基于GNSS-R極地海冰測(cè)量方法的研究

李宏亮，袁國(guó)良

(上海海事大學(xué)， 上海 201306)

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基于GNSS-R極地海冰測(cè)量方法的研究

李宏亮，袁國(guó)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(guó)際上取得了相當(dāng)大的影響，GNSS在經(jīng)濟(jì)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(guó)家開始重視對(duì)海洋的監(jiān)測(cè)。文章以歐洲空間局(ESA)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)來源，利用電磁信號(hào)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(cè)海冰的形成和消融過程是否可靠。分析結(jié)果顯示，信號(hào)的幅度極化比與海冰在海洋中的覆蓋率有著很強(qiáng)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(guó)良. 基于GNSS-R極地海冰測(cè)量方法的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(17)：76-79.

0　引言

隨著當(dāng)今社會(huì)科技的快速發(fā)展，全球發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于導(dǎo)航定位系統(tǒng)大力投資，美國(guó)有GPS、俄羅斯有GLONASS、歐洲國(guó)家有Galileo。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)是中國(guó)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(qiáng)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(shì)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(cè)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(duì)全球衛(wèi)星反射信號(hào)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(jī)，而且成本低廉，全球覆蓋廣，數(shù)據(jù)量大，同時(shí)又與其他傳統(tǒng)測(cè)量方法相互補(bǔ)充，從而開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。

1　GNSS-R簡(jiǎn)介

GNSS-R的基本原理是利用反射導(dǎo)航衛(wèi)星的載波信號(hào)或者偽隨機(jī)測(cè)距碼信號(hào)，來提取目標(biāo)的反射面特性。在海面測(cè)風(fēng)和海面測(cè)冰等探測(cè)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)[1]：

(1)不用發(fā)射機(jī)

GNSS-R采用的是異源觀測(cè)模式，信號(hào)發(fā)射源是利用全球共享的GNSS星座信號(hào)源，使得導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)接收機(jī)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和設(shè)計(jì)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(tái)上搭載。

(2)大量信號(hào)源

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

(3)擴(kuò)頻通信技術(shù)

采用擴(kuò)頻技術(shù)帶來的增益使得導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)接收機(jī)可以接收到低于背景噪聲的微弱信號(hào)，這種技術(shù)使得在機(jī)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(hào)。

(4)應(yīng)用面寬

導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)接收機(jī)接收到的信號(hào)輸出的是時(shí)延多普勒的相關(guān)功率譜，其中含有被測(cè)目標(biāo)的特征信息，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于海面風(fēng)場(chǎng)、海冰探測(cè)、鹽度探測(cè)、土壤測(cè)濕以及海面測(cè)高等。

國(guó)外關(guān)于GNSS-R的技術(shù)比較成熟，在海冰探測(cè)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(hào)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(hào)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(shí)驗(yàn)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(jì)測(cè)算出海冰表面的高度，取得了不錯(cuò)的測(cè)量精度[4]。

GNSS-R相比于傳統(tǒng)的遙感手段有著得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在國(guó)外的研究十分火熱，主要集中在海洋的監(jiān)測(cè)方面，例如海面測(cè)風(fēng)、海面測(cè)冰、海洋測(cè)高。不僅如此，在土壤濕度和移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)方面它也是有所作為的，本文將研究重點(diǎn)放在對(duì)海冰的監(jiān)測(cè)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(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐慕煌ㄟ\(yùn)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(wàn)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(duì)海冰監(jiān)測(cè)的風(fēng)潮，并研制出了一些對(duì)海冰有效的監(jiān)測(cè)手段[5]。其中美國(guó)和歐洲對(duì)于海冰的研究最為領(lǐng)先，他們開展了以GNSS-R信號(hào)為主要手段對(duì)海冰的覆蓋率和海冰厚度進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)[6-9]。相比于西方國(guó)家，我國(guó)對(duì)于這方面的研究顯得十分落后。本文采用國(guó)外對(duì)于海冰監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，分析海冰和海水對(duì)于GNSS-R信號(hào)的影響，從而得出利用GNSS-R對(duì)海冰進(jìn)行監(jiān)測(cè)有理論可行性。

2　GNSS-R海冰觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

本文所用數(shù)據(jù)來自GPS-SIDS(SIDS: Sea-Ice and Dry Snow Reflectometry)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，該試驗(yàn)是在格林蘭島Disko海灣上展開的，實(shí)驗(yàn)的目的是利用GNSS-R信號(hào)研究海冰與干雪的物理特性。

此次實(shí)驗(yàn)2008年10月開始，結(jié)束于2009年5月，時(shí)間跨度為7個(gè)月。在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用了ICE/IEEC-CSIC研制的GNSS-R專用接收機(jī)GOLD-RTR，其為目前國(guó)際上性能較好的GNSS-R接收機(jī)。天線架設(shè)在海邊懸崖上的一個(gè)通信塔上，有兩個(gè)天線分別接收衛(wèi)星直射信號(hào)和海面反射過來的信號(hào)。信號(hào)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(diǎn)，其中A和B的高度角分別為25°和8°。由三角關(guān)系可以計(jì)算出L1=H/tan(a)，L2=H/tan(b)，數(shù)據(jù)采集區(qū)直徑大致為L(zhǎng)=L2-L1≈6 424 m。圖2為實(shí)際實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集的示意圖。

