基于GNSS-R極地海冰測量方法的研究

李宏亮，袁國良

(上海海事大學， 上海 201306)

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基于GNSS-R極地海冰測量方法的研究

李宏亮，袁國良

(上海海事大學， 上海 201306)

全球衛星導航系統(GNSS)在經歷了將近50年的發展后，已經在國際上取得了相當大的影響，GNSS在經濟發展和人類生活方面有著很重要的作用。隨著溫室氣體的排放，全球溫室效應，冰川融化，使得越來越多的國家開始重視對海洋的監測。文章以歐洲空間局(ESA)實驗數據為數據來源，利用電磁信號在不同的介質表面反射產生的電磁特性變化作為理論依據，論證利用海冰的幅度極化比來監測海冰的形成和消融過程是否可靠。分析結果顯示，信號的幅度極化比與海冰在海洋中的覆蓋率有著很強的相關性。

海冰；GNSS-R；海冰密集度；幅度極化比

引用格式：李宏亮，袁國良. 基于GNSS-R極地海冰測量方法的研究[J].微型機與應用，2016,35(17)：76-79.

0　引言

隨著當今社會科技的快速發展，全球發達國家對于導航定位系統大力投資，美國有GPS、俄羅斯有GLONASS、歐洲國家有Galileo。北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)是中國自主研發的一套全球衛星導航系統。像以上四種全球衛星系統以及一些相關的增強系統統一稱之為全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)。目前GNSS的應用正在潛移默化地改變著人們的生活方式，其應用已經遠遠超出了人們的想象。

GNSS在全球氣候變化趨勢研究中有著極其重要的作用。極地地區冰層表面粗糙度和冰層結構[1]是重要的信息，而冰的累積速度直接決定了冰層的內部結構。Winnebrenner和Drinkwater研究了冰的積累速度與測量反射電磁波之間的關系[2]。近幾年，GNSS技術快速發展，從多路徑問題著手，發現目標對全球衛星反射信號遙感技術(Global Navigation Satellite System-Reflection ,GNSS-R)也是可以被接受和利用的，可以作為一種全新的遙感方式加以利用。其不需要專門的雷達發射機，而且成本低廉，全球覆蓋廣，數據量大，同時又與其他傳統測量方法相互補充，從而開辟了一個新的研究領域。

1　GNSS-R簡介

GNSS-R的基本原理是利用反射導航衛星的載波信號或者偽隨機測距碼信號，來提取目標的反射面特性。在海面測風和海面測冰等探測應用中，它的工作模式多為收發分置的雙(多)基雷達模式，與傳統的遙感手段SAR相比，其特點和優勢集中體現為以下幾點[1]：

(1)不用發射機

GNSS-R采用的是異源觀測模式，信號發射源是利用全球共享的GNSS星座信號源，使得導航衛星的信號接收機的設計復雜度和設計成本大大下降，并提高了系統的穩定性，有利于在航空或衛星平臺上搭載。

(2)大量信號源

GNSS-R的信號來源不僅來自于目前已有的24顆GPS衛星信號，還有很多其他的衛星系統也可以提供這種信號源，其中包括歐盟的Galileo衛星(30顆)、俄羅斯的GLONASS(24顆)、中國的BDS(35顆)，可用衛星達100多顆。

(3)擴頻通信技術

采用擴頻技術帶來的增益使得導航衛星反射信號接收機可以接收到低于背景噪聲的微弱信號，這種技術使得在機載高度采用尺寸為10 cm左右的天線就可以接收到有效的海面散射信號。

(4)應用面寬

導航衛星反射信號接收機接收到的信號輸出的是時延多普勒的相關功率譜，其中含有被測目標的特征信息，該系統可以應用于海面風場、海冰探測、鹽度探測、土壤測濕以及海面測高等。

國外關于GNSS-R的技術比較成熟，在海冰探測的研究中已經有了以下的發展：2000年，KOMJATHY A等人利用海洋表面的GPS反射信號的峰值功率來反映有效介電常數(Permittivity by peak-power)[2]；2007年，貝爾蒙特等人利用擬合反射信號波形分析得到海冰表面粗糙度[3]；2012年，FRAN F等采用了歐洲空間局2008～2009年間在格林蘭島Disko海灣實驗所采集到的數據，利用直射和反射之間的差分相位的高度估計測算出海冰表面的高度，取得了不錯的測量精度[4]。

GNSS-R相比于傳統的遙感手段有著得天獨厚的技術優勢，在國外的研究十分火熱，主要集中在海洋的監測方面，例如海面測風、海面測冰、海洋測高。不僅如此，在土壤濕度和移動目標探測方面它也是有所作為的，本文將研究重點放在對海冰的監測上。

