摘要：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）具有全天候、近實時、高精度的特點，可持續(xù)發(fā)射L波段信號，廣泛應用于定位、導航和授時（PNT）。隨著GNSS技術的發(fā)展，最近GNSS反射信號可探測地球表面特征，即GNSS反射測量（GNSS+R）。結(jié)合GNSS接收機天線位置和介質(zhì)信息，利用延遲測量值可以確定表面粗糙度和表面特性。GNSS+R作為當前GNSS和遙感領域的研究熱點，取得了一些研究進展和成果。本文詳細介紹了GNSS+R原理和 *** 及其最新應用進展，包括各種GNSS+R技術手段和 *** ，以及海洋、陸地、水文、植被和冰雪等遙感應用，特別是最新BeiDou-R和TDS-1研究進展。最后給出了GNSS+R應用前景和展望，包括多GNSS系統(tǒng)、GNSS+R接收機、GNSS+R衛(wèi)星計劃和新興應用等。

關鍵詞：GNSS    多路徑    反射測量    環(huán)境遙感    

New Progress and Application Prospects of Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS+R)

JIN Shuanggen¹, ZHANG Qinyun^1,2, QIAN Xiaodong^1,3     

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Abstract: The Global Navigation Satellite System (GNSS) has the characteristics with all-weather, near real-time and high precision observations. It can tran *** it L band signals continuously, which has been widely used in positioning, navigation and timing (PNT). With the development of GNSS technology, recently GNSS reflected signals can be used to detect Earth's surface characteristics, i.e., GNSS reflectometry (GNSS+R). Combined with GNSS receiver antenna position and medium information, surface roughness and characteristics can be determined by using delay measurements. As a hotspot in GNSS and remote sensing field, GNSS+R has achieved a number of progress and results. In this paper, the principles and methods of GNSS+R are presented as well as their latest advances, including various techniques, methods and remote sensing applications in the ocean, land, hydrological, vegetation and ice and snow, especially the latest progresses in BeiDou-R and TDS-1 GNSS+R. Finally, the future applications and prospective of GNSS+R are given, including multi-GNSS system, new GNSS-R receivers, GNSS+R missions and emerging applications.

Key words: GNSS     multipath     reflectometry     environment remote sensing    

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，包括美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、中國北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)(BDS)、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)和歐洲伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Galileo)，以及區(qū)域增強系統(tǒng)，如日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)和印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星(IRNSS)等，具有全天候、近實時、高精度的特點，可持續(xù)發(fā)射L波段信號，廣泛應用于定位、導航和授時(PNT)。隨著各導航衛(wèi)星系統(tǒng)的逐漸完善，星座的增多，觀測站的增加，其應用領域越來越廣泛。GNSS系統(tǒng)不僅僅應用于定位、授時和導航，還可以利用其表面反射信號進行遙感研究。GNSS衛(wèi)星持續(xù)向地球播發(fā)無線電信號，其中部分信號會被地球表面反射。從粗糙表面反射回來的GNSS延遲信號可以提供直射和反射信號路徑的不同信息。這些信息包括反射信號的波形、幅值、相位和頻率等的變化，極化特征的變化直接與反射面相關，結(jié)合接收機天線位置和介質(zhì)信息，利用延遲測量觀測和反射表面屬性可以確定表面粗糙度和表面特性，即GNSS+R反射測量(global navigation satellite system+refectometry)。

