岸基 GNSS-R 海洋遥感系统设计与实现

　　摘 要: 针对海面探测情景，充分利用岸基 全球导航卫星系统反射测量 ( Global Navigation Satellite SystemsReflectometry，GNSS-R) 优势，设计实现岸基 GNSS-R 海洋遥感系统。采用多探测站点对目标区域实现网格化划分的方法描述实时海况，适宜于高分辨率下对海面的长时间观测场景。通过搭建本地数据中心与数据交互协议，实现现场数据传输与存储的高效性、规范性。在渤海湾码头进行实地测试，验证整个系统的实效性与可行性。与传统的海洋遥感系统相比，该系统对目标区域具有更精细的信息采集功能。

　　关键词: 岸基全球导航卫星系统反射测量; 海洋遥感; 数据传输; 网格化探测

　　邢进; 刘思琦; 王峰; 张国栋; 俞永庆; 王林峰， 无线电工程 发表时间：2021-10-05

　　0 引言

　　海洋是地球环境的重要组成部分之一。海洋遥感信息的实时获取，为海洋生产作业、海洋经济建设等提供可靠的数据依据，为海洋资源环境、灾害监测、海洋安全建设提供保障。全球导航卫星系统反射测量( Global Navigation Satellite Systems-Reflectometry，GNSS-R) 作为一种新型的遥感信号被用于海面高度、海面风速、海冰和土壤湿度等的反演和探测[1-5]。经地表反射的导航信号中携带着地表的特征信息，即反射信号相对于直射信号的变化直接反映了地表物理参数的特性[6-8]。相比于其他遥感手段，随着北斗系统建设不断完善，该技术的信号源日益丰富[9-10]，同时兼顾的优势有成本低，且不受降雨、大雾等恶劣天气的影响等[11]。

　　这种被动式双/多基遥感系统通常根据接收机搭载平台的不同，可以分为星载、机载与岸基遥感系统。星载平台的高度通常在百千米级，具有空间尺度大的探测优势，但同时其分辨率低。机载平台较星载平台而言，分辨率高、监测范围广、可对大范围的区域进行监测[12]。岸基平台通常作为一个固定平台对特选区域进行长期稳定的观测，对近海海域的探测具有重要作用[13-14]。由于岸基接收平台架固定、高度低、探测区域小，相对于星载、机载平台接收的反射信号，具有信号强度高、相关性强、在时延上的扩展小的特点，已被广泛应用于对固定区域的长时间探测[15-16]。另外，岸基 GNSS-R 系统通常可为遥感卫星做地基验证[17]。

　　本文基于渤海海岸线附近的码头，搭建岸基 GNSS-R 海洋遥感系统，设计多观测站点的组网探测模式，对结果数据进行时间同步，实现了对海面的长期连续探测，区域覆盖范围易于扩展，并具有良好的工程可行性。

　　1 系统组成

　　岸基 GNSS-R 海洋遥感系统组成如图 1 所示，系统主要分为探测终端、数据中心与用户端。

　　根据 GNSS-R 反演原理，探测终端主要包括直射天线、反射天线、接收机、供电模块及通信模块等。采集到的信号通过采样量化处理、相关运算等，通过 4G 网络传输至数据中心。

　　数据中心包括用于存储的数据库服务器与用于对外实现网络交互的网络服务器。主要功能包括接收从现场传回的实测数据与为用户提供数据下载接口。该设计的目的是保护数据库，从灾备性角度考虑，提高整个数据体系的安全性。

　　用户端为用户提供数据可视化界面，通过与数据中心交互，实现数据查询、下载等操作。

　　2 多站点组网探测设计

　　2.1 组网探测原理

　　GNSS-R 作为一种机会信号，其信号源为导航卫星，岸基平台上，其优势是可以对某一固定探测区域实现长时间的连续观测。根据该特点，本文设计了多站点组网探测模式，通过对某一区域的多站点探测，实现该目标区域的网格划分与精细化探测，更好地描述该区域的海况。

