GNSS-R遥感国内外研究现状与发展趋势

GNSS-R遥感国内外研究现状与发展趋势

摘要：全球导航卫星系统(GNSS)不仅能够为空间信息用户提供全球共享的导航定位信息、测速、授时等功能，还可以提供长期稳定、高时间和高空间分辨率的L波段微波信号源。近年来利用其作为外辐射源的遥感探测技术，GNSS-R反射信号遥感技术的兴起和发展格外引人注目。这是一种介于被动遥感与主动遥感之间的新型遥感探测技术，可以看作为是一个非合作人工辐射源、收发分置多发单收的多基地L波段雷达系统，从而兼有主动遥感和被动遥感两者的优点，越来越受到人们的关注和青睐，先后开展了许多利用GNSS系统进行大气海洋陆面遥感等领域研究工作。该文系统介绍了GNSS-R遥感技术的研究现状和发展趋势。

关键词：GNSS-R；遥感；反演；反射信号

1引言

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)主要包括GPS、GLONASS、GALILEO、北斗系统。随着对GNSS研究的深入，一些学者发现，GNSS除了具有能够为用户提供导航定位信息，测速、授时等功能外，还可以提供高时间分辨率的L波段微波信号，由此开辟了一个新的研究领域。人们把基于GNSS反射信号的遥感技术，简称全球导航卫星系统反射信号遥感技术(Global Navigation Satellite System-Reflection, GNSS-R[1])。

2 GNSS-R遥感原理

GNSS-R遥感技术的原理，是通过特殊的GNSS接收机接收直射和反射信号，通过码延迟和相关函数波形及其后沿特性进行分析，获取目标参数信息。基于无线电物理微波信号散射理论，特别是利用双基地雷达传输方程，分析目标物反射信号与GNSS直接信号在强度、频率、相位、极化方向等参数之间的变化。基于这种散射特性，反演反射面的粗糙度、反射率等，计算目标物的介电常数等参数，从而确定目标物的性质和状态。

3 GNSS-R应用

针对GNSS-R 的应用国内外已经开展了相应的地基、机载和星载实验，其应用领域也由最初的海洋遥感，逐渐向陆面遥感扩展。GNSS海洋反射信号可以用来反演海面高度、海面风场、海面粗糙度、有效波高、海水盐度以及海冰厚度等参数。GNSS陆面应用主要涉及土壤水分反演、植被高度反演、雪深测量以及湖泊，湿地等方面。

3.1 GNSS-R海洋遥感

自从1993年提出GPS海洋反射信号可以反演海面高度以来，GNSS-R海洋遥感发展迅速。通过一定数量卫星的海洋反射信号，可以用来反演海面有效波高、潮位、含盐量、风向和风速等海洋参数，具有成本低，监测便利，全天候工作，获取信息量大的优势。

GNSS在海洋方面的应用主要有两种途径：一种是利用GNSS直射信号和反射信号之间的

延迟效应，反演出海面高度，有效波高和海冰厚度等信息，偏重于研究海表地形学。西班牙Starlab研究所已成功开发出Oceanpal业务系统，能够提供GNSS数据和更高级产品，比如实时海浪，有效波高及其相关数据[2]。另外一个重要应用是作为海洋散射计，通过测量海面对GNSS信号的散射来测量海面风场，海面粗糙度以及海水盐度等信息为观测海洋提供丰富稳定的信号资源[1]。在国内，中国科学院空间科学与应用研究中心等单位在厦门开展了岸基GNSS-R 试验[3]，北京航空航天大学研制了DMR接收机,并进行了机载试验[4]。中国科学院大气物理研究所、武汉大学、北京应用气象研究所和解放军理工大学气象学院等单位开展了GNSS-R反演海面风场的研究工作[5,6]。GNSS-R在海洋遥感的技术应用，发挥着越来越重要的作用。

