基于北斗导航卫星反射信号探测海浪的实现与分析

涂满红，曹云昌，周 丹

(1.中国气象局气象探测中心，北京 100081；2.山东省威海市气象局，山东威海 264200)

基于北斗导航卫星反射信号探测海浪的实现与分析

涂满红1，曹云昌1，周 丹2

(1.中国气象局气象探测中心，北京 100081；2.山东省威海市气象局，山东威海 264200)

基于北斗卫星导航系统在亚太地区的良好覆盖能力，利用中国气象局、山东气象局及北京航空航天大学在威海联合开展的北斗反射信号海洋遥感试验所采集的海风海浪系统的探测数据与同址同期的浮标数据，着重对北斗GEO卫星反射信号(BDS-GEO-R)探测海面有效波高的可行性进行了分析和检定，并对比分析同期浮标数据。结果表明，北斗反射信号探测海浪结果与浮标数据具有良好的一致性，海面浪高的探测精度为10 cm。最终证明了利用北斗反射信号探测海洋浪高的可行性。

全球导航卫星反射信号；海风海浪；有效波高；浮标数据

海洋渔业在我国东南沿海经济构成中占有重要的地位，为保障海上生产作业、海水养殖的安全，准确掌握海洋气象信息显得尤为重要。海洋有效波高是海面状态的重要物理参数，准确实时探测海面的浪高状态，对海洋渔业的生产安全等具有重要的作用。浮标是目前海洋观测站中普遍采用的有效波高探测手段，通过集成多种海洋参数传感器，对目标海域进行观测[1]。近年来，随着全球导航卫星系统的不断发展，其在提供传统定位、导航及授时服务的同时，还提供了大量的电磁信号源。目前，国内外常用的有效波高遥感手段主要有卫星高度计[2-3]、高频地波雷达[4]等。全球导航卫星反射信号(GNSS-R)技术也随之产生，学者对其在遥感应用领域开展了大量的研究[5]。GNSS-R技术作为一种非接触式、无需发射源设备，具有全球域、全天时以及成本低等特点[6]，可有效降低传统浮标维护所需的费用，已逐渐成为遥感领域研究的热点之一。

GNSS-R技术用于海面浪高探测的研究最早开始于欧洲Starlab公司。2004年Soulat等[7]在巴塞罗那港口开展了GPS反射信号探测有效波高试验，对GPS反射信号探测有效波高进行了研究。2003年Hajj等[8]分析L波段海面散射信号相关函数与海况的关联，提出了利用DCF波形峰值计算海面浪高的思想。北斗卫星导航系统(BDS)是中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统[9]。基于北斗导航卫星反射信号的海洋遥感技术，为海洋气象观测提供了新的途径，同时，基于北斗在亚太地区的良好覆盖能力，该技术可为我国沿海气象资料提供补充。笔者着重对北斗静止轨道卫星(GEO)反射信号(BDS-GEO-R)探测海面有效波高的可行性进行了分析和检定，同时与同期浮标数据进行了对比分析。

1 资料与方法

1.1 资料来源 以山东威海北斗海风海浪探测示范站(112.70 °E、37.39 °N)的有效波高探测数据作为BDS-GEO-R数据源。威海示范站于2014年4月份由中国气象局、山东气象局及北京航空航天大学联合建立，主要用于北斗反射信号海洋遥感研究。观测平台距离海面垂直高度33 m(图1)。观测设备采用由北京航空航天大学研发的北斗反射信号海风海浪探测系统。该系统采用双天线观测模式，其中右旋圆极化天线(天线增益3 dB)指向天顶方向，用于接收卫星直射信号，左旋圆极化天线(天线增益12 dB)指向海面，相对水平方向倾斜40°。

为分析和验证北斗反射信号探测浪高的有效性与稳定性，采用附近浮标浪高数据作为基准对比数据。浮标输出有效波高的更新速度为1 h。

1.2 北斗反射信号有效波高探测方法

1.2.1 干涉复数场计算有效波高。探测系统采用计算干涉复数场相关时间的方法反演有效波高。干涉复数场定义为卫星反射信号及直射信号所对应的最大复数相关值序列之间的比[10]，其公式为：

FI=FR/FD

(1)

式中，FI表示干涉复数场，FR、FD分别表示反射信号、直射信号所对应的最大复数相关值序列。公式中的直射分量用于剔除与海面状态无关的因素，如卫星信号功率的波动、接收机内部的热噪声、电离层延迟等影响，可有效提高干涉复数场与海面状态的相关性。

图1 海风海浪探测示范站观测点位置(a)和观测平台(b)Fig.1 Location(a)and observation platform(b)of ocean wind and wave detection station

定义相关时间为干涉复数场的自相关函数的时间宽度，它表征接收机接收的信号之间的相关性，与海面的坡度、卫星仰角、散射信号波长等因素有关。根据文献[10]，相关时间可以看做服从高斯函数分布的二阶距：

(2)