　　组网探测示意如图 2 所示，为多观测站点同时观测某一特定区域。根据岸基 GNSS-R 原理，探测终端的经纬度坐标固定，虽然卫星时刻运动，但天线朝向固定，通过天线波束角、俯仰角可计算出该时刻下的可见卫星。另外，根据卫星的实时位置，通过几何关系，可以计算出菲尼尔反射区的位置和大小，从而判断该时刻的岸基探测终端探测到的遥感信息所对应的目标区域[18]。

　　北斗卫星导航系统中的 GEO 卫星相对于地球静止，从几何关系上来说，发射源与接收机保持静止，则探测区域不会改变，该类卫星可以很好地应用于长时间的连续观测，通过设置合适的天线朝向即可对固定区域实现有效的遥感信息获取。除 了 GEO 卫星，北斗卫星导航系统的 MEO 卫星、IGSO 卫星以及 GPS 系统卫星等相对于地球时刻在运动，不同的卫星会周期性地出现在天线的可视范围内，菲尼尔反射区也会发生变化，实现目标区域的不同位置的海洋遥感信息获取。

　　2.2 探测区域网格化描述

　　2.2.1 探测区域划分

　　本文设计的采用基于 GNSS 的系统同步，可实现时间的时序同步控制，通过控制采样间隔与采样时长，接收站可根据时间来控制时序范围。从空间域角度来说，基于该同步方法，系统在采用时间同步处理后，利用卫星的实时位置信息，实现同时覆盖同一区域，区域内多探测站点同时工作，该设计增加了系统的冗余性。

　　单个划分网格后的信号反射几何关系示意如图 3所示。

　　已知接收机 R 在大地坐标系中的坐标为 ( BR， LR，HR ) ，其中 BR 为大地纬度，LR 为大地经度，HR为大地高度，则关于地平面对称点 R' 的大地坐标为 ( BR，LR，- HR ) ，大地坐标到 WGS-84 坐标的转换关系为: x = ( N + H) cos Bcos L ， y = ( N + H) cos Bsin L ，式中，N 为基准椭球体的卯酉圆曲率半径。椭球偏心率 e 和 N 与基准椭球体的极偏率 f 和基准椭球体的长半轴 a 存在如下关系: N = a 1 - e 2 sin2 槡 B ， e 2 = f( 2 - f) ，式 中，f 取 值 为 1 /298.257 223 563，a 取 值 为 6 378 137.0。

　　根据坐标转换关系可以得到 WGS-84 坐标系下，R 关于 y 轴的对称点 R' 点的坐标为 ( xR'，yR'， zR' ) 。根据星历文件中的开普勒轨道参数可以解算出 WGS-84 坐标下 GNSS 卫星的实时位置 Ti 为 ( xi， yi，zi ) ，其中 i 代表第 i 颗可见星。根据菲涅尔反射定理，可计算出实时变化的镜面发射点 O 的空间坐标，通过比对落于网格位置进行空间描述。

　　2.2.2 网格遥感信息反演

　　海面反射进入天线的信号为镜面反射点附近的目标海域所反射，系统通过计算网格区域内的反射信号干涉复数场来反演海面遥感信息[19]。图 3 中Rt ，Rr 分别为导航卫星与接收机到散射点的向量; R' t ，R' r 分别为导航卫星与接收机到镜面反射点的向量; R0 为接收机到散射点在海面上的投影点的向量; δr 为镜面反射点到散射点的向量; z ，r 分别为散射点相对于镜面点的垂直、水平位移; H 为接收机高度。由于接收机处散射信号功率较低，能够接收到的信号多来自于闪耀区，发生在镜面点附近海域。故令 r' = R' r ，r ^ ' ⊥ 为 R' r 水平方向单位分量，得到干涉复数场表达式为: FI ( t) = FR( t) /FD( t) ≈ ik e i2kHsin θ r' ·∫MRe i( -2kzsin θ) -q ⊥·r+ k 2r' ( ^r' ⊥·r) 2 dS，式中，M = 槡g( r，z) χ( r，z) ，g( r，z) 为天线增益， χ( r，z) 为模糊函数; k 为信号载波波数; R 为海面反射系数; θ 为卫星高度角。在时刻 t ，通过多网格的反射信号采集与反演，最终将总体的探测区域精细化描述。

