岸基 GNSS-R 海洋遙感系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　摘 要: 針對海面探測情景，充分利用岸基 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射測量 ( Global Navigation Satellite SystemsReflectometry，GNSS-R) 優(yōu)勢，設(shè)計實現(xiàn)岸基 GNSS-R 海洋遙感系統(tǒng)。采用多探測站點對目標區(qū)域?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)格化劃分的方法描述實時海況，適宜于高分辨率下對海面的長時間觀測場景。通過搭建本地數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)交互協(xié)議，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸與存儲的高效性、規(guī)范性。在渤海灣碼頭進行實地測試，驗證整個系統(tǒng)的實效性與可行性。與傳統(tǒng)的海洋遙感系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)對目標區(qū)域具有更精細的信息采集功能。

　　關(guān)鍵詞: 岸基全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射測量; 海洋遙感; 數(shù)據(jù)傳輸; 網(wǎng)格化探測

　　邢進; 劉思琦; 王峰; 張國棟; 俞永慶; 王林峰， 無線電工程 發(fā)表時間：2021-10-05

　　0 引言

　　海洋是地球環(huán)境的重要組成部分之一。海洋遙感信息的實時獲取，為海洋生產(chǎn)作業(yè)、海洋經(jīng)濟建設(shè)等提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，為海洋資源環(huán)境、災(zāi)害監(jiān)測、海洋安全建設(shè)提供保障。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射測量( Global Navigation Satellite Systems-Reflectometry，GNSS-R) 作為一種新型的遙感信號被用于海面高度、海面風(fēng)速、海冰和土壤濕度等的反演和探測[1-5]。經(jīng)地表反射的導(dǎo)航信號中攜帶著地表的特征信息，即反射信號相對于直射信號的變化直接反映了地表物理參數(shù)的特性[6-8]。相比于其他遙感手段，隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)不斷完善，該技術(shù)的信號源日益豐富[9-10]，同時兼顧的優(yōu)勢有成本低，且不受降雨、大霧等惡劣天氣的影響等[11]。

　　這種被動式雙/多基遙感系統(tǒng)通常根據(jù)接收機搭載平臺的不同，可以分為星載、機載與岸基遙感系統(tǒng)。星載平臺的高度通常在百千米級，具有空間尺度大的探測優(yōu)勢，但同時其分辨率低。機載平臺較星載平臺而言，分辨率高、監(jiān)測范圍廣、可對大范圍的區(qū)域進行監(jiān)測[12]。岸基平臺通常作為一個固定平臺對特選區(qū)域進行長期穩(wěn)定的觀測，對近海海域的探測具有重要作用[13-14]。由于岸基接收平臺架固定、高度低、探測區(qū)域小，相對于星載、機載平臺接收的反射信號，具有信號強度高、相關(guān)性強、在時延上的擴展小的特點，已被廣泛應(yīng)用于對固定區(qū)域的長時間探測[15-16]。另外，岸基 GNSS-R 系統(tǒng)通常可為遙感衛(wèi)星做地基驗證[17]。

　　本文基于渤海海岸線附近的碼頭，搭建岸基 GNSS-R 海洋遙感系統(tǒng)，設(shè)計多觀測站點的組網(wǎng)探測模式，對結(jié)果數(shù)據(jù)進行時間同步，實現(xiàn)了對海面的長期連續(xù)探測，區(qū)域覆蓋范圍易于擴展，并具有良好的工程可行性。

　　1 系統(tǒng)組成

　　岸基 GNSS-R 海洋遙感系統(tǒng)組成如圖 1 所示，系統(tǒng)主要分為探測終端、數(shù)據(jù)中心與用戶端。

　　根據(jù) GNSS-R 反演原理，探測終端主要包括直射天線、反射天線、接收機、供電模塊及通信模塊等。采集到的信號通過采樣量化處理、相關(guān)運算等，通過 4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

　　數(shù)據(jù)中心包括用于存儲的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與用于對外實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交互的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。主要功能包括接收從現(xiàn)場傳回的實測數(shù)據(jù)與為用戶提供數(shù)據(jù)下載接口。該設(shè)計的目的是保護數(shù)據(jù)庫，從災(zāi)備性角度考慮，提高整個數(shù)據(jù)體系的安全性。

