李宏亮，袁國(guó)良

　　（上海海事大學(xué)， 上海 201306）

       摘要：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(lèi)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(lái)越多的國(guó)家開(kāi)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(lái)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(lái)監(jiān)測(cè)海冰的形成和消融過(guò)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。

　　關(guān)鍵詞：海冰；GNSS-R；海冰密集度；幅度極化比

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(wèn)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(zhuān)門(mén)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(kāi)辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。

1GNSS-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(lái)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］：

　?。?）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(lái)源不僅來(lái)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。

　?。?）擴(kuò)頻通信技術(shù)

　　采用擴(kuò)頻技術(shù)帶來(lái)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)。

　?。?）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(lái)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(guò)成千上萬(wàn)年的累積所形成的，其中包含著過(guò)去很多年地球的氣候變化信息。近代工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)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(wèn)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(kāi)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。

2GNSS R海冰觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

　　本文所用數(shù)據(jù)來(lái)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(kāi)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(kāi)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(guò)程。實(shí)驗(yàn)采用了ICE/IEECCSIC研制的GNSSR專(zhuān)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(guò)來(lái)的信號(hào)。信號(hào)接收幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示?！?/p>

　　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?！　?/p>

　　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(lái)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：

　　由上式，經(jīng)過(guò)三角運(yùn)算得出E矢量端點(diǎn)的軌跡方程，如下式：

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

　　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(kāi)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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?chē)h(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：

　　其中，ε′b表示鹽溶液的電導(dǎo)率；ε″b表示鹽溶液的損耗因子，它表示了海水把電磁波吸收轉(zhuǎn)換成其他能量的能力。當(dāng)電磁信號(hào)的頻率較低時(shí)，這兩個(gè)參數(shù)又可以用以下方程表示，稱之為拜德方程：

　　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)，Tb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PRN 2、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Polarimetric Ratio=RHCP/LHCP）。

　　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(kāi)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(shuō)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(kāi)始0-15天左右，海冰基本上是沒(méi)有出現(xiàn)的；從第15天開(kāi)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)。

　　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(lái)觀測(cè)海冰變化。

5結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)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(lái)監(jiān)測(cè)海水中海冰的動(dòng)態(tài)是可行的。實(shí)驗(yàn)過(guò)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(lái)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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