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(xué)， 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(xué)， 上海 201306)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)在經(jīng)歷了將近50年的發(fā)展后，已經(jīng)在國際上取得了相當(dāng)大的影響，GNSS在經(jīng)濟發(fā)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(yīng)，冰川融化，使得越來越多的國家開始重視對海洋的監(jiān)測。文章以歐洲空間局(ESA)實驗數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)來源，利用電磁信號在不同的介質(zhì)表面反射產(chǎn)生的電磁特性變化作為理論依據(jù)，論證利用海冰的幅度極化比來監(jiān)測海冰的形成和消融過程是否可靠。分析結(jié)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(guān)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(yīng)用，2016,35(17)：76-79.

0　引言

隨著當(dāng)今社會科技的快速發(fā)展，全球發(fā)達(dá)國家對于導(dǎo)航定位系統(tǒng)大力投資，美國有GPS、俄羅斯有GLONASS、歐洲國家有Galileo。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)是中國自主研發(fā)的一套全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。像以上四種全球衛(wèi)星系統(tǒng)以及一些相關(guān)的增強系統(tǒng)統(tǒng)一稱之為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)。目前GNSS的應(yīng)用正在潛移默化地改變著人們的生活方式，其應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qū)冰層表面粗糙度和冰層結(jié)構(gòu)[1]是重要的信息，而冰的累積速度直接決定了冰層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Winnebrenner和Drinkwater研究了冰的積累速度與測量反射電磁波之間的關(guān)系[2]。近幾年，GNSS技術(shù)快速發(fā)展，從多路徑問題著手，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)對全球衛(wèi)星反射信號遙感技術(shù)(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(dá)發(fā)射機，而且成本低廉，全球覆蓋廣，數(shù)據(jù)量大，同時又與其他傳統(tǒng)測量方法相互補充，從而開辟了一個新的研究領(lǐng)域。

1　GNSS-R簡介

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

(1)不用發(fā)射機

GNSS-R采用的是異源觀測模式，信號發(fā)射源是利用全球共享的GNSS星座信號源，使得導(dǎo)航衛(wèi)星的信號接收機的設(shè)計復(fù)雜度和設(shè)計成本大大下降，并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有利于在航空或衛(wèi)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(wèi)星信號，還有很多其他的衛(wèi)星系統(tǒng)也可以提供這種信號源，其中包括歐盟的Galileo衛(wèi)星(30顆)、俄羅斯的GLONASS(24顆)、中國的BDS(35顆)，可用衛(wèi)星達(dá)100多顆。

(3)擴頻通信技術(shù)

采用擴頻技術(shù)帶來的增益使得導(dǎo)航衛(wèi)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(shù)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(yīng)用面寬

導(dǎo)航衛(wèi)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(guān)功率譜，其中含有被測目標(biāo)的特征信息，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于海面風(fēng)場、海冰探測、鹽度探測、土壤測濕以及海面測高等。

國外關(guān)于GNSS-R的技術(shù)比較成熟，在海冰探測的研究中已經(jīng)有了以下的發(fā)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(shù)(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，F(xiàn)RAN 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(shù)據(jù)，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(tǒng)的遙感手段有著得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢，在國外的研究十分火熱，主要集中在海洋的監(jiān)測方面，例如海面測風(fēng)、海面測冰、海洋測高。不僅如此，在土壤濕度和移動目標(biāo)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(jiān)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(jié)冰會對當(dāng)?shù)氐慕煌ㄟ\輸業(yè)、海洋漁業(yè)造成很大的影響；另一方面，極地冰層是經(jīng)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(yè)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(jīng)不容忽視，全球都刮起了一陣對海冰監(jiān)測的風(fēng)潮，并研制出了一些對海冰有效的監(jiān)測手段[5]。其中美國和歐洲對于海冰的研究最為領(lǐng)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(jìn)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(jiān)測的數(shù)據(jù)，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(jìn)行監(jiān)測有理論可行性。