3.2 GNSS-R陆面遥感

GNSS-R的陆面遥感研究起步较晚，目前研究开展的方向也比较局限。GNSS-R 陆面遥感的应用主要集中在土壤水分的监测和反演上，在其他方面的应用还处于初步阶段。

虽然土壤湿度在水循环中占的比例较小，却起着非常重要的作用。土壤湿度属于水文研究、生物学，气象学方面的重要参数指标，可以有效地进行灾害预报，天气预报等。土壤介电常数与土壤湿度密切相关，而GNSS-R监测土壤湿度得到的反射信号是土壤介电常数的函数，两者具有很强的相关性，因此使得GNSS-R监测土壤湿度变得可行。现有的土壤湿度遥感监测方法主要有微波遥感监测法，热红外遥感监测等。GNSS-R遥感应用于土壤湿度监测具有成本低，功耗小，信号源丰富，时空分辨率高等优势，已经得到越来越多研究人员的重视。

4 GNSS-R研究现状

4.1 国外研究现状

自1980年欧空局(ESA)提出GPS的L 波段信号可以作为海洋散射计以后，1993年欧空局Martin-Neria首次提出PARIS概念，利用被动式反射与干涉技术开展GPS L 波段海洋遥感。1996年美国NASA兰利研究中心Katzberg和Garrison 开展了利用双频GPS信号海面前向散射获取电离层延迟的实验研究工作，并与科罗拉多大学联合开展GNSS-R反演海面风场的相关研究。国外许多科研机构都开展了大量有关GNSS反射信号的研究和试验，包括美国的科罗拉多大学，西班牙的Starlab等，在理论研究和实践成果方面都取得了很大的进展。GNSS-R遥感研究工作从海洋遥感发展到陆地，大气遥感。GNSS-R在陆面上的应用主要集中在土壤水分反演方面，研究还延伸到对地形高度、积雪厚度、湖泊湿地等的监测。

4.2 国内研究现状

国内对于GNSS-R的研究始于20世纪90年代末，最初也是研究海洋遥感方面。研究工作主要集中在海面风场、有效波高、潮位等方面[7]。北京航空航天大学研究团队(2004)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GPS-R延迟映射接收机。中科院、武汉大学等组成的研究团

队开展了GNSS-R仿真研究，对试验数据进行分析，研究了GPS-R海面散射特性，反演有效波高，海面高度的方法。2006年9月在厦门崇武建立了实验研究基地，开展岸基观测实验，反演海态、潮位和海面波浪高度，为开发我国星载GNSS-R 观测技术提供了有益的经验[8]。中国气象局与中科院空间中心、北京航空航天大学以及北京大学等单位合作组成的研究团队致力于推进GNSS-R遥感技术从科学研究向工程化、企业化发展，近年来开展了一系列GNSS-R 探测研究，取得了很多重要研究成果。

国内的研究工作与国际相比还有一定差距，还需要进行一系列深入系统的研究。目前在接收机系统，反演方法与模型方面需要进一步改进和优化。随着我国北斗导航卫星系统的不断完善，对GNSS-R试验的开展和新型接收机的研制具有更深刻的影响，发展空间也更加广阔。

5 GNSS-R未来发展趋势

（1）突破星载接收机与天线技术难题。星载GNSS-R接收机接收到的反射信号有很大延时，要做成延迟接收机，并发展为延迟-多普勒映射接收机，提供延时数据和多普勒数据[9]。反射信号衰减严重，必须提高天线增益。

（2）从科学研究走向业务化，为公众服务。许多国家都加强了GNSS-R国际合作和业务化项目，推动GNSS-R从科学研究走向实用。美国国家航空航天局已将GNSS-R技术列入科学创新技术项目计划，将GNSS-R技术应用于探测飓风等自然灾害，帮助提高预测的准确性。中国有关部门也高度重视GNSS-R的业务化发展，已将GNSS-R遥感技术列入重点研究课题，提出应用GNSS-R技术的卫星项目计划，主要用于台风等灾害监测方面。GNSS-R技术必将从科学研究走向实用化，更好地造福于人类。

6 总结

GNSS-R遥感技术，在海洋遥感、陆面遥感以及大气空间遥感方面可以定量化测量各类目标相关参数，获取定位信息和状态信息。作为一种新型的无源微波传感器，GNSS-R接收机具有功耗小、成本低、数据量大、时空分辨率高、全天候提供全球覆盖等优势。GNSS-R已经成为一个新的热点研究领域，引起了众多发达国家和发展中国家的广泛关注，其理论研究和在气象预报，灾害预警等方面的应用具有重要的科学意义和广阔的前景。