基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)探測(cè)海浪的實(shí)現(xiàn)與分析

涂滿紅，曹云昌，周 丹

(1.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081；2.山東省威海市氣象局，山東威海 264200)

基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)探測(cè)海浪的實(shí)現(xiàn)與分析

涂滿紅1，曹云昌1，周 丹2

(1.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081；2.山東省威海市氣象局，山東威海 264200)

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在亞太地區(qū)的良好覆蓋能力，利用中國(guó)氣象局、山東氣象局及北京航空航天大學(xué)在威海聯(lián)合開展的北斗反射信號(hào)海洋遙感試驗(yàn)所采集的海風(fēng)海浪系統(tǒng)的探測(cè)數(shù)據(jù)與同址同期的浮標(biāo)數(shù)據(jù)，著重對(duì)北斗GEO衛(wèi)星反射信號(hào)(BDS-GEO-R)探測(cè)海面有效波高的可行性進(jìn)行了分析和檢定，并對(duì)比分析同期浮標(biāo)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，北斗反射信號(hào)探測(cè)海浪結(jié)果與浮標(biāo)數(shù)據(jù)具有良好的一致性，海面浪高的探測(cè)精度為10 cm。最終證明了利用北斗反射信號(hào)探測(cè)海洋浪高的可行性。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星反射信號(hào)；海風(fēng)海浪；有效波高；浮標(biāo)數(shù)據(jù)

海洋漁業(yè)在我國(guó)東南沿海經(jīng)濟(jì)構(gòu)成中占有重要的地位，為保障海上生產(chǎn)作業(yè)、海水養(yǎng)殖的安全，準(zhǔn)確掌握海洋氣象信息顯得尤為重要。海洋有效波高是海面狀態(tài)的重要物理參數(shù)，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)探測(cè)海面的浪高狀態(tài)，對(duì)海洋漁業(yè)的生產(chǎn)安全等具有重要的作用。浮標(biāo)是目前海洋觀測(cè)站中普遍采用的有效波高探測(cè)手段，通過集成多種海洋參數(shù)傳感器，對(duì)目標(biāo)海域進(jìn)行觀測(cè)[1]。近年來，隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其在提供傳統(tǒng)定位、導(dǎo)航及授時(shí)服務(wù)的同時(shí)，還提供了大量的電磁信號(hào)源。目前，國(guó)內(nèi)外常用的有效波高遙感手段主要有衛(wèi)星高度計(jì)[2-3]、高頻地波雷達(dá)[4]等。全球?qū)Ш叫l(wèi)星反射信號(hào)(GNSS-R)技術(shù)也隨之產(chǎn)生，學(xué)者對(duì)其在遙感應(yīng)用領(lǐng)域開展了大量的研究[5]。GNSS-R技術(shù)作為一種非接觸式、無需發(fā)射源設(shè)備，具有全球域、全天時(shí)以及成本低等特點(diǎn)[6]，可有效降低傳統(tǒng)浮標(biāo)維護(hù)所需的費(fèi)用，已逐漸成為遙感領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

GNSS-R技術(shù)用于海面浪高探測(cè)的研究最早開始于歐洲Starlab公司。2004年Soulat等[7]在巴塞羅那港口開展了GPS反射信號(hào)探測(cè)有效波高試驗(yàn)，對(duì)GPS反射信號(hào)探測(cè)有效波高進(jìn)行了研究。2003年Hajj等[8]分析L波段海面散射信號(hào)相關(guān)函數(shù)與海況的關(guān)聯(lián)，提出了利用DCF波形峰值計(jì)算海面浪高的思想。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是中國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[9]。基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的海洋遙感技術(shù)，為海洋氣象觀測(cè)提供了新的途徑，同時(shí)，基于北斗在亞太地區(qū)的良好覆蓋能力，該技術(shù)可為我國(guó)沿海氣象資料提供補(bǔ)充。筆者著重對(duì)北斗靜止軌道衛(wèi)星(GEO)反射信號(hào)(BDS-GEO-R)探測(cè)海面有效波高的可行性進(jìn)行了分析和檢定，同時(shí)與同期浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 資料與方法

