GNSS-R遥感与成像探测技术综述

● 文 |航天恒星科技有限公司 付俊明 黄宇 李时良 张凤珊 吕铁军 李勐

GNSS-R遥感与成像探测技术综述

● 文 |航天恒星科技有限公司 付俊明 黄宇 李时良 张凤珊 吕铁军 李勐

一、引言

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）作为国家空间信息基础设施的重要组成部分，具有覆盖范围广，不受气候条件影响，精度与自动化程度高等优点，在导航技术发展史中具有划时代的意义。GNSS所发射的高度稳定、可长期使用的L频段免费微波信号资源不仅为空间信息移动用户提供了精准定位、导航以及授时信息，还为对地观测与掩星应用提供了新的辐射源。基于全球导航卫星系统的微波遥感与探测技术(GNSSReflections或者GNSS-Remote Sensing)以其全天候、全天时、宽覆盖、多信号源、高时空分辨率等应用优势，在海面测高、海面测风、海冰探测、海洋盐度、陆地湿度、森林覆盖率、海洋和陆地表面成像、空间飞行器以及海面或陆地移动目标探测等方面展现出广阔的应用前景。

二、GNSS-R遥感技术

GNSS-R技术是利用全球导航卫星所发射的L频段信号作为发射源，以陆基/空基/天基平台为反射信号接收设备载体，通过接收并处理来自海洋、陆地或其他物体反射的GNSS信号，实现对被测媒质的特征要素提取的技术。GNSS接收机在接收GNSS直射信号的同时，接收经过反射面反射的GNSS信号。该反射信号中包含反射面的特征信息，信号波形的极化特性、频率、相位和幅值等参数的变化都直接显示了反射面的物理特征。对于反射信号的精确预测和处理可实现反射面物理特征的反演。由于该项技术具有不需要发射机，拥有大量的信号源以及应用面宽等特点和优势，迅速成为国内外遥感探测和导航技术领域研究热点之一。

自欧洲空间局的科学家Martin-Neira发现GPS海面反射信号，Garrision研制了接收GPS反射信号的遥感仪器开始利用目标反射的GPS卫星信号来实现遥感探测。美国宇航局（NASA）、美国喷气推进实验室（JPL）、科罗拉多大学、普渡大学、霍普金斯大学、Navsys公司、法国空间技术实验室、英国萨瑞大学、萨瑞卫星技术中心、日本东京大学、澳大利亚昆士兰大学、新南威尔士大学对导航信号的反射信号进行了不同程度的研究。美国和欧洲处于GPS反射信号应用技术研究的前列，其中LaRC实验室、科罗拉多大学宇宙力学研究中心、美国国家海洋和大气管理局以及欧洲空间局（ESA）、JPL实验室进行了大量机载研究；反射面特征参数估计模型、反射信号接收机、天线阵列和射频信号处理器都取得了初步成果。GNSS-R主要应用分为散射计和高度计两种，前者以NASA为主,用于遥感海面粗糙度、海面风场等,后者以ESA为主,用于海面高程测量等。

三、GNSS-R成像探测技术

GNSS-R探测技术作为一种双（多）基无源雷达探测方式，与单基雷达相比具有以下优势：①由于接收机没有大功率器件，且不受发射机功率泄漏的影响，从而有较高的灵敏度；②可以多个视角和双基地角观察目标，有利于目标识别；③工作在不同频段的多个发射机可交替工作，提高系统抗干扰能力；④多个接收机工作，可对干扰源进行无源定位；⑤多部收、发设备，增加系统的可靠性，提高系统的检测概率，改善目标跟踪的连续性和目标航迹精度；⑥由于收、发分置，接收机是静止的，又可机动，所以系统具有抗电子侦察、抗干扰和抗反辐射导弹的摧毁能力；⑦在接收机前置时，可利用空中、空间的照射源，可以探测到发射机视线(地平线)以下和超低空的目标，抗超低空突防能力强；⑧系统生存能力强，多站多频段协调工作。

四、应用案例

1.GNSS-R遥感应用案例

目前国外多家研究机构已经开展了不同介质对GNSS-R散射特性的研究工作。他们分别利用天基、机载，地基平台接收不同介质（海面、土壤）对GPS信号的散射、反射信号，并对其分析，以研究不同介质对GNSS-R反射信号的影响。

（1）海面风速风向探测

NASA兰利研究中心与科罗拉多大学联合开展GNSS-R反演海面风场的研究，并和欧空局和西班牙Starlab等利用专门的接收机DMR(delaymapping-receiver)做了多次机载实验，结合反演理论对试验数据进行了海面风场反演，得到风速反演精度为±2m/s，风向精度为±20°。

