随着北斗导航系统的完善，利用北斗反射信号对海洋气象参数进行探测成为可能。

　　自上世纪90年代起，国外开始着手研究GPS卫星反射信号技术（GNSS-R），并逐渐将其应用到遥感领域中，包括海洋、土壤、冰层等，其中利用GNSS反射信号探测海洋地理参数逐渐成为研究的热点。1993年，M.Martion-Neria首次提出将一种被动的反射与干涉测量系统(PARIS)应用到海面测高领域；1996-1997年美国NASA进行了多次机载实验，对GPS反射信号的相关函数特性进行了研究，得出通过接收GPS经过海面的反射信号可以获取海面的参数信息。通过1997年的机载实验，发现GPS反射信号的相关功率波形同风速具有一定的数学关系。1999年西班牙加泰罗尼亚研究所同美国NASA在地中海开展了海风探测试验，利用经验模型，取得了良好的效果。

　　我国自2004年起，开展了对卫星反射信号的一系列研究和试验，并在渤海海域获取了海面风场数据；2006年中科院大气所等单位在厦门获取了海面波高和潮位数据。2012年我国完成了北斗卫星导航系统的区域覆盖建设，其可为整个亚太地区提供全天时、全天候、高精度的定位、导航及授时服务。北斗卫星导航系统由三种轨道混合多星座组成，其中当前包括5颗GEO、5颗IGSO和4颗MEO卫星组成。

　　伴随着我国拥有自主知识产权的北斗导航系统的建成，利用北斗卫星反射信号探测海风海浪成为可能，这将成为一个北斗应用的重要领域，为我国海洋气象探测提供有效的补充。

　　结合当前的北斗技术，北京航空航天大学开展了对北斗反射信号技术的研究，并研发了基于北斗反射信号的海风海浪探测系统。该系统实现了对北斗反射信号的接收和实时处理，并通过监控软件反演探测海域的风速，波高等信息。项目组在山东威海地区开展了一系列的海风海浪探测试验，并将北斗反射信号反演所得的海洋参数同传统气象测量数据进行了对比。

　　系统设计

　　系统组成

　　北斗反射信号海风海浪探测系统由北斗卫星反射信号接收机和反演应用软件两部分组成，如图1所示。

　　北斗海风海浪探测系统采用四射频前端，其可接收频段为1561～1576MHZ的信号，可兼容北斗B1和GPSL1信号。天线接收的卫星信号通过接收机内部的射频前端下变频为模拟中频信号；经过采样量化单元，转换为2bit/采样点的数字中频信号；数字中频信号（原始数据）通过USB上传至监控系统，同时直射及反射信号所对应的数字中频信号传送至基带处理单元，经编码后，由基带处理单元求解反射信号的相关值，并将结果通过USB上传至监控系统。反演应用软件通过解析原始数据及反射信号相关值完成对数据基本要素的提取，完成经验模型的搭建，从而实现海洋基本参数：风向、风速及有效波高等信息的反演。同时系统将传统海洋气象探测的同比数据与系统反演所得的海洋参数进行比较，用于优化和修正反演算法及模型。图2为北斗反射信号接收机外观。

　　海风海浪探测原理

　　实验

　　2014年6月～7月，北航与国家气象局在山东威海成山头气象站，使用北斗反射信号海风海浪探测系统对附近海域进行了持续的观测实验。

　　其中天线观测点坐标为（37°23'23"N,122°41'49"E），观测平台高30米左右，如图3所示。本次试验固定观测北斗GEO1号卫星（仰角：42～45°，方位角：152～154°）直射天线朝向天顶方向，反射天线朝向东偏南方向，其仰角为40°。

　　天线兼容北斗及GPS民用双频信号，直射天线选用右旋宽波束天线，天线增益为5dB；由于反射信号强度较弱，且为减少非海面反射信号的干扰，反射天线采用左旋高增益窄波束天线，波束为38°，天线增益为12dB。在实验期间，探测系统结合成山头气象站在近海海域的观测数据作对比。图4为接收机处理平台。

　　系统对探测海域进行持续的观测，并根据所接收到的北斗卫星信号，通过北斗反射信号接收机进行实时数据处理，最终由工作站反演出包括风速、有效波高、相关功率等信息。

　　结果分析

　　该系统通过分析北斗反射信号中相关时间同海风海浪参数的关系，结合海风海浪的理论模型，得出了探测海风海浪的经验模型，进而完成海洋参数信息的反演。同时为验证探测系统的反演准确度，还对2014年6月16日到6月21日的数据进行了反演实验，并将反演结果同浮标观测值进行了比较分析。实验结果表明，利用北斗反射信号探测海风海浪同浮标相比具有很好的可行性。

　　北斗反射信号探测系统结构灵活，具有很好的扩展性。该系统可以扩展到海水盐度、土壤湿度、冰雪深度等多参数的反演应用领域。GNSS-R 技术应用的不断发展，对北斗导航系统的应用推广具有积极的意义。

　　作者单位：

　　杨东凯   王强   李伟强 北京航空航天大学电子信息工程学院

　　曹云昌   涂满红 中国气象局气象探测中心