1.1 資料來源 以山東威海北斗海風(fēng)海浪探測(cè)示范站(112.70 °E、37.39 °N)的有效波高探測(cè)數(shù)據(jù)作為BDS-GEO-R數(shù)據(jù)源。威海示范站于2014年4月份由中國(guó)氣象局、山東氣象局及北京航空航天大學(xué)聯(lián)合建立，主要用于北斗反射信號(hào)海洋遙感研究。觀測(cè)平臺(tái)距離海面垂直高度33 m(圖1)。觀測(cè)設(shè)備采用由北京航空航天大學(xué)研發(fā)的北斗反射信號(hào)海風(fēng)海浪探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙天線觀測(cè)模式，其中右旋圓極化天線(天線增益3 dB)指向天頂方向，用于接收衛(wèi)星直射信號(hào)，左旋圓極化天線(天線增益12 dB)指向海面，相對(duì)水平方向傾斜40°。

為分析和驗(yàn)證北斗反射信號(hào)探測(cè)浪高的有效性與穩(wěn)定性，采用附近浮標(biāo)浪高數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)對(duì)比數(shù)據(jù)。浮標(biāo)輸出有效波高的更新速度為1 h。

1.2 北斗反射信號(hào)有效波高探測(cè)方法

1.2.1 干涉復(fù)數(shù)場(chǎng)計(jì)算有效波高。探測(cè)系統(tǒng)采用計(jì)算干涉復(fù)數(shù)場(chǎng)相關(guān)時(shí)間的方法反演有效波高。干涉復(fù)數(shù)場(chǎng)定義為衛(wèi)星反射信號(hào)及直射信號(hào)所對(duì)應(yīng)的最大復(fù)數(shù)相關(guān)值序列之間的比[10]，其公式為：

FI=FR/FD

(1)

式中，F(xiàn)I表示干涉復(fù)數(shù)場(chǎng)，F(xiàn)R、FD分別表示反射信號(hào)、直射信號(hào)所對(duì)應(yīng)的最大復(fù)數(shù)相關(guān)值序列。公式中的直射分量用于剔除與海面狀態(tài)無關(guān)的因素，如衛(wèi)星信號(hào)功率的波動(dòng)、接收機(jī)內(nèi)部的熱噪聲、電離層延遲等影響，可有效提高干涉復(fù)數(shù)場(chǎng)與海面狀態(tài)的相關(guān)性。

圖1 海風(fēng)海浪探測(cè)示范站觀測(cè)點(diǎn)位置(a)和觀測(cè)平臺(tái)(b)Fig.1 Location(a)and observation platform(b)of ocean wind and wave detection station

定義相關(guān)時(shí)間為干涉復(fù)數(shù)場(chǎng)的自相關(guān)函數(shù)的時(shí)間寬度，它表征接收機(jī)接收的信號(hào)之間的相關(guān)性，與海面的坡度、衛(wèi)星仰角、散射信號(hào)波長(zhǎng)等因素有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，相關(guān)時(shí)間可以看做服從高斯函數(shù)分布的二階距：

(2)

式中，θ表示衛(wèi)星仰角，τz表示表面相關(guān)時(shí)間，SWH表示有效波高。

1.2.2 北斗反射信號(hào)海風(fēng)海浪探測(cè)系統(tǒng)。示范站采用由北京航空航天大學(xué)研發(fā)的北斗反射信號(hào)海風(fēng)海浪探測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由右旋圓極化天線、左旋圓極化天線、四通道射頻前端、中頻處理單元和監(jiān)控工作站組成。射頻采樣速率為16.369MHz，2bit量化。北斗反射信號(hào)接收機(jī)輸出直射、反射信號(hào)復(fù)數(shù)相關(guān)值，其更新速率為1kHz。最終輸出直射信號(hào)復(fù)數(shù)相關(guān)值峰值序列以及反射信號(hào)復(fù)數(shù)相關(guān)值。對(duì)輸出的相關(guān)值分別提取直射、反射信號(hào)最大復(fù)數(shù)相關(guān)值，進(jìn)而計(jì)算干涉復(fù)數(shù)場(chǎng)(圖3)。

