基于GNSS右旋圆极化反射信号反演海面风场的研究

Utilizing Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R) to estimate sea surface wind has become a research hotspot in recent years. Airborne experiments and occulation signal processing showed that, even though weak, right hand circular polarized (RHCP) GNSS reflected signal could be received by the receiver onboard airborne and spaceborne platforms. However, little research work has been done on retrieving sea surface wind using RHCP reflected GNSS signals. The following tasks will be conducted in this proposal. Firstly, to compare the accuracy of the wind fields retried respectively by using RHCP and left hand circular polarized (LHCP) GNSS signals. Then, to propose an approach to retrieve sea surface wind by combing RHCP and LHCP reflected GNSS signals from the same GNSS satellite. Finally, to develop an approach to retrieve sea surface wind combing RHCP reflected from low elevation GNSS satellites and LHCP reflected GNSS signal from high elevation GNSS satellites. The effects of ionosphere and tropical atmospheric duct on the propagation of GNSS signals will be considered in our study. The research achievements will improve sea surface wind's retrieval accuracy and promote the applications of GNSS-R in the field of sea surface wind monitoring.

利用全球导航卫星系统反射信号遥感技术（GNSS-R）反演海面风场是近年来国际研究的前沿和热点。机载实验及掩星信号处理结果表明，尽管较弱，GNSS的右旋反射信号在机载和星载平台是能够接收到。然而，目前国内外对利用GNSS右旋圆极化反射信号(RHCP)反演海面风场的研究相对较少。本课题拟开展以下研究内容：首先，研究单独利用GNSS右旋圆极化反射信号反演海面风场的能力并与左旋圆极化反射信号进行对比；然后，研究联合同一颗GNSS卫星的右旋圆极化反射信号和左旋圆极化反射信号共同反演海面风场的方法；最后，研究联合低仰角GNSS的右旋圆极化反射信号和高仰角GNSS左旋圆极化反射信号共同反演海面风场的方法。研究过程中还将考虑电离层及对流层大气波导对GNSS信号传播的影响。本项目的研究成果预计将提升GNSS-R技术反演海面风场的精度，推动其在海面风场监测领域的业务化应用。

基于GNSS反射信号遥感海面风的技术，是近年来被广泛关注的国际前沿和热点。然而，入射到海面的右旋圆极化GNSS信号，由于去极化效应，其反射信号含有左旋圆极化分量和右旋圆极化分量。以布儒斯特角为分界点，当GNSS入射信号的高度角大于布儒斯特角时，左旋反射分量强于右旋反射分量，且左旋与右旋反射分量的能量之差随着高度角的增加，迅速增大；反之，则右旋分量强于左旋反射分量，且右旋与左旋反射分量的能量之差，随着高度角降低而迅速增大。.本项目对GNSS右旋圆极化反演海面风的可行性进行了研究，包括以下三项内容：（1）单独利用GNSS-R右旋反射信号与左旋反射信号反演海面风场的对比研究；（2）联合同一颗GNSS卫星的右旋反射信号和左旋反射信号共同反演海面风场的研究；（3）联合低仰角GNSS的右旋反射信号和高仰角GNSS左旋反射信号共同反演海面风场的研究。.研究结果表明：.（1）星载平台应用情形中，必须用大于30 dB的高增益右旋天线才能接收到高度角小于30°的GNSS右旋反射信号，并且空间分辨率大于一个风区50km的空间尺度。因此，GNSS右旋圆极化反射信号，不适宜用于星载海面风的反演。.（2）机载平台应用情形中，采用13dB增益的右旋圆极化天线，便可以利用高度角小于30°的右旋反射信号反演高精度海面风；当采用30 dB的高增益天线时，高度角的范围可扩大到70°。此外，机载高度的GNSS反射信号空间分辨率皆小于一个风区50km的空间尺度。因此， GNSS-R右旋圆极化反射信号适宜机载平台应用，且反射信号的高度角在10°～30°范围内最佳。.（3）联合反演应用中，同一颗GNSS卫星的右旋反射信号和左旋反射信号共同反演海面风场，是可行的；由于，低仰角GNSS的反射信号对海面风向的敏感性更高，如果能同时接收低仰角GNSS的右旋反射信号和左旋圆极化反射信号，再与高仰角GNSS左旋反射信号共同反演海面风场则效果更佳。机器学习海面风场反演方法是一种适宜的联合反演方法。.本项目的研究成果可用于提升GNSS-R技术反演海面风场的精度，推动其在海面风场监测领域的业务化应用。