式中，θ表示卫星仰角，τz表示表面相关时间，SWH表示有效波高。

1.2.2 北斗反射信号海风海浪探测系统。示范站采用由北京航空航天大学研发的北斗反射信号海风海浪探测系统，其结构如图2所示。系统主要由右旋圆极化天线、左旋圆极化天线、四通道射频前端、中频处理单元和监控工作站组成。射频采样速率为16.369MHz，2bit量化。北斗反射信号接收机输出直射、反射信号复数相关值，其更新速率为1kHz。最终输出直射信号复数相关值峰值序列以及反射信号复数相关值。对输出的相关值分别提取直射、反射信号最大复数相关值，进而计算干涉复数场(图3)。

图2 北斗反射信号海风海浪探测系统组成Fig.2 Block diagram of BDS-R

图3 相关时间计算流程Fig.3 Flow of calculating correlation time

1.3 分析方法 为检验北斗反射信号探测海面有效波高的性能及可行性，该研究针对2014年6—9月海风海浪探测系统输出的有效波高数据进行分析，并与浮标数据进行了对比分析。由于浮标输出的有效波高数据为整点平均结果，北斗海风海浪探测系统的输出结果为分钟数据，因此，在进行数据对比前，需要对结果进行平均处理，完成将探测数据与同比浮标数据对齐。

2 结果与分析

从图4可看出，2014年6—8月浮标输出的有效波高为0.1～2.5 m，2种观测手段输出的有效波高分布具有良好的一致性。初步证明了利用北斗反射信号探测海面有效波高的可行性。

图4 2014年6—8月相关时间探测有效波高值与浮标数据分布Fig.4 Distribution comparison between significant wave height observed by correlation time and buoy from June to August in 2014

为进一步验证海风海浪探测系统的可行性和精度，对系统输出的9月有效波高结果进行了分析和精度计算。由图5可见，2014年9月浮标输出的有效波高为0.1～3.0 m，其中海面浪高大部分集中在0.1～0.7 m(海面处于较稳定状态)。同期北斗反射信号海风海浪探测系统输出的有效波高与浮标数据具有良好的一致性。

图5 2014年9月相关时间探测有效波高与浮标数据分布Fig.5 Distribution comparison between significant wave height observed by correlation time and buoy in September in 2014

为研究北斗反射信号探测有效波高的精度，对9月的数据进行一元线性回归分析，结果表明(图6)，利用相关时间探测有效波高的平均偏差为10 cm，与浮标数据具有良好的一致性，因此利用北斗反射信号探测海面有效波高具有很好的可行性。

图6 2014年9月相关时间探测有效波高值与气象站浮标数据对比Fig.6 Comparison between significant wave height observed by correlation time and buoy from meteorological station in September，2014

3 结论与讨论

(1)通过将2014年6—8月利用北斗反射信号测量技术探测的有效波高与浮标数据的对比，验证了海风海浪探测系统利用干涉复数场相关时间反演的有效波高与浮标数据具有良好的一致性。

(2)通过对2014年9月数据进行一元线性回归分析，发现北斗反射信号探测的有效波高值与浮标数据分布具有良

好的一致性，反演平均偏差为10 cm。

(3)岸基条件下，利用全球导航卫星反射信号探测海洋信息，需要克服复杂的地理环境和干扰，主要包括陆地干扰、近海海沟地形、海面斑点噪声等。试验过程中，采用北斗静止轨道卫星，利用其相对稳定的几何关系，通过分析接收机、卫星及海面的位置关系，调整反射天线与水平面的角度，可有效减少来自海岸地面的反射干扰，对有效波高的探测具有积极的作用。

(4)此次试验利用GNSS-R技术进行岸基海洋气象遥感试验，受限于观测平台的高度和天线的覆盖区。在后期的研究工作中，将增加对机载、星载平台下GNSS-R海洋遥感性能表现的分析。

[1] 李民，袁新，刘勇，等.国内大型海洋水文气象资料浮标的现状及发展方向[J].气象水文海洋仪器，2002(2)：1-4.

[2] 纪永刚，张杰，杨永增.TOPEX卫星高度计有效波高数据分析与极值统计预报[J].海洋科学进展，2002，20(1)：25-33.

[3] 孙群，宋金宝，陈小刚.利用TOPEX卫星高度计资料分析东中国海的风、浪场特征[J].海洋科学，2006，30(4)：10-15.

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Implementation and Analysis of Detecting Ocean Wave Height by Beidou Navigation Satellite Reflected Signal

TU Man-hong1, CAO Yun-chang1, ZHOU Dan2et al

(1. Meteorological Observation Centre of CMA, Beijing 100081; 2 Weihai Meteordogical Bureall, Weihai, Shandong 264200)

Based on good coverage capability of Beidou satellite navigation system in the Asian- Pacific Region, using detection data of ocean wave and buoy data collected by CMA, SMA, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, the feasibility of detecting significant wave height by BDS-GEO-R was analyzed, and compared with buoy data. The result of significant wave height showed a good consistence between BDS reflectometry and buoy, and the accuracy was 10cm. Ultimately,it proves the feasibility on detecting ocean wave height using BDS reflected signal.

Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R); Sea breeze and wave; Significant wave height; Buoy data

总装备部中国第二代卫星导航系统应用重大专项(GFZX 03030303)。

涂满红(1973- )，女，北京人，高级工程师，硕士，从事气象探测方法及应用研究。

2016-09-23

S 951.1

A

0517-6611(2016)35-0188-03