GNSS线极化天线干涉信号反演土壤湿度算法测试

利用全球导航卫星系统干涉信号(GNSS-IR)测量土壤湿度已成为热门的研究课题。搭载低成本线性极化天线的智能手机可以方便快捷采集干涉信号信噪比(SNR)。分别仿真垂直和水平线性极化天线采集的GNSS干涉信号,给出2种极化方式下干涉信号SNR波形和反射率随卫星高度角变化的结果。对于垂直极化分量,电磁波会在入射角65°~85°左右时发生全透射,导致干涉信号振荡效果消失,而水平极化不存在该现象。同时,分别仿真右旋圆极化(RHCP)直射和左旋圆极化(LHCP)反射天线采集的GNSS信号,并计算直反射信号的幅值比。在仿真基础上分别利用不同极化天线进行实验,结果表明:采用线性极化天线采集的GNSS干涉信号振荡效果几乎不受卫星高度角的限制,可以为土壤湿度反演提供更多的有效数据,并且反演得到的土壤湿度与同位数据具有良好的一致性,两者的相关性达到0.95。使用搭载圆极化天线的双通道接收机采集北斗系统卫星数据进行对比,相关性达到0.91。对于不同的设备,智能手机采集的GNSS数据占用空间相对比于双通道接收机降低1%,且反演结果相关性接近,由于干涉信号提取直反射信号需要一定的振荡周期,故反演结果的时间分辨率要低于双通道接收机。

星下点观测的星载卫星导航反射信号海面风矢量极大似然估计

该文针对星载全球导航卫星反射计(GNSS-R)镜面反射信号对海面风向不敏感导致海面风向反演难问题,分析非镜向海面散射信号特征,提出星下点非镜向观测模式,定义该模式下海面风矢量敏感特征观测量,在此基础上提出基于星载GNSS-R海面风矢量极大似然估计(MLE)反演算法直接利用两颗及以上导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演,并提出风矢量搜索算法提高反演效率。通过搭建星载GNSS-R仿真平台验证算法的可行性和评估算法性能。结果表明:所提算法可直接利用非镜向独立观测模式下的多颗导航卫星散射信号反演得到海面风速和风向;多星观测可消除观测几何导致的模糊解从而将海风风向4个模糊解降至2个模糊解,但无法消除海浪谱的对称性导致的海面风向模糊解。在2~25 m/s的风速内,当信噪比(SNR)大于11 dB时,3星观测的风速均方根误差(RMSE)优于2 m/s,风向的均方根误差优于15°。

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。

GNSS-R土壤水分反演研究进展

土壤水分是陆地水循环中最活跃的部分,是影响水文、生物生态和生物地球化学过程的关键变量。全球导航卫星系统反射测量(GNSS-R)技术由于使用L波段的电磁波且具备高频观测的能力,是土壤水分监测的有效手段。北斗卫星导航系统(BDS)是我国自行研制的全球卫星导航系统,土壤水分监测也是其业务应用的重要组成部分。从观测平台、反演方法两方面对当前GNSS-R反演土壤水分的研究进行了总结分析,指出了不同反演方法的优势和劣势,并进一步阐明了BDS对GNSS-R土壤水分反演研究的主要贡献和优势。

基于北斗/GNSS-R的厘米级水位测量

水位变化监测是防洪抗旱的重点工作之一,全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite System-Reflectome‐try,GNSS-R)技术已被证明可进行高精度、全天候、全天时的水位变化监测。我国北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)拥有丰富的频段数据,在GNSS-R遥感应用领域中具有广阔的应用前景。基于湖南省浏阳河流域建设的GNSS-R实验观测站数据,进一步研究了BDS在水位反演中的性能,分别采用频谱分析法和非线性拟合法对站点水位变化进行测量,并将实验结果与附近水文站的实测数据进行对比分析。结果表明,非线性拟合法相较于频谱分析法,水位测量精度大幅提升,均方根误差(RMSE)平均降低了66%,且多频数据融合后RMSE达到了1.8 cm,整体上BDS的水位反演性能与GPS相当。

