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.

基于VMD-MA的GNSS-MR雪深反演方法

针对利用全球卫星导航系统多径反射(GNSS-MR)技术反演雪深过程中信噪比(SNR)序列趋势项分离不佳和反演结果波动较大的问题,提出一种基于变分模态分解(VMD)和移动平均(MA)的雪深反演方法。VMD算法通过自适应高通滤波有效分离SNR序列的趋势项,MA算法对初始反演结果进行平滑处理从而减少随机波动。选用瑞典KIRU站2021年前5个月GLONASS不同频段的SNR观测值开展实验,研究所提方法的可行性。结果表明:基于VMD算法的反演结果与气象站原位雪深相关系数超过0.95,均方根误差(RMSE)最低约5 cm,较传统算法减少近40%;经MA算法平滑处理后,反演精度进一步提高。考虑到GNSS站和气象站之间的差异性,选取GPS SNR反演结果作为参考数据源,不同参考数据源取得了一致的实验结论,验证了所提方法的可行性和有效性。

小波变换和改进Burg算法的GNSS-IR海面高度反演模型

针对传统的GNSS-IR海面高度监测方法信号分离不佳且精度有待提高的问题,提出结合小波变换和改进Burg算法的新型GNSS-IR海面高度反演模型。相比于传统的多项式拟合法,小波变换得到的SNR振荡项更加完整、精确。改进的Burg算法能有效抑制峰值偏移或谱分裂现象,提高谱分析精度。基于瑞典Onsala空间天文台提供的GNSS数据和验潮仪数据的实验结果表明,优化后的海平面测高模型的反演结果与验潮仪数据具有较高的一致性,相比于传统的GNSS-IR海面测高模型精度提高约20%。

基于VMD和WinLSP相结合的GNSS-R海平面高度估测模型

全球导航卫星系统反射(Global Navigation Satellite System-Reflectometry,GNSS-R)技术是一种新兴的监测海平面高度变化的技术。本文依据GNSS-R技术中的信噪比分析法的原理,通过分析其分离趋势项和提取振荡频率的过程,建立了新的估测模型以提高反演精度。针对传统模型存在的信号分离不佳的问题,本文提出使用变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)算法替换传统的最小二乘拟合法(Least Squares Fitting, LSF)进行趋势项分量的分离。在此基础上,本文引入基于凯塞窗函数改进的LSP(Lomb-Scargle Periodogram)频谱分析法(记为WinLSP)来减弱因频谱泄露带来的反演误差。在瑞典翁萨拉的GTGU站和美国阿拉斯加州的SC02站开展的海平面高度反演实验结果表明,本文建立的估测模型相比于传统模型具有更高的反演精度。基于VMD+WinLSP估测模型得到的GTGU站反演结果的均方根误差(RMSE)、相关系数和反演点数分别为4.70 cm、0.98和5 647。与传统的LSF+LSP估测模型相比,反演精度和GNSS数据利用率分别提高了约29.7%和15.0%。SC02站的RMSE、相关系数和反演点数分别为14.34 cm、0.99和1 785,反演精度和GNSS数据利用率分别提高了约12.3%和9.4%。

基于PCA算法的星载GNSS-R海面目标反演

提出使用主成分分析(principal components analysis,PCA)抑制时延多普勒图(delay Doppler map,DDM)中的海杂波,提高海面目标反演精度。以挪威Sn hvit采气平台作为海面目标,采用2016-11-13的DDM数据进行目标反演。结果显示,未使用PCA抑制海杂波前,反演位置平均误差为17.65 km;抑制海杂波后,反演位置平均误差为11.42 km,位置精度提升35.30%。