基于GNSS导航卫星反射信号的2008青岛奥帆赛域海面风场探测试验研究

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1、基于GNSS导航卫星反射信号的2008青岛奥帆赛域海面风场探测试验研究李黄（中国气象局大气探测中心北京100081）摘要：本文对基于全球导航卫星系统反射信号（GNSS-R）的探测技术进行了介绍，阐述了其国内外进展情况和工作原理。并介绍了2007年8月在青岛对2008奥帆赛域海面风场进行岸基探测试验的情况。结果表明，这项新技术可以定量反演海面高度、潮位、波浪、海面粗糙度及海面风场等，全天候提供海洋状态信息，成为海洋气象探测的有力手段。对海洋科学研究、海洋气象保障业务服务，特别对今后进一步增强我国近海海上交通的气象保障具有十分

2、重要的意义。关键词：导航卫星反射海面风场探测1.引言全球导航定位卫星系统（GNSS）作为空间卫星无线电测距定位技术得到越来越广泛的应用。特别是利用其精确定位、快速跟踪移动目标的强大能力，在卫星测控、导航定位、精确制导以及国土规划、工程建设、交通运输管理、公共安全、大地测量、形变监测、地面沉降、地壳形变等领域发挥日益巨大的作用。这些不同应用领域，对GNSS的需求不同，特别是对定位精度的要求不同，从米级、分米级、厘米级以至到毫米级。为提高其定位精度，科学家作了很大的努力，如提高星钟精度、快速提供精确星历、差分计算、克服多路径影

3、响等等。但是在定位误差中有一重要方面是不能回避的，就是无线电波在传播过程中，受到大气/空间环境散射、吸收或折射影响，而不可能直线传播，造成接受信号的延迟。大气/空间环境影响是GNSS技术必须消除的定位误差。而反过来为解决这种定位误差又提供了一种全新的十分简便易行的探测大气/空间环境的技术，被称为“全球导航定位卫星系统气象学--GNSS/MET”。即通过测量穿过空间/大气层的GPS信号的延迟来获得大气/空间环境中的各种参数，包括：大气温压湿以及电离层等信息。由此无论是地基GNSS气象学，还是星载GNSS掩星观测都获得很大发展

4、。近年来在克服多路径影响的过程中，利用目标物对GNSS信号的反射来探测目标物状态，GNSS/MET技术又有了新发展即GNSS-R技术。利用全球导航定位系统（GNSS）的海洋反射信号，可以定量化反演海面状态，如海面风场、海面高度、海面粗糙度、涡流监控、有效波高、海水盐度以及海冰厚度等，实现对海面参数全天候的探测，成为传统海洋遥感的有力支撑，近年来成为国际GPS海洋研究应用的热点。[1]1993年，欧空局Martin-Neria首次提出GNSS-R海洋反射信号进行海洋测高的概念。[2]1994年，美国Auber首次报告GNSS

5、-R海洋反射信号可以被常规GPS接收机检测得到。1996年，美国NASA首次提出GNSS-R海洋反射信号遥感海面状态，并研制延迟映象接收机[3](DMR)。1997年9月，欧空局Martin-Neria在荷兰鹿特丹首次进行了GNSS-R海面测高实验，即有名Zeeland-桥I试验。2000年美国NASA和CU等机构合作制定了GNSS-R海洋反射信号遥感的SURGE计划。2000年至2004年美国进行了GNSS-R机载试验，成功地反演了海[4]面风场。2001年，德国利用CHAMP卫星成功探测到GNSS-R的海洋反射信号。在

6、国内，北京航空航天大学等单位首先在国家“863计划”海洋监测技术主题中开展了“基于卫星导航定位系统的海面风速及风向探测技术”的子课题研究。研制了延迟映象接收机，利用383[5]中国海监飞机进行了一些机载试验。总参大气所:对(GNSS-R)信号反演海面要素的方法[6]进行了详细讨论。2004年8月在我国渤海区域成功地进行了GNSS-R机载试验，获取了海面[7]风场数据。2006年9月中国科学院大气物理研究所、武汉物理与数学研究所、海洋局三所和空间中心在厦门崇武进行GNSS-R实验和数据分析，利用GNSS海面反射信号与直达波信

7、号，得到海面波浪高度和潮位。2.GNSS-R探测海面高度、浪高和风场的原理利用全球导航卫星系统（GNSS）的海洋反射信号探测海面高度、浪高和风场。其实质是：利用GNSS作为雷达发射源，利用GNSS接收机获取目标物的反射信号，组成了一个收发分置的L波段雷达，而且是一个多发单收的多基雷达系统。图1GNSS-R探测海面状态示意图GNSS信号经海面反射后，反射信号衰减变弱，一般要比直射信号小10多分贝；另外在一定入射角下，GNSS信号从发射时的右旋极化变为左旋极化。GNSS-R接收机就是根据这两个特点研制的。GNSS接收机同时接收

8、右旋极化的直接信号和左旋极化的反射信号，将直接信号和反射信号进行对比，通过相关函数峰值的位置和高度变化可获得反射波信号的延迟。该延迟主要是由电离层延迟、中性大气延迟和海面反射延迟构成。电离层延迟可利用双频差分去除，中性大气延迟可用模型进行消除，从而得到海面反射延迟。利用该延迟量可计算出反射点到天线的距离