GPS反射測量是由歐空局(ESA)Martin Neira^[1]于1993年首次提出來，即GPS地表反射信號和直射信號一起被接收機接收，它們之間延遲可以用于干涉測量，即PARIS(passive reflectometry and interferometry system)。1994年，法國科學家通過進行飛行試驗發(fā)現(xiàn)接收機可以接收到海面反射信號，但由于其對定位精度的影響，通常將其作為多路徑信號剔除^[2]。1996年，NASA蘭利研究中心的科學家利用雙頻GPS信號進行海面前向散射以獲取并剔除電離層延遲，彌補傳統(tǒng)衛(wèi)星高度計的不足，但地基試驗表明傳統(tǒng)接收機難以進行長時間的跟蹤和有效鎖相，需研制新型的接收機^[3]。同年，歐空局(ESA)在荷蘭進行GNSS+R海面測高試驗-PARIS高度計Zeeland橋I試驗^[4]。2000年10月，美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的颶風獵人號飛機搭載了GNSS+R設備從南卡來羅納州海岸飛入“邁克爾”颶風內(nèi)，通過分析從熱帶氣旋海面上反射回來的GPS信號得到了風速結(jié)果^[5]。2003年英國UK-DMC衛(wèi)星利用搭載的GNSS+R設備成功獲得了海面粗糙度等地球表面物理系數(shù)^[6]；靜海區(qū)域的GPS反射信號同樣可以得到高精度的測高結(jié)果^[7]。同時，2014年第1顆GNSS+R衛(wèi)星(TDS-1) 發(fā)射，提供DDM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，開啟了星載反射測量的應用。此外，許多其他科研機構(gòu)也開展了一系列GNSS反射信號的理論研究和試驗、新型GNSS+R接收機的研制，以及基于地基、海岸、橋梁、飛機等不同平臺試驗，測試信號接收、原理驗證，以及檢驗利用GNSS+R估計海面(如海面高和風速)和陸面等研究，獲得了一些初步結(jié)果和進展。

本文詳細描述了GNSS+R原理和 *** 及其最新應用進展，包括遙感海洋、陸地、水文、植被和冰雪特征等，特別是最新BDS-R和TDS-1 GNSS+R研究進展。最后給出了將來GNSS+R的應用前景和展望，包括多GNSS系統(tǒng)、GNSS+R接收機、GNSS+R衛(wèi)星計劃和新興應用，如中小尺度地表特征和目標探測等。

1 GNSS+R原理與 ***

GNSS+R反射測量技術屬于雙基雷達，可獲得地表粗糙特征和地球物理參數(shù)，即利用GNSS測量直射信號與地表鏡面反射的信號之間延遲(時間延遲或相位延遲)，再根據(jù)GNSS衛(wèi)星、接收機和鏡面反射點之間的幾何位置關系，可反演地表特征。按照處理數(shù)據(jù)的方式，GNSS+R測高可以分為傳統(tǒng)型GNSS+R測高(cGNSS+R測高)和干涉GNSS+R測高(iGNSS+R)。前者是配置左右圓極化天線并利用接收機記錄的直射信號與反射信號的載波相位數(shù)據(jù)，通過固定模糊度和解算接收機鐘差等方式，確定兩者之間的傳播路徑延遲，進而計算天線至地球表面的高度。后者是利用直射信號與反射信號功率波形相關的原理，測得信號時延，進而計算天線到地球表面的垂直距離，但其涉及復雜的多普勒時延算法，數(shù)據(jù)處理 *** 復雜。

1.1 傳統(tǒng)型GNSS+R

這種測高一般是采用傳統(tǒng)的大地測量型接收機，利用載波相位觀測值作為原始觀測量，得到直射信號與反射信號的傳播路程差，再根據(jù)幾何關系得到反射面的高度。如在湖邊、海岸或海島上架設GNSS接收機，進行GNSS+R測高試驗，這就是岸基測高。其所架設的接收機高度都較低，其天線的照射面積決定有效的水面散射面積，可有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)的驗潮站測量模式。GNSS接收機對所接收到的直射信號與表面反射信號進行相關，并通過測量相關函數(shù)的更大值的位置得到時間延遲T，進而可求得接收機到反射面的高度H。在飛機或氣球上假設GNSS接收機進行的GNSS+R測高試驗就是機載測高。與岸基測高相比，機載測高架設的高度較高，觀測的水面面積較大。在LEO衛(wèi)星上搭載GPS接收機，進行GNSS+R測高試驗，這就是星載測高。在500~800 km的高空可以采用LEO衛(wèi)星搭載GPS接收機來進行海面高度測量，這種測量方式與傳統(tǒng)衛(wèi)星測高相比不需要發(fā)射機，也可以直接采用多個LEO衛(wèi)星組成星座，具有較高的時空分辨率。

1.2 干涉型GNSS+R

這種測高是利用特制的可以同時接收直射信號和反射信號的接收機，并將接收到的信號在接收機中進行相關處理，利用時延一維相關函數(shù)、多普勒一維相關函數(shù)或者時延-多普勒二維相關函數(shù)得到兩個信號之間時間延遲，再根據(jù)幾何關系得到反射面高度。

