# 一、什么是GNSS-R：用导航卫星做遥感
提到卫星导航，大家首先想到的是定位、导航、授时这些功能。但你可能不知道，导航卫星信号除了直接被接收机接收用来定位之外，它经过地面、海面反射之后的信号，也包含了丰富的地表信息。利用这些反射信号进行遥感探测的技术，就叫做GNSS-R——导航卫星反射测量技术。
GNSS-R的基本原理其实很直观：导航卫星发出的L波段信号，一部分直接到达接收机，这是直射信号；另一部分经过地面或者海面反射之后，也会到达接收机，这就是反射信号。反射信号的强度、相位、波形，和反射面的物理特性密切相关——比如海面的粗糙度、土壤的湿度、冰层的厚度等等。通过精确测量直射信号和反射信号之间的路径差、以及反射信号的波形特征，就可以反演出反射面的各种物理参数。
GNSS-R技术有一个非常大的优势：它是一种"双基雷达"体制，不需要自己发射信号——天上现成的几十颗导航卫星都是你的辐射源，你只需要一个接收设备就行了。这意味着它的成本很低、可以全球覆盖、而且可以持续不断地观测。目前，GNSS-R技术已经在海面风场测量、土壤湿度反演、海冰监测、农作物估产、海啸预警等领域展现出了巨大的应用潜力，是当前微波遥感领域的一个研究热点。
# 二、GNSS-R接收机的特殊之处
GNSS-R接收机和普通的导航定位接收机，既有联系又有很大区别。
说有联系，是因为GNSS-R接收机首先得是一个能正常工作的导航接收机——它要先接收直射信号，解算出自己的位置、速度、时间，还要精确跟踪每颗可见卫星的直射信号，知道每颗卫星的位置和发射时刻。这些都是传统导航接收机的功能。
说有区别，是因为GNSS-R接收机还要额外做一件事：接收并处理反射信号。反射信号比直射信号弱得多——通常要低20dB以上，而且它不是沿着卫星方向直接来的，而是从地面反射点方向过来的。所以GNSS-R接收机通常需要两个天线：一个朝上的直射天线，用来接收直接从卫星下来的信号；另一个朝下的反射天线，用来接收地面反射回来的信号。
更重要的是，GNSS-R处理的核心产物，叫做DDM——延迟-多普勒地图（Delay-Doppler Map）。它是在两个维度上对反射信号做相关积分：一个维度是码延迟（也就是反射信号和直射信号之间的路径延迟差），另一个维度是多普勒频移（反射点相对于接收机的运动速度带来的多普勒偏移）。把这两个维度上的相关功率画成一张二维的图，就是DDM图。从DDM图的形状、强度、峰值位置，就可以反演出反射面的各种遥感参数。
# 三、卫星导航DDM反射信号处理机
宇志通信推出的卫星导航DDM反射信号处理机，就是专门为GNSS-R研究设计的专用开发平台。它在普通GNSS接收机的基础上，增加了反射信号实时处理功能，能够实时输出DDM二维功率谱，是国内为数不多的商用GNSS-R研究平台。
## 3.1 工作原理
这台设备的工作方式是：先用朝上的天线接收直射信号，闭环跟踪每颗可见卫星直射信号的伪码和载波。然后，用跟踪到的每颗卫星的伪码作为参考信号，去和朝下天线接收到的反射信号做相关运算——不过这个相关运算不是在一个固定的码延迟上做，而是在一个码延迟范围（通常是[-1,1]个码片）和一个多普勒频率范围（通常是[-300,300]Hz）内，逐点扫描式地做二维互相关积分。每一个（码延迟，多普勒频移）的组合，对应DDM图上的一个像素点，最终形成一张完整的二维互相关功率谱图。
## 3.2 主要技术指标
设备支持GPS L1和北斗三号B1I两个频点，直射信号闭环跟踪通道数各12通道，反射信号开环跟踪通道数各1通道。DDM映射方式为1ms相干积分、1s非相干积分，DDM刷新率1Hz。DDM延迟映射范围[-1,1]码片，延迟分辨率1/20MHz；多普勒映射范围[-300,300]Hz，多普勒分辨率优于100Hz。数据更新率10Hz，快捕速度1秒内完成GPS L1全部32颗星和北斗B1I全部63颗星的捕获。DDM数据和观测量通过RS422接口输出。
这套指标基本覆盖了GNSS-R研究的主流需求。1秒刷新一次DDM，对于机载、星载平台来说已经足够；延迟分辨率和多普勒分辨率也在可接受范围内。具体指标还可以根据用户的定制需求调整。
# 四、典型应用场景
## 4.1 海面风场遥感
这是GNSS-R最成熟的应用方向之一。海面的粗糙度和海面风速直接相关——风越大，海面越粗糙，反射信号的相干性就越差，DDM图上的相关峰就越宽、越矮。通过测量DDM图的峰宽和峰值强度，就可以反演出海面的风速。NASA的TDS-1、ESA的CYGNSS这些专门的GNSS-R卫星星座，就是用这个原理来做全球热带海洋的风场监测的。
有了DDM反射信号处理机，国内的高校和研究所就可以开展机载GNSS-R海面风场遥感的研究了——把设备装在飞机上，朝下对着海面飞行，实时输出DDM数据，事后和现场实测的浮标数据做对比，反演算法的精度。
## 4.2 土壤湿度测量
土壤的介电常数和土壤含水量密切相关——越潮湿的土壤，反射率越高，反射信号就越强。通过测量不同地块上反射信号的强度，就可以反演出表层土壤的湿度。这在农业灌溉、水文监测、干旱预警等领域有重要应用价值。地面车载、无人机载的GNSS-R土壤湿度测量，是目前国内很多农业遥感团队的研究方向。
## 4.3 海冰与积雪监测
海冰和海水的反射特性差异很大——冰面的反射是镜面反射为主，海面是漫反射为主。通过DDM图的形状差异，就可以区分冰和水，还可以估算海冰的厚度。同理，积雪的厚度、含水量也会影响反射信号的特征。在极地遥感、气候变化监测领域，GNSS-R是一种很有潜力的低成本观测手段。
# 五、无人机载GNSS-R采集器：机载试验专用
除了实验室用的DDM处理机，宇志通信还专门开发了无人机载双频GNSS-R中频信号采集器。这是一款非常小巧的机载采集设备——整机尺寸小于21×14×3cm，重量只有0.9kg，功耗20W，非常适合装在中小型无人机上做飞行试验。
它采用四通道射频结构：通道1、2共本振，支持GPS L1和北斗三号B1C采样；通道3、4共本振，支持GPS L5和北斗三号B2a采样。四个通道共用同一个高稳恒温晶振参考时钟。设备内置2TB固态硬盘阵列，连续采集时间超过3.2小时。飞完一趟之后，把数据导出来，在电脑上用MATLAB做离线的DDM处理和反演分析。
这种"机载采集 离线分析"的工作模式，非常适合GNSS-R算法的初期研究——先在无人机上把数据录回来，然后在实验室慢慢优化反演算法，等算法成熟了，再移植到实时处理平台上去。
# 六、总结
GNSS-R是一个交叉性很强的新兴研究方向——它把卫星导航、微波遥感、信号处理、大气科学等多个领域的知识结合在了一起。开展GNSS-R研究，需要一套专门的反射信号处理平台，而不是拿普通的导航接收机改一改就能用的。
上海宇志通信技术有限公司提供从实验室桌面型DDM实时处理机到无人机载双频中频采集器的全系列GNSS-R研究平台，配套GNSS软件接收机开发平台和中频采集回放设备，形成完整的GNSS-R研究工具链。如果您正在开展GNSS-R遥感相关的科研课题，欢迎联系宇志通信技术团队获取详细产品资料和应用案例。
