导航和遥感的有机融合：GNSS反射信号的应用仅受人们想象力的限制

全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)反射信号的应用可以说是导航和遥感的有机融合，是导航卫星信号的典型创新。自20 世纪80 年代末欧洲科学家和工程师发现这一现象以来，全世界的卫星导航系统研究者和遥感领域的从业人员纷纷加入该行列，可以说GNSS 反射信号(GNSS-reflections, GNSS-R)的新时代已经到来。《GNSS 反射信号海洋遥感方法及应用》（杨东凯，王峰著. 北京：科学出版社，2020.3。以下简称“本书”）的出版恰逢其时，给读者开辟了一个新的学习GNSS-R 的窗口和机会。

▲GNSS-R 几何配置示意图

GNSS-R 常被称为被动式的双/多基遥感系统。接收机在接收导航卫星直射信号的同时，也会接收经地表反射的导航信号，通过协同处理直射、反射信号进行地表参数的反演，具有低成本、低功耗、可以构建空天地立体监测网等优点。如图所示，从电磁波传播的基础理论看，经地表反射的导航信号携带地表的特征信息，即反射信号相对于直射信号在波形、幅度、极化、相位，以及频率的变化直接反映地表物理参数的特性。

北斗是我国独立自主建设的战略空间信息基础设施，有GPS、Galileo 和GLONASS 不具备的特点和优势。用于海洋环境状态遥感探测更加能突出其混合星座、通导一体等特色，与智慧海洋的深度融合也符合我国的海洋战略和长远规划。

我国海岸线长，沿线居民多，每年遭受海洋灾害损失严重。北斗卫星信号的应用能够给人们带来连续、实时的环境状态信息。加之与大数据的对接，也有可能在数值预报中发挥作用。同时，北斗信号的接收可灵活配置，岸基、空基、星基均可实现不同尺度的连续观测，为海洋渔业生产、环境保护和海事运输提供保障。

▲ 基于电磁波探测的遥感方式

北斗反射信号的应用较GPS 有更多的优势，特别是其导航星座的配置和信号的设计都为遥感应用带来新的机会。北京航空航天大学的学者杨东凯教授带领团队，和国内外相关部门一道，在该领域钻研多年，从地基观测到机载飞行，再到卫星数据的分析，就海洋遥感领域的关键物理参数，如海风参数、海浪参数、海高参数、海冰参数，乃至海面溢油参数都做了深入的探讨，为同行工程技术人员提供了很好的思路和借鉴。尤其是，利用北斗同步卫星的反射信号探测台风的研究成果，处于国际领先水平，为北斗的台风探测应用推广打下了很好的基础。

2012 年，作者出版了《GNSS 反射信号处理基础与实践》一书，重点解决了GNSS 反射信号接收机的设计和研制，并通过大量工程试验测试了其有效性。基于上述成果，作者团队在遥感反演的模型方面，特别是针对电磁波信号的观测量提取和经验模型建立问题，取得了较好的成果，在典型的应用案例中得到进一步的验证，在海洋气象行业引起了很好的反响。今总结成书，全面梳理了海洋遥感中急需解决的问题及其解决方案，为北斗在海洋遥感领域的应用推广提供了一种新的思路和途径。

2019 年6 月

书籍是知识传播、文化传承的重要载体，科技专著则是科技进步的标志之一，也是承载人类认识自然规律的媒介，当然有其特有的属性。对于科技工作者而言，找一本愿意读、容易读的科学著作并不是一件轻松的事情，其原因主要是一带有专著的性质，似乎就必然和艰涩难懂、一堆数学公式联系在了一起。本书尝试换一种形式，尽最大可能使同行能够明白原理，使想进入该领域的读者能比较轻松地了解其物理现象及原理，掌握其数学模型，进而能够指导自己的实践。

作为《GNSS 反射信号处理基础与实践》的姊妹篇，本书在已有GNSS 反射信号接收机的基础上，着重对海洋遥感应用模型展开分析。其维度既有物理概念，也有数学表达；既有信号处理，也有时间序列分析；既有时域，也有频域；既是确定性和随机性的组合，也是理论和实践的统一。为了使读者易于理解，便于指导工程实践，书中介绍的试验场景尽可能详尽、细致，特殊性和一般性也在一定程度上有所展现，使著作不限制读者的想象空间，从另一个角度也体现了科技发展的永恒性，是没有止境的。

对试验数据的处理和经验模型的建立，书中强调较多的是岸基条件下的结果，机载数据较少，星基条件下的数据则仅限于欧洲和美国的卫星，就其验证而言有较理想的结论。当然，我们对自然界的探索脚步永不停歇，对海洋的认识也将逐渐加深。本书的出版仅仅是作者团队总结已有研究成果，并结合国内外同行的见解，较为系统地梳理了GNSS 反射信号在海洋遥感中的应用，希望广大同行能从中受到启发，并加入研究的行列，为我国的北斗应用和智慧海洋建设助力。

GNSS-R技术涉及众多学科领域的交叉，也正处于蓬勃发展期，新应用层出不穷，尚有大量工作等待更多的学者和工程技术人员开展基础理论探索和前沿技术研究。

①正问题的研究。目前已有地表模型和散射模型均具有局限性，使理论和仿真研究的GNSS-R 信号特性不精确。为建立更精确的GNSS 反射信号与地表物理参数的映射关系，完善地表模型和建立L 波段双/多基散射模型成为GNSS-R 技术的研究热点之一。

②反问题的研究。GNSS-R 技术的反问题是利用接收的GNSS 反射信号测量地表参数，涉及信号接收处理、特征参数提取，以及参数反演等。研制多系统兼容的GNSS 反射信号接收处理装置，提取高精度GNSS 反射信号特征参数，以及建立精确的特征参数与地表参数的映射关系仍是GNSS-R 技术的核心内容。

③应用领域的扩展。本书涉及的应用已经得到理论和试验验证，处于规模推广阶段，但在本书出版之际已有新应用领域出现，如植被探测、地形测量、地表成像等。

借用GNSS 领域的一句话，可以说GNSS-R 的应用也仅受人们想象力的限制。

本文摘编自《GNSS反射信号海洋遥感方法及应用》（杨东凯，王峰著. 北京：科学出版社，2020.3）一书“前言”“第9 章 GNSS-R 海洋环境探测应用”，有删减，标题为编者所加。

(电子与信息作战丛书)

国家科学技术学术著作出版基金资助出版

ISBN 978-7-03-064473-2

责任编辑：魏英杰

本书简要介绍典型海洋遥感方法，系统分析全球导航卫星系统(GNSS)反射信号的处理方法，并深入阐述其海况探测应用、海面高度测量、海冰探测，在溢油、海洋盐度和成像等应用方面的探索。书中内容涉及海洋遥感应用的多种不同配置，包括岸基、机载和星载等，海面高度测量的两种不同模式，即双天线协同法和单天线干涉法。同时，在介绍遥感反演模型的过程中涉及的数据，既有作者团队自行开展试验获取的数据，也有与合作伙伴共同开展试验获取的数据，以及应用国外公开卫星数据所得的处理结果。

本书可供卫星导航相关领域(电子通信、雷达遥感、航空航天、计算机等)，海洋遥感相关领域的高校师生学习，也可作为气象、海洋应用研究的工程技术人员和科技管理人员的参考用书。

 （本文编辑：刘四旦）

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