1.2.1 SNR技術

多路徑效應是GNSS高精度定位的主要誤差，它與反射面的結(jié)構(gòu)和電介質(zhì)參數(shù)密切相關。當衛(wèi)星高度角低于10°時，GNSS接收到的反射信號是右旋極化。這時具有相同頻率的反射信號與直射信號會發(fā)生相干作用。這一相干現(xiàn)象反映在信噪比SNR的變化上，信噪比SNR觀測值是衡量GPS接收機天線接收到的信號的大小的一個量值，反映多路徑與多路徑誤差的大小受衛(wèi)星信號的發(fā)射功率、天線增益、衛(wèi)星與接收機間的距離及多路徑效應等因素的影響。在高度角較高的情況下，天線增益較大使得SNR得到有效提高；而在高度角較低的情況下，一方面天線增益減小，另一方面多路徑效應影響使得SNR下降較為嚴重。因此，對信噪比SNR進行分析可以評估多路徑效應，進而估計地表環(huán)境參數(shù)。

1.2.2 DDM技術

GNSS+R海洋遙感主要利用反射信號時延多普勒二維相關功率。其原理是通過計算本地載波信號與散射區(qū)域內(nèi)不同時間延遲和多普勒頻率的接收信號的相關功率值。DDM多用于機載和星載GNSS+R，考慮到其距離地面高度較高，首先介紹GNSS+R的鏡面反射測量幾何關系。GNSS+R幾何關系要用到鏡面反射點，即從反射區(qū)域反射的反射信號中路徑延遲最短的理論反射點。根據(jù)GNSS衛(wèi)星、接收機和鏡面反射點的幾何關系建立如圖的本地坐標系。該坐標系的原點為鏡面反射點，z軸為地球切面的法線方向，GNSS衛(wèi)星T，鏡面點和接收機R位于yz平面內(nèi)，x軸按右手定則確定。圖 1中，h_t為衛(wèi)星到地球參考橢球面的高度；h_r為接收機到地球參考橢球面的高度；R_e為地球半徑；G為衛(wèi)星到地心的距離；L為接收機到地心的距離；R_t和R_r分別是衛(wèi)星和接收機到鏡面反射點的距離；β是地心、鏡面反射點和GNSS衛(wèi)星間的夾角；α是地心、鏡面反射點和接收機間的夾角；θ為鏡面點處衛(wèi)星的仰角。

式中，Y(τ, f)是接收機處理后的信號相關功率，是關于延遲和多普勒的函數(shù)；P_t是衛(wèi)星發(fā)射的信號功率；G_t和G_r是衛(wèi)星天線和接收機天線增益；T_i是信號處理中相干積分時間；R_t和R_r是衛(wèi)星和接收機到地面反射點的距離；σ⁰是與反射面參數(shù)有關的項，包括反射系數(shù)和粗糙度等；S(f)是多普勒頻移函數(shù)；Λ(τ)是GNSS碼相關函數(shù)；A是有效的散射區(qū)域，大概是閃耀區(qū)大小。

2 GNSS+R最新應用進展2.1 海洋測高

目前岸基傳統(tǒng)型大地測量GNSS接收機獲得較好測高結(jié)果。如文獻[4]利用反射信號碼相位信息，測高精度達到數(shù)米。文獻[9]在Crater湖面上利用iGNSS+R設備，解算了采樣率為1 Hz的水面高，精度大約在2 cm。文獻[10—11]利用反射信號載波相位信息，將精度提高到厘米級。文獻[12]利用GNSS+R SNR數(shù)據(jù)反演出的測高結(jié)果與驗潮站的觀測結(jié)果做了對比，結(jié)果顯示兩者之差小于3 cm。另外，文獻[13]在飛機上搭載iGNSS+R設備的試驗表明，利用GPS反射信號測高的精度能達到5 cm，其空間分辨率能達到5 km。文獻[14]將cGNSS+R設備搭載在飛行高度為1 km的飛機上，利用L1載波相位信號解算得到的平均海面高度(SSH)與Jason-1的測量對比，精度在10 cm左右。

