利用GNSS散射和直射信号联合反演大气波导研究

Remote sensing lower atmospheric refractivity from electromagnetic wave is a new international complex nonlinear optimization problem. It's not only important for meteorology, but also important for military affairs. Now, the primary method for this problem is to estimate atmospheric refractivity from active radar clutter, which has many shortcomings, such as low precision, high cost, electromagnetism disturbance, and exposed electromagnetic characteristic. In order to overcome the above shortcomings, based on the prophase research, a new method is introduced to estimate lower atmospheric refractivity from Global Navigation Satellite System signal, and an experiment campaign is designed and launched at coastal area to validate the new concept and method. The new method can get continuous and area-coverage atmospheric refractivity in real time. Multi-wave optimization algorithm using GNSS scattering and straight signal to get the best estimation results, contrast to from traditional radar clutter, the method have many advantages, such as high precision, low cost, flexible installation, and unexposed electromagnetism characteristic, it's a new way for using GNSS signal to estimate lower atmospheric refractivity.

利用电磁波在大气传播过程中所携带的大气信息来反演大气波导是目前国内外前沿的研究课题，该研究课题具有重大的军事意义和民事应用价值。目前国际上通常采用从主动电磁设备雷达回波来反演大气波导，但该方式存在着探测反演精度较低、装备昂贵、易受电磁干扰、无法实现电磁隐蔽等问题。为解决以上问题，本课题在前期工作的基础上提出利用全球导航卫星定位系统(GNSS)技术反演大气波导的新理论与新方法，并通过岸基试验验证该方法的有效性，实现海上大气波导分布参数的实时、区域、连续和被动探测。该方法利用被动接收的GNSS散射信号和直射信号实现对大气波导的联合最优反演，具有机动灵活、性价比较高、反演精度高等优点，由于本身不发射电磁波，还具有较好的电磁隐蔽能力，为我国利用GNSS信号反演大气波导开创一条新路。

针对雷达回波反演大气波导存在的探测反演精度较低、装备昂贵、易受电磁干扰、无法实现电磁隐蔽等问题，本项目从GPS散射信号电磁波抛物型方程和GPS直射信号的相位观测延迟方程出发，对正演传播问题与反演算法设计进行深入、创造性的研究，开展GPS反演大气波导的海岸观测试验，积累试验数据，系统建立GPS信号反演大气波导的理论和方法。. 在建立和研究GPS海面散射信号的传播模型方面，利用快速多极子算法计算大入射角和大散射角情况下GPS信号L1频段（1575.42MHz）的前向散射系数，分析GPS信号的海面散射特性；用双基地雷达方程对GPS海面散射信号进行建模，研究大气波导发生时对GPS海面散射信号传播的影响。. 在建立GPS相位观测延迟量反演大气波导的数学模型方面，利用射线追踪技术来模拟低仰角地基GPS电磁波在空间的传播路径，建立利用低仰角地基GPS信号相位观测延迟量反演大气波导的数学模型，然后用参数化模型来表示大气波导的结构，将大气波导的反演转化为数学中的参数反演问题，通过全局优化算法搜索最优的反演参数。. 根据GPS散射信号和直射信号，发展和设计多目标优化反演算法，建立GPS散射信号和直射信号反演下不同的目标优化函数，实现多个目标函数同时进行优化反演，构建我国自有知识产权的GPS信号反演大气波导的系统，为GPS信号实际应用于大气波导反演开创一条新路。. 项目在实施过程中申请国家专利1项，正式发表了SCI论文7篇。项目组实际负责人盛峥副教授因在“积极推动雷达回波反演大气波导向国防业务化运行”的突出贡献，引起国内气象科研工作者的关注，荣获“2015年谢义炳青年气象科技奖”。