基于GNSS卫星反射信号的海冰厚度探测

为了解决近海岸海冰探测的难题,该文针对岸基平台提出一种利用GNSS卫星反射信号进行海冰厚度探测的方法。该方法首先计算GNSS卫星反射信号和直射信号的强度比,即反射信号相关功率和直射信号相关功率的比值;然后根据海冰厚度的经验模型得到海冰厚度的信息。为了验证该方法的有效性,在辽宁鲅鱼圈区进行的实验中对GNSS卫星反射信号进行了长期观测,结果表明,GNSS卫星反射信号反演的海冰厚度值为10~20 cm,与同比观测值之间具有很好的一致性。

基于北斗导航卫星反射信号探测海浪的实现与分析

基于北斗卫星导航系统在亚太地区的良好覆盖能力,利用中国气象局、山东气象局及北京航空航天大学在威海联合开展的北斗反射信号海洋遥感试验所采集的海风海浪系统的探测数据与同址同期的浮标数据,着重对北斗GEO卫星反射信号(BDS-GEO-R)探测海面有效波高的可行性进行了分析和检定,并对比分析同期浮标数据。结果表明,北斗反射信号探测海浪结果与浮标数据具有良好的一致性,海面浪高的探测精度为10 cm。最终证明了利用北斗反射信号探测海洋浪高的可行性。

基于北斗卫星反射信号的海面溢油探测方法及试验

为了监测小规模固定海域的溢油状况,针对岸基接收平台提出了一种基于北斗卫星反射信号的海面溢油探测方法,该方法将全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)技术应用于岸基条件下的海面溢油探测。进行了岸基试验,利用右旋圆极化(RHCP)天线和左旋圆极化(LHCP)天线分别采集北斗卫星直射与反射信号,在信号同步的基础上提取卫星直射和反射信号的相关功率,并结合北斗卫星的高度角与方位角信息,反演目标海域的介电常数来判断海面有无溢油。试验结果表明探测表面为油面时,介电常数反演结果均值为3.6,标准差为2.13,这与油的真实介电常数范围2.0~4.5一致,远小于海水介电常数,证明将GNSS-R应用到岸基海面溢油探测中具有可行性。

SVRM辅助的北斗GEO卫星反射信号土壤湿度反演方法

提出了一种支持向量回归机(SVRM)辅助的北斗地球静止轨道(GEO)卫星反射信号土壤湿度反演方法。使用全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)右旋圆极化(RHCP)天线和左旋圆极化(LHCP)天线接收体制进行了地基实验,采集了北斗GEO卫星直射、反射信号原始数据,并从中提取直射、反射信号的相关功率,结合北斗GEO卫星的高度角与方位角信息作为输入,烘干称重法获取的土壤湿度作为输出对使用径向基(RBF)核函数的ε-SVRM进行了训练。独立测试集上的结果表明,SVRM辅助的北斗GEO卫星反射信号土壤湿度反演方法获取的土壤湿度结果与烘干称重法获取的土壤湿度参考值误差控制在3%以内,线性回归方程决定系数为0.8979,均方根误差RMSE为1.4926%,证明了该方法具有良好的泛化特性,实际应用中效果良好。

一种使用卫星反射信号探测海冰分布新方法

利用TechDemoSat-1低轨道卫星采集的卫星反射信号生成的时延多普勒图(delay-doppler map,DDM)探测北极格陵兰岛(Greenland)地区的海冰分布。由于卫星散射信号在海冰和海水上分别遵循相干散射和漫散射模型,与海水相比,海冰的时延多普勒图扩散较少,所以从海水到海冰的过渡会导致时延多普勒图中高于一定能量值的像素数量减小。提出了一种基于相邻DDM像素数量比值的检测方法,通过采用一定阈值来区分海冰和海水的时延多普勒图,用于分析格陵兰岛地区海冰的分布情况。还利用多期数据分析了格陵兰岛地区海冰分布随时间的变化。通过与美国国家冰雪数据中心提供的数据比对,利用数学统计方法对本文提出的方法性能进行了评估。结果显示,该方法的判断成功率可以达到98.76%~99.21%,整体评估成功率约为99.09%。

