星载GNSS-R监测海面目标技术进展

全球卫星导航系统(GNSS)因其直射信号经海面反射后，反射信号会携带海面物理信息，由此开辟了一种在遥感应用中有巨大潜力的全球卫星导航反射信号(GNSS-R)技术，国内外在星载GNSS-R监测海面领域取得进展.本文总结了应用星载GNSS-R数据监测海面目标的进展，然后针对星载GNSS-R监测海面目标技术从最初实验、基于延迟多普勒图(DDM)观测值监测、基于反演散射系数监测、应用神经网络监测四个方面进行了总结和归纳.     

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-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。     

组合GNSS观测值反演海面高度EI北大核心CSCD

与验潮站技术相比,岸基全球导航卫星定位系统干涉反射技术(GNSS-IR)海面测高成本较低,且其观测量不受地壳沉降的影响,并可利用目前已有的沿海岸GNSS固定站提供的数据反演海面高度。目前常用观测量为大地测量型GNSS接收机给出的信噪比(SNR)值,然而,早期很多GNSS设备的输出文件中都不包含该值,导致无法利用它们研究海面高度长期变化趋势。但经典的码伪距和载波相位观测值中,同样包含着GNSS-IR测高信息。本文分别引入单频码伪距和单频载波相位的组合,以及单频码伪距和双频载波相位的组合GNSS两种观测值的组合实现了岸基海面测高。本文采用模拟数据证明了基于前一组合的GNSS-IR测高精度受到电离层延迟残差的影响,而后一种组合可避免该误差项的影响。为验证两种组合方法的有效性,在山东威海一海上栈桥上开展了试验,采集了全球定位系统(GPS)和北斗卫星导航系统(BDS)的观测数据,并处理得到了海面测高信息。最后,将反演结果与26 GHz雷达高度计的观测值进行了比较分析,发现二者具有较好的一致性,相关系数均优于85%。试验结果表明:两种码伪距和载波相位组合法均可用于GNSS-IR测高。另外,由于当前GNSS-IR测高受多种误差项影响,导致反演精度较低,使得后一种组合在避免电离层延迟残差方面的优越性并没有明显体现。本文组合方法的引入,增加了海面高度反演方法的多样性,提升了GNSS-IR测高技术的应用空间。     

海洋卫星测高及其反演全球海洋重力场和海底地形模型研究进展

海洋卫星测高在全球和区域大地水准面建模、全球海洋重力场反演、海底地形探测、海平面变化监测、构造板块运动研究等大地测量领域至关重要。本文概述了海洋微波测高卫星的简要发展历程,重点梳理了卫星测高在全球海洋重力场和全球海底地形建模方面取得的丰硕成果,对比分析了主流的海洋重力场和海底地形模型;介绍了合成孔径雷达高度计、Ka频段雷达高度计、合成孔径雷达干涉仪3种先进微波测高技术,并分析了其各自的优缺点,表明它们将在未来若干年呈并驱发展趋势;较为系统地阐述了海洋卫星测高的另一新型技术,即GNSS反射信号测量技术的研究动态,给出了GNSS-R(GNSS reflectometry)类(试验)卫星的发展脉络和发展前景。卫星测高的发展趋势之一是多颗测高卫星的组网观测,本文概括了曾经提出的和拟议中的若干组网测高计划,扼要介绍了由我国提出并正在实施的双星跟飞测高模式;最后指出了卫星测高发展的几个主要关注点,包括双星跟飞测高和SWOT(surface water ocean topography)任务的2维海面高(差)测量、卫星测高反演海底地形与高级地形激光高度计观测数据及遥感卫星图像的结合、星载GNSS-R厘米级海面高的载波相位测量、人工智能技术在卫星测高中的潜在应用等。     

GNSS遥感研究与应用进展和展望

全球导航卫星系统遥感(GNSS remote sensing)属卫星导航应用与遥感的一个交叉学科范畴。GNSS系统除传统的导航、定位、授时等功能外,可免费提供全球覆盖、高时间分辨率的L波段(1—2 GHz)微波信号用于遥感探测。继GNSS折射信号被率先用于地震、大气水汽等的探测以来,利用GNSS反射信号进行海洋、陆表参数估算,近年来成为国际GNSS应用研究前沿热点。随着中国自主北斗导航系统的蓬勃发展,将会为GNSS遥感带来新的发展契机和空间。本文从GNSS遥感的两个重要学科分支,即GNSS折射信号遥感(GNSS refractometry)和GNSS反射信号遥感GNSS-R(GNSS Reflectometry),回顾在这一交叉学科领域近几十年的发展,并简要分析GNSS遥感发展面临的机遇与挑战。     

低轨卫星星载GNSS反射事件模拟分析

基于低轨（low earth orbit,LEO）卫星星载GNSS反射事件的数学判据,分别用BDS、GPS、Galileo、GLONASS和4系统耦合GNSS星座模拟信号源,仿真分析了LEO卫星轨道高度、轨道倾角、下视天线视场角等参量对反射事件数量和时空分布的影响;进而研究了用上述4大GNSS系统进行GNSS反射信号遥感技术（GNSS reflectometry,GNSS-R）探测对接收机通道数量的需求。统计结果表明:LEO卫星轨道越高,天线视场越大,反射事件越多,镜面反射点分布越稠密;轨道倾角越小,反射事件镜面点越趋于赤道地区分布;GNSS-R接收机所需通道数随LEO卫星轨道高度和下视天线视场范围增大而增加;而LEO卫星轨道倾角变化对通道数需求影响不明显。研究结果对GNSS-R低轨卫星系统设计具有一定的理论参考价值。     

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-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.      

