北斗系統(tǒng)在海風(fēng)海浪探測中的應(yīng)用研究

楊東凱，李偉強(qiáng)，楊 威

（北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

1 概述

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是利用裝載在衛(wèi)星上的無線電發(fā)射機(jī)，通過發(fā)射導(dǎo)航信號為接收用戶提供定位、測速和授時(shí)信息，其基本原理是測量導(dǎo)航衛(wèi)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(shí)際應(yīng)用中，接收機(jī)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(jìn)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(dǎo)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(yīng)用這些變化特性實(shí)現(xiàn)對于反射面的反演，則是一個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的新型應(yīng)用，是與對地觀測的交叉和綜合。在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，基于導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的反射信號實(shí)現(xiàn)地球觀測稱之為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射計(jì)（global navigation satellite systems reflectometry，GNSS－R）［1-2］。

對于全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）衛(wèi)星反射信號的應(yīng)用自20世紀(jì)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(yàn)，為氣象、海洋、農(nóng)業(yè)等業(yè)務(wù)化運(yùn)行以及未來的星載應(yīng)用進(jìn)行了大量的技術(shù)儲備。美國航空航天局將該項(xiàng)研究計(jì)劃列為最有前途的新技術(shù)之一。2010－10國際電氣與電子學(xué)會議組織在西班牙巴塞羅那召開了GNSS－R技術(shù)研討會，在海面高度、海面風(fēng)場、土壤濕度、海冰等各方面的應(yīng)用進(jìn)行了交流，各項(xiàng)技術(shù)取得了長足進(jìn)步［3］。

我國對此項(xiàng)技術(shù)的研究起步于2002年，2004年北京航空航天大學(xué)在我國黃渤海海域成功進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，獲取了海面風(fēng)場數(shù)據(jù)。2006年，中科院大氣所等單位在廈門開展試驗(yàn)，獲取了海面波浪高度和潮位數(shù)據(jù)［4］。之后航天科技集團(tuán)、中國科學(xué)院、北京大學(xué)、中國氣象局等多家單位進(jìn)行了多次不同類型的GNSS－R應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，取得了可喜的成績，為該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

隨著我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）的建成，利用導(dǎo)航衛(wèi)星的海面反射信號實(shí)現(xiàn)海風(fēng)、海浪探測具備了更為可靠的基礎(chǔ)條件，這將作為一個(gè)北斗系統(tǒng)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，為我國海洋氣象觀測提供有效的監(jiān)測手段［5］，同時(shí)能夠?yàn)榕_風(fēng)、海嘯等海洋災(zāi)害的監(jiān)測和應(yīng)急救援提供重要的技術(shù)支撐。對比自動(dòng)氣象站、浮標(biāo)等傳統(tǒng)的探測方法，BDS反射信號的海洋觀測分析的是一個(gè)區(qū)域的總體信息，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有方法在探測空間上的不足，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)面結(jié)合的長時(shí)海洋氣候監(jiān)測。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

BDS發(fā)射的L波段民用導(dǎo)航信號與美國的GPS類似，包含粗碼（C/A碼）、精碼（P碼）和導(dǎo)航電文（D碼）。其星座構(gòu)成中有地球靜止軌道（geostationary earth orbits，GEO），傾斜同步衛(wèi)星軌道（inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO）和中地球軌道（medium earth orbit，MEO）等三個(gè)不同軌道的衛(wèi)星，區(qū)域系統(tǒng)共有14顆在軌服務(wù)衛(wèi)星，全球系統(tǒng)將會有35顆在軌服務(wù)衛(wèi)星。其中GEO軌道觀測區(qū)域固定，可以對重點(diǎn)海域長期測量；IGSO軌道可能實(shí)現(xiàn)對我國海域全面覆蓋；MEO軌道則與GPS衛(wèi)星軌道相同，具備全球覆蓋能力。三個(gè)不同軌道衛(wèi)星的反射信號的對地觀測區(qū)域可以形成穩(wěn)定的互補(bǔ)關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于美國GPS系統(tǒng)對地觀測的服務(wù)性能。

利用BDS導(dǎo)航信號的海風(fēng)海浪探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為兩大部分：BDS反射信號接收機(jī)和應(yīng)用系統(tǒng)軟件。