海冰是在高緯度海洋中海水的一種重要存在形式，一方面，海水的大面積結冰會對當地的交通運輸業、海洋漁業造成很大的影響；另一方面，極地冰層是經過成千上萬年的累積所形成的，其中包含著過去很多年地球的氣候變化信息。近代工業革命以來，人類的能源消耗大幅增加，使得溫室氣體的排放劇增，氣候變暖問題已經不容忽視，全球都刮起了一陣對海冰監測的風潮，并研制出了一些對海冰有效的監測手段[5]。其中美國和歐洲對于海冰的研究最為領先，他們開展了以GNSS-R信號為主要手段對海冰的覆蓋率和海冰厚度進行測試的實驗[6-9]。相比于西方國家，我國對于這方面的研究顯得十分落后。本文采用國外對于海冰監測的數據，分析海冰和海水對于GNSS-R信號的影響，從而得出利用GNSS-R對海冰進行監測有理論可行性。

2　GNSS-R海冰觀測實驗

本文所用數據來自GPS-SIDS(SIDS: Sea-Ice and Dry Snow Reflectometry)觀測實驗，該試驗是在格林蘭島Disko海灣上展開的，實驗的目的是利用GNSS-R信號研究海冰與干雪的物理特性。

此次實驗2008年10月開始，結束于2009年5月，時間跨度為7個月。在實驗期間剛好經歷了格陵蘭島Disko海灣海冰的形成到融化的過程。實驗采用了ICE/IEEC-CSIC研制的GNSS-R專用接收機GOLD-RTR，其為目前國際上性能較好的GNSS-R接收機。天線架設在海邊懸崖上的一個通信塔上，有兩個天線分別接收衛星直射信號和海面反射過來的信號。信號接收幾何結構如圖1所示。

在圖1中，A、B、C分別為鏡面反射點，其中A和B的高度角分別為25°和8°。由三角關系可以計算出L1=H/tan(a)，L2=H/tan(b)，數據采集區直徑大致為L=L2-L1≈6 424 m。圖2為實際實驗中數據采集的示意圖。

圖2　實驗數據采集示意圖

雖然實驗數據時間跨度是2008年10月～2009年5月，但是考慮到衛星的仰角和數據的穩定性因素，選擇了2008年12月～2009年3月這個時間段的實驗數據進行分析。

3　實驗原理分析

由于衛星信號是以電磁波的形式進行傳播，所以對于GNSS-R信號的研究就是對電磁波特性的研究。

在實際工程中，直射信號和反射信號都是以電磁波的形式發送與接收，而電磁波的場強方向可以隨時間按一定的規律變化，描述此變化的概念稱為極化。由電磁場的右手螺旋定則可知，電磁波的電場強度方向、磁場強度方向和傳播方向是可以相互確定的。電磁波的極化方向一般采用自由空間中電磁波的電場E的方向來判定[1]。

這里假設有一道沿著z軸方向傳播的電磁波，其中磁場強度H和電場強度E都是垂直于z軸所在的平面，將電場強度E分解為兩個相互正交的分量Ex和Ey，兩個分量擁有相同的頻率和傳播方向，即：

(1)

由上式，經過三角運算得出E矢量端點的軌跡方程，如下式：

(2)

當Ex0=Ey0=E0，φy-φx=±π/2 時，矢量E端點的軌跡方程為：

圖3　GNSS-R信號極化比隨時間的變化

圖4　海冰密集度隨著時間的變化

(3)

這是半徑為E0的圓的方程，稱為圓極化。當Ey相位滯后于Ex為π/2時，且電場矢量旋向和電磁波的傳播方向滿足右手螺旋關系，稱之為右旋圓極化(RHCP)；反之，則稱為左旋圓極化(LHCP)。GNSS的導航信號電磁場采用的是右旋極化的方式，電磁波離開衛星遇到反射介質的表面時，產生反射、折射、透射等現象后，電磁波的一些電磁特性會產生變化，其中極化方式也會發生一些變化，有些信號可能會由右旋極化轉變為左旋極化。

對于不同的發射介質，信號的極化方式改變的程度是不一樣的。因此反射信號中不同極化方式的比例是不一樣的，由此可以根據不同介質面對于信號反射極化方式改變程度來區分不同的介質面。這是GNSS-R技術的理論基礎。

