GNSS-R信噪比信号在海面测高技术的研究综述

自全球卫星导航反射信号(GNSS-R)概念提出以来,GNSS-R被广泛应用于遥感方面. 如海面测高,海面风场反演,海冰检测等多个方面. 文中主要介绍了GNSS-R遥感技术在海面测高的应用和研究进展,着重介绍了基于信噪比(SNR)数据测量方法的研究进展,简述了SNR数据测量方法所涉及的理论和信号处理的办法,并根据现有的研究进展,对未来海面测高的发展方向进行展望.      

库区GNSS-R精细化反演水面高度及其验证研究

全球卫星导航系统(GNSS)反射测量技术的出现,为高时空分辨率水位监测提供了一种新的解决方案.?尤其在我国,大中型大坝、库岸高边坡大多建立了GNSS变形监测系统,为全球卫星导航反射信号(GNSS-R)技术监测水位提供了不需重复建设的硬件设备与丰富的数据资源.?以GPS信噪比(SNR)数据为观测量,详细推导了卫星反射信号...     

GNSS-R海面测高现状及其常用方法研究进展

全球卫星导航系统(GNSS)不仅具有导航定位、测速以及授时等功能,且因其反射信号能被接收,可用于海面风场、海面高度反演，由此开辟了一个新的研究领域GNSS反射(GNSS-R)技术，GNSS-R技术用于海洋遥感是一个新的研究领域；文中主要介绍了GNSS-R遥感技术和海面测高的研究进展,并从基于信噪比(SNR)数据测量法、基于 C／A码相位测量法、基于载波相位测量法及基于载波频率测量法等方面分析和总结了GNSS-R在海面高度测量的常用方法.      

基于观测量校正的星载GNSS-R海面风速快速反演方法

快速反演(FDI)算法是一种典型的星载全球卫星导航反射技术(GNSS-R)海面风速反演方法,具有计算复杂度低、快速实时反演的特点,但是FDI算法中的反演观测量提取精度不高,导致风速反演精度低. 针对于此,提出基于观测量校正的改进FDI算法,用于实现海面风速的快速高精度反演. 该方法首先利用辅助测量信息对观测量进行校正以降低干扰因素的影响,然后基于统计分析方法对ASCAT卫星风速数据进行海面风速值提取,最后建立了海面风速与校正观测量的地球物理模型函数(GMF)关系式,实现对海面风速的反演. 与传统FDI算法相比,该方法的反演偏差值更小,均方根误差(RMSE)降低了29%.      

海面GNSS-R模型与时延-多普勒特征研究

GNSS海面反射信号的建模对全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite System-Reflectometry,GNSS-R)遥感应用具有重要意义.针对海面GNSS反射信号建模问题，本文采用Z-V模型研究了GNSS反射信号的时延一维相关功率和时延-多普勒二维相关功率特征，分析了不同风速下一维相关功率的变化情况，讨论了时延间隔和多普勒间隔对时延-多普勒图(delayDoppler map,DDM)的影响.数值结果表明：海面GNSS反射信号的相关功率对海面风速具有敏感性，在DDM波形仿真中，应选择合适的时延与多普勒间隔参数.该模型可模拟不同海况下海面GNSS反射信号的相关功率，为GNSS-R反射信号模拟及海洋遥感应用提供理论模型支撑.     

GNSS大气海洋遥感技术研究进展

全球卫星导航系统(GNSS)信号资源的大气海洋遥感技术一直是一个研究热点. 伴随着GNSS系统的建设和发展,相继出现了利用GNSS延迟信号、反射信号、掩星信号、极化信号获取大气和海洋环境参数的一系列新技术新方法. 在回顾GNSS大气海洋遥感技术概况的基础上,先后概述了GNSS延迟信号(GNSS-D)技术、GNSS反射测量(GNSS-R)技术、GNSS无线电掩星(GNSS-RO)技术、GNSS极化掩星(GNSS-PRO)技术的基本原理,比较全面系统地分析了其国内外研究和应用方面的现状及最新进展,特别是新兴GNSS-PRO技术的机理、优势及发展现状. 最后对该研究领域的发展前景进行了一些探讨,相关技术的突破和发展必将在气象、水文、海洋、陆地、空间环境等地球科学领域发挥越来越重要的作用.      

GNSS载噪比反演船载气象要素传感器距水面高度

船载气象要素传感器距水面高度是使用块体参数化方法预测近海面大气折射率廓线的必要参数,对于海面蒸发波导等无线电气象系统监测结果的准确性具有重要意义. 利用全球卫星导航系统(GNSS)载噪比(CNR)时间序列反演船载气象要素传感器距水面高度. 该方法提取船舶GNSS接收机输出的卫星信号CNR,采用Lomb Scargle周期谱分析GNSS直射信号与反射信号相干性,反演天线相位中心距水面高度. 根据GNSS天线与气象要素传感器几何关系换算船载气象要素传感器距水面高度. 利用趸船实验数据对该方法进行验证,统计有效反演次数,分析海况对反演结果的影响以及反演高度时均变化. 结果表明:利用该方法反演船载气象要素传感器距水面高度是可行的.      