　　用戶端為用戶提供數(shù)據(jù)可視化界面，通過與數(shù)據(jù)中心交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、下載等操作。

　　2 多站點組網(wǎng)探測設(shè)計

　　2.1 組網(wǎng)探測原理

　　GNSS-R 作為一種機會信號，其信號源為導(dǎo)航衛(wèi)星，岸基平臺上，其優(yōu)勢是可以對某一固定探測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)長時間的連續(xù)觀測。根據(jù)該特點，本文設(shè)計了多站點組網(wǎng)探測模式，通過對某一區(qū)域的多站點探測，實現(xiàn)該目標區(qū)域的網(wǎng)格劃分與精細化探測，更好地描述該區(qū)域的海況。

　　組網(wǎng)探測示意如圖 2 所示，為多觀測站點同時觀測某一特定區(qū)域。根據(jù)岸基 GNSS-R 原理，探測終端的經(jīng)緯度坐標固定，雖然衛(wèi)星時刻運動，但天線朝向固定，通過天線波束角、俯仰角可計算出該時刻下的可見衛(wèi)星。另外，根據(jù)衛(wèi)星的實時位置，通過幾何關(guān)系，可以計算出菲尼爾反射區(qū)的位置和大小，從而判斷該時刻的岸基探測終端探測到的遙感信息所對應(yīng)的目標區(qū)域[18]。

　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的 GEO 衛(wèi)星相對于地球靜止，從幾何關(guān)系上來說，發(fā)射源與接收機保持靜止，則探測區(qū)域不會改變，該類衛(wèi)星可以很好地應(yīng)用于長時間的連續(xù)觀測，通過設(shè)置合適的天線朝向即可對固定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效的遙感信息獲取。除 了 GEO 衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的 MEO 衛(wèi)星、IGSO 衛(wèi)星以及 GPS 系統(tǒng)衛(wèi)星等相對于地球時刻在運動，不同的衛(wèi)星會周期性地出現(xiàn)在天線的可視范圍內(nèi)，菲尼爾反射區(qū)也會發(fā)生變化，實現(xiàn)目標區(qū)域的不同位置的海洋遙感信息獲取。

　　2.2 探測區(qū)域網(wǎng)格化描述

　　2.2.1 探測區(qū)域劃分

　　本文設(shè)計的采用基于 GNSS 的系統(tǒng)同步，可實現(xiàn)時間的時序同步控制，通過控制采樣間隔與采樣時長，接收站可根據(jù)時間來控制時序范圍。從空間域角度來說，基于該同步方法，系統(tǒng)在采用時間同步處理后，利用衛(wèi)星的實時位置信息，實現(xiàn)同時覆蓋同一區(qū)域，區(qū)域內(nèi)多探測站點同時工作，該設(shè)計增加了系統(tǒng)的冗余性。

　　單個劃分網(wǎng)格后的信號反射幾何關(guān)系示意如圖 3所示。

　　已知接收機 R 在大地坐標系中的坐標為 ( BR， LR，HR ) ，其中 BR 為大地緯度，LR 為大地經(jīng)度，HR為大地高度，則關(guān)于地平面對稱點 R' 的大地坐標為 ( BR，LR，- HR ) ，大地坐標到 WGS-84 坐標的轉(zhuǎn)換關(guān)系為: x = ( N + H) cos Bcos L ， y = ( N + H) cos Bsin L ，式中，N 為基準橢球體的卯酉圓曲率半徑。橢球偏心率 e 和 N 與基準橢球體的極偏率 f 和基準橢球體的長半軸 a 存在如下關(guān)系: N = a 1 - e 2 sin2 槡 B ， e 2 = f( 2 - f) ，式 中，f 取 值 為 1 /298.257 223 563，a 取 值 為 6 378 137.0。