地基北斗GEO卫星直反信号功率测量偏差分析

针对接收天线方向性造成的北斗地球同步轨道(GEO)卫星直反信号功率测量偏差进行研究。给出地基场景下实际天线接收的直反信号及其功率表达式,讨论天线方向性造成的北斗GEO卫星直反信号功率测量相对偏差,设置具体观测场景进行仿真分析。理论与仿真结果表明:具体场景和时刻下的北斗GEO卫星直反信号功率测量偏差为固定偏差,由天线对干扰信号的抑制性能、天线架设高度和反射面介电常数共同决定;相对偏差的大小随着天线对干扰信号抑制性能的增强而减小,随着天线架设高度的变化在某一范围内波动,也会随着反射面介电常数的变化而变化。

全球导航卫星反射信号的镜面反射点算法

文章从镜面反射点的定义出发,导出了在搜索镜面反射点时应满足的几何条件,分析了目前用于搜索镜面反射点算法的优点及不足;在此基础上,提出了一种二分算法;最后通过双基实验数据对这一算法进行验证,并与其他算法进行对比,结果显示出这种算法在收敛速度、搜索精度以及准确性等方面的优越性。

全球卫星导航反射信号遥感的镜面反射点快速估算

近年来,利用全球卫星导航反射信号(global navigation satellite system reflectometry,GNSS-R)进行遥感应用已经成为遥感领域的新技术。镜面反射点是星载GNSS-R遥感测量和建模的主要参考点,其估算的精度和速度对GNSS-R遥感有着显著影响。提出了星载GNSS-R接收机测量中GNSS-R镜面反射点的快速估算方法。首先,总结了镜面反射点的几何特征。根据几何特征,进行了镜面反射点的粗估算。然后,提出了基于角平分线变步长校正精确估算镜面反射点的位置,并通过迭代实现了镜面反射点的精确定位。最后,通过仿真实验验证了所提算法具有较好的准确性和快速性。

基于黄金分割法的卫星导航信号镜面反射点预测研究

针对利用全球导航卫星系统(GNSS)反射信号进行遥感时镜面反射点位置获取精度低、迭代次数多、计算速度慢的问题,提出了基于黄金分割法预测镜面反射点的预测方法。研究了镜面反射点的特性及其几何关系,通过计算仿真,发现镜面反射点预测是一维单谷凸函数极值搜索问题。将卫星发射机和接收机的位置作为搜索区间,根据黄金分割法的搜索原则插入新的搜索点,依照路径最短原则逐步缩小搜索区间来获取镜面反射点的位置。实验仿真结果表明,所提出的算法具有精度高、反射路径最短、迭代次数少、收敛效率高以及运算速度快的特点。

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。

北斗反射信号海风探测数据分析与检定

利用导航卫星反射信号(GNSS-R)进行海风海浪探测为海洋气象提供了一种新的观测手段,数据分析及有效性检定是确定系统探测能力的重要过程.在描述北斗GEO卫星进行海风探测机理的基础上,利用北斗反射信号的相关时间进行了海风的反演.同时针对国家北斗应用项目"基于北斗导航卫星的大气海洋和空间监测预警应用示范工程"在山东进行试验和试运行期间产生的风速观测数据进行分析,并通过与标准数据的对比,确定了该方法的有效性.

基于进退法的全球导航卫星系统反射信号镜面反射点的估计算法

通过研究全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)几何关系及其镜面反射点算法,确定镜面反射点问题为一维单峰凸函数极值搜索问题后,提出基于进退法的镜面反射点估计算法,并论述了进退法在镜面反射点位置估计中的理论可行性。该算法摒弃了传统算法思想中用角度去确定镜面反射点位置信息所带来的一系列问题和缺陷,转而采用计算最短反射路径长度来确定反射点的位置,不仅降低了算法的复杂性,更提高了镜面反射点的计算准确性。采用英国UK-DMC卫星于2004年11月16日测到的海洋数据来验证进退法的正确性,利用MATLAB仿真软件对进退法与传统算法进行了仿真结果分析。实验仿真结果表明:进退法可以正确估计GNSS-R镜面反射点的位置信息,并且具有迭代次数少,运算速度快,算法效率高的特点。

基于北斗反射信号的支持向量回归机海面风速反演研究

随着全球导航卫星系统的发展,一种基于导航卫星反射信号(GNSS-R)的海洋遥感技术成为近年来研究的热点。为研究GNSS-R测风方法,分析了海面风速与反射信号时延功率之间的关系,同时结合机器学习方法中的支持向量回归机方法,将反射信号时延功率作为训练标签,最终完成海面风速的反演。将"北斗反射信号海风海浪探测系统——山东示范站"项目期间海风海浪系统的探测结果与同期风速仪探测结果进行对比分析,结果表明,两者具有很好的一致性,海面风速的反演精度为2.4 m/s,证明了基于北斗反射信号的支持向量回归机海面测风方法是可行的。