GNSS-R海面风速反演技术研究

利用全球卫星导航系统反射信号技术(GNSS-R)反演海面风速时,得到的双基雷达横截面积由于几何因素的影响不能直接用来反演风速.针对这一问题,对功率校准后的数据进行几何校正,在分析全球卫星导航系统(GNSS)海面反射信号特征的基础上,分析了几何因素对风速反演的影响,对双基雷达横截面积和有效散射区域进行校正,得到相应反射点的反射信号功率;最后对所求得的反射信号参数进行仿真验证.实验结果表明,海面风速反演的均方根误差为2.61 m/s,反演风速与真实风速的相关系数为0.57,校正后的归一化双基雷达横截面积能够有效地反演海面风速.     

岸基条件下的星载GNSS-R干涉测高精度验证评估

星载GNSS-R干涉测高技术通过调制GNSS卫星信号的宽带混合码,可以实现高精度宽幅海面测高。为有效验证星载GNSS-R干涉测高性能,本文设计了基于岸基GNSS-R干涉测高结果,开展星载GNSS-R干涉测高精度等效评估的策略。评估结果表明,GNSS-R干涉测高与卫星导航系统信号体制及信号信噪比相关,星载GNSS-R干涉测高可实现分米级测高精度。本文的研究成果可为后续星载GNSS-R干涉测高工程实践提供技术参考和数据支持。     

全球导航卫星系统反射测量土壤水分遥感：现状与机遇

土壤水分作为全球水循环和能量循环的重要组成部分,在地球水循环、能量平衡以及气候变化中具有不可或缺的作用。传统的土壤水分实地测量方法难以获得大尺度、长时序的土壤湿度空间分布,且具有较高的测量成本。微波遥感信号源穿透能力强,具有全天时、全天候的特点,是获取长时序、大尺度土壤水分最有效的手段之一,特别是L波段的全球导航卫星系统反射测量(global navigation satellite system-reflectometry,GNSS-R)技术,其同时具有主动和被动微波遥感的优势,在土壤水分的测量中备受关注。分析了国内外基于GNSS-R技术的土壤水分遥感研究的现状和进展,系统性地介绍了GNSS-R技术获取土壤水分的原理与特征,分别从正演与反演两个角度详细说明了土壤水分测量的具体方法步骤,给出了主要困难与亟待解决的关键问题。以最新的基于旋风全球导航卫星系统（cyclone GNSS,CYGNSS）星载反演为主要介绍对象,深入阐述了基于CYGNSS数据反演土壤水分的理论模型与方法,并简要分析GNSS-R土壤水分遥感发展面临的机遇与挑战,以期为中国今后地基、空基和星载GNSS-R土壤水分遥感...     

面向陆表的星载GNSS-R DDM波形分类

GNSS-R信号在面向复杂场景的陆表遥感应用中存在信噪比（SNR）低和有效信息难以辨别提取的问题，严重制约了其在陆表遥感领域的应用拓展。为从海量低信噪比的星载GNSS-R陆表数据中快速区分杂波信号和有效信息，本文通过统计归纳分析，基于星载时延多普勒图（DDM）相关峰的显著程度评定，提出了一种DDM波形分类方法。随后，利用该方法对UK TechDemoSat-1（TDS-1）星载陆表观测数据进行了波形分类。最后，比较了分类后波形对应的SNR情况，同时结合典型地物类型对分类结果进行了相关性分析，证实了波形分类方法的可行性与有效性。     

基于虚拟参考站的GNSS滑坡地质灾害监测分析

针对全球卫星导航系统(GNSS)技术在滑坡监测中参考站架设选址难、建设成本高、基准不稳定等问题，使用基于虚拟参考站(VRS)的滑坡地质灾害监测方法，利用卫星导航定位连续运行参考站(CORS)在监测区生成虚拟参考站数据，代替物理参考站进行滑坡监测.实验分析不同解算策略下的虚拟参考站监测精度，并将粗差剔除后的结果与传统GNSS监测进行对比.结果表明：VRS 2 h监测精度平面可达5 mm，高程可达25 mm，所反映滑坡位移趋势与传统GNSS监测一致.     

GNSS-R遥感观测模式及陆面应用

全球导航卫星反射信号遥感GNSS-R(Global Navigation Satellite System Reflectometry)是近年来新兴的一个学科交叉研究领域。本文在调研分析国内外研究进展的基础上,基于GNSS-R工作原理与技术特征,将GNSS-R遥感观测模式定义为双天线模式DAP(Double Antenna Pattern)和单天线模式SAP(Single Antenna Pattern),并对两种观测模式的特性和共性问题进行分析。初步建立GNSS-R遥感应用体系架构,以陆面遥感应用为例,结合近几年参与的GNSS-R观测试验与模型研究工作,给出两种观测模式下GNSS-R遥感的典型应用实例,以期为中国未来地基、空基和星载GNSS-R遥感观测及应用工作的开展提供参考。     