　　根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系可以得到 WGS-84 坐標系下，R 關(guān)于 y 軸的對稱點 R' 點的坐標為 ( xR'，yR'， zR' ) 。根據(jù)星歷文件中的開普勒軌道參數(shù)可以解算出 WGS-84 坐標下 GNSS 衛(wèi)星的實時位置 Ti 為 ( xi， yi，zi ) ，其中 i 代表第 i 顆可見星。根據(jù)菲涅爾反射定理，可計算出實時變化的鏡面發(fā)射點 O 的空間坐標，通過比對落于網(wǎng)格位置進行空間描述。

　　2.2.2 網(wǎng)格遙感信息反演

　　海面反射進入天線的信號為鏡面反射點附近的目標海域所反射，系統(tǒng)通過計算網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的反射信號干涉復(fù)數(shù)場來反演海面遙感信息[19]。圖 3 中Rt ，Rr 分別為導(dǎo)航衛(wèi)星與接收機到散射點的向量; R' t ，R' r 分別為導(dǎo)航衛(wèi)星與接收機到鏡面反射點的向量; R0 為接收機到散射點在海面上的投影點的向量; δr 為鏡面反射點到散射點的向量; z ，r 分別為散射點相對于鏡面點的垂直、水平位移; H 為接收機高度。由于接收機處散射信號功率較低，能夠接收到的信號多來自于閃耀區(qū)，發(fā)生在鏡面點附近海域。故令 r' = R' r ，r ^ ' ⊥ 為 R' r 水平方向單位分量，得到干涉復(fù)數(shù)場表達式為: 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) 為天線增益， χ( r，z) 為模糊函數(shù); k 為信號載波波數(shù); R 為海面反射系數(shù); θ 為衛(wèi)星高度角。在時刻 t ，通過多網(wǎng)格的反射信號采集與反演，最終將總體的探測區(qū)域精細化描述。

　　若獲取的海面遙感信息來自不同網(wǎng)格，多區(qū)域填充網(wǎng)格可實現(xiàn)對該區(qū)域的描述。當(dāng)某一顆衛(wèi)星信號經(jīng)由同一網(wǎng)格海面反射至不同的探測終端，此時可通過功率與信噪比檢驗信號質(zhì)量，此類情況多為散射分量方向不同導(dǎo)致被附近的天線所收，可根據(jù)天線角度幾何關(guān)系與網(wǎng)格劃分精細度重新進行判斷; 當(dāng)不同的衛(wèi)星經(jīng)由同一網(wǎng)格反射至不同的探測終端時，根據(jù)反射信號的特性，可在信號質(zhì)量控制后，通過多星融合的方式提高海面遙感信息的反演精度。

　　3 遠端數(shù)據(jù)中心設(shè)計

　　該部分從實際需求出發(fā)，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理標準化，數(shù)據(jù)的上傳和存儲統(tǒng)一化管理。通過制定一套可行的數(shù)據(jù)傳輸標準，可規(guī)范化實時采集到的海洋環(huán)境遙感數(shù)據(jù)并傳回數(shù)據(jù)平臺，繼而依據(jù)格式標準對數(shù)據(jù)進行解析處理，最后將標準化數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。通過數(shù)據(jù)平臺，可以提高海上數(shù)據(jù)保存的規(guī)范性，從而增強后期數(shù)據(jù)處理的可操作性、規(guī)范性，提升數(shù)據(jù)使用效率，主要進行 GNSS 直反射相關(guān)值原始數(shù)據(jù)的標準制定和接口設(shè)計以及工況測試，搭建岸基 GNSS 直反射數(shù)據(jù)管理分析架構(gòu)模型。

　　3.1 WebAPI 接口設(shè)計

　　在該系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，搭建了云服務(wù)器，制定了規(guī)范和質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)內(nèi)容格式標準，以及數(shù)據(jù)壓縮算法，并設(shè)計開發(fā)了 API 相關(guān)功能。

　　從實際應(yīng)用角度出發(fā)，為了實現(xiàn)用戶可通過不同的方式訪問服務(wù)器，開發(fā)設(shè)計供調(diào)用的 API 進行數(shù)據(jù)上傳與下載。其優(yōu)勢在于 API 不限制客戶端的具體應(yīng)用軟件，通過 URL 調(diào)用，即可實現(xiàn)功能。 API 功能包括數(shù)據(jù)讀取功能、數(shù)據(jù)解析功能及數(shù)據(jù)處理功能。實驗者可以直觀便捷地實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、存儲與下載功能。