目前國內(nèi)外利用岸基和機載GNSS+R等獲得了一系列的新結(jié)果。例如文獻[15]首次利用岸基BDS觀測獲得了海平面變化，與驗潮站觀測結(jié)果有較好的一致(見圖 2)。在星載GNSS+R方面，文獻[16]首次利用TDS-1數(shù)據(jù)反演得到海表面高度(sea surface height, SSH), 其結(jié)果與全球DTU10的海表面高度數(shù)據(jù)進行了對比，存在一定的一致性但依然也有較大的差異。

圖 2 利用BDS L2、L6、L7 SNR以及三頻組合所監(jiān)測的海平面變化與潮汐觀測值的對比(10 d期間)^[15]Fig. 2 Comparison of the monitored sea level changes with tide observations based on the SNR data of BDS L1, L6, L7 and three-frequency combinations during 10 days^[15]

2.2 海面測風

海面在風的作用下會引起波浪，從而引起海面粗糙度的變化。根據(jù)海面風場反演原理，反射信號的功率峰值隨著風速的增大而減小，波形也相應越扁平。這說明海面散射能量隨風速的變化而分布到更大的范圍，即閃爍區(qū)范圍變大。故可以通過和模擬波形相對比反演海面風速。此外，風速和風向還會影響海平面坡度。風向的變化會對閃爍區(qū)的非對稱性產(chǎn)生影響。沿順風方向，海面散射功率曲線函數(shù)的包絡較寬，沿測風方向則相對較窄，表現(xiàn)為曲線波形上的非對稱性。

自1997年，NASA蘭利研究中心與科羅拉多大學聯(lián)合開展了關于GNSS+R海面風場反演算法的研究，并進行多次機載飛行試驗^[3]。試驗發(fā)現(xiàn)，GPS反射信號的相關功率波形與風速有直接關系，且海面風速越大，波形的后延變化越趨于平緩，反之越陡峭。2000年，文獻[8]提出雙尺度表面模型(Z-V模型)在早期的GNSS+R海面風場反演模型中較為系統(tǒng)和成熟，但是該模型并沒考慮閃爍區(qū)之外由海水表面小尺度坡度造成的布拉格散射所產(chǎn)生的反射。后來，文獻[17]等對Z-V模型進行了改進。除此之外，NASA/科羅拉多大學、ESA和Starlab研究所等進行了大量機載試驗，并根據(jù)反演理論對試驗數(shù)據(jù)進行了海面風場反演，風速反演精度達±2 m/s，風向精度為±20°。2014年，文獻[18]使用GNSS+R *** 獲得的時延多普勒圖像(DDM)的5個觀測量，并使用根據(jù)NDBC浮標數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗地球物理模型函數(shù)(GMF)，建立了基于回歸分析的最小方差風速估算模型，結(jié)果表明使用最小方差風速估算模型的均方根誤差比僅僅使用單個觀測值進行反演的均方根誤差要小得多。2016年，文獻[19]又針對熱帶氣旋全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(CYGNSS)的第二等級產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，并從樣本、功率的選擇，使用二維地球物理模型函數(shù)等方面，改進之前他所提出的海洋測風算法，設置理想的CYGNSS在軌參數(shù)仿真得到的時延多普勒圖像(DDM)對算法進行測試。同時，文獻[20]之一次利用TDS-1數(shù)據(jù)反演得到了海洋風速結(jié)果，該結(jié)果與實測數(shù)據(jù)達到了很好的一致性，如圖 3是利用TDS-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演得到的海洋風速結(jié)果。

圖 3 TDS-1海洋風速反演結(jié)果^[20]                       Fig. 3 TDS-1 inversion results of sea wind speed^[20]

2.3 海冰探測

近年來，全球氣候發(fā)生顯著變化，冰川和凍土加劇融化，從而導致海平面產(chǎn)生明顯變化。早期的海冰監(jiān)測常通過設立觀測站和雷達站，并利用海上工具進行實地監(jiān)測，結(jié)合使用聲吶技術以及光學測量技術獲取海冰厚度，但分辨率低和成本高。隨著遙感技術的發(fā)展，利用光學遙感和雷達遙感測冰的技術得以發(fā)展，但前者會受云層和光照等因素的影響，而微波遙感則具有良好的穿透性且可全天候全天時工作等優(yōu)勢。近些年，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展與完善，使得GNSS+R反射測量技術在海冰監(jiān)測方面的研究也取得了顯著的成果。

