北斗系统在海风海浪探测中的应用研究

杨东凯，李伟强，杨 威

（北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191）

1 概述

卫星导航系统是利用装载在卫星上的无线电发射机，通过发射导航信号为接收用户提供定位、测速和授时信息，其基本原理是测量导航卫星和用户之间的直线传播距离，从而求解用户位置信息的。在实际应用中，接收机所获得信号中往往掺杂很多来自地面或者建筑物的反射信号，在定位算法中大多采用多径抑制方法进行处理，从而提高定位性能。在电磁波传播理论中，反射面对于电磁波的反射直接取决于其材料、导电性能、尺寸或其他物理特性，反射信号也因此会有不同程度的变化。应用这些变化特性实现对于反射面的反演，则是一个导航卫星系统的新型应用，是与对地观测的交叉和综合。在卫星导航领域，基于导航卫星系统的反射信号实现地球观测称之为全球导航卫星系统反射计（global navigation satellite systems reflectometry，GNSS－R）［1-2］。

对于全球定位系统（global positioning system，GPS）卫星反射信号的应用自20世纪90年代开始，美国与欧洲均十分重视，通过开展大量的飞行及陆上试验，为气象、海洋、农业等业务化运行以及未来的星载应用进行了大量的技术储备。美国航空航天局将该项研究计划列为最有前途的新技术之一。2010－10国际电气与电子学会议组织在西班牙巴塞罗那召开了GNSS－R技术研讨会，在海面高度、海面风场、土壤湿度、海冰等各方面的应用进行了交流，各项技术取得了长足进步［3］。

我国对此项技术的研究起步于2002年，2004年北京航空航天大学在我国黄渤海海域成功进行了飞行试验，获取了海面风场数据。2006年，中科院大气所等单位在厦门开展试验，获取了海面波浪高度和潮位数据［4］。之后航天科技集团、中国科学院、北京大学、中国气象局等多家单位进行了多次不同类型的GNSS－R应用实验，取得了可喜的成绩，为该项技术的应用推广奠定了坚实的基础。

随着我国自主知识产权的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）的建成，利用导航卫星的海面反射信号实现海风、海浪探测具备了更为可靠的基础条件，这将作为一个北斗系统应用的重要领域，为我国海洋气象观测提供有效的监测手段［5］，同时能够为台风、海啸等海洋灾害的监测和应急救援提供重要的技术支撑。对比自动气象站、浮标等传统的探测方法，BDS反射信号的海洋观测分析的是一个区域的总体信息，可以弥补现有方法在探测空间上的不足，以实现点面结合的长时海洋气候监测。

2 系统构成

BDS发射的L波段民用导航信号与美国的GPS类似，包含粗码（C/A码）、精码（P码）和导航电文（D码）。其星座构成中有地球静止轨道（geostationary earth orbits，GEO），倾斜同步卫星轨道（inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO）和中地球轨道（medium earth orbit，MEO）等三个不同轨道的卫星，区域系统共有14颗在轨服务卫星，全球系统将会有35颗在轨服务卫星。其中GEO轨道观测区域固定，可以对重点海域长期测量；IGSO轨道可能实现对我国海域全面覆盖；MEO轨道则与GPS卫星轨道相同，具备全球覆盖能力。三个不同轨道卫星的反射信号的对地观测区域可以形成稳定的互补关系，可以实现优于美国GPS系统对地观测的服务性能。