融合星载GNSS-R数据和多变量参数全球海洋有效波高深度学习反演法

星载GNSS-R作为一种新兴的观测方法,最近被应用于有效波高反演。现有研究通常使用从延迟多普勒图中提取的特征值以构建经验地球物理模型函数反演SWH。然而,使用多个变量参数作为模型输入具有很大挑战。为此,本文提出了一个融合星载GNSS-R数据和多变量参数反演全球海面SWH的深度学习网络模型(GloWH-Net)。为了验证本文模型的性能,ERA5、WaveWatchⅢ和AVISO SWH数据被用作广泛测试的参考数据,以评估GloWH-Net模型和先前模型(即经验模型和机器学习模型)的SWH反演性能。结果表明,当分别使用ERA5、WaveWatchⅢ和AVISO SWH作为参考值时,所提的GloWH-Net模型反演SWH的均方根误差分别为0.330、0.393和0.433 m,相关系数分别为0.91、0.89和0.84。相比基于最小方差估计器的经验组合模型反演SWH的均方根误差分别降低了53.45%、48.06%和40.63%;相比袋装树机器学习模型反演SWH的均方根误差分别降低了21.92%、18.72%和4.47%。表明了本文方法在反演全球海面SWH方面具有显著优势。

基于GNSS双天线测姿的水位监测方法

水位监测是雨水情监测预报“第三道防线”中的重要内容,精确、实时的水位监测在洪涝灾害防御中至关重要。水位计是最常见的水位测量工具,其能有效测量特定区域的相对水位信息,但往往存在成本较高、空间分辨率较低等问题。由于全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite System-Reflectometry,GNSS-R)技术具有低成本、高时空分辨率的优势,因此提出了一种基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)双天线测姿的实时水位监测新方法。该方法通过双差观测组合,消除了卫星钟差、接收机钟差、电离层延迟、对流层延迟等误差。为了验证该方法的稳定性和可靠性,在北京市东沙河站开展现场试验。2023年6月5日至7月10日的实验结果表明该方法可以实现1 Hz的水位监测,与现场水尺数据相比,均方根误差为2.88 cm。

森林火灾期间GNSS-R信号反射率与PM_(10)的相关性研究

本研究以2019年澳大利亚野火事件为例,利用悉尼和布里斯班两地气象站于2019年7月18日至12月31日观测的大气颗粒物(PM)浓度数据和全球卫星导航系统反射测量(GNSS-R)反演的地表反射率数据,采用滑动平均和滑动标准差的分析方法,探究了两种数据之间的相关性。结果显示,火灾发生前,PM_(10)浓度与地表反射率的相关性低于30%;火灾后,该相关性显著增强,相关系数超过65%。从数据波动幅度角度分析,火灾前后两者的相关性分别在50%以上和80%以上,但存在明显的相位差异。本研究证明了PM_(10)浓度的变化对GNSS-R反演地表反射率有显著影响,尤其在PM_(10)浓度较高时。这一发现为火灾遥感监测提供了新的理论基础和实用方法,具有显著的创新意义。

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。

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。

基于GPS L5导频通道的GNSS-R SAR成像

为降低导航电文对利用全球导航卫星系统反射技术(global navigation satellite system-reflectometry, GNSS-R)进行合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)成像的影响,采用全球定位系统(global positioning system, GPS) L5导频通道即无数据通道的信号,通过后向投影(back projection, BP)算法进行成像。仿真和实验结果表明,与剥离导航电文的数据通道信号的成像相比,导频通道信号的使用无需考虑剥离电文操作,降低了信号处理复杂度;从图像对比上看,目标和背景得到更好的区分,信噪比提升,成像质量得到一定程度改善。

星载GNSS-R土壤湿度反演中开放水域的影响

通过星载全球导航卫星系统-反射测量(GNSS-R)技术可以获取高时空分辨率的土壤湿度(SM)信息,但开放水域会影响反演结果的精度。针对此问题,提出一种开放水域剔除的改进方法。校正其模拟功率得出反射率,结合掩膜数据精确剔除开放水域。为验证改进方法的可行性,处理了2个开放水域比较密集的试验区内为期一年的飓风全球导航卫星系统(CYGNSS)1级数据。反演结果与主被动土壤湿度(SMAP)3级土壤湿度产品进行对比分析,其均方根误差为0.0521 cm^(3)/cm^(3),相关性为0.654。与开放水域剔除前的结果相比分别提升6.2%和9%;与CYGNSS官方发布的产品相比分别提升32%和24%。反演结果可以作为SMAP的SM补充,提供高时间分辨率的SM值。

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。

海面GNSS-R模型与时延-多普勒特征研究

GNSS海面反射信号的建模对全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite System-Reflectometry,GNSS-R)遥感应用具有重要意义.针对海面GNSS反射信号建模问题,本文采用Z-V模型研究了GNSS反射信号的时延一维相关功率和时延-多普勒二维相关功率特征,分析了不同风速下一维相关功率的变化情况,讨论了时延间隔和多普勒间隔对时延-多普勒图(delayDoppler map,DDM)的影响.数值结果表明:海面GNSS反射信号的相关功率对海面风速具有敏感性,在DDM波形仿真中,应选择合适的时延与多普勒间隔参数.该模型可模拟不同海况下海面GNSS反射信号的相关功率,为GNSS-R反射信号模拟及海洋遥感应用提供理论模型支撑.