1998年4月，文獻[21]通過機載GPS反射實驗推導了美國阿拉斯加巴羅附近北極海冰和淡水冰的形成條件以及凍土的凍結(jié)/解凍狀態(tài)條件，向前散射的GPS反射與RADARSAT的向后散射測量的相關性是一致的，根據(jù)發(fā)射信號特征的差異可以判斷冰的不同狀態(tài)及特征。次年同月，又在北冰洋西北部阿拉斯加州的最北端巴羅地區(qū)進行機載試驗監(jiān)測海冰，并將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比，論證了GPS信號可以提供海冰信息，且分析了GPS反射信號功率峰值與雷達衛(wèi)星的后向散射信號之間存在著相關性。文獻[22]指出GNSS+R垂直極化與水平極化之間的相位差與海冰厚度之間有較好的相關性。2003年，文獻[23]以雷達高度計的相鄰波段為基礎建立了海冰GPS反射信號模型，并進行星載與機載的模擬分析，開發(fā)了用于模擬GPS反射信號的軟件。研究發(fā)現(xiàn)GNSS反射信號對雪表粗糙度和一些粒學參數(shù)敏感，但是該研究彌補了一直以來在L波段非垂直前向散射方面的欠缺。文獻[24]在阿拉斯加州kuskowwim灣用UK-DMC衛(wèi)星進行海冰監(jiān)測，測得海冰厚度在30~70 cm之間，與美國國家冰雪中心和微博輻射計(AMSR-E)的觀測數(shù)據(jù)進行對比，驗證了利用星載GPS反射信號獲取海冰信息的可行性。文獻[25]利用TDS-1 DDM數(shù)據(jù)進行了北極和南極區(qū)域的海冰探測，并得到了很好的探測結(jié)果。

相較于國外，國內(nèi)對海冰監(jiān)測的進展還處于起步階段。2013年，文獻[26]利用歐空局格陵蘭島的數(shù)據(jù)進行模擬分析，得到GNSS反射信號的極化比與海冰密集度的關系，驗證了GNSS+R監(jiān)測海冰的可行性。文獻[27]在中國渤海進行岸基試驗，對渤海海冰進行監(jiān)測，通過模擬GNSS+R信號在海水和海冰表面的反射，建立3層輻射傳輸模型得到GNSS信號的反射率和海冰厚度及入射角度間的關系，并將結(jié)果與2013年天津海冰消融過程的試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，進一步驗證了GNSS+R信號對海冰監(jiān)測的敏感。

2.4 土壤濕度

土壤濕度是地表土壤的一個重要參數(shù)。土壤水分在全球水循環(huán)中有著重要作用，是地表能量平衡的重要決定因素，影響著地表農(nóng)作物的生長和洪水泥石流災害的發(fā)生，也影響著全球天氣變化。地面GPS反射信號包含有土壤濕度、介質(zhì)常數(shù)、地面粗糙度以及植被覆蓋等方面的信息。2000年，文獻[28]延伸了Z-V模型，使其適用于土壤濕度測量，發(fā)現(xiàn)反射信號的波形峰值雖然與土壤濕度相關，但是地面粗糙度對波形尾部有影響，這給利用波形反演土壤濕度帶來困難，于是產(chǎn)生利用特制雙天線接收機來接收信號從而利用反射信號來反演土壤濕度的構(gòu)想。2002年以后，美國宇航局(NASA)連續(xù)執(zhí)行了一系列GPS反射信號土壤水分遙感試驗，分析土壤介電常數(shù)與反射信號功率的定性關系。西班牙Starlab研究所設計了 *** IGOL(soil moisture interference-pattern GNSS observations at L-band reflectometer)探測裝置，用于探測直射信號和反射信號干涉之后的信號，通過分析干涉信號波形特征與土壤水分的關系，反演地表參數(shù)，即干涉模式技術(IPT)。文獻[29]利用IPT技術，從最簡單的裸土模型開始研究土壤水分反演算法，到有植被覆蓋的復雜模型，證實土壤水分與干涉信號的振幅有關。以及文獻[30]又提出利用傳統(tǒng)的GPS接收機也可以進行土壤濕度反演，并對此進行了長期研究，與其他科研學者一起建立了基于物理的多路徑正演模型^[31-32]，很好地分析了多路徑信噪比的相位振幅隨土壤濕度的變化而變化，促進了GNSS+R技術在土壤濕度監(jiān)測應用。文獻[33]在河南鄭州開展的GNSS+R航空飛行試驗, 給出土壤濕度的估算 *** 和結(jié)果分析, 為中國GNSS+R觀測試驗開展、自主載荷研制、陸面觀測數(shù)據(jù)處理等提供參考。但由于地面上植物、樹葉及玻璃雜物等因素的存在，GPS多路徑信號包含的信息是非常復雜的，從地基GPS多路徑信號中提取土壤水分參數(shù)的信息，首先必須剔除其他因素的影響。

