星载相控阵GNSS-R测高系统设计与实验

星载GNSS-R测高系统采用多波束相控阵天线和干涉互相关处理方式,接收北斗导航卫星和GPS导航卫星发射的L波段导航直射信号与海面反射信号,进行海面高度探测。详细介绍GNSS-R测高系统设计与实现、集成和外场试验等,外场试验不仅验证了相控阵GNSS-R测高系统功能,更重要的是验证了核心软件算法的正确性。GNSS-R测高系统适用于中尺度海洋现象的观测,可在时间和空间尺度上扩展雷达高度计的观测能力,并与之相互补充,有利于对复杂海面的中尺度结构进行较高时间分辨率的观测。GNSS-R测高仪为星载高精度海面高度探测提供了新型载荷。     

基于北斗GEO卫星反射信号的海冰反演技术研究

海冰检测已成为GNSS(全球导航卫星系统)反射信号技术的重要应用方向。为改善极化比海冰反演模型在海冰检测中的准确性,对极化比海冰反演模型的适用仰角范围进行了研究。根据菲涅尔原理,针对渤海海域的菲涅尔反射系数进行了模拟仿真,对极化比海冰反演模型的适用范围进行了理论分析,并开展海冰实验。通过对实验数据的分析,成功反演了渤海海冰的变化趋势,验证了利用北斗反射信号反演海冰的可行性,同时,验证了两种模型的仰角适用范围。实验结果表明:用极化比海冰反演模型弥补偏振比海冰反演模型在高仰角情况下的不稳定性可行。     

基于TechDemoSat-1卫星的GPS反射信号海面高度反演

针对星载GPS反射信号（GPS-R）海面测高的误差问题，基于星载GPS-R实测数据进行星载海面测高模型和误差修正模型的研究，并验证其有效性。利用TechDemoSat-1（TDS-1）数据，使用时延多普勒图（DDM）海面高度反演技术，着重分析了星载GPS-R海面高度反演中的各类误差，并建立了相应的误差模型。对星载GPS-R海面高度反演模型进行优化，采用DTU15全球平均海面模型、DTU全球海潮模型验证反演精度。结果证明:优化后反演模型得到的全球海面高度反演结果的平均绝对误差（MAD）为6.05 m，精度提高了约29%，有效提高了海面高度反演的精度。研究成果对于推广星载GNSS反射信号（GNSS-R）的海面测高应用具有一定的意义。      

低轨卫星的北斗反射信号海洋覆盖分析

北斗系统作为我国自行研制的导航系统，具有独特的混合星座特性，其反射事件在海洋上的空间分布和覆盖性能的研究成果较少。针对上述问题，模拟了北斗三号（Beidou System 3，BDS3）以及全球定位系统（Global Positioning System，GPS）空间星座，模拟不同性能参数的低轨接收卫星，在此仿真系统的基础上，计算反射事件在各仿真场景下的海洋覆盖率以及同时发生反射事件的卫星数量。结果表明：BDS3与GPS相比具有更大的反射事件海洋覆盖率，覆盖性能更优；仿真周期7天与1天相比,前者卫星产生的反射事件海洋覆盖率约为后者5倍；低轨道卫星（Low Earth Orbit,LEO）轨道高度越高，天线波束角度越大，反射事件海洋覆盖率越大；3颗LEO卫星下同时发生反射事件卫星数的平均值约为单颗LEO卫星的3倍。可通过设计多星组网来提高反射事件海洋覆盖率。研究结果对星载反射技术海洋遥感应用方面有一定的参考价值。     

微小型GNSS-R测高仪测高精度评估及地面验证

GNSS-R是基于双基雷达散射机理的无源微波遥感技术,可同时接收多个镜面反射点的反射信号,实现海面高度、有效波高、海面风场、海冰等海态参数的宽刈幅探测。针对微纳卫星观测计划,研制国内首个星载微小型GNSS-R测高仪,开展外场实验,处理实验数据,采用基于本地码相关的Clean replica算法、干涉式互相关的Interferometric算法,根据曲线平滑算法对相延多普勒测图(DDM)曲线进行拟合,进而通过最大倒数点法(DER)、峰值半功率法(HALF)等镜点跟踪算法得到测高误差,对实验结果的预期和实测值进行分析,并提出改进方法。     

CYGNSS/SMAP数据融合半经验模型的土壤湿度反演

星载GNSS反射信号(GNSS-R)的土壤湿度反演易受陆地多变环境因素影响，目前，对于星载GNSS-R土壤湿度反演中误差分析及反演模型外推性能分析较少。综合多种误差修正模型，包括GNSS卫星发射功率误差、植被和地表粗糙度对反射信号强度的衰减，通过修正提高陆地点反射率的准确性，建立了反射率-土壤湿度的CYGNSS/SMAP数据融合的反演半经验模型。实现了一年高精度外推反演，反演偏差为-0.003 7 cm³/cm³，均方根误差(RMSE)为0.026 4 cm³/cm³，相关系数为0.963 6。提出了分季节的外推模型，提高了低含水量季节的外推精度。实验区域的经度为90°E～130°E，纬度为20°N～38°N，利用2019年10月至2020年9月的CYGNSS/SMAP数据进行训练，外推2020年10月至2021年9月的土壤湿度。经误差模型修正反射率后，模型的反演偏差提升6.80%，均方根误差提升3.30%。针对实验区域内冬、春季土壤含水量较低时反演精度差的问题，提出了同季节外推的分季节训练模型，相...