（2）海面测高

为了验证GNSS-R测高的可行性，欧空局的科学家Martin-Neira等人在荷兰的Zeeland桥进行了PARIS高度计桥I、桥Ⅱ和桥Ⅲ实验，误差小于10 cm。ESA在地中海进行了空基测高试验，飞行高度约1000m，飞行速度约70m/s，与TOPEX/POSEIDON卫星轨迹相匹配。美国JPL的Low和Zuffada等人也进行了湖畔和海上机载实验，在机载实验中，可以得到5cm精度。在湖畔实验中，采用低仰角卫星，由于湖面很平静，用相位法得到了2 cm的高精度。

图1 利用GNSS-R反射信号进行海啸预警的仿真结果

Ralf Stosius等将GNSS-R反射信号用于海啸提前预警，图1为其仿真结果，其中黑实线为地震发生一小时后，利用GNSS-R反射信号进行海浪测高，在1分钟内得到的观测结果，其中椭圆部分能够有效地展示海平面当前浪高及海啸扩张趋势，可以极大地缩短海啸检测时间。

2.GNSS-R成像探测应用案例

美国是研究GNSS-R技术很积极的国家，其涉足GNSS-R技术研究的各个层面，包括硬件、软件、理论与方法的研究。除了进行塔基实验之外，他们还组织了一系列的SMEX实验进行机载GNSS-R反射实验。另外佛罗里达大学和空军实验室的研究者提出利用GPS成像技术，来探测隐藏在丛林中的军事目标，如坦克、军用车辆以及其他强反射目标，包括地面的金属未爆炸物。

英国伯明翰大学的研究者明确提出星表双基（Space-surface Bistatic SAR,SS-BSAR）的概念并通过设计多次不同场景的实验来验证该概念。他们提出了GNSS信号作为成像研究时的两大问题：①反射信号的功率很弱。通过计算，他们认为1毫秒的积分时间内辐射功率是10～15dB；②反射信号的信杂比需要增加，即所需求的目标反射信号与其他杂波的比率要控制。因为在接收机内部，当增加相干积分时间时，杂波信号的功率也会和反射信号一起增加。伯明翰大学的现场实验主要在地面进行。他们设计了多种场景来验证他们的设想，包括地面接收机静止接收实验，地面接收机移动接收实验，山基静止接收机实验以及机载接收机实验等。

五、GNSS-R遥感与成像探测技术的发展趋势

总体说来，目前国内外利用GPS遥感与成像探测技术来探测目标信号还处于刚刚起步的探索阶段，比不上其在海洋遥感和土壤湿度方面的研究进展，分析其原因，在于：

1）GNSS反射信号相比直达信号而言，由于反射物对信号的衰减，反射信号微弱，因此需要通过采取方法来增强信号强度以及对探测距离等做科学的估算。所以在多篇论文中都在反复做功率预算，以及相应的相干积累时间的确定。

2）信号处理理论上存在难度。由于GNSS信号本身并不是专门为遥感所设计，所以信号处理上与普通接收机存在很大的差异。特别是由于目标和发射机、接收机的高速运动，导致其要求采用高速的信号处理算法。

3）在探测目标时软硬件的限制，如GPS发射天线的特性，以及接收天线的全向特性，导致接收波束很宽，达不到很高的分辨率，这种特性在大尺度和中尺度遥感时尚可，但是对于这种高分辨的需求就难以满足，时间分辨率也不够；接收机目前大部分是单通道，做阵列波束形成有难度。

4）空基实验成本高昂 ,目前的实验普遍采用类似传统接收机和单基地接收机的实验方式，从地基和山基实验开始，这一方面出于原理探索的考虑，另外一方面也是考虑现实的成本。若空基实验，则涉及复杂的平台姿态设计和稳定等，实验复杂，涉及学科多。

5）由于该技术涉及军事应用，话题敏感，可能有部分成果或者先进技术没有报道。

但是，该方法确实有很大的优点。除了上述普通遥感的优点外，这种系统具有自身隐身的特点，也可以观测隐身的飞行目标，所以值得关注。

值得关注的是，NASA于2013年立项的CYGNSS计划，2016年开始发射8颗微小卫星，每颗卫星上面搭载GNSS-R反射信号接收设备，计划通过海面风场的反演来实现台风眼的观测。这是一个非常典型的天基反射信号研究项目，项目参与者包括密歇根大学、英国萨瑞卫星技术公司等研究机构。这些庞大的数据，也将为探测目标信号提供可能。

总体上的趋势：①硬件设备上，普遍采用开环GNSS-R接收机，即打开GPS接收机中的跟踪环路，高速率采样，从而实现高灵敏度接收性能；天线接收处理上，采用阵列接收天线，以便得到高分辨的方向性；②软件上，进行不断的创新，主要是基于DDM理论和双站SAR成像理论进行GNSS-R成像探测的应用。另外，也派生出类SAR成像和伪随机码信号处理理论等，来推进研究的深入。

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