圖1 BDS海風(fēng)海浪探測系統(tǒng)原理框圖

2.1 BDS反射信號接收機(jī)設(shè)計(jì)

BDS反射信號接收機(jī)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(diǎn)，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(jìn)行采樣，獲得每一個(gè)采樣點(diǎn)2bit的原始采樣數(shù)據(jù)，存儲后供數(shù)據(jù)驗(yàn)證和反演算法研究用。采樣后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)由基帶數(shù)字信號處理模塊，實(shí)現(xiàn)信號的捕獲與跟蹤，導(dǎo)航定位解算模塊給出接收機(jī)所處的位置和所有可視衛(wèi)星的信息。同時(shí)，基帶數(shù)字信號處理模塊還將接收到的反射信號進(jìn)行相關(guān)處理，得出的相關(guān)功率結(jié)果分別對應(yīng)于碼片延遲時(shí)間和多普勒頻移，稱為一維（時(shí)間延遲或多普勒）或者兩維（時(shí)延－多普勒）相關(guān)功率。上述數(shù)據(jù)經(jīng)由應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理，在數(shù)據(jù)顯示并存儲的同時(shí)進(jìn)行要素提取，獲得海洋氣象參數(shù)（有效波高和風(fēng)向風(fēng)速等）?，F(xiàn)場測量的同比數(shù)據(jù)用于與反演的氣象參數(shù)進(jìn)行對比，校正反演模型和相應(yīng)的反演算法。反射信號接收機(jī)的總體框架如圖2所示，包括右旋極化（right－h(huán)and circular polarization，RHCP）天 線、 左 旋 極 化 （left－h(huán)and 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(guān)器、DSP（digital signal processing）信號處理器、高速數(shù)據(jù)傳輸接口等幾部分［6］。

圖2 BDS反射信號接收機(jī)總體框架示意圖

BDS反射信號接收機(jī)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(jīng)過雙射頻前端進(jìn)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(shù)字量化模塊進(jìn)行2bit量化編碼；對采樣的原始中頻數(shù)據(jù)，將雙通道量化后的信息合并成幀，以先進(jìn)先出（first in first out，F(xiàn)IFO）的形式緩存，由通用串行總線（universal serial bus，USB）接口上傳至上位機(jī)進(jìn)行存儲。

圖3 總體處理流程

對于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(wèi)星狀態(tài)和接收機(jī)定位解算等，獲取的解算信息同時(shí)用于配置反射通道，實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲和多普勒的控制，進(jìn)而得到不同時(shí)延及多普勒條件下的反射信號相關(guān)值（或/和相關(guān)功率值）。

2.2 應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

海面氣象監(jiān)測軟件系統(tǒng)由任務(wù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)預(yù)處理、風(fēng)場反演、有效波高4個(gè)子系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示［7］。

圖4 海面氣象監(jiān)測軟件組成

任務(wù)監(jiān)控子系統(tǒng)包括：

（1）平臺狀態(tài)監(jiān)控模塊：具有實(shí)時(shí)顯示反射信號接收機(jī)所處平臺的經(jīng)度、緯度、高度、速度、授時(shí)等功能；

（2）導(dǎo)航衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)控模塊：具有實(shí)時(shí)顯示跟蹤的導(dǎo)航衛(wèi)星分布、接收數(shù)目與軌道位置功能；

（3）直射信號監(jiān)控模塊：具有實(shí)時(shí)顯示各直射通道對應(yīng)的衛(wèi)星號、高度角、方位角、信噪比功能；

（4）反射信號監(jiān)控模塊：具有實(shí)時(shí)顯示海面反射信號通道對應(yīng)的衛(wèi)星號、海面觀測點(diǎn)位置、時(shí)延/多普勒相關(guān)功率波形。

數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)包括：

（1）數(shù)據(jù)規(guī)整模塊：具有數(shù)據(jù)規(guī)整與篩選、數(shù)據(jù)野點(diǎn)檢測、噪聲濾波等功能。

（2）基本要素計(jì)算模塊：具有接收天線位置估算、導(dǎo)航衛(wèi)星位置內(nèi)插估算、海面觀測點(diǎn)位置計(jì)算、多普勒頻移、信號路徑延遲計(jì)算等功能。

