卫星升降轨对GNSS-IR海面高度反演的影响

针对在基于信噪比数据的全球卫星导航系统干涉反射测量(GNSS-IR)海面高度反演中,反演精度受多种因素影响,因卫星信号需要连续跟踪的特点,可能导致在低卫星高度角处的升轨与降轨信噪比数据质量不同的问题,探究卫星升降轨对GNSS-IR海面高度反演的影响:给出GNSS-IR原理,并分析卫星升降轨影响;然后通过SC02、AT01测站开展研究。实验结果表明,卫星升降轨的不同会直接导致信噪比振荡效果不同;降轨数据反演结果明显优于升轨数据;2测站因观测环境与设备不同,升降轨的影响也不同,SC02站降轨数据反演精度比升轨数据提升5 cm以上,AT01站降轨数据反演精度比升轨数据提升3 cm以上。因此,在处理GNSS-IR海面高度多频多模反演数据时,卫星升轨与降轨的影响不容忽视。

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。

不同极化方式天线对GNSS-IR高度反演的影响

为了进一步探讨不同极化方式的天线对低成本接收机全球卫星导航系统干涉反射技术(GNSS-IR)高度反演的影响,采用智能手机荣耀60、u-blox M8N GNSS模块搭载圆极化低成本天线及测量型接收机中海达V90分别进行高度反演。结果表明,不同的天线极化方式使接收机信噪比(SNR)呈现不同的特性,线极化天线SNR震荡幅度和震荡区间更大;智能手机和低成本接收机均可用于GNSS-IR高度反演,其精度和测量型接收机相当甚至更优;3种设备中,加载线极化天线的荣耀60高度角可用区间范围更大,反演结果数更多,反演精度最高;对于线极化天线,不同的天线方向反演精度也不相同,其中水平放置时反演精度最高。因此,在进行GNSS-IR高度反演时,选择合适的接收机、合适极化方式的天线及其放置方向可更好地兼顾成本和反演精度。

中国大陆地壳运动GPS观测技术进展与展望

引言GPS(Global Positioning System)是美国国防部历时20年(1973.12—1994.03)、耗资300亿美元研发建成的第二代全球卫星导航系统,其建设初衷主要是为海、陆、空三军提供全世界、全天候、全时段的导航、定位和授时保障,同时兼顾部分民用。GPS在最初的设计中并未包含高精度测量功能,即GPS空间大地测量技术(图1),是后来由美国宇航局(NASA)和麻省理工学院(MIT)的几位空间大地测量学家基于已有的甚长基线干涉测量(VLBI,Very Long Baseline Interferometry)原理,额外地开发了这一特别的民用功能,随即被公认为GPS最引人注目的亮点成就之一。

利用GPS卫星信号信噪比的土壤湿度反演方法

为了进一步研究裸土区域表层土壤湿度的全球卫星导航系统反射信号干涉测量(GNSS-IR)遥感,提出1种利用GPS卫星信号信噪比数据的土壤湿度反演方法:建立振幅、相位、频率观测量与土壤湿度间的多元线性回归模型;并对振幅观测量取对数作非线性变换,以提升性能。实验结果表明:多元回归模型预测结果对比原位数据,平均均方根误差(RMSE)为2.43%;非线性变换后平均均方根误差为1.23%,比线性变换前降低49.27%。

全球气候变化和区域陆地下沉加大旧金山湾区淹没风险

目前,对于未来全球海平面上升的预测研究是绘制淹没灾害地图的基础。然而,在这些预测研究中,通常都没有考虑不同地区沿海陆地的不同沉降。采用合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)和全球卫星导航系统(GNSS)得到的数据表明,旧金山湾区大部分沿海陆地下沉速率不到2 mm/a。然而,一些被压缩垃圾填埋场和全新世泥质沉积物覆盖的区域,陆地沉降率超过了10 mm/a。考虑该地区陆地沉降影响,得到修正后的灾害地图。