　　若获取的海面遥感信息来自不同网格，多区域填充网格可实现对该区域的描述。当某一颗卫星信号经由同一网格海面反射至不同的探测终端，此时可通过功率与信噪比检验信号质量，此类情况多为散射分量方向不同导致被附近的天线所收，可根据天线角度几何关系与网格划分精细度重新进行判断; 当不同的卫星经由同一网格反射至不同的探测终端时，根据反射信号的特性，可在信号质量控制后，通过多星融合的方式提高海面遥感信息的反演精度。

　　3 远端数据中心设计

　　该部分从实际需求出发，同时实现数据管理标准化，数据的上传和存储统一化管理。通过制定一套可行的数据传输标准，可规范化实时采集到的海洋环境遥感数据并传回数据平台，继而依据格式标准对数据进行解析处理，最后将标准化数据存储在数据库服务器上。通过数据平台，可以提高海上数据保存的规范性，从而增强后期数据处理的可操作性、规范性，提升数据使用效率，主要进行 GNSS 直反射相关值原始数据的标准制定和接口设计以及工况测试，搭建岸基 GNSS 直反射数据管理分析架构模型。

　　3.1 WebAPI 接口设计

　　在该系统实现过程中，搭建了云服务器，制定了规范和质量控制的数据标准、数据内容格式标准，以及数据压缩算法，并设计开发了 API 相关功能。

　　从实际应用角度出发，为了实现用户可通过不同的方式访问服务器，开发设计供调用的 API 进行数据上传与下载。其优势在于 API 不限制客户端的具体应用软件，通过 URL 调用，即可实现功能。 API 功能包括数据读取功能、数据解析功能及数据处理功能。实验者可以直观便捷地实现数据上传、存储与下载功能。

　　数据从探测现场传回数据后的数据处理流程如图 4 所示。

　　整个系统需要在移动网络环境下运行。从现场传回相关值数据与反演后得到的遥感信息数据。在上传相关值数据时，考虑到海上移动通信网络环境影响，为了防止数据传输阻塞，提高传输效率，将上传文件分割成 N 个 1 MByte 的小文件进行传输，数据中心通过判断接收到的小文件数据的完整性实现数据的完整接收。在接收端，当全部数据完成拼接后，对数据位进行校验与错误信息反馈，增加系统冗余性。

　　与以往的卫星数据存储不同，首先保留了原始的相关值数据，供后期数据检查分析; 其次提出了根据卫星通道号提取有效数据的方案设计，根据卫星 PRN 号解析数据与存储，极大程度地提高了数据在存储和使用时的效率。下载方面，实验者根据 API 提供的 URL 可以进行远程数据文件下载。上传方面，设计了对数据进行解析后，通过压缩处理完成数据的存储。将卫星数据一帧中同样的信息进行剔除，再进行存储。轻量化处理后，节约了存储空间。该算法可以剔除无效数据，使数据库高效使用。

　　数据预处理流程如图 5 所示。

　　3.2 数据库设计与搭建

　　在 Centos7.6 系统上搭建 MySQL5.6 数据库，外接挂载硬盘增大数据存储空间。同时根据预处理后的数据字段创建数据表，建立表之间的关系模型。

　　建立 GNSSDatabase( 数据库) ，分为以下几个数据表: Catalogue ( 目录表) 、CorrelationValue ( 相关值数据表) 、device( 设备信息表) 、tempData( 临时数据表) 以及固定站点产品数据表。

