卫星双向共视法时间比对计算模型及其精度评估

根据卫星双向共视法时间比对的基本原理,详细推导该时间同步方法在地心惯性系中精确到卫星和地面站速度的二次幂以及加速度的一次幂的计算模型,并以GEO卫星和GPS卫星为例,分析该计算模型中的距离改正项时延对地面站问相对钟差的影响量级.结果表明:对于GEO卫星、GPS卫星与地面站之间的比对,当要求1 ns的计算精度时,距离改正项时延只需要考虑到卫星速度项、地面站速度项的影响;当要求1 ps的计算精度时,还需要考虑到卫星速度二次幂项、卫星加速度项、地面站与卫星相对钟差对卫星速度项、地面站间相对钟差对地面站速度项的影响.     

星地无线电双向时间比对法误差源分析

本文简要介绍了星地无线电双向时间比对法的基本原理,给出其地心惯性系中计算模型,分析了各种误差源对星地间相对钟差的影响,计算了在几种计算精度下卫星和地面站位置和速度误差所需要达到的精度.结果表明:影响星地无线电双向法精度的主要误差源为设备时延误差和电离层延迟误差,而由于卫星和地面站位置不准确引起的误差相对较小;对于电离层...     

基于GPS数据的星地单向时间同步

本文给出了星地无线电单向时间同步技术的原理和数学模型,分析了1ns时间同步精度对于观测值和改正项的精度要求;基于GPS观测值分析了几个影响时间同步的改正项;计算TN站钟差,并分析了其精度,结果表明基于GPS数据的星地单向时间同步精度是7ns。     

转发式测距数据支持的GEO导航卫星精密定轨

地球静止轨道GEO卫星定轨是精密定轨领域的难点.依托我国区域范围地面跟踪网实际,提出了转发式测距数据支持下的GEO导航卫星精密定轨方案.从定轨精度、设备时延和伪距站对GEO轨道精度影响等方面进行了深入分析.试验结果证明:1 ns的时延误差引进的GEO轨道径向和位置误差分别为0.121 m和3.505 m.在多个转发式测距跟踪站约束的条件下伪距对定轨精度贡献非常有限,但通过星地钟差的估计可以实现时间同步,同步精度优于1 ns.这为时间同步提供了一种新的方法.当转发式测距跟踪站有限时伪距对GEO定轨的贡献非常明显,1CC(转发式跟踪站)+7L(伪距站)联合定轨条件下的轨道精度优于5 m.从而解决了GEO卫星精密定轨问题,同时实现了星地和站间时间同步以及卫星轨道与钟差参数的自洽.     

基于自发自收测距的GEO卫星精密定轨

对于基于伪距测量模式的GEO卫星定轨,需要星地时间同步和站问时间同步的支持,因此卫星钟差和接收机钟差的精度直接制约了GEO卫星的定轨精度.自发自收式测距的观测数据并不含有卫星钟差和接收机钟差信患,定轨解算中避免了钟差精度带来的影响,可以实现GEO卫星的精密定轨.此处采用GEO卫星的自发自收武测距数据进行精密定轨试验,分析和讨论了基于自发自收式测距的GEO卫星精密定轨策略,提出了卫星轨控后轨道快速恢复的定轨策略.试验结果表明:轨道的内符R方向精度为1.615 m,位置精度为11.642m,定轨残差为0.279m;轨道恢复1 h后的定轨位置精度优于60m,恢复6 h后的定轨位置精度优于15m,定轨残差在0.15 m左右.     

卫星共视法中Sagnac效应的计算

一、引言卫星共视法时问比对的基本原理如图1所示：两个共视观测站选择共视跟踪时间和跟踪卫星，并在选好的时问内进行跟踪观测，从而测得本地钟与卫星钟之间的时差，经过一系列改正后就得到本地钟与系统时间的钟差。最后，两站间求差就能获得站问高精度的相对钟差，从而实现两站间的时间同步。     

GPS卫星钟差改正数实时预报算法

实时卫星钟差（satellite clock bias,SCB）的获取是实时精密单点定位（real-time precise point positioning,RTPPP）需要解决的关键问题。给出了国际GNSS服务（International GNSS Service,IGS）所提供的实时服务（real