北斗系統在海風海浪探測中的應用研究

楊東凱，李偉強，楊 威

（北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191）

1 概述

衛星導航系統是利用裝載在衛星上的無線電發射機，通過發射導航信號為接收用戶提供定位、測速和授時信息，其基本原理是測量導航衛星和用戶之間的直線傳播距離，從而求解用戶位置信息的。在實際應用中，接收機所獲得信號中往往摻雜很多來自地面或者建筑物的反射信號，在定位算法中大多采用多徑抑制方法進行處理，從而提高定位性能。在電磁波傳播理論中，反射面對于電磁波的反射直接取決于其材料、導電性能、尺寸或其他物理特性，反射信號也因此會有不同程度的變化。應用這些變化特性實現對于反射面的反演，則是一個導航衛星系統的新型應用，是與對地觀測的交叉和綜合。在衛星導航領域，基于導航衛星系統的反射信號實現地球觀測稱之為全球導航衛星系統反射計（global navigation satellite systems reflectometry，GNSS－R）［1-2］。

對于全球定位系統（global positioning system，GPS）衛星反射信號的應用自20世紀90年代開始，美國與歐洲均十分重視，通過開展大量的飛行及陸上試驗，為氣象、海洋、農業等業務化運行以及未來的星載應用進行了大量的技術儲備。美國航空航天局將該項研究計劃列為最有前途的新技術之一。2010－10國際電氣與電子學會議組織在西班牙巴塞羅那召開了GNSS－R技術研討會，在海面高度、海面風場、土壤濕度、海冰等各方面的應用進行了交流，各項技術取得了長足進步［3］。

我國對此項技術的研究起步于2002年，2004年北京航空航天大學在我國黃渤海海域成功進行了飛行試驗，獲取了海面風場數據。2006年，中科院大氣所等單位在廈門開展試驗，獲取了海面波浪高度和潮位數據［4］。之后航天科技集團、中國科學院、北京大學、中國氣象局等多家單位進行了多次不同類型的GNSS－R應用實驗，取得了可喜的成績，為該項技術的應用推廣奠定了堅實的基礎。

隨著我國自主知識產權的北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system，BDS）的建成，利用導航衛星的海面反射信號實現海風、海浪探測具備了更為可靠的基礎條件，這將作為一個北斗系統應用的重要領域，為我國海洋氣象觀測提供有效的監測手段［5］，同時能夠為臺風、海嘯等海洋災害的監測和應急救援提供重要的技術支撐。對比自動氣象站、浮標等傳統的探測方法，BDS反射信號的海洋觀測分析的是一個區域的總體信息，可以彌補現有方法在探測空間上的不足，以實現點面結合的長時海洋氣候監測。

2 系統構成

BDS發射的L波段民用導航信號與美國的GPS類似，包含粗碼（C/A碼）、精碼（P碼）和導航電文（D碼）。其星座構成中有地球靜止軌道（geostationary earth orbits，GEO），傾斜同步衛星軌道（inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO）和中地球軌道（medium earth orbit，MEO）等三個不同軌道的衛星，區域系統共有14顆在軌服務衛星，全球系統將會有35顆在軌服務衛星。其中GEO軌道觀測區域固定，可以對重點海域長期測量；IGSO軌道可能實現對我國海域全面覆蓋；MEO軌道則與GPS衛星軌道相同，具備全球覆蓋能力。三個不同軌道衛星的反射信號的對地觀測區域可以形成穩定的互補關系，可以實現優于美國GPS系統對地觀測的服務性能。