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。     

面向遥感的GNSS反射信号接收处理系统及实验

提出了一种新的GNSS-R信号接收处理系统（GNSS-Rreceiver system,GRrSv.2）的结构及信号处理方法。该系统可同时针对直射和反射的GNSS信号协同处理,并输出可配置延迟和多普勒的二维相关值矩阵。为了验证系统的性能,进行了针对海洋和陆地遥感的机载和岸基验证实验,并给出了初步的实验结果。     

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GNSS-R海冰边界探测方法

针对星载接收平台提出了一种利用全球导航卫星系统反射信号（Global Navigation Satellite Systemreflectometry，GNSS-R）进行海冰边界探测的方法。该方法利用导航卫星信号经海冰和海水表面散射后反射信号时延相关功率映射（delay map，DM）的差异，结合镜面反射点位置来探测海冰边界。利用自适应阈值调整算法处理TDS-1卫星数据，获取有效的DM数据，进而得到DM衍生量随镜面反射点位置的变化趋势，并设置DM衍生量的阈值来识别海冰。与全球海冰分布图对比发现，DM衍生量阈值对应的镜面反射点位置与海冰分布图的海冰边界位置基本吻合，证明了DM的有效区时延距离、相关功率的峰值和归一化标准差均可用于海冰边界探测，星载GNSS-R技术在海冰边界探测领域具有较大潜力。     

全球导航卫星系统反射测量(GNSS+R)最新进展与应用前景

全球导航卫星系统(GNSS)具有全天候、近实时、高精度的特点,可持续发射L波段信号,广泛应用于定位、导航和授时(PNT)。随着GNSS技术的发展,最近GNSS反射信号可探测地球表面特征,即GNSS反射测量(GNSS+R)。结合GNSS接收机天线位置和介质信息,利用延迟测量值可以确定表面粗糙度和表面特性。GNSS+R作为当前GNSS和遥感领域的研究热点,取得了一些研究进展和成果。本文详细介绍了GNSS+R原理和方法及其最新应用进展,包括各种GNSS+R技术手段和方法,以及海洋、陆地、水文、植被和冰雪等遥感应用,特别是最新BeiDou-R和TDS-1研究进展。最后给出了GNSS+R应用前景和展望,包括多GNSS系统、GNSS+R接收机、GNSS+R卫星计划和新兴应用等。     

星载GNSS-R海浪有效波高反演模型构建EI北大核心CSCD

海浪有效波高是描述海况的重要参数,在海浪和海洋动力学的预测中起着重要的作用。然而,卫星雷达高度计和浮标等传统方法难以实现高时空分辨率的SWH估计。星载GNSS-R为估计SWH提供了一种思路。本文提出了一种基于归一化积分延迟波形反演星载GNSS-R海浪SWH的方法。首先,对星载GNSS-R延迟多普勒图进行去噪处理和数据过滤以便对DDM数据进行严格质量控制。然后,从DDM中提取NIDW,并基于NIDW计算4个GNSS-R观测值(即归一化积分时延波形的前沿斜率和前沿波形值之和,归一化积分时延波形的后沿斜率和后沿波形值之和)。随后,基于这4个观测值建立了星载GNSS-R海浪SWH反演经验模型。最后,分别将ERA5和AVISO SWH数据产品作为验证数据,并将反演模型的SWH估计结果与ERA5和AVISO SWH数据产品进行比较和分析。试验结果表明,当采用ERA5 SWH数据作为验证数据时,4个观测值反演SWH的均方根误差和相关系数分别优于0.66 m和0.65;当采用AVISO SWH数据作为验证数据时,4个观测值反演SWH的均方根误差和相关系数分别优于0.68 m和0.70。进一步表明了本文建模方法在星载GNSS-R SWH估计方面具有可行性和可靠性。     

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%.      

Altimetry with GNSS-R interferometry: first proof of concept experiment

The Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R) concept was conceived as a means to densify radar altimeter measurements of the sea surface. Until now, the GNSS-R concept relied on open access to GNSS transmitted codes. Recently, it has been proposed that the ranging capability of the technique for ocean altimetric applications can be improved by using all the signals transmitted in the bandwidth allocated to GNSS, which includes open access as well as encrypted signals. The main objective of this study is to provide experimental proof of this enhancement through a 2-day experiment on the Zeeland Bridge (The Netherlands). In the experiment, we used a custom built GNSS-R system, composed of high gain GPS antennas, calibration subsystem, and an FPGA-based signal processor which implemented the new concepts, an X-band radar altimeter and a local geodetic network. The results obtained indicate that the new approach produces a significant improvement in GNSS-R altimetric performance.