结合小波变换和WOA算法的GNSS-IR海面高度反演

基于岸基全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)干涉反射测量(GNSS Interferometric Reflectometry, GNSS-IR)技术进行海平面高度估计已经成为海面高度监测的新兴方法。针对该方法存在的信号分离不佳和反演精度需提高的问题,提出利用小波变换改进直反射信号分离,结合三次样条函数和鲸鱼算法对改进反射模型进行海面高度反演。为了验证改进方法的有效性,对2个不同沿海GNSS测站的信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)数据进行实验,并与验潮仪实测数据比较。实验结果表明,改进方法相较于非线性最小二乘法的海平面反演精度有明显提高,改进方法反演结果与验潮仪数据具有较好的一致性,瑞典Onsala的均方根误差达到了1.72 cm,相关系数为0.99;西班牙Barcelona的均方根误差达到了2.2 cm,相关系数为0.95。

小波变换与滑动窗口相结合的GNSS-IR雪深估测模型

GNSS干涉反射技术(GNSS interferometric reflectometry)是一种新型的地表雪深监测方式。针对当前信号分离不佳和随机估测偏差的问题,提出联合小波变换和滑动窗口构建一种多卫星融合的GNSS-IR雪深估测精化模型。该模型采用离散小波变换代替常用的多项式方法,获取高质量的信噪比序列。通过利用阈值约束下的滑动窗口筛选多卫星有效反射高度,并进行等权平均。以PBO H2O和SNOTEL的雪深数据为参考值,利用2016—2017年雪季的GNSS观测数据建立模型并验证精度。结果表明:①GNSS-IR精化模型估测结果与实测数据在整体趋势上保持高一致性;②与单颗卫星结果相比,多卫星融合估测结果在精度和稳定性方面明显改善,其均方根误差(RMSE)为10 cm,相较于PBO H2O减少了近50%。此外,考虑到地表粗糙度作为一种误差影响因素,采用新的反射高度基准修正的雪深估测相对RMSE误差约4 cm,同时估测值与实际值的相关系数达到0.98。

利用星载GNSS-R DDM反演土壤湿度可行性分析

针对目前全球卫星导航系统星载反射信号(GNSS-R)土壤湿度探测技术主要停留在地基以及机载观测研究,难以实现星载大范围探测这一难题,提出利用星载GNSS-R时延多普勒图(DDM)数据进行土壤湿度反演:首先建立了DDM信噪比(SNR)与土壤湿度数据相关性模型,然后利用英国技术演示卫星(UK TDS-1)的DDM以及欧洲航天局土壤湿度与海水盐度(SMOS)卫星的土壤湿度数据对模型进行了验证。结果表明,DDM SNR与土壤湿度数据具有较强的相关性:2者在植被覆盖度较高以及接近裸土的2块区域均呈现出较高的相关系数,说明利用星载GNSS-R DDM反演土壤湿度具有一定的可行性。

地基GNSS-R公路边坡形变监测实验及误差分析

目前,使用全球卫星导航系统反射测量技术进行形变监测存在未进行真实坡面实验、未分析卫星运动影响和未探究接收天线位置偏移对形变监测结果的影响等问题。针对实际公路边坡进行形变监测,分析了卫星运动和反射信号接收天线位置偏移两种因素对形变反演精度的影响,提出一种同时适用于中圆地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星运动和倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)卫星微小位置偏差的校正方法。接收天线位置偏移情况下的形变监测实验结果表明,通过运动卫星校正,利用MEO卫星对28.0 cm和11.7 cm位移的形变反演误差分别低至1.97 cm和0.56 cm,相较于校正前误差分别减小3.03 cm和2.70 cm;通过接收天线位置偏移实验,得出当天线位置偏移镜面反射线分别处于垂直方向约±6°和水平方向约±5°范围内时,不会对形变估测与反演结果造成大的影响。

自适应测站高的GNSS-R潮位监测研究

针对已有的GNSS-R反演潮位过程中由测站与潮位基准面高度的不确定性带来的误差,该文提出了一种自适应测站高优化方法。该方法通过更新Lomb-Scargle谱分析噪声频率的阈值,可有效剔除噪声主频,从而提高GNSS-R反演潮位的精度。基于30 s采样间隔的GNSS的L2波段数据进行潮位反演的实验表明,该文提出的方法有效提高了GNSS-R反演潮位的精度。与传统反演方法相比,反演潮位与验潮站观测潮位之间的均方根误差降低了28.3%,相关系数提升了12.3%。同时,该文还证实了所提出方法求解出的自验潮站基准面起算的测站高度,可进一步应用于无验潮站或验潮站数据中断情况下的GNSS潮位反演。