　　數(shù)據(jù)從探測現(xiàn)場傳回數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)處理流程如圖 4 所示。

　　整個系統(tǒng)需要在移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運行。從現(xiàn)場傳回相關(guān)值數(shù)據(jù)與反演后得到的遙感信息數(shù)據(jù)。在上傳相關(guān)值數(shù)據(jù)時，考慮到海上移動通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響，為了防止數(shù)據(jù)傳輸阻塞，提高傳輸效率，將上傳文件分割成 N 個 1 MByte 的小文件進行傳輸，數(shù)據(jù)中心通過判斷接收到的小文件數(shù)據(jù)的完整性實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整接收。在接收端，當(dāng)全部數(shù)據(jù)完成拼接后，對數(shù)據(jù)位進行校驗與錯誤信息反饋，增加系統(tǒng)冗余性。

　　與以往的衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲不同，首先保留了原始的相關(guān)值數(shù)據(jù)，供后期數(shù)據(jù)檢查分析; 其次提出了根據(jù)衛(wèi)星通道號提取有效數(shù)據(jù)的方案設(shè)計，根據(jù)衛(wèi)星 PRN 號解析數(shù)據(jù)與存儲，極大程度地提高了數(shù)據(jù)在存儲和使用時的效率。下載方面，實驗者根據(jù) API 提供的 URL 可以進行遠程數(shù)據(jù)文件下載。上傳方面，設(shè)計了對數(shù)據(jù)進行解析后，通過壓縮處理完成數(shù)據(jù)的存儲。將衛(wèi)星數(shù)據(jù)一幀中同樣的信息進行剔除，再進行存儲。輕量化處理后，節(jié)約了存儲空間。該算法可以剔除無效數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)庫高效使用。

　　數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖 5 所示。

　　3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計與搭建

　　在 Centos7.6 系統(tǒng)上搭建 MySQL5.6 數(shù)據(jù)庫，外接掛載硬盤增大數(shù)據(jù)存儲空間。同時根據(jù)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)字段創(chuàng)建數(shù)據(jù)表，建立表之間的關(guān)系模型。

　　建立 GNSSDatabase( 數(shù)據(jù)庫) ，分為以下幾個數(shù)據(jù)表: Catalogue ( 目錄表) 、CorrelationValue ( 相關(guān)值數(shù)據(jù)表) 、device( 設(shè)備信息表) 、tempData( 臨時數(shù)據(jù)表) 以及固定站點產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)通過 4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心后，服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)按通道號解析成多條數(shù)據(jù)，按對應(yīng)字段存儲在目錄表中。其中的相關(guān)值數(shù)據(jù)，把解析后的數(shù)據(jù)具體內(nèi)容( IQ 值數(shù)據(jù)) 存入相關(guān)值表中，實驗者從目錄表查詢后，可通過下載接口從相關(guān)值數(shù)據(jù)表中下載數(shù)據(jù)文件。反演得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的站點建立各自的數(shù)據(jù)表格，根據(jù)網(wǎng)格的不同精細度劃分和鏡面反射點的經(jīng)緯度，按字段進行存儲。

　　4 探測結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

　　4.1 探測站點架設(shè)

　　探測山東省東營市勝利油田 5 萬噸油輪碼頭開展岸基 GNSS-R 海洋遙感系統(tǒng)實地測試。圖 6 為單站點天線具體架設(shè)情況，直射信號天線接收導(dǎo)航衛(wèi)星直射信號，反射信號天線通過架設(shè)固定的俯仰角，朝向固定探測海域。

　　4.2 系統(tǒng)整體測試

　　通過實地架設(shè)相關(guān)設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸測試，經(jīng)測試，接收機數(shù)據(jù)采集>65 MB /min，并且能夠?qū)崿F(xiàn) 7×24 h 穩(wěn)定連續(xù)運行。另外，本系統(tǒng)制定數(shù)據(jù)交換協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫化管理，現(xiàn)階段可將數(shù)據(jù)壓縮至 91.75%。數(shù)據(jù)展示界面如圖 7 所示。