利用BDS導航信號的海風海浪探測系統結構如圖1所示，分為兩大部分：BDS反射信號接收機和應用系統軟件。

圖1 BDS海風海浪探測系統原理框圖

2.1 BDS反射信號接收機設計

BDS反射信號接收機采用雙射頻前端的方式，中心頻率兼容GPS和BDS民用信號頻點，通過兩級下變頻的方式變換為模擬中頻信號，用高速A/D變換器對于直射信號和反射信號分別進行采樣，獲得每一個采樣點2bit的原始采樣數據，存儲后供數據驗證和反演算法研究用。采樣后的數字數據經由基帶數字信號處理模塊，實現信號的捕獲與跟蹤，導航定位解算模塊給出接收機所處的位置和所有可視衛星的信息。同時，基帶數字信號處理模塊還將接收到的反射信號進行相關處理，得出的相關功率結果分別對應于碼片延遲時間和多普勒頻移，稱為一維（時間延遲或多普勒）或者兩維（時延－多普勒）相關功率。上述數據經由應用系統軟件進行處理，在數據顯示并存儲的同時進行要素提取，獲得海洋氣象參數（有效波高和風向風速等）。現場測量的同比數據用于與反演的氣象參數進行對比，校正反演模型和相應的反演算法。反射信號接收機的總體框架如圖2所示，包括右旋極化（right－hand circular polarization，RHCP）天 線、 左 旋 極 化 （left－hand circular polarization，LHCP）天線、雙射頻前端、高速A/D變換器、FPGA（field programmable gate array）專用相關器、DSP（digital signal processing）信號處理器、高速數據傳輸接口等幾部分［6］。

圖2 BDS反射信號接收機總體框架示意圖

BDS反射信號接收機的具體處理流程如圖3所示，BDS直射信號和反射信號分別通過右旋天線和左旋天線接收后，經過雙射頻前端進行濾波和頻率變換后輸出中頻模擬信號；由雙通道高速A/D變換器采樣后分別輸入到FPGA中的數字量化模塊進行2bit量化編碼；對采樣的原始中頻數據，將雙通道量化后的信息合并成幀，以先進先出（first in first out，FIFO）的形式緩存，由通用串行總線（universal serial bus，USB）接口上傳至上位機進行存儲。

圖3 總體處理流程

對于實時數據處理，將直射和反射兩路量化后的信息分別送至FPGA中的直射通道和反射通道處理。其中直射通道在基帶信號處理模塊中完成信號的捕獲跟蹤、衛星狀態和接收機定位解算等，獲取的解算信息同時用于配置反射通道，實現時間延遲和多普勒的控制，進而得到不同時延及多普勒條件下的反射信號相關值（或/和相關功率值）。

2.2 應用系統軟件設計

海面氣象監測軟件系統由任務監控、數據預處理、風場反演、有效波高4個子系統組成。軟件系統結構如圖4所示［7］。

圖4 海面氣象監測軟件組成

任務監控子系統包括：

（1）平臺狀態監控模塊：具有實時顯示反射信號接收機所處平臺的經度、緯度、高度、速度、授時等功能；

（2）導航衛星狀態監控模塊：具有實時顯示跟蹤的導航衛星分布、接收數目與軌道位置功能；

（3）直射信號監控模塊：具有實時顯示各直射通道對應的衛星號、高度角、方位角、信噪比功能；

（4）反射信號監控模塊：具有實時顯示海面反射信號通道對應的衛星號、海面觀測點位置、時延/多普勒相關功率波形。

數據預處理子系統包括：

（1）數據規整模塊：具有數據規整與篩選、數據野點檢測、噪聲濾波等功能。

（2）基本要素計算模塊：具有接收天線位置估算、導航衛星位置內插估算、海面觀測點位置計算、多普勒頻移、信號路徑延遲計算等功能。

（3）特征要素計算模塊：具有散射系數、前沿斜率、后沿斜率及測量偏差等特征要素計算功能。

風場反演子系統：

（1）反演模式模塊：具有理論功率曲線計算功能和模式函數參數計算功能。

（2）風速計算模塊：具有風速要素快速反演功能。

（3）風向計算模塊：具有風向要素快速反演功能。

海浪有效波高子系統：

（1）反演模式模塊：具有有效波高反演應用模式函數參數計算功能。

（2）有效波高計算模塊：具有計算有效波高等海浪要素功能。

3 海風海浪探測實驗

3.1 海風與有效波高探測原理

接收機接收到的信號與本地產生的偽碼進行自相關運算的表達式為［6］

式（1）中，uR（t）為t時刻接收到的反射信號，Tc為相干積分時間，D（·）為導航數據位信息，fR為反射信號中心頻率。鏡面反射點處反射信號相關函數定義為

則可以得到反射信號相關時間

求得相關時間之后即可進行風速反演

式（4）中，U10為海面上空10m高的風速，erf（·）為誤差函數，ρ為海面等效反射區域大小。根據Elfouhaily海浪譜模型，可知海洋表面反射信號相關時間與SWH存在線性關系［8］

