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.      

GNSS-R海洋微波遥感前沿技术进展

阐述了GNSS-R 海面前向散射机理和双基雷达遥感探测模式, 介绍了GNSS-R 信号接收、相关处理、海洋环境要素反演与试验验证方法技术, 综述了国际GNSS-R 海洋微波遥感技术发展概况, 展望了该项技术的应用前景。     

星载GNSS-R海冰边界探测方法

针对星载接收平台提出了一种利用全球导航卫星系统反射信号（Global Navigation Satellite Systemreflectometry，GNSS-R）进行海冰边界探测的方法。该方法利用导航卫星信号经海冰和海水表面散射后反射信号时延相关功率映射（delay map，DM）的差异，结合镜面反射点位置来探测海冰边界。利用自适应阈值调整算法处理TDS-1卫星数据，获取有效的DM数据，进而得到DM衍生量随镜面反射点位置的变化趋势，并设置DM衍生量的阈值来识别海冰。与全球海冰分布图对比发现，DM衍生量阈值对应的镜面反射点位置与海冰分布图的海冰边界位置基本吻合，证明了DM的有效区时延距离、相关功率的峰值和归一化标准差均可用于海冰边界探测，星载GNSS-R技术在海冰边界探测领域具有较大潜力。     

GNSS-R海洋遥感方法研究

对利用全球导航定位系统（GNSS）的海洋反射信号（GNSS-R）反演海面要素的方法进行了详细讨论。在归纳国外研究成果的基础上，系统地整理和阐述了利用GNSS-R反演海洋要素的理论模型、方法以及反演流程，特别对GNSS-R的信号特征以及功率波形进行了详细讨论和公式推导。     

GNSS-R研究进展及其关键技术

全面评述了GNSS-R技术的研究进展,主要包括海面测高、海面风场遥感、土壤湿度探测以及星载实验等几个主要方面,从软件接收机和反演模型两个方面分析了GNSS-R的关键技术,并指出了存在的问题和发展方向。     

GNSS-R航空遥感海面风场仿真技术

研究了机载GNSS-R遥感海面风场的仿真原理和技术,以KA-GO相关功率模型为基础,分析海浪谱,海面坡度和风速风向的关系,并针对不同风速、风向、接收机高度和飞行速度海面散射信号相关功率开展了数值仿真分析研究,并建立了仿真软件。仿真研究结果表明,以上因素对海面反射信号的相关功率波形的峰值和后沿斜率均有影响。本文的仿真结论为GNSS-R海面风场反演打下了理论基础,建立的仿真软件为GNSS-R海面风场反演提供研究平台。     

全球导航卫星系统反射测量土壤水分遥感：现状与机遇

土壤水分作为全球水循环和能量循环的重要组成部分,在地球水循环、能量平衡以及气候变化中具有不可或缺的作用。传统的土壤水分实地测量方法难以获得大尺度、长时序的土壤湿度空间分布,且具有较高的测量成本。微波遥感信号源穿透能力强,具有全天时、全天候的特点,是获取长时序、大尺度土壤水分最有效的手段之一,特别是L波段的全球导航卫星系统反射测量(global navigation satellite system-reflectometry,GNSS-R)技术,其同时具有主动和被动微波遥感的优势,在土壤水分的测量中备受关注。分析了国内外基于GNSS-R技术的土壤水分遥感研究的现状和进展,系统性地介绍了GNSS-R技术获取土壤水分的原理与特征,分别从正演与反演两个角度详细说明了土壤水分测量的具体方法步骤,给出了主要困难与亟待解决的关键问题。以最新的基于旋风全球导航卫星系统（cyclone GNSS,CYGNSS）星载反演为主要介绍对象,深入阐述了基于CYGNSS数据反演土壤水分的理论模型与方法,并简要分析GNSS-R土壤水分遥感发展面临的机遇与挑战,以期为中国今后地基、空基和星载GNSS-R土壤水分遥感...     

GNSS-R海面测高现状及其常用方法研究进展

全球卫星导航系统(GNSS)不仅具有导航定位、测速以及授时等功能,且因其反射信号能被接收,可用于海面风场、海面高度反演，由此开辟了一个新的研究领域GNSS反射(GNSS-R)技术，GNSS-R技术用于海洋遥感是一个新的研究领域；文中主要介绍了GNSS-R遥感技术和海面测高的研究进展,并从基于信噪比(SNR)数据测量法、基于 C／A码相位测量法、基于载波相位测量法及基于载波频率测量法等方面分析和总结了GNSS-R在海面高度测量的常用方法.      

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Bootstrap算法的FY-3/MWRI北极海冰密集度反演

海冰作为全球气候系统的重要组成部分,不仅影响着大气与海洋环流,也是气候变化的重要指示器。海冰密集度是描述极地海冰极为重要的地球物理参数之一。本文基于风云三号卫星微波成像仪(MWRI)亮温数据开展北极海冰密集度反演研究,采用线性回归和阈值法确定了动态亮温系点值,利用天气滤波器和陆地污染修正法消除了天气和陆地对海冰密集度反演的影响,计算了2019年—2020年海冰范围和海冰面积并与同类产品进行了比对。结果表明,本研究获取的北极海冰密集度产品与NSIDC发布的海冰密集度产品有较高的相关性,海冰密集度的差异在冬季小于3%,夏季小于8%。利用SAR数据进行了不同产品的结果评估,结果表明本文算法的反演结果优于NASA Team算法,在冬季精度约有1%的提升,在夏季精度约有4%左右的提升。动态亮温系点值较好地反映了海冰辐射特性的季节变化。本研究为中国自主卫星的海冰密集度产品的业务化发布奠定了基础。     

阶段模型修正的星载GNSS-R土壤湿度反演方法EI北大核心CSCD

本文提出了一种基于CYGNSS数据的星载GNSS-R土壤湿度反演方法。首先,基于CYGNSS数据提取地表反射率参数,联合SMAP数据中提取的植被光学厚度、地表粗糙度和温度等辅助信息,初步构建了土壤湿度反演理论模型,并利用神经网络模型确定了土壤湿度反演的精细数学模型;然后,将该模型处理获得的土壤湿度以35%为分界点,利用本文提出的阶段函数模型提高反演精度,并使用2018年10月—2019年5月的CYGNSS数据,获得了全球范围内星载GNSS-R土壤湿度;最后,通过与SMAP提供的土壤湿度数据进行对比,评估了本文提出的星载GNSS-R土壤湿度反演方法的有效性,并对获取的星载GNSS-R土壤湿度进行了时间序列分析。结果表明,本文提出的土壤湿度反演方法的结果与SMAP土壤湿度具有良好的一致性,且随时间变化的趋势也相符合,为高精度土壤湿度反演提供了一种思路。     

星载GNSS-R海浪有效波高反演模型构建EI北大核心CSCD

海浪有效波高是描述海况的重要参数,在海浪和海洋动力学的预测中起着重要的作用。然而,卫星雷达高度计和浮标等传统方法难以实现高时空分辨率的SWH估计。星载GNSS-R为估计SWH提供了一种思路。本文提出了一种基于归一化积分延迟波形反演星载GNSS-R海浪SWH的方法。首先,对星载GNSS-R延迟多普勒图进行去噪处理和数据过滤以便对DDM数据进行严格质量控制。然后,从DDM中提取NIDW,并基于NIDW计算4个GNSS-R观测值(即归一化积分时延波形的前沿斜率和前沿波形值之和,归一化积分时延波形的后沿斜率和后沿波形值之和)。随后,基于这4个观测值建立了星载GNSS-R海浪SWH反演经验模型。最后,分别将ERA5和AVISO SWH数据产品作为验证数据,并将反演模型的SWH估计结果与ERA5和AVISO SWH数据产品进行比较和分析。试验结果表明,当采用ERA5 SWH数据作为验证数据时,4个观测值反演SWH的均方根误差和相关系数分别优于0.66 m和0.65;当采用AVISO SWH数据作为验证数据时,4个观测值反演SWH的均方根误差和相关系数分别优于0.68 m和0.70。进一步表明了本文建模方法在星载GNSS-R SWH估计方面具有可行性和可靠性。     

Spatio-Temporal Coherence Based Technique for Near-Real Time Sea-Ice Identification from Scatterometer Data

The identification of sea-ice has frequently been cited as one of the most important tasks for deriving the sea-ice parameters and to avoid erroneous retrieval of wind vector over sea-ice infested oceans using space-borne scatterometer data. Discrimination between sea-ice and ocean is ambiguous under the high wind and/or thin/scattered ice conditions. The pre-launch technique developed for Oceansat-2, utilizes the dual-polarized QuikSCAT scatterometer data by using the spatio-temporal coherence properties of sea ice in addition to backscatter coefficient and the Active Polarization Ratio. Results were compared with the operational sea-ice products from National Snow and Ice Data Center. The threshold API value of −0.025 was found optimum for sea-ice and ocean discrimination. The overall sea-ice identification accuracy achieved was of the order of 95 per cent, ranging from 92.5% (during December in Southern Hemisphere) to 98% (during March in Northern Hemisphere). The applicability of the algorithm for both the Arctic as well as Antarctic makes it suitable for its operational use with the Oceansat-2 scatterometer data.     

地表粗糙度影响下的GNSS-R土壤湿度反演仿真分析

基于双天线全球导航卫星系统反射技术（global navigation satellite system reflectometry,GNSS-R）,建立了两个修正地表粗糙度影响的土壤湿度反演模型——解析模型和人工神经网络模型,并以GPS L1 C/A码为例建立了GNSS-R土壤湿度仿真平台,仿真分析了地表粗糙度对两个模型反演精确度的影响。结果表明,当地表均方根高度大于0.010 m时,必须对解析模型进行粗糙度修正。粗糙度影响修正结果显示,小粗糙度情况下修正的解析模型取得了良好的结果,但对于大粗糙度有一定局限性。在均方根高度大于0.025 m时,进行土壤粗糙度修正前,人工神经网络模型精度比解析模型提高了36.83%~72.36%。进行修正后,人工神经网络模型的精度比解析模型提高了42.86%~54.40%。人工神经网络模型在修正前后取得了相近的精度,无修正的人工神经网络模型精度比有修正的解析模型精度仍提高了35.83%~53.48%。     

一种消除全极化微波辐射计顺/逆风向遥感模糊性的新方案——星上定标和扫描机制设计的有关考虑

从观测方式的角度出发,讨论消除全极化微波辐射计遥感风向(顺风/逆风)模糊性的具体实施方案,提出合理进行星上定标和对地观测的设计思想.在研究全极化辐射计星上外定标方法的基础上,依据消除海面风向反演模糊性的算法,提出一种采用侧视扫描的机制,设计了在星上实现全极化微波辐射计对同一面元进行前、后两次扫描的具体方案,给出了一种在扫描周期内合理分配观测方位角和定标单元的方法.模拟结果表明,采用这种机制可以有效消除全极化辐射计风向反演存在的顺/逆风180°模糊,使风向反演精度大大提高.同时,考虑到卫星上空间资源的限制,单侧扫描刈幅宽度还能够达到760km以上,能够满足在较短的时间内覆盖全球的时间分辨率的要求.     

Altimetry with GNSS-R interferometry: first proof of concept experiment

The Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R) concept was conceived as a means to densify radar altimeter measurements of the sea surface. Until now, the GNSS-R concept relied on open access to GNSS transmitted codes. Recently, it has been proposed that the ranging capability of the technique for ocean altimetric applications can be improved by using all the signals transmitted in the bandwidth allocated to GNSS, which includes open access as well as encrypted signals. The main objective of this study is to provide experimental proof of this enhancement through a 2-day experiment on the Zeeland Bridge (The Netherlands). In the experiment, we used a custom built GNSS-R system, composed of high gain GPS antennas, calibration subsystem, and an FPGA-based signal processor which implemented the new concepts, an X-band radar altimeter and a local geodetic network. The results obtained indicate that the new approach produces a significant improvement in GNSS-R altimetric performance.     

逐历元GNSS-R测高单差和双差算法

GNSS-R测高是一种高效监测水面高度及其变化的新技术。与传统水面测量技术,如验潮站、卫星测高等相比,其主要优点包括可实现更高时空分辨率的观测、测高结果不受板块垂直运动的影响等。本文提出了一种基于单差观测值组合的cGNSS-R逐历元测高算法,可提高水面高度测量的时空分辨率,并给出了基于双差观测值逐历元cGNSS-R测高算法。利用武汉东湖清河桥上cGNSS-R试验中GPS反射信号观测数据,给出了高精度高时空分辨率的湖面到反射天线相位中心垂直距离,验证了本文算法的准确性,精度可达±2~±4 cm。与水面高实际观测比较结果表明,cGNSS-R单差、双差算法可有效削弱钟差以及电离层和对流层误差对反演水面高度的影响。     

Retracking considerations in spaceborne GNSS-R altimetry

The European Space Agency Passive Reflectometry and Interferometry System In-orbit Demonstrator (IoD) aims to perform mesoscale altimetric observations by measuring the Global Navigation Satellite System (GNSS) opportunity signals reflected over the sea surface. Altimetry based on GNSS reflectometry (GNSS-R) is significantly affected by satellite motion, since it requires relatively long integration times to reduce noise. We present the impact of the satellite motion on the GNSS-R observables and the need to retrack the waveforms. By using a detailed GNSS-R space mission simulator, the change of delay difference between the direct and the reflected signals during the incoherent averaging of the waveform has been investigated. Their effects on the waveform shape and the altimetric performance are presented comparing the aligned and non-aligned waveforms. Results show that the performance of spaceborne GNSS-R altimeter is seriously degraded without a proper alignment of the waveform samples.