　　系統(tǒng)將岸基遙感系統(tǒng)前端計算好的鏡面反射點位置記錄在數(shù)據(jù)庫中。另外，本文設(shè)計的遙感系統(tǒng)支持 GPS /北斗雙星座工作模式，且根據(jù)不同星座、不同衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星反演出的數(shù)據(jù)均保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。客戶端展示界面如圖 8 所示，根據(jù)設(shè)定好的 URL，可通過手機或電腦端訪問。圖 8 客戶端展示界面 Fig.8 Client interface 4.3 網(wǎng)格化探測數(shù)據(jù)分析本文采用單個站點中多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)來完成系統(tǒng)的驗證與數(shù)據(jù)分析。選取 UTC 時間 2020 年 11 月 25 日 12 時 35 分 46 秒時的北斗衛(wèi)星反射區(qū)分布情況，C03，C06，C09，C16 和 C27 共 5 顆衛(wèi)星的反射區(qū)完全位于網(wǎng)格劃分的范圍內(nèi)。經(jīng)計算，C01 號衛(wèi)星的反射區(qū)部分位于天線探測范圍外，沒有完全在劃分好的網(wǎng)格內(nèi)。各個反射區(qū)的具體參數(shù)以及相對應(yīng)的反演風(fēng)浪值如表 1 所示。由表 1 可以看出，C01 衛(wèi)星的反演結(jié)果較相近的 C09 反演結(jié)果差距較大，原因是 C01 衛(wèi)星的反射區(qū)位于天線探測區(qū)的邊緣，信號信噪比較低，在該網(wǎng)格內(nèi)描述海浪遙感信息時，反演誤差較大，未來工作將研究補償算法，對功率進行補償。

　　4.3 網(wǎng)格化探測數(shù)據(jù)分析

　　本文采用單個站點中多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)來完成系統(tǒng)的驗證與數(shù)據(jù)分析。選取 UTC 時間 2020 年 11 月 25 日 12 時 35 分 46 秒時的北斗衛(wèi)星反射區(qū)分布情況，C03，C06，C09，C16 和 C27 共 5 顆衛(wèi)星的反射區(qū)完全位于網(wǎng)格劃分的范圍內(nèi)。經(jīng)計算，C01 號衛(wèi)星的反射區(qū)部分位于天線探測范圍外，沒有完全在劃分好的網(wǎng)格內(nèi)。各個反射區(qū)的具體參數(shù)以及相對應(yīng)的反演風(fēng)浪值如表 1 所示。

　　由表 1 可以看出，C01 衛(wèi)星的反演結(jié)果較相近的 C09 反演結(jié)果差距較大，原因是 C01 衛(wèi)星的反射區(qū)位于天線探測區(qū)的邊緣，信號信噪比較低，在該網(wǎng)格內(nèi)描述海浪遙感信息時，反演誤差較大，未來工作將研究補償算法，對功率進行補償。

　　5 結(jié)束語

　　本文設(shè)計了一種岸基 GNSS-R 海洋遙感系統(tǒng)，提出了通過多站點對目標區(qū)域的探測，實現(xiàn)了網(wǎng)格化探測，并且對整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行設(shè)計與實現(xiàn)，最后在渤海灣附近的碼頭開展了實地探測。由探測數(shù)據(jù)分析可知，多站點探測可以更好地描述不同區(qū)域下不同位置的遙感信息，更完整地實現(xiàn)目標區(qū)域的信息采集。

　　此外，本文設(shè)計的遙感系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面采用雙服務(wù)器模式與 API 接口設(shè)計，提高了數(shù)據(jù)利用率，規(guī)范了數(shù)據(jù)傳輸標準，增強了岸基 GNSS-R 數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行裕瑸楹罄m(xù)海面遙感信息分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。今后開展的工作將主要包括多星融合反演提高反演精度研究與多天線聯(lián)合處理數(shù)據(jù)算法研究。