2013-09-25改回；2013-10-18網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

中國氣象局公益性行業(yè)(氣象)科研專項《導(dǎo)航衛(wèi)星電離層三維探測技術(shù)研究和探空技術(shù)開發(fā)》, “十二五”民用航天預(yù)先研究項目《主被動遙感協(xié)同反演關(guān)鍵技術(shù)評價與驗證》資助課題

李黃 hl@cma.gov.cn

李 黃(1942-)，男，研究員，研究方向為雷達、遙感。

夏 青(1947-)，男，副研究員，研究方向為衛(wèi)星、遙感。

尹 聰(1985-)，女，南京信息工程大學(xué)博士生，研究方向為GNSS-R遙感。

萬 瑋(1986-)，女，北京大學(xué)博士生，研究方向為GNSS-R遙感。