2　GNSS-R海冰觀測實驗

本文所用數(shù)據(jù)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(jié)束于2009年5月，時間跨度為7個月。在實驗期間剛好經(jīng)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(shè)在海邊懸崖上的一個通信塔上，有兩個天線分別接收衛(wèi)星直射信號和海面反射過來的信號。信號接收幾何結(jié)構(gòu)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(guān)系可以計算出L1=H/tan(a)，L2=H/tan(b)，數(shù)據(jù)采集區(qū)直徑大致為L=L2-L1≈6 424 m。圖2為實際實驗中數(shù)據(jù)采集的示意圖。

圖2　實驗數(shù)據(jù)采集示意圖

雖然實驗數(shù)據(jù)時間跨度是2008年10月～2009年5月，但是考慮到衛(wèi)星的仰角和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性因素，選擇了2008年12月～2009年3月這個時間段的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3　實驗原理分析

由于衛(wèi)星信號是以電磁波的形式進(jìn)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(fā)送與接收，而電磁波的場強方向可以隨時間按一定的規(guī)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(shè)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(jīng)過三角運算得出E矢量端點的軌跡方程，如下式：

(2)

當(dāng)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(dāng)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(guān)系，稱之為右旋圓極化(RHCP)；反之，則稱為左旋圓極化(LHCP)。GNSS的導(dǎo)航信號電磁場采用的是右旋極化的方式，電磁波離開衛(wèi)星遇到反射介質(zhì)的表面時，產(chǎn)生反射、折射、透射等現(xiàn)象后，電磁波的一些電磁特性會產(chǎn)生變化，其中極化方式也會發(fā)生一些變化，有些信號可能會由右旋極化轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龢O化。

對于不同的發(fā)射介質(zhì)，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(jù)不同介質(zhì)面對于信號反射極化方式改變程度來區(qū)分不同的介質(zhì)面。這是GNSS-R技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

在GNSS-R應(yīng)用于海冰探測時，GPS信號在經(jīng)過海面反射后被接收，信號表現(xiàn)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(qū)是否結(jié)冰。海冰對GNSS-R的影響是一個相對比較復(fù)雜的過程。這是由于海冰表面的粗糙程度、表面雜質(zhì)、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(fù)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(shù)[10]和觀測衛(wèi)星的仰角大小。

海水的介電常數(shù)與其中的鹽分和周圍環(huán)境溫度密不可分。其中鹽溶液復(fù)介電常數(shù)表達(dá)式為：

(4)

(5)

其中，ε∞表示高頻相對介電常數(shù)，εb0表示鹽溶液靜態(tài)相對介電常數(shù)，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(dǎo)率，ε0表示自由空間介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12。

4　實驗結(jié)果分析

對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，最終選擇了衛(wèi)星仰角為10°，且鏡面反射點離海岸比較遠(yuǎn)的3顆衛(wèi)星PRN2、14、17的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用MATLAB得出實驗結(jié)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(wèi)星的極化比可以得到，在仰角相同的情況下，3顆衛(wèi)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(qū)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(nèi)，極化比出現(xiàn)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(wèi)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(wèi)星同時對同一目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)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(xiàn)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(wěn)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(nèi)一直保持在80%～90%的區(qū)域內(nèi)；從100天～120天時間內(nèi)冰層急速融化，降至5%的覆蓋率，在120天后的10天時間內(nèi)，波動幅度十分大。對比溫度變化圖，這有可能與當(dāng)時地區(qū)的風(fēng)力大小、海面降水等相關(guān)因素有關(guān)，導(dǎo)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(jié)果總結(jié)。

表1　實驗結(jié)果分析

綜合以上分析得出結(jié)論，反射信號的極化比的變化趨勢與目標(biāo)地區(qū)海冰的形成和融化規(guī)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(jié)束語

經(jīng)過對實驗數(shù)據(jù)的分析得出，利用GNSS-R反射信號的幅度極化比來監(jiān)測海水中海冰的動態(tài)是可行的。實驗過程中，利用國外衛(wèi)星所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)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(guān)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(biāo)地區(qū)是否有冰形成是切實可行的。由此，可以想象隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐漸成熟，這種監(jiān)測方法可以作為一種全新的、低成本、高可靠性的海冰監(jiān)測方法，并與現(xiàn)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。