岸基 GNSS-R 海洋遙感系統設計與實現

　　摘 要: 針對海面探測情景，充分利用岸基 全球導航衛星系統反射測量 ( Global Navigation Satellite SystemsReflectometry，GNSS-R) 優勢，設計實現岸基 GNSS-R 海洋遙感系統。采用多探測站點對目標區域實現網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。通過搭建本地數據中心與數據交互協議，實現現場數據傳輸與存儲的高效性、規范性。在渤海灣碼頭進行實地測試，驗證整個系統的實效性與可行性。與傳統的海洋遙感系統相比，該系統對目標區域具有更精細的信息采集功能。

　　關鍵詞: 岸基全球導航衛星系統反射測量; 海洋遙感; 數據傳輸; 網格化探測

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

　　0 引言

　　海洋是地球環境的重要組成部分之一。海洋遙感信息的實時獲取，為海洋生產作業、海洋經濟建設等提供可靠的數據依據，為海洋資源環境、災害監測、海洋安全建設提供保障。全球導航衛星系統反射測量( 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、海面風速、海冰和土壤濕度等的反演和探測[1-5]。經地表反射的導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的特性[6-8]。相比于其他遙感手段，隨著北斗系統建設不斷完善，該技術的信號源日益豐富[9-10]，同時兼顧的優勢有成本低，且不受降雨、大霧等惡劣天氣的影響等[11]。

　　這種被動式雙/多基遙感系統通常根據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。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、監測范圍廣、可對大范圍的區域進行監測[12]。岸基平臺通常作為一個固定平臺對特選區域進行長期穩定的觀測，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、相關性強、在時延上的擴展小的特點，已被廣泛應用于對固定區域的長時間探測[15-16]。另外，岸基 GNSS-R 系統通常可為遙感衛星做地基驗證[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，設計多觀測站點的組網探測模式，對結果數據進行時間同步，實現了對海面的長期連續探測，區域覆蓋范圍易于擴展，并具有良好的工程可行性。

　　1 系統組成

　　岸基 GNSS-R 海洋遙感系統組成如圖 1 所示，系統主要分為探測終端、數據中心與用戶端。

　　根據 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、相關運算等，通過 4G 網絡傳輸至數據中心。

　　數據中心包括用于存儲的數據庫服務器與用于對外實現網絡交互的網絡服務器。主要功能包括接收從現場傳回的實測數據與為用戶提供數據下載接口。該設計的目的是保護數據庫，從災備性角度考慮，提高整個數據體系的安全性。

　　用戶端為用戶提供數據可視化界面，通過與數據中心交互，實現數據查詢、下載等操作。

　　2 多站點組網探測設計

　　2.1 組網探測原理

　　GNSS-R 作為一種機會信號，其信號源為導航衛星，岸基平臺上，其優勢是可以對某一固定探測區域實現長時間的連續觀測。根據該特點，本文設計了多站點組網探測模式，通過對某一區域的多站點探測，實現該目標區域的網格劃分與精細化探測，更好地描述該區域的海況。

　　組網探測示意如圖 2 所示，為多觀測站點同時觀測某一特定區域。根據岸基 GNSS-R 原理，探測終端的經緯度坐標固定，雖然衛星時刻運動，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星。另外，根據衛星的實時位置，通過幾何關系，可以計算出菲尼爾反射區的位置和大小，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的目標區域[18]。

　　北斗衛星導航系統中的 GEO 衛星相對于地球靜止，從幾何關系上來說，發射源與接收機保持靜止，則探測區域不會改變，該類衛星可以很好地應用于長時間的連續觀測，通過設置合適的天線朝向即可對固定區域實現有效的遙感信息獲取。除 了 GEO 衛星，北斗衛星導航系統的 MEO 衛星、IGSO 衛星以及 GPS 系統衛星等相對于地球時刻在運動，不同的衛星會周期性地出現在天線的可視范圍內，菲尼爾反射區也會發生變化，實現目標區域的不同位置的海洋遙感信息獲取。

