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。

北斗卫星反射信号岸基海面高度反演精度的评估

北斗B3I信号作为新一代民用码,相较于北斗B1I信号,具有码速率更高、码片宽度更窄等特点。目前,利用北斗卫星导航系统反射测量(BDS-R)技术对北斗B3I信号进行海面高度反演的研究较少。基于此,在2020年9月7日山东威海附近海域,接收B1I/B3I双频段的直射和反射信号数据,分别采用时延-多普勒(DDM)和载波相位延迟进行岸基海面高度反演。通过实测的同比数据验证反演精度,在信号特性和测高方法2个维度评估北斗B1I和B3I信号海面高度反演的性能。结果显示:采用DDM测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的平均绝对误差和均方根误差分别为1.18 m、1.48 m和0.84 m、1.10 m;采用载波相位延迟测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的平均绝对误差和均方根误差分别为0.12 m、0.15 m和0.10 m、0.12 m。由于信号特性差异,B3I频段的DDM测高结果相较于B1I频段的测高结果精度提高了28%;B3I频段的载波相位延迟测高结果精度略优于B1I频段,两者差异不明显。实验对北斗B1I和B3I信号特性和测高方法导致的反演精度差异的评估,证明了B1I和B3I反射信号均能适用于海面高度反演的需求。

基于多模多频SNR数据逆建模反演海面高度变化

利用信噪比(SNR)数据进行逆建模可以反演海面高度及其变化,但反演精度、稳定性依赖初值的精度和SNR数据的时间连续性,基于多模多频SNR数据逆建模反演海平面变化的性能及其在潮汐分析中的应用有待进一步研究。本文为LSP(Lomb-Scargle periodogram)反演结果引入海面动态改正,用于逆建模过程参数初始化,获得稳定、均匀的高精度海面高度反演值,并由反演海面高度开展潮汐调和分析。选取MAYG、BRST和SC02这3个大潮差测站,对其1a的多模多频SNR数据开展逆建模反演试验,与验潮站实测海面高度对比分析进行算法验证。结果表明,MAYG站逆建模反演海面高度的均方根误差(RMSE)为5.97cm,BRST站为8.78cm,SC02站为2.38cm,海平面变化反演精度达到厘米级;与实测海面高度的潮汐调和分析结果对比,年度、逐月拟合残差中误差高度一致,提取的分潮振幅平均绝对误差(MAE)优于1cm,提取的迟角MAE在3°以内,潮汐分析提取的潮汐成分和非潮汐水位均具有高度一致性。多模多频SNR数据逆建模反演海面高度能够替代验潮站实测海面高度用于潮汐调和分析。

基于BDS-3/GPS多频数据的GNSS-R海面高度反演方法研究

随着北斗三号(BDS-3)系统的完善与投入使用,本文基于BDS-3/GPS多频信噪比数据提出了两种全球导航卫星系统反射测量(GNSS-R)海面高度反演改进方法,即基于最高峰与次峰关系剔除粗差方法和最优频段改正方法。通过印度洋附近马约特岛的MAYG测站2020年年积日(DOY)333~337天连续5天观测数据验证该方法的有效性。结果表明,基于最高峰与次峰关系剔除粗差方法可以提高潮位反演精度,GPS频段总体提高了9.16%,BDS频段总体提高了17.34%,但是会导致反演结果数量降低。而最优频段改正方法可以在增加反演结果数量的同时提高精度,被改正的GPS S1C、S2W频段反演精度总体分别提高了26.54%、22.89%,BDS S1X、S2I、S6I和S7I 5天的潮位反演RMSE分别降低了61.36%、34.23%、47.68%和55.38%,并且精度提高程度较前者更高。

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。