2.5 植被探測

植被探測，包括植物含水量，可以確保農(nóng)作物的正常生長，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題并解決。植物覆蓋在土壤上，其含水量會影響土壤濕度的監(jiān)測，而估計植物含水量可以提高土壤濕度的反演精度。隨著GNSS系統(tǒng)的完善，GNSS臺站已經(jīng)遍布全球各地，同一時刻可觀測的衛(wèi)星個數(shù)、可接收到的衛(wèi)星信號越來越多，有助于植物監(jiān)測網(wǎng)的建立。而且GNSS信號屬于微波波段，而微波對地表粗糙度、含水量等敏感。一方面有利于對植物含水量的監(jiān)測，但另一方面在監(jiān)測植物含水量的同時，受地表粗糙度和土壤濕度的影響，因此在估計植物含水量時，需要采用一定的 *** 消除這些因素的影響。

文獻[30]首次提出了利用傳統(tǒng)GPS接收機多路徑觀測可監(jiān)測土壤濕度，為GPS反射信號監(jiān)測植物含水量奠定了基礎。文獻[34]首次利用GPS的噪聲統(tǒng)計量MP1 RMS定性地估計了植物生長，指出信噪比會隨著植被的生長而減小。文獻[35]用Larson等提出的用于土壤濕度反演的正演模型對植物含水量與信噪比和實際反射面高度進行了定量分析，研究發(fā)現(xiàn)在植被含水量不超過1 kg/m²時，植物含水量與信噪比振幅呈線性關系。文獻[36]提出了一種較為復雜的基于信噪比干涉圖的振幅與頻率分析的 *** ，以消除植被含水量在土壤濕度中的影響，并獲得較好的結(jié)果。

2.6 積雪厚度

積雪是重要的淡水資源，對全球大氣和海洋的熱狀況和區(qū)域性氣候有著重要影響。積雪的融化一方面補給了地球水資源，但是另一方面卻會造成海平面上升，淹沒沿海城市，影響人類正常生活。積雪探測十分重要，但是由于積雪的時間、空間變化特性，使得積雪探測十分困難。傳統(tǒng)的地基觀測 *** 雖然可以觀測到積雪厚度和密度，觀測精度也高，但是依然存在時間分辨率較低或缺乏空間動態(tài)變化等缺陷，而新型的空基遙感探測，如光學星載傳感器雖然可以提供積雪覆蓋信息，但是積雪的厚度和密度等信息卻無法獲得。而近年來，逐步發(fā)展起來的GNSS技術，利用其優(yōu)勢在積雪探測方面取得了一定的成果。

文獻[37]利用GNSS+R技術對科羅拉多發(fā)生的兩次暴風雪的測量在積雪厚度方面的研究取得了初步結(jié)果，將GPS信噪比估計得到的積雪厚度與實際的積雪厚度進行對比，證明傳統(tǒng)的GPS接收機可以用來測量積雪厚度。文獻[32]建立的基于物理的多路徑正演模型，充分考慮了GPS發(fā)射信號的左旋和右旋極化以及天線/地面的響應特性。他們還利用Matlab建立了該模型的模擬器，使用該模擬器可以用來分析反射測量的特征。并利用多路徑正演模型建立了GPS多路徑測量積雪厚度的反演模型，估計結(jié)果與實測值達到了0.97以上的相關性^[38]。文獻[39]利用GPS-L4觀測值和非參數(shù)的自舉模型來估計積雪厚度的變化，與實測結(jié)果符合度良好，進一步推動了積雪探測的發(fā)展；文獻[39]利用GPS的L2P觀測值的信噪比數(shù)據(jù)分析積雪厚度的變化，在高度角為5°—30°時計算得到的相關系數(shù)高達0.98，表明當GPS衛(wèi)星高度角在30°以下時更有利于雪深測量。同時，文獻[41]又利用GLONASS信噪比觀測值與L4相位組合觀測值分析了積雪厚度結(jié)果，并與GPS結(jié)果進行了對比，同時融合兩者觀測值提高了估計結(jié)果精度(見圖 4)。