　　2.2 探測區域網格化描述

　　2.2.1 探測區域劃分

　　本文設計的采用基于 GNSS 的系統同步，可實現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，系統在采用時間同步處理后，利用衛星的實時位置信息，實現同時覆蓋同一區域，區域內多探測站點同時工作，該設計增加了系統的冗余性。

　　單個劃分網格后的信號反射幾何關系示意如圖 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 為大地經度，HR為大地高度，則關于地平面對稱點 R' 的大地坐標為 ( BR，LR，- HR ) ，大地坐標到 WGS-84 坐標的轉換關系為: 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。

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

　　2.2.2 網格遙感信息反演

　　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，系統通過計算網格區域內的反射信號干涉復數場來反演海面遙感信息[19]。圖 3 中Rt ，Rr 分別為導航衛星與接收機到散射點的向量; R' t ，R' r 分別為導航衛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，發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，得到干涉復數場表達式為: 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; k 為信號載波波數; R 為海面反射系數; θ 為衛星高度角。在時刻 t ，通過多網格的反射信號采集與反演，最終將總體的探測區域精細化描述。

　　若獲取的海面遙感信息來自不同網格，多區域填充網格可實現對該區域的描述。當某一顆衛星信號經由同一網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量，此類情況多為散射分量方向不同導致被附近的天線所收，可根據天線角度幾何關系與網格劃分精細度重新進行判斷; 當不同的衛星經由同一網格反射至不同的探測終端時，根據反射信號的特性，可在信號質量控制后，通過多星融合的方式提高海面遙感信息的反演精度。

　　3 遠端數據中心設計

　　該部分從實際需求出發，同時實現數據管理標準化，數據的上傳和存儲統一化管理。通過制定一套可行的數據傳輸標準，可規范化實時采集到的海洋環境遙感數據并傳回數據平臺，繼而依據格式標準對數據進行解析處理，最后將標準化數據存儲在數據庫服務器上。通過數據平臺，可以提高海上數據保存的規范性，從而增強后期數據處理的可操作性、規范性，提升數據使用效率，主要進行 GNSS 直反射相關值原始數據的標準制定和接口設計以及工況測試，搭建岸基 GNSS 直反射數據管理分析架構模型。

　　3.1 WebAPI 接口設計

　　在該系統實現過程中，搭建了云服務器，制定了規范和質量控制的數據標準、數據內容格式標準，以及數據壓縮算法，并設計開發了 API 相關功能。

　　從實際應用角度出發，為了實現用戶可通過不同的方式訪問服務器，開發設計供調用的 API 進行數據上傳與下載。其優勢在于 API 不限制客戶端的具體應用軟件，通過 URL 調用，即可實現功能。 API 功能包括數據讀取功能、數據解析功能及數據處理功能。實驗者可以直觀便捷地實現數據上傳、存儲與下載功能。

　　數據從探測現場傳回數據后的數據處理流程如圖 4 所示。

　　整個系統需要在移動網絡環境下運行。從現場傳回相關值數據與反演后得到的遙感信息數據。在上傳相關值數據時，考慮到海上移動通信網絡環境影響，為了防止數據傳輸阻塞，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，數據中心通過判斷接收到的小文件數據的完整性實現數據的完整接收。在接收端，當全部數據完成拼接后，對數據位進行校驗與錯誤信息反饋，增加系統冗余性。

　　與以往的衛星數據存儲不同，首先保留了原始的相關值數據，供后期數據檢查分析; 其次提出了根據衛星通道號提取有效數據的方案設計，根據衛星 PRN 號解析數據與存儲，極大程度地提高了數據在存儲和使用時的效率。下載方面，實驗者根據 API 提供的 URL 可以進行遠程數據文件下載。上傳方面，設計了對數據進行解析后，通過壓縮處理完成數據的存儲。將衛星數據一幀中同樣的信息進行剔除，再進行存儲。輕量化處理后，節約了存儲空間。該算法可以剔除無效數據，使數據庫高效使用。

　　數據預處理流程如圖 5 所示。

　　3.2 數據庫設計與搭建

　　在 Centos7.6 系統上搭建 MySQL5.6 數據庫，外接掛載硬盤增大數據存儲空間。同時根據預處理后的數據字段創建數據表，建立表之間的關系模型。

　　建立 GNSSDatabase( 數據庫) ，分為以下幾個數據表: Catalogue ( 目錄表) 、CorrelationValue ( 相關值數據表) 、device( 設備信息表) 、tempData( 臨時數據表) 以及固定站點產品數據表。

　　當數據通過 4G 網絡傳輸到數據中心后，服務器將接收到的數據按通道號解析成多條數據，按對應字段存儲在目錄表中。其中的相關值數據，把解析后的數據具體內容( IQ 值數據) 存入相關值表中，實驗者從目錄表查詢后，可通過下載接口從相關值數據表中下載數據文件。反演得到的數據，根據不同的站點建立各自的數據表格，根據網格的不同精細度劃分和鏡面反射點的經緯度，按字段進行存儲。

　　4 探測結果與數據分析

　　4.1 探測站點架設

　　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 海洋遙感系統實地測試。圖 6 為單站點天線具體架設情況，直射信號天線接收導航衛星直射信號，反射信號天線通過架設固定的俯仰角，朝向固定探測海域。

　　4.2 系統整體測試

　　通過實地架設相關設備進行數據傳輸測試，經測試，接收機數據采集>65 MB /min，并且能夠實現 7×24 h 穩定連續運行。另外，本系統制定數據交換協議，實現數據庫化管理，現階段可將數據壓縮至 91.75%。數據展示界面如圖 7 所示。

　　系統將岸基遙感系統前端計算好的鏡面反射點位置記錄在數據庫中。另外，本文設計的遙感系統支持 GPS /北斗雙星座工作模式，且根據不同星座、不同衛星，每顆衛星反演出的數據均保存在系統數據庫中。客戶端展示界面如圖 8 所示，根據設定好的 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 網格化探測數據分析本文采用單個站點中多顆衛星數據來完成系統的驗證與數據分析。選取 UTC 時間 2020 年 11 月 25 日 12 時 35 分 46 秒時的北斗衛星反射區分布情況，C03，C06，C09，C16 和 C27 共 5 顆衛星的反射區完全位于網格劃分的范圍內。經計算，C01 號衛星的反射區部分位于天線探測范圍外，沒有完全在劃分好的網格內。各個反射區的具體參數以及相對應的反演風浪值如表 1 所示。由表 1 可以看出，C01 衛星的反演結果較相近的 C09 反演結果差距較大，原因是 C01 衛星的反射區位于天線探測區的邊緣，信號信噪比較低，在該網格內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 網格化探測數據分析

　　本文采用單個站點中多顆衛星數據來完成系統的驗證與數據分析。選取 UTC 時間 2020 年 11 月 25 日 12 時 35 分 46 秒時的北斗衛星反射區分布情況，C03，C06，C09，C16 和 C27 共 5 顆衛星的反射區完全位于網格劃分的范圍內。經計算，C01 號衛星的反射區部分位于天線探測范圍外，沒有完全在劃分好的網格內。各個反射區的具體參數以及相對應的反演風浪值如表 1 所示。

　　由表 1 可以看出，C01 衛星的反演結果較相近的 C09 反演結果差距較大，原因是 C01 衛星的反射區位于天線探測區的邊緣，信號信噪比較低，在該網格內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 結束語

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

　　此外，本文設計的遙感系統在數據傳輸方面采用雙服務器模式與 API 接口設計，提高了數據利用率，規范了數據傳輸標準，增強了岸基 GNSS-R 數據傳輸的有效性，為后續海面遙感信息分析提供了數據基礎。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合處理數據算法研究。