岸基GNSS反射信号有效波高反演研究

在岸基全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)反射信号观测几何关系和GNSS直反射信号协同处理结构的基础上,提出了反射信号相关通道动态适配策略。在所设岸基仿真条件下,5个反射相关通道可接收超过90%以上场景的所有GPS反射信号,为岸基反射信号接收机反射通道数目的设计提供了参考。从理论和试验2个角度,研究论证岸基场景下不同频点或不同系统的GNSS反射信号,建立统一的有效波高反演模型。验证结果表明,利用定义的归一化有效反射信号(Interferometric Complex Field,ICF)相关时间,GPS L1和L5信号通过同一反演模型,均方根误差分别为0.30,0.28 m。

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%。

直反信号协同的GNSS-R BSAR距离多普勒成像算法

针对目前基于全球导航卫星系统反射信号的双基地合成孔径雷达(GNSS-R BSAR)在一站固定模式下的大斜视,斜距历程复杂,回波信号方位空变导致回波信号难以处理的问题,提出改进的距离多普勒成像新算法。所提算法采用GNSS信号作为辐射源,根据一站固定模式下GNSS-R BSAR合成孔径时间长的特点,引入高阶等效斜视距离模型,得到导航卫星与目标斜距相对时间变化的精确描述。先通过直射信号与回波信号时域对消进行距离徙动校正,实现全场景目标距离徙动的精确校正;再通过方位向分块混合相关处理来克服回波信号方位向的移变性质,实现全场景高效精确成像。所提算法的成像效率优于传统后向投影时域(BP)算法,成像精度与BP算法相当,且可根据需要通过调整方位分块的宽度来提升聚焦效果。最后,用GPS-L5信号进行仿真和实验,仿真和实验结果验证了所提算法的可行性和高效性。

星载GNSS-R检测太湖水华可行性分析

星载全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)属于被动遥感技术,具有数据重访周期高、全天时、全天候、信号源丰富等优势。基于此,研究星载GNSS-R检测太湖水华的可行性。星载GNSS-R可以有效检测反射面的粗糙程度,通过使用相干反射表征反射面的粗糙度,研究不同风速区间内相干反射与蓝藻水华的关系。利用2020年4—8月美国气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)数据,计算CYGNSS镜面反射点的时延多普勒图(DDM)功率比。以“哨兵-3”卫星水色遥感仪器(OLCI)影像最大特征峰高度(MPH)算法反演出的太湖叶绿素浓度作为参照,与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的风速产品进行时空间线性匹配,分析发现,在1~2.5 m/s风速区间内,叶绿素浓度达到0.1 mg/L以上时,极易引起镜面反射点发生相干反射,且功率比与叶绿素浓度的相关系数为0.84,具有良好的相关性。实验结果证明了利用星载GNSS-R的功率比及相关特性实现太湖水华检测的可行性。

基于相位补偿核的GNSS-SAR改进后向投影成像算法

在利用全球导航卫星系统反射信号(GNSS-R)的无源合成孔径雷达体制中,目前常采用后向投影算法进行成像处理,但该算法逐点精确聚焦的处理过程使得算法的运算量大。针对上述问题,提出了一种数据分块和构造相位补偿核的改进后向投影算法。改进算法对回波矩阵进行分块,将目标区域成像网格点的最长延迟距离与最短延迟距离等间隔划分,建立相位补偿核,通过距离向搜索操作得到各网格点的相位补偿结果,在方位向相干叠加形成子图,递归合并得到最终图像。定量分析得出,改进算法可有效降低运算量,同时节省内存。仿真结果验证了所提算法的有效性。

基于AdaGrad的GNSS-R镜面反射点自适应预测算法

利用全球导航卫星反射信号(Global Navigation Satellite System Reflectometry,GNSS-R)进行海洋环境要素探测已成为国内外遥感领域一大热点。镜面反射点作为GNSS-R遥感探测的坐标基准,其预测的精度与速度对后续环境要素的反演有着显著影响。针对星载GNSS-R实时预测高精度镜面反射点的需求,提出了一种基于AdaGrad优化的GNSS-R镜面反射点自适应预测算法。利用空间几何关系对镜面反射点进行粗略估计,通过预处理后利用AdaGrad优化寻找镜面反射点的最优解,仿真实验证明算法的精确性、高效性。

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.