圖 4 GLONASS與GPS觀測值融合后的結(jié)果^[41]Fig. 4 Fusion results of GLONASS and GPS observation^[41]

3 前景與展望

目前，新一代的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，包括美國現(xiàn)代化GPS、俄羅斯現(xiàn)代化GLONASS系統(tǒng)、歐盟Galileo系統(tǒng)和中國北斗系統(tǒng)(BDS)，正在不斷發(fā)展與完善，GNSS正向多頻、多模的方向發(fā)展。結(jié)合空基增強系統(tǒng)(QZSS和IRNSS等)，地基GNSS測網(wǎng)可以接收更多頻率的多系統(tǒng)GNSS反射信號，這將大大提高時空分辨率，更好地估計地表反射面地球物理參數(shù)。另外，隨著全球IGS測站以及區(qū)域性GPS測站的不斷增多，可獲得更多的地基GNSS測站周邊環(huán)境信息，為全球水文研究及氣候變化提供了一個新的工具。

3.1 GNSS+R接收機

美國噴氣推進實驗室(JPL)研發(fā)的“BlackJack”GPS接收機目前廣泛應用于精密定軌及無線電掩星等。為滿足未來新任務以及準實時數(shù)據(jù)處理能力的需求，新型GNSS接收機不僅能夠接收和跟蹤GPS信號，還將能夠接收Galileo、GLONASS及中國北斗等系統(tǒng)信號。目前JPL正在研發(fā)新一代的GNSS多頻接收機TriG(Tri-GNSS, GPS+Galileo+GLONASS)用于精密定軌及無線電掩星和反射測量。通過跟蹤GPS的L1 C/A、L2、L2C和L5以及Galileo、GLONASS等新型系統(tǒng)的信號，TriG可以進行多頻GNSS信號折射和反射測量。

為利用GPS反射信號推演海面高度、海況及土壤濕度等相關地球物理參數(shù)，加泰羅尼亞理工大學(UPC)研發(fā)了“高級GNSS無源反射儀(griPAU)”，griPAU設備利用GPS L1波段的C/A碼，可以實時、高精度的得到延遲-多普勒相關值(DDM)，并可根據(jù)不同的分辨率配置及選擇相關或非相關的積分時間來計算24(32復雜點的DDM。griPAU的高靈敏度提高了地球物理參數(shù)的恢復質(zhì)量。現(xiàn)代化的多頻GPS、未來的Galileo系統(tǒng)等帶來了更多的衛(wèi)星星座、新的信號和頻段，西班牙的ICE也正在進行GNSS+R設備研發(fā)、GNSS信號散射和反射應用等方面的研究。

3.2 GNSS+R低軌衛(wèi)星

星載GPS反射試驗，如美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和國家太空中心(NSPO)計劃在2017年發(fā)射下一代的FORMOSAT-7/CO *** IC-2衛(wèi)星。新一代的衛(wèi)星系統(tǒng)將擁有12顆裝載GNSS+R接收機的衛(wèi)星，可接收GPS、GLONAS以及Galileo反射信號。因此它可以收集大量的反射測量數(shù)據(jù)以用于陸地和海洋等方面的應用。同時，NASA設計的CYGNSS反射測量衛(wèi)星2016年發(fā)射。CYGNSS含有8個繞著運載工具運行的小衛(wèi)星，在該軌道上，小衛(wèi)星將接收到來自GPS衛(wèi)星的直射信號和由反射信號^[42]。NASA團隊致力于研究海洋表面特性、潮濕大氣熱力學、判斷熱帶颶風的形成和是否會繼續(xù)加強以及加強幅度多少的對流輻射動力學之間的關系，而CYGNSS將會改善預報和記錄 *** 。由于快速變化的風暴中心在颶風形成初期和颶風的加劇中扮演著十分重要的角色，CYGNSS將首次幫助科學家探測發(fā)生在風暴中心的大氣與海洋之間的交互過程。