　　当数据通过 4G 网络传输到数据中心后，服务器将接收到的数据按通道号解析成多条数据，按对应字段存储在目录表中。其中的相关值数据，把解析后的数据具体内容( IQ 值数据) 存入相关值表中，实验者从目录表查询后，可通过下载接口从相关值数据表中下载数据文件。反演得到的数据，根据不同的站点建立各自的数据表格，根据网格的不同精细度划分和镜面反射点的经纬度，按字段进行存储。

　　4 探测结果与数据分析

　　4.1 探测站点架设

　　探测山东省东营市胜利油田 5 万吨油轮码头开展岸基 GNSS-R 海洋遥感系统实地测试。图 6 为单站点天线具体架设情况，直射信号天线接收导航卫星直射信号，反射信号天线通过架设固定的俯仰角，朝向固定探测海域。

　　4.2 系统整体测试

　　通过实地架设相关设备进行数据传输测试，经测试，接收机数据采集>65 MB /min，并且能够实现 7×24 h 稳定连续运行。另外，本系统制定数据交换协议，实现数据库化管理，现阶段可将数据压缩至 91.75%。数据展示界面如图 7 所示。

　　系统将岸基遥感系统前端计算好的镜面反射点位置记录在数据库中。另外，本文设计的遥感系统支持 GPS /北斗双星座工作模式，且根据不同星座、不同卫星，每颗卫星反演出的数据均保存在系统数据库中。客户端展示界面如图 8 所示，根据设定好的 URL，可通过手机或电脑端访问。图 8 客户端展示界面 Fig.8 Client interface 4.3 网格化探测数据分析本文采用单个站点中多颗卫星数据来完成系统的验证与数据分析。选取 UTC 时间 2020 年 11 月 25 日 12 时 35 分 46 秒时的北斗卫星反射区分布情况，C03，C06，C09，C16 和 C27 共 5 颗卫星的反射区完全位于网格划分的范围内。经计算，C01 号卫星的反射区部分位于天线探测范围外，没有完全在划分好的网格内。各个反射区的具体参数以及相对应的反演风浪值如表 1 所示。由表 1 可以看出，C01 卫星的反演结果较相近的 C09 反演结果差距较大，原因是 C01 卫星的反射区位于天线探测区的边缘，信号信噪比较低，在该网格内描述海浪遥感信息时，反演误差较大，未来工作将研究补偿算法，对功率进行补偿。

　　4.3 网格化探测数据分析

　　本文采用单个站点中多颗卫星数据来完成系统的验证与数据分析。选取 UTC 时间 2020 年 11 月 25 日 12 时 35 分 46 秒时的北斗卫星反射区分布情况，C03，C06，C09，C16 和 C27 共 5 颗卫星的反射区完全位于网格划分的范围内。经计算，C01 号卫星的反射区部分位于天线探测范围外，没有完全在划分好的网格内。各个反射区的具体参数以及相对应的反演风浪值如表 1 所示。

　　由表 1 可以看出，C01 卫星的反演结果较相近的 C09 反演结果差距较大，原因是 C01 卫星的反射区位于天线探测区的边缘，信号信噪比较低，在该网格内描述海浪遥感信息时，反演误差较大，未来工作将研究补偿算法，对功率进行补偿。

　　5 结束语

　　本文设计了一种岸基 GNSS-R 海洋遥感系统，提出了通过多站点对目标区域的探测，实现了网格化探测，并且对整个数据传输系统进行设计与实现，最后在渤海湾附近的码头开展了实地探测。由探测数据分析可知，多站点探测可以更好地描述不同区域下不同位置的遥感信息，更完整地实现目标区域的信息采集。

　　此外，本文设计的遥感系统在数据传输方面采用双服务器模式与 API 接口设计，提高了数据利用率，规范了数据传输标准，增强了岸基 GNSS-R 数据传输的有效性，为后续海面遥感信息分析提供了数据基础。今后开展的工作将主要包括多星融合反演提高反演精度研究与多天线联合处理数据算法研究。