式（5）中，as與bs由探測海域特性決定，可以通過精確的浮標數據進行擬合。

3.2 實驗場地建設

2013－08－10，研究小組在廣東省深圳氣象局西涌天文臺進行了海風海浪探測實驗，實驗系統的設備配置見表1［9］。

表1 實驗系統設備配置

被探測海域與2013－08－13T16：00：00探測點BDS衛星分布情況見圖5。

圖5 被探測海域（右圖），BDS衛星分布情況（左圖）

實驗系統的直射與反射天線架情況，及放置BDS反射信號接收機和配套設施的設備間見圖6。

圖6 實驗系統的直射與反射天線架設（左圖），設備間（右圖）

4 實驗結果分析

BDS海風海浪探測系統在深圳運行期間，成功探測到了 “飛燕”和 “尤特”臺風引起的被探測海域海風海浪變化，數據分析包括海風和有效波高兩類參數，結果與當地氣象站數據吻合。本次實驗中，通過附近氣象站測得的海面風速值與觀測點測得的數據進行對比分析波形面積與海面風速的關系，如圖7和圖8所示。圖7為附近氣象站測得的海面風速，圖8為對所測得的數據進行處理得到的波形面積。當臺風氣旋靠近實驗地點時風速增加，隨后減小波形面積與海面風速具有良好的一致性，并且如圖8所示使用反射信號的風速測量方法可以獲得更高的時間分辨率。

圖7 附近氣象站測得的海面風速值

圖8 對實測數據進行處理得到的波形面積

本次實驗中求解獲得了反射信號的相關時間，并根據由浮標測得的海面有效波高數值，兩者的數值關系如圖9所示，具有很明顯的反比關系，與式（5）相吻合。

圖9 相關時間與有效波高的關系

5 結束語

BDS海風海浪探測系統的成功實驗，驗證了利用BDS反射信號進行海風海浪探測的可行性，對于拓展BDS在海洋氣象領域的應用，在臺風災害監測及應急救援中將發揮重要的作用。在我國氣象局實現業務化運行后可以連續進行近海氣象要素觀測，增強我國近海海上交通的保障能力。

［1］ZUFFADA C，ELFOUHAULY T，LOWE S.Sensitivity Analysis of Wind Vector Measurements Fromocean Reflected GPS signals［J］.Remote Sensing of Environment，2003，88（3）：341－350.

［2］GARRISON J L，KOMJATHY A，ZAVOROTNY V U，et al.Wind Speed Measurement Using Forward Scattered GPS Signals［J］.Geoscience and Remote Sensing，2002，40（1）：50－65.

［3］李偉強.面向遙感應用的GNSS反射信號接收處理方法研究［D］.北京：北京航空航天大學，2007.

［4］張益強.基于GNSS反射信號的海洋微波遙感技術［D］.北京：北京航空航天大學，2007.

［5］YANG Dong－kai，ZHANG Yi－qiang，LU Yong，et al.GPS Reflections for Sea Surface Wind Speed Measurement［J］.Geoscience and Remote Sensing Letters，2008，5（4）：569－572.

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

［7］楊東凱，張益強，張其善，等.基于 GPS散射信號的機載海面風場反演系統［J］.航空學報，2006，27（2）：310－313.

［8］SOULAT F，CAPARRINI M，GERMAIN O，et al.Sea State Monitoring Using Coastal GNSS－R ［EB/OL］.（2004－06－07）［2013－10－08］.http：//arxiv.org/pdf/physics/0406029.pdf.

［9］YANG Dong－kai，WANG Yan，LU Yong，et al.GNSS－R Data Acquisition System Design and Experiment［J］.Chinese Science Bulletin，2010，55（33）：3842－3846.