在GNSS-R應用于海冰探測時，GPS信號在經過海面反射后被接收，信號表現出不同的電磁特性，可以通過分析海水和海冰反射信號特性分辨出該地區是否結冰。海冰對GNSS-R的影響是一個相對比較復雜的過程。這是由于海冰表面的粗糙程度、表面雜質、冰水混合物對信號都是有影響的。與純凈的冰不同，海冰中除了冰之外還有空氣、泥沙等固體混合物和空氣泡，所以它們的電磁特性分析起來十分復雜。對于海冰的電磁特性影響最為明顯的就是海水本身的介電常數[10]和觀測衛星的仰角大小。

海水的介電常數與其中的鹽分和周圍環境溫度密不可分。其中鹽溶液復介電常數表達式為：

(4)

(5)

其中，ε∞表示高頻相對介電常數，εb0表示鹽溶液靜態相對介電常數，τb表示鹽溶液的張弛時間，f表示電磁波頻率，σi表示離子電導率，ε0表示自由空間介電常數，ε0=8.854×10-12。

4　實驗結果分析

對采集到的數據進行篩選，最終選擇了衛星仰角為10°，且鏡面反射點離海岸比較遠的3顆衛星PRN2、14、17的觀測數據進行分析。利用MATLAB得出實驗結果如圖3～圖5(其中PolarimetricRatio=RHCP/LHCP)。

圖5　溫度隨時間變化

分析圖3中PRN2、14和17號衛星的極化比可以得到，在仰角相同的情況下，3顆衛星的極化均值總體走勢大致相同。從極化比的變化趨勢可以看出，在實驗開始0～15天左右，極化比值處于一個比較低的一個水平，隨著時間的推移，到了第25天左右極化比有著一個很明顯的漲幅，然后第30～40天極化比處于0.4～0.5的區間波動，在第40～105天左右極化比基本上一直處于0.65左右波動，除了在第50天左右的3～4天時間內，極化比出現了比較明顯的下降。在第105～120天期間，極化比逐漸下降到0.4左右，然后一直保持在0.4左右。3顆衛星的極化比變化趨勢基本上保持著同步，也就是說可以利用多顆衛星同時對同一目標進行監測，保證信號的高時空分辨率并減少誤差。

由圖4可以看出，在實驗開始0～15天左右，海冰基本上是沒有出現的；從第15天開始海冰覆蓋率幾乎從0%攀升到50%左右的一個水平，并穩定在50%左右。第40天后，冰面的覆蓋率又有一個提升，在40～100天時間內一直保持在80%～90%的區域內；從100天～120天時間內冰層急速融化，降至5%的覆蓋率，在120天后的10天時間內，波動幅度十分大。對比溫度變化圖，這有可能與當時地區的風力大小、海面降水等相關因素有關，導致海冰變化與溫度變化在某些時間上有差異，但總體變化趨勢相同。

表1為實驗結果總結。

表1　實驗結果分析

綜合以上分析得出結論，反射信號的極化比的變化趨勢與目標地區海冰的形成和融化規律有著很強的相似性。即可以利用GNSS-R信號的極化比來觀測海冰變化。

5　結束語

經過對實驗數據的分析得出，利用GNSS-R反射信號的幅度極化比來監測海水中海冰的動態是可行的。實驗過程中，利用國外衛星所得的數據進行分析，采用衛星數據的幅度極化比和同時期的海冰密集度對比得出，GNSS-R的幅度極化比的變化趨勢與海冰密集度的變化趨勢有著很強的相關性。因為海水和海冰在對電磁波的電磁特性的影響上有著比較明顯的差異，因此可以利用這種原理，分析GNSS-R信號來判斷目標地區是否有冰形成是切實可行的。由此，可以想象隨著全球衛星導航系統的逐漸成熟，這種監測方法可以作為一種全新的、低成本、高可靠性的海冰監測方法，并與現有的探測方法相輔相成。

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Research on the method of polar sea ice detecting based on GNSS-R

Li Hongliang, Yuan Guoliang

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Global Navigation Satellite System-Reflection (GNSS) has been developing for nearly 50 years, it has achieved considerable influence in the world. It palys an important role in economic development and human life . With the greenhouse gas emissions,the global greenhouse effect, melting glaciers, making more and more countries begin to pay attention to the monitoring of the ocean. This paper’s data source is from European Space Agency(ESA) experimental data. Using electromagnetic signal generated change of electromagnetic characteristics after reflection in different dielectric surfaces as the theoretical basis, the reliable of using sea-ice’s polarization radio to monitor the formation and ablation of ocean is demonstrated. As a result, the polarization radio has strong correlation with the cover rate of sea-ice in the sea.

sea ice; GNSS-R; sea ice concentration; amplitude polarization ratio

P228.4

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.023

2016-04-12)

李宏亮(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：智能信息處理。