圖2 北斗反射信號(hào)海風(fēng)海浪探測(cè)系統(tǒng)組成Fig.2 Block diagram of BDS-R

圖3 相關(guān)時(shí)間計(jì)算流程Fig.3 Flow of calculating correlation time

1.3 分析方法 為檢驗(yàn)北斗反射信號(hào)探測(cè)海面有效波高的性能及可行性，該研究針對(duì)2014年6—9月海風(fēng)海浪探測(cè)系統(tǒng)輸出的有效波高數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。由于浮標(biāo)輸出的有效波高數(shù)據(jù)為整點(diǎn)平均結(jié)果，北斗海風(fēng)海浪探測(cè)系統(tǒng)的輸出結(jié)果為分鐘數(shù)據(jù)，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比前，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行平均處理，完成將探測(cè)數(shù)據(jù)與同比浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)齊。

2 結(jié)果與分析

從圖4可看出，2014年6—8月浮標(biāo)輸出的有效波高為0.1～2.5 m，2種觀測(cè)手段輸出的有效波高分布具有良好的一致性。初步證明了利用北斗反射信號(hào)探測(cè)海面有效波高的可行性。

圖4 2014年6—8月相關(guān)時(shí)間探測(cè)有效波高值與浮標(biāo)數(shù)據(jù)分布Fig.4 Distribution comparison between significant wave height observed by correlation time and buoy from June to August in 2014

為進(jìn)一步驗(yàn)證海風(fēng)海浪探測(cè)系統(tǒng)的可行性和精度，對(duì)系統(tǒng)輸出的9月有效波高結(jié)果進(jìn)行了分析和精度計(jì)算。由圖5可見，2014年9月浮標(biāo)輸出的有效波高為0.1～3.0 m，其中海面浪高大部分集中在0.1～0.7 m(海面處于較穩(wěn)定狀態(tài))。同期北斗反射信號(hào)海風(fēng)海浪探測(cè)系統(tǒng)輸出的有效波高與浮標(biāo)數(shù)據(jù)具有良好的一致性。

圖5 2014年9月相關(guān)時(shí)間探測(cè)有效波高與浮標(biāo)數(shù)據(jù)分布Fig.5 Distribution comparison between significant wave height observed by correlation time and buoy in September in 2014

為研究北斗反射信號(hào)探測(cè)有效波高的精度，對(duì)9月的數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析，結(jié)果表明(圖6)，利用相關(guān)時(shí)間探測(cè)有效波高的平均偏差為10 cm，與浮標(biāo)數(shù)據(jù)具有良好的一致性，因此利用北斗反射信號(hào)探測(cè)海面有效波高具有很好的可行性。

圖6 2014年9月相關(guān)時(shí)間探測(cè)有效波高值與氣象站浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Comparison between significant wave height observed by correlation time and buoy from meteorological station in September，2014

3 結(jié)論與討論

(1)通過將2014年6—8月利用北斗反射信號(hào)測(cè)量技術(shù)探測(cè)的有效波高與浮標(biāo)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了海風(fēng)海浪探測(cè)系統(tǒng)利用干涉復(fù)數(shù)場(chǎng)相關(guān)時(shí)間反演的有效波高與浮標(biāo)數(shù)據(jù)具有良好的一致性。

(2)通過對(duì)2014年9月數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)北斗反射信號(hào)探測(cè)的有效波高值與浮標(biāo)數(shù)據(jù)分布具有良