利用多源数据融合的天津市地面沉降情况分析

地面不均匀沉降对城市的规划和发展有着深远且难以恢复的影响,严重时会对社会和人民的财产造成巨大影响。针对此问题,本文收集整理覆盖天津市域范围内2020—2021年连续2年的一、二等水准监测数据,以连测的全球导航卫星系统(GNSS)监测站的观测数据为先验观测值进行动态平差。并将年沉降量计算结果与高分辨率合成孔径雷达干涉测量(InSAR)中RadarSat-2(R2)类型影像数据处理结果采用趋势面拟合法进行融合,统计2021年天津市地面沉降情况。并将计算结果与历年沉降观测数据处理结果进行比对,对天津市地面沉降情况进行分析。为天津市相关规划编制、控沉管理精细化、治理措施精准化提供了参考。

基于北斗GNSS与InSAR的新疆阿勒泰煤矿开采沉陷监测

地表沉降是煤矿开采中不可避免遇到的问题,过大的沉降不仅威胁到地表建筑的安全,更对地下矿井结构的稳定性有严重影响,因此必须引起高度重视。传统的水准监测方法在大面积沉降监测中效率低且监测数据需人工处理,智能化水平不高。因此,本文结合北斗全球导航卫星系统(GNSS)与合成孔径雷达干涉测量(InSAR)两种监测技术,通过数据融合算法将两种监测结果融合,并将该项技术应用到新疆阿勒泰煤矿开采沉陷监测中,绘制了该地区沉陷速率曲线,最后将融合算法得到的沉陷数据与传统水准监测结果进行对比,结果表明,融合算法得到的沉陷数据与水准监测数据基本一致。

基于随机森林的GNSS-IR雪深反演

针对全球导航定位系统反射信号干涉测量(GNSS-IR)单颗卫星数据反演积雪深度存在精度和可靠性低的问题,本文提出一种基于随机森林的多星数据融合GNSS-IR积雪深度反演算法,将不同卫星视角下的信噪比数据通过决策树随机定权达到融合,进而实现积雪深度的反演。为了验证本文提出算法的可靠性,采用多元线性回归算法开展对比分析,实验结果表明:本文提出的算法能够有效反演积雪深度,反演结果与实测值的相关性相较于多元线性回归反演结果相关性提升了10%,均方根降低了46%,表明了本文提出的方法能够有效地反演积雪深度。

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。

星载GNSS-R辅助海洋盐度探测方法

全球导航卫星系统反射计(GNSS-R)是近年来兴起的一种被动式遥感手段,可用于提高海洋盐度(SSS)反演精度。首先,在回顾辐射计亮温模型和GNSS-R散射功率模型,并建立星载仿真场景的基础上,研究了GNSS-R辅助辐射计探测海洋盐度的性能,使辐射计工作于GPS L1频点1575.42 MHz时,通过共用天线和射频前端可以降低星载设备的质量和功耗,但对海洋盐度大于25 psu的条件下,垂直和水平极化的亮温对海洋盐度的灵敏度分别下降约0.1和0.08 K/psu;其次,分析了GPS L1反射信号对辐射计的干扰,发现在仿真场景下当辐射亮温变化1 K时,GPS L1反射信号引入了小于2.5×10^(-4)K的误差;再者,讨论了不同入射角情况下定义的垂直和水平极化的GNSS-R观测量对亮温校正量的灵敏度,结果表明随入射角增大,水平、垂直极化信号的观测量对亮温校正量的灵敏度分别呈现下降和上升趋势;最后,分析了定义的GNSS-R观测量对亮温校正量的灵敏度与空间分辨率之间的关系,得出了高灵敏度、高空间分辨率反演算法的研究对星载GNSS-R辅助辐射计海洋盐度探测至关重要的结论。

北斗系统在海风海浪探测中的应用研究

利用导航卫星的反射信号进行对地观测是一个新型的应用方向,北斗卫星导航系统的同步轨道、中轨道和倾斜轨道所构成的混合星座构成,使其在对地观测领域具有独特的优势,海风海浪观测是其重要应用之一。首先分析了国内外利用全球卫星导航系统反射信号进行海风海浪探测的情况,然后介绍北斗卫星反射信号接收机的设计及北斗应用软件系统设计。使用所设计的北斗反射信号海风海浪探测系统,在广东省深圳市进行了近3个月的台风探测实验,验证了北斗反射信号进行海风海浪探测的可行性。