利用BDS导航信号的海风海浪探测系统结构如图1所示，分为两大部分：BDS反射信号接收机和应用系统软件。

图1 BDS海风海浪探测系统原理框图

2.1 BDS反射信号接收机设计

BDS反射信号接收机采用双射频前端的方式，中心频率兼容GPS和BDS民用信号频点，通过两级下变频的方式变换为模拟中频信号，用高速A/D变换器对于直射信号和反射信号分别进行采样，获得每一个采样点2bit的原始采样数据，存储后供数据验证和反演算法研究用。采样后的数字数据经由基带数字信号处理模块，实现信号的捕获与跟踪，导航定位解算模块给出接收机所处的位置和所有可视卫星的信息。同时，基带数字信号处理模块还将接收到的反射信号进行相关处理，得出的相关功率结果分别对应于码片延迟时间和多普勒频移，称为一维（时间延迟或多普勒）或者两维（时延－多普勒）相关功率。上述数据经由应用系统软件进行处理，在数据显示并存储的同时进行要素提取，获得海洋气象参数（有效波高和风向风速等）。现场测量的同比数据用于与反演的气象参数进行对比，校正反演模型和相应的反演算法。反射信号接收机的总体框架如图2所示，包括右旋极化（right－hand circular polarization，RHCP）天 线、 左 旋 极 化 （left－hand circular polarization，LHCP）天线、双射频前端、高速A/D变换器、FPGA（field programmable gate array）专用相关器、DSP（digital signal processing）信号处理器、高速数据传输接口等几部分［6］。

图2 BDS反射信号接收机总体框架示意图

BDS反射信号接收机的具体处理流程如图3所示，BDS直射信号和反射信号分别通过右旋天线和左旋天线接收后，经过双射频前端进行滤波和频率变换后输出中频模拟信号；由双通道高速A/D变换器采样后分别输入到FPGA中的数字量化模块进行2bit量化编码；对采样的原始中频数据，将双通道量化后的信息合并成帧，以先进先出（first in first out，FIFO）的形式缓存，由通用串行总线（universal serial bus，USB）接口上传至上位机进行存储。

图3 总体处理流程

对于实时数据处理，将直射和反射两路量化后的信息分别送至FPGA中的直射通道和反射通道处理。其中直射通道在基带信号处理模块中完成信号的捕获跟踪、卫星状态和接收机定位解算等，获取的解算信息同时用于配置反射通道，实现时间延迟和多普勒的控制，进而得到不同时延及多普勒条件下的反射信号相关值（或/和相关功率值）。

2.2 应用系统软件设计

海面气象监测软件系统由任务监控、数据预处理、风场反演、有效波高4个子系统组成。软件系统结构如图4所示［7］。

图4 海面气象监测软件组成

任务监控子系统包括：

（1）平台状态监控模块：具有实时显示反射信号接收机所处平台的经度、纬度、高度、速度、授时等功能；

（2）导航卫星状态监控模块：具有实时显示跟踪的导航卫星分布、接收数目与轨道位置功能；

（3）直射信号监控模块：具有实时显示各直射通道对应的卫星号、高度角、方位角、信噪比功能；

（4）反射信号监控模块：具有实时显示海面反射信号通道对应的卫星号、海面观测点位置、时延/多普勒相关功率波形。

数据预处理子系统包括：

（1）数据规整模块：具有数据规整与筛选、数据野点检测、噪声滤波等功能。

（2）基本要素计算模块：具有接收天线位置估算、导航卫星位置内插估算、海面观测点位置计算、多普勒频移、信号路径延迟计算等功能。

（3）特征要素计算模块：具有散射系数、前沿斜率、后沿斜率及测量偏差等特征要素计算功能。

风场反演子系统：

（1）反演模式模块：具有理论功率曲线计算功能和模式函数参数计算功能。

（2）风速计算模块：具有风速要素快速反演功能。

（3）风向计算模块：具有风向要素快速反演功能。

海浪有效波高子系统：

（1）反演模式模块：具有有效波高反演应用模式函数参数计算功能。

（2）有效波高计算模块：具有计算有效波高等海浪要素功能。

3 海风海浪探测实验

3.1 海风与有效波高探测原理

接收机接收到的信号与本地产生的伪码进行自相关运算的表达式为［6］

式（1）中，uR（t）为t时刻接收到的反射信号，Tc为相干积分时间，D（·）为导航数据位信息，fR为反射信号中心频率。镜面反射点处反射信号相关函数定义为

则可以得到反射信号相关时间

求得相关时间之后即可进行风速反演

式（4）中，U10为海面上空10m高的风速，erf（·）为误差函数，ρ为海面等效反射区域大小。根据Elfouhaily海浪谱模型，可知海洋表面反射信号相关时间与SWH存在线性关系［8］