好的一致性，反演平均偏差為10 cm。

(3)岸基條件下，利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星反射信號(hào)探測(cè)海洋信息，需要克服復(fù)雜的地理環(huán)境和干擾，主要包括陸地干擾、近海海溝地形、海面斑點(diǎn)噪聲等。試驗(yàn)過程中，采用北斗靜止軌道衛(wèi)星，利用其相對(duì)穩(wěn)定的幾何關(guān)系，通過分析接收機(jī)、衛(wèi)星及海面的位置關(guān)系，調(diào)整反射天線與水平面的角度，可有效減少來自海岸地面的反射干擾，對(duì)有效波高的探測(cè)具有積極的作用。

(4)此次試驗(yàn)利用GNSS-R技術(shù)進(jìn)行岸基海洋氣象遙感試驗(yàn)，受限于觀測(cè)平臺(tái)的高度和天線的覆蓋區(qū)。在后期的研究工作中，將增加對(duì)機(jī)載、星載平臺(tái)下GNSS-R海洋遙感性能表現(xiàn)的分析。

[1] 李民，袁新，劉勇，等.國(guó)內(nèi)大型海洋水文氣象資料浮標(biāo)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].氣象水文海洋儀器，2002(2)：1-4.

[2] 紀(jì)永剛，張杰，楊永增.TOPEX衛(wèi)星高度計(jì)有效波高數(shù)據(jù)分析與極值統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)[J].海洋科學(xué)進(jìn)展，2002，20(1)：25-33.

[3] 孫群，宋金寶，陳小剛.利用TOPEX衛(wèi)星高度計(jì)資料分析東中國(guó)海的風(fēng)、浪場(chǎng)特征[J].海洋科學(xué)，2006，30(4)：10-15.

[4] 吳雄斌，李倫，李炎，等.高頻地波雷達(dá)海面有效波高探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J].海洋與湖沼，2012，43(2)：210-216.

[5] 劉經(jīng)南，邵連軍，張訓(xùn)械.GNSS-R研究進(jìn)展及其關(guān)鍵技術(shù)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2007，32(11)：955-960.

[6] 李黃，夏青，尹聰，等.我國(guó)GNSS-R遙感技術(shù)的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢(shì)[J].雷達(dá)學(xué)報(bào)，2013，2(4)：389-399.

[7] SOULAT F，CAPARRINI M，GERMAIN O，et al.Sea state monitoring using coastal GNSS-R[J].Geophysical research letters，2004，31(21)：133-147.

[8] HAJJ G A，ZUFFADA C.Theoretical description of a bistatic system for ocean altimetry using the GPS signal[J].Radio science，2003，38(5)：1089-1107.

[9] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2010，39(1)：1-6.

[10] 邵連軍，張訓(xùn)械，王鑫，等.利用GNSS-R信號(hào)反演海浪波高[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2008，33(5)：475-478.

Implementation and Analysis of Detecting Ocean Wave Height by Beidou Navigation Satellite Reflected Signal

TU Man-hong1, CAO Yun-chang1, ZHOU Dan2et al

(1. Meteorological Observation Centre of CMA, Beijing 100081; 2 Weihai Meteordogical Bureall, Weihai, Shandong 264200)

Based on good coverage capability of Beidou satellite navigation system in the Asian- Pacific Region, using detection data of ocean wave and buoy data collected by CMA, SMA, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, the feasibility of detecting significant wave height by BDS-GEO-R was analyzed, and compared with buoy data. The result of significant wave height showed a good consistence between BDS reflectometry and buoy, and the accuracy was 10cm. Ultimately,it proves the feasibility on detecting ocean wave height using BDS reflected signal.

Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R); Sea breeze and wave; Significant wave height; Buoy data

總裝備部中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用重大專項(xiàng)(GFZX 03030303)。

涂滿紅(1973- )，女，北京人，高級(jí)工程師，碩士，從事氣象探測(cè)方法及應(yīng)用研究。

2016-09-23

S 951.1

A

0517-6611(2016)35-0188-03