星载相控阵gnss-r海洋微波遥感器设计

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1、星载相控阵GNSS-R海洋微波遥感器设计摘要：本文对星载GNSS-R海洋微波遥感器的工作原理和系统的设计进行了详细讨论。该遥感器采用相控阵天线，通过在轨镜面反射点快速搜索，同步接收北斗和GPS两个GNSS系统发射的直射信号和海面反射信号，经过原始信号采样、导航定位求解、时延多普勒相关功率计算等处理，为全球海面风场反演和海面高程测量的提供高时效微波遥感数据。关键词：相控阵GNSS-R海洋微波遥感器多普勒延迟映射接收机1引言GNSS-R（GlobalNavigationSatelliteSystem-Reflection）微波遥感技术是利用导航卫星L波段信号为发射源，以岸

2、基、航空、星载等平台，接收并处理海洋、陆地或目标反射信号，实现特征要素提取或目标探测的技术。目前，GNSS-R技术是一项崭新的海洋遥感技术，是国内外遥感和导航技术领域研究热点之一[1]。美国宇航局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、英国空间中心等机构在机载应用方面，开展了大量的研究和飞行试验。在国内，中国科学院遥感应用研究所、北京航空航天大学、中国科学院空间中心等单位于2002年起相继开展了机载应用方面的研究。开展GNSS-R研究的最终目标是能够实现星载观测。英国空间中心于2003年10月发射了UK-DMC灾难探测卫星，星上的GNSS-R设备只能接收GPSL1频点信号

3、，无法修正电离层误差，且天线增益较低，只能对海面风场进行反演，无法测量海面高度。ESA于2008年启动了PARIS（PassiveReflectometryandInterferometrySystem）卫星项目，计划于2017年发射以GNSS-R为主载荷的海面高程测量卫星[2]。但是在国内，尚未见到有关星载GNSS-R研究的报道。星载GNSS-R技术的难点在于：1）在轨计算镜面反射点相关参数；2）下视天线既要有一定的增益，又要求有一定的波束宽度[3]。星载相控阵GNSS-R海洋微波遥感器采用相控阵天线，通过在轨镜面反射点快速搜索，同步接收北斗和GPS两个GNSS系统

4、发射的直射信号和海面反射信号，完成原始信号采样、导航定位求解、时延多普勒相关功率计算等处理，可为全球海面风场反演和海面高程测量的提供高时效微波遥感数据。因此，本文对星载相控阵GNSS-R海洋微波遥感器的设计进行阐述。2星载GNSS-R海洋微波遥感器工作原理2.1GNSS-R技术特点GNSS-R技术与传统遥感技术相比有如下优点[3][4]：1)GNSS是一种高精度、全天时、全天候、全球性的连续定位、导航定时的多功能系统，且具有信号免费的特点；2)无需发射机，大大减轻了有效载荷的研制难度和成本；3)可用的在轨卫星非常多，信号源丰富，用同一台接收机可以探测多个卫星的反射信号

5、，时空分辨率高；4)系统实时性强，基本不受雨、云等天气影响，可全天候工作；5)能同时进行海面风场探测和海面高度测量。2.2散射信号特征GNSS卫星信号为圆极化平面波，发射的信号具有右旋极性，经海面散射后，信号强度微弱衰减并且极性翻转，呈左旋极性。GNSS-R海面反射信号8相关功率表达式如下[1]：（1）式中，A为幅度因子，和和分别为GNSS卫星和接收机到散射点的距离；为对应散射点处的天线增益；和分别为式GNSS卫星信号伪随机码自相关函数和双基散射截面；为相干积分时间；为接收机接收到散射点相对于镜面点散射信号的时间延迟；为接收机接收到散射点相对于镜面点散射信号的多普勒频

6、率差。随着海面起伏不同、海水介电常数不同，即海面粗糙度不同，GNSS海面散射信号散射的形式、方向和强度不同。GNSS-R信号能量与海面粗糙度的关系见图1所示。海面风越大，反射信号功率波形的峰值越低，波形后沿越平坦；反之，功率波形峰值越高，波形后沿变陡峭[5]。因此，以卫星导航信标为照明源的海洋遥感技术的核心就是高精度地得到海面反射信号在延迟-多普勒平面内的功率谱，海面高度、海面风场等海洋参数都可以根据该功率谱反演得到。图1不同海况下GNSS海面散射信号功率曲线图1.1GNSS-R海洋遥感探测几何关系GNSS-R海洋遥感探测的几何关系包含微波遥感器、GNSS导航卫星、镜

7、面反射点。图2所示为GNSS-R几何关系[2]。图2GNSS-R几何关系图8根据图2所示，位于G点位置的GNSS卫星，轨道高度为H，其镜面反射点为S，直射信号入射角为i；星载GNSS-R海洋微波遥感器位于P点，轨道高度为h，对地天线波束宽度（扫描角度）为，（2）为地球半径，为遥感器星下点p，地球球心O，镜面反射点S之间的夹角，（3）R是遥感器与镜面反射点之间的距离，（4）直射信号由对天天线接收，其波束宽度（扫描角度）为，（5）是导航卫星与微波遥感器之间距离，（6）γ是镜面反射点S与导航卫星星下点g之间的夹角，（7）其中，，。LEO卫星、GNSS卫星和