圖2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集示意圖

雖然實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)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(gè)時(shí)間段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3　實(shí)驗(yàn)原理分析

由于衛(wèi)星信號(hào)是以電磁波的形式進(jìn)行傳播，所以對(duì)于GNSS-R信號(hào)的研究就是對(duì)電磁波特性的研究。

在實(shí)際工程中，直射信號(hào)和反射信號(hào)都是以電磁波的形式發(fā)送與接收，而電磁波的場(chǎng)強(qiáng)方向可以隨時(shí)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(chǎng)的右手螺旋定則可知，電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度方向、磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度H和電場(chǎng)強(qiáng)度E都是垂直于z軸所在的平面，將電場(chǎng)強(qiáng)度E分解為兩個(gè)相互正交的分量Ex和Ey，兩個(gè)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(yùn)算得出E矢量端點(diǎn)的軌跡方程，如下式：

(2)

當(dāng)Ex0=Ey0=E0，φy-φx=±π/2 時(shí)，矢量E端點(diǎn)的軌跡方程為：

圖3　GNSS-R信號(hào)極化比隨時(shí)間的變化

圖4　海冰密集度隨著時(shí)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(shí)，且電場(chǎng)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(hào)電磁場(chǎng)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(shí)，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(huì)產(chǎn)生變化，其中極化方式也會(huì)發(fā)生一些變化，有些信號(hào)可能會(huì)由右旋極化轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龢O化。

對(duì)于不同的發(fā)射介質(zhì)，信號(hào)的極化方式改變的程度是不一樣的。因此反射信號(hào)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(duì)于信號(hào)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(cè)時(shí)，GPS信號(hào)在經(jīng)過海面反射后被接收，信號(hào)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(hào)特性分辨出該地區(qū)是否結(jié)冰。海冰對(duì)GNSS-R的影響是一個(gè)相對(duì)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(duì)信號(hào)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(duì)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(cè)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(duì)介電常數(shù)，εb0表示鹽溶液靜態(tài)相對(duì)介電常數(shù)，τb表示鹽溶液的張弛時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)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(diǎn)離海岸比較遠(yuǎn)的3顆衛(wèi)星PRN2、14、17的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用MATLAB得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖5(其中PolarimetricRatio=RHCP/LHCP)。

圖5　溫度隨時(shí)間變化

分析圖3中PRN2、14和17號(hào)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(shì)大致相同。從極化比的變化趨勢(shì)可以看出，在實(shí)驗(yàn)開始0～15天左右，極化比值處于一個(gè)比較低的一個(gè)水平，隨著時(shí)間的推移，到了第25天左右極化比有著一個(gè)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(dòng)，在第40～105天左右極化比基本上一直處于0.65左右波動(dòng)，除了在第50天左右的3～4天時(shí)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(shì)基本上保持著同步，也就是說可以利用多顆衛(wèi)星同時(shí)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證信號(hào)的高時(shí)空分辨率并減少誤差。

由圖4可以看出，在實(shí)驗(yàn)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(gè)水平，并穩(wěn)定在50%左右。第40天后，冰面的覆蓋率又有一個(gè)提升，在40～100天時(shí)間內(nèi)一直保持在80%～90%的區(qū)域內(nèi)；從100天～120天時(shí)間內(nèi)冰層急速融化，降至5%的覆蓋率，在120天后的10天時(shí)間內(nèi)，波動(dòng)幅度十分大。對(duì)比溫度變化圖，這有可能與當(dāng)時(shí)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(shí)間上有差異，但總體變化趨勢(shì)相同。

表1為實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

綜合以上分析得出結(jié)論，反射信號(hào)的極化比的變化趨勢(shì)與目標(biāo)地區(qū)海冰的形成和融化規(guī)律有著很強(qiáng)的相似性。即可以利用GNSS-R信號(hào)的極化比來觀測(cè)海冰變化。

5　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出，利用GNSS-R反射信號(hào)的幅度極化比來監(jiān)測(cè)海水中海冰的動(dòng)態(tài)是可行的。實(shí)驗(yàn)過程中，利用國(guó)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(shí)期的海冰密集度對(duì)比得出，GNSS-R的幅度極化比的變化趨勢(shì)與海冰密集度的變化趨勢(shì)有著很強(qiáng)的相關(guān)性。因?yàn)楹Ｋ秃１趯?duì)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(hào)來判斷目標(biāo)地區(qū)是否有冰形成是切實(shí)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(cè)方法可以作為一種全新的、低成本、高可靠性的海冰監(jiān)測(cè)方法，并與現(xiàn)有的探測(cè)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。