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

風(fēng)場反演子系統(tǒng)：

（1）反演模式模塊：具有理論功率曲線計(jì)算功能和模式函數(shù)參數(shù)計(jì)算功能。

（2）風(fēng)速計(jì)算模塊：具有風(fēng)速要素快速反演功能。

（3）風(fēng)向計(jì)算模塊：具有風(fēng)向要素快速反演功能。

海浪有效波高子系統(tǒng)：

（1）反演模式模塊：具有有效波高反演應(yīng)用模式函數(shù)參數(shù)計(jì)算功能。

（2）有效波高計(jì)算模塊：具有計(jì)算有效波高等海浪要素功能。

3 海風(fēng)海浪探測實(shí)驗(yàn)

3.1 海風(fēng)與有效波高探測原理

接收機(jī)接收到的信號與本地產(chǎn)生的偽碼進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算的表達(dá)式為［6］

式（1）中，uR（t）為t時(shí)刻接收到的反射信號，Tc為相干積分時(shí)間，D（·）為導(dǎo)航數(shù)據(jù)位信息，fR為反射信號中心頻率。鏡面反射點(diǎn)處反射信號相關(guān)函數(shù)定義為

則可以得到反射信號相關(guān)時(shí)間

求得相關(guān)時(shí)間之后即可進(jìn)行風(fēng)速反演

式（4）中，U10為海面上空10m高的風(fēng)速，erf（·）為誤差函數(shù)，ρ為海面等效反射區(qū)域大小。根據(jù)Elfouhaily海浪譜模型，可知海洋表面反射信號相關(guān)時(shí)間與SWH存在線性關(guān)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(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

3.2 實(shí)驗(yàn)場地建設(shè)

2013－08－10，研究小組在廣東省深圳氣象局西涌天文臺進(jìn)行了海風(fēng)海浪探測實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)備配置見表1［9］。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備配置

被探測海域與2013－08－13T16：00：00探測點(diǎn)BDS衛(wèi)星分布情況見圖5。

圖5 被探測海域（右圖），BDS衛(wèi)星分布情況（左圖）

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的直射與反射天線架情況，及放置BDS反射信號接收機(jī)和配套設(shè)施的設(shè)備間見圖6。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的直射與反射天線架設(shè)（左圖），設(shè)備間（右圖）

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

BDS海風(fēng)海浪探測系統(tǒng)在深圳運(yùn)行期間，成功探測到了 “飛燕”和 “尤特”臺風(fēng)引起的被探測海域海風(fēng)海浪變化，數(shù)據(jù)分析包括海風(fēng)和有效波高兩類參數(shù)，結(jié)果與當(dāng)?shù)貧庀笳緮?shù)據(jù)吻合。本次實(shí)驗(yàn)中，通過附近氣象站測得的海面風(fēng)速值與觀測點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析波形面積與海面風(fēng)速的關(guān)系，如圖7和圖8所示。圖7為附近氣象站測得的海面風(fēng)速，圖8為對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的波形面積。當(dāng)臺風(fēng)氣旋靠近實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)時(shí)風(fēng)速增加，隨后減小波形面積與海面風(fēng)速具有良好的一致性，并且如圖8所示使用反射信號的風(fēng)速測量方法可以獲得更高的時(shí)間分辨率。

圖7 附近氣象站測得的海面風(fēng)速值

圖8 對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的波形面積

本次實(shí)驗(yàn)中求解獲得了反射信號的相關(guān)時(shí)間，并根據(jù)由浮標(biāo)測得的海面有效波高數(shù)值，兩者的數(shù)值關(guān)系如圖9所示，具有很明顯的反比關(guān)系，與式（5）相吻合。

圖9 相關(guān)時(shí)間與有效波高的關(guān)系

5 結(jié)束語

BDS海風(fēng)海浪探測系統(tǒng)的成功實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了利用BDS反射信號進(jìn)行海風(fēng)海浪探測的可行性，對于拓展BDS在海洋氣象領(lǐng)域的應(yīng)用，在臺風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測及應(yīng)急救援中將發(fā)揮重要的作用。在我國氣象局實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行后可以連續(xù)進(jìn)行近海氣象要素觀測，增強(qiáng)我國近海海上交通的保障能力。

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