式（5）中，as与bs由探测海域特性决定，可以通过精确的浮标数据进行拟合。

3.2 实验场地建设

2013－08－10，研究小组在广东省深圳气象局西涌天文台进行了海风海浪探测实验，实验系统的设备配置见表1［9］。

表1 实验系统设备配置

被探测海域与2013－08－13T16：00：00探测点BDS卫星分布情况见图5。

图5 被探测海域（右图），BDS卫星分布情况（左图）

实验系统的直射与反射天线架情况，及放置BDS反射信号接收机和配套设施的设备间见图6。

图6 实验系统的直射与反射天线架设（左图），设备间（右图）

4 实验结果分析

BDS海风海浪探测系统在深圳运行期间，成功探测到了 “飞燕”和 “尤特”台风引起的被探测海域海风海浪变化，数据分析包括海风和有效波高两类参数，结果与当地气象站数据吻合。本次实验中，通过附近气象站测得的海面风速值与观测点测得的数据进行对比分析波形面积与海面风速的关系，如图7和图8所示。图7为附近气象站测得的海面风速，图8为对所测得的数据进行处理得到的波形面积。当台风气旋靠近实验地点时风速增加，随后减小波形面积与海面风速具有良好的一致性，并且如图8所示使用反射信号的风速测量方法可以获得更高的时间分辨率。

图7 附近气象站测得的海面风速值

图8 对实测数据进行处理得到的波形面积

本次实验中求解获得了反射信号的相关时间，并根据由浮标测得的海面有效波高数值，两者的数值关系如图9所示，具有很明显的反比关系，与式（5）相吻合。

图9 相关时间与有效波高的关系

5 结束语

BDS海风海浪探测系统的成功实验，验证了利用BDS反射信号进行海风海浪探测的可行性，对于拓展BDS在海洋气象领域的应用，在台风灾害监测及应急救援中将发挥重要的作用。在我国气象局实现业务化运行后可以连续进行近海气象要素观测，增强我国近海海上交通的保障能力。

［1］ZUFFADA C，ELFOUHAULY T，LOWE S.Sensitivity Analysis of Wind Vector Measurements Fromocean Reflected GPS signals［J］.Remote Sensing of Environment，2003，88（3）：341－350.

［2］GARRISON J L，KOMJATHY A，ZAVOROTNY V U，et al.Wind Speed Measurement Using Forward Scattered GPS Signals［J］.Geoscience and Remote Sensing，2002，40（1）：50－65.

［3］李伟强.面向遥感应用的GNSS反射信号接收处理方法研究［D］.北京：北京航空航天大学，2007.

［4］张益强.基于GNSS反射信号的海洋微波遥感技术［D］.北京：北京航空航天大学，2007.

［5］YANG Dong－kai，ZHANG Yi－qiang，LU Yong，et al.GPS Reflections for Sea Surface Wind Speed Measurement［J］.Geoscience and Remote Sensing Letters，2008，5（4）：569－572.

［6］杨东凯，张其善.GNSS反射信号处理基础与实践［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［7］杨东凯，张益强，张其善，等.基于 GPS散射信号的机载海面风场反演系统［J］.航空学报，2006，27（2）：310－313.

［8］SOULAT F，CAPARRINI M，GERMAIN O，et al.Sea State Monitoring Using Coastal GNSS－R ［EB/OL］.（2004－06－07）［2013－10－08］.http：//arxiv.org/pdf/physics/0406029.pdf.

［9］YANG Dong－kai，WANG Yan，LU Yong，et al.GNSS－R Data Acquisition System Design and Experiment［J］.Chinese Science Bulletin，2010，55（33）：3842－3846.