3.3 新興應用

確定洋面粗糙度和冰凍圈有很多種 *** ，然而缺少足夠的星載數(shù)據(jù)來驗證這些 *** 以及監(jiān)視更多的細節(jié)，而傳統(tǒng) *** 實時性不足且空間分辨率較低。在未來幾年里，將有更多搭載下一代GNSS遙感接收機的試驗衛(wèi)星發(fā)射。在環(huán)境遙感的各個領域，高時空分辨率、準實時的GNSS+R將得到更多的應用，如監(jiān)測海冰、海況、海洋渦流、海面浮油、地質(zhì)災害及航天飛機測控等。這些準實時的GNSS反射數(shù)據(jù)將向公共領域開放，而對這些數(shù)據(jù)的分析將在預報強風、危險海況、洪澇災害、海洋渦流以及風暴潮等方面發(fā)揮重要作用。此外，高采樣率的海面粗糙度數(shù)據(jù)也將從未來大量的GNSS反射信號中估計出來，這將加深人們對洋面海氣通量、浮冰脊、霜花、破冰以及冰雪交界處的粗糙度的認識，尤其是在那些無法接近且環(huán)境惡劣的海冰區(qū)域。

合成孔徑雷達(SAR)可生成關于陸地表面的高分辨率影像，其發(fā)射機和接收機可以在同一平臺即單基SAR，也可分別安裝在不同平臺即雙基或多基SAR。對于GNSS-SAR，由星載發(fā)射機和鄰近地表的接收機等組成，其中GNSS衛(wèi)星作為發(fā)射源，這些發(fā)射源可以是GPS\GLONASS\Galileo\BDS，接收機可以固定在地表、裝置在航空器上或在陸面車輛上。與其他衛(wèi)星系統(tǒng)相比，作為發(fā)射源的GNSS既有優(yōu)點也有缺點。首先GNSS擁有眾多的衛(wèi)星星座群，對于地球表面的同一點，同時有4~8個衛(wèi)星可見，來自于多顆衛(wèi)星的信號有助于建立3D射線表面圖，其次GNSS的導航信號具有更佳的遙感同步的特性。但是GNSS的預算功率低而且距離分辨率受發(fā)射信號的帶寬限制。

4 小結(jié)

GNSS+R反射測量遙感技術是利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的反射信號對海洋、陸地或冰川雪地進行遙感探測的新興手段。GNSS衛(wèi)星作為可提供免費且長期穩(wěn)定的L波段信號源，可充分發(fā)揮GNSS系統(tǒng)自身優(yōu)勢-全天候、全天時、覆蓋范圍廣、時空分辨率高等，在海洋遙感上，可以進行海洋測高、反演海面風場、估計海水鹽度以及海面溢油；在陸地遙感上，利用微波波段對水分的敏感的特性，可以估計土壤濕度和植物生長量；在冰川雪地遙感上，充分利用GNSS在時空分辨率上的優(yōu)勢，可以測量海冰厚度、積雪厚度、密度、粗糙度等。目前，GNSS+R在海洋、土壤濕度和冰雪等遙感監(jiān)測等取得較好的進展。隨著GNSS+R反射測量技術的發(fā)展，將來或可能監(jiān)測火山、地震形變和滑坡等自然災害。隨著越來越多的多頻GNSS導航衛(wèi)星星座及空基增強系統(tǒng)，以及空基GNSS反射測量任務的實施(如接下來的FORMOSAT-7/CO *** IC-2和CYGNSS任務)，人們將獲取更多的高時空分辨率的地表特征信息。另外，相關人員正在研發(fā)更加先進的GNSS接收機，為了能夠滿足不同的應用需求而改進了算法，為滿足未來空基高性能任務的需求而具有準實時數(shù)據(jù)處理能力(例如具備多模GNSS反射和折射技術的下一代Tri-GNSS接收機)。未來幾年里，公眾使用一些大學等機構(gòu)研發(fā)的低成本衛(wèi)星將成為可能，GNSS信號在遙感領域的應用也將擴展到全球范圍內(nèi)。

【引文格式】金雙根，張勤耘，錢曉東。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射測量(GNSS+R)最新進展與應用前景[J]. 測繪學報，2017，46(10)：1389-1398. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170282