GNSS-R土壤水分遥感的适宜性分析

利用GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflectometry)技术探测土壤水分是近年来一个新兴的研究方向。目前GNSS-R遥感观测中反射信号的接收与处理方式包括单天线与多天线两种模式,面向实际应用需求,GNSS-R遥感正在实现从最初的地基观测向空基、星载观测的转变。在推进GNSS-R土壤水分遥感技术业务化应用的过程中,必须首先进行适宜性分析,确定该技术探测的地理位置、空间分辨率与探测深度,然而目前对此尚未有系统、全面、定量的论述。本文针对适宜性分析中的3个关键因子分别进行理论分析与公式推导,明确相关概念的定义,并实现定量化描述,最终通过实际应用分析进一步诠释其应用价值。对于单天线模式地基观测,以美国板块边界观测计划PBO(Plate Boundary Observatory)土壤水分产品为例,分析镜面反射点的相对位置、第一级Fresnel反射椭圆簇的面积与时间序列土壤水分所代表的探测深度;对于多天线模式,以郑州上街区农田空基观测试验为例,得到基于航迹的栅格土壤水分空间分布并探讨其探测深度。本文能够为未来两种观测模式下地基、空基和星载GNSS-R遥感观测、北斗反射信号遥感,以及GNSS-R在农业、水文、生态等领域的实际应用提供理论指导。     

星载雷达干涉测量中角反射器的设计和安装

介绍利用基于欧空局 ENVISAT ASAR 卫星观测数据的雷达差分干涉测量(D-InSAR)和永久散射体干涉数据处理技术(PS)进行地面沉降活动监测时,如何简便地进行角反射器的设计和安装,来增强卫星反射信号的强度和获得较稳定的永久散射体,以便获得长时序、高相干性的卫星数据,从而实现对地面有效监测的目的.着重从角反射器的设计和安装原理、技术思路、作业步骤和过程、数据效果等方面阐述如何在星载雷达干涉测量技术中设计角反射器.为研究有关角反射器的设计提供一种思路.     

GNSS-R航空遥感海面风场仿真技术

研究了机载GNSS-R遥感海面风场的仿真原理和技术,以KA-GO相关功率模型为基础,分析海浪谱,海面坡度和风速风向的关系,并针对不同风速、风向、接收机高度和飞行速度海面散射信号相关功率开展了数值仿真分析研究,并建立了仿真软件。仿真研究结果表明,以上因素对海面反射信号的相关功率波形的峰值和后沿斜率均有影响。本文的仿真结论为GNSS-R海面风场反演打下了理论基础,建立的仿真软件为GNSS-R海面风场反演提供研究平台。     

GNSS-R研究进展及其关键技术

全面评述了GNSS-R技术的研究进展,主要包括海面测高、海面风场遥感、土壤湿度探测以及星载实验等几个主要方面,从软件接收机和反演模型两个方面分析了GNSS-R的关键技术,并指出了存在的问题和发展方向。     

GNSS-R海洋遥感方法研究

对利用全球导航定位系统（GNSS）的海洋反射信号（GNSS-R）反演海面要素的方法进行了详细讨论。在归纳国外研究成果的基础上，系统地整理和阐述了利用GNSS-R反演海洋要素的理论模型、方法以及反演流程，特别对GNSS-R的信号特征以及功率波形进行了详细讨论和公式推导。     

GNSS-R水位反演的技术精度研究

针对地表物体反射信号引起的多路径效应是影响GNSS定位精度的重要误差源的问题,该文采用GNSS静态观测数据中的信噪比反演水面高度的方法,对水面高度进行反演,从而实现对水面高度变化的实时监测。为了验证水位反演的精度,利用平静湖面及海面上的GNSS静态观测数据,提取卫星高度角0～30°区间的卫星信噪比。采用二阶多项式拟合的方法去除趋势项,并利用Lomb-Scargle方法进行频谱分析,获取反射信号频率,从而反演天线相位中心到水面的垂直距离,进而确定GNSS-R技术反演水面高的能力。实验结果表明:GNSS-R技术在平静水面上的反演精度为厘米级,在海面上为分米级。因此,利用GNSS反射信号中的信噪比可以实现对水面高度的实时监测。     

基于GNSS-R技术的实时潮位高度变化反演方法

潮位高度变化反演过程中易产生部分数据丢失情况,导致实时潮位高度变化反演精度不高,为了提高对潮位实时监测能力,研究基于全球导航卫星系统反射信号（GNSS-R）技术的实时潮位高度变化反演方法。通过信号采集设备采集GNSS-R原始信噪比（SNR）信号后,采用奇异谱分析（SSA）和经验模态分解（EMD）相结合的去噪方法去除原始SNR信号的噪声,保留有价值SNR信号;通过线性尺度变换得出线性化SNR信号,经多项式去掉直射信号分量,得出多径振荡分量;采用小波变换分析多径振荡分量提取实时潮位,完成实时潮位高度变化反演。试验结果表明,该方法应用效果较好,可实现实时潮位高度变化反演,SSA-EMD针对不同信号的去噪效果均较好,其中GNSS-R信号去噪最佳,在保留原信号趋势同时,可去除信号中多余噪声;该方法的海面高度反演结果和对比区域实际潮位高度基本一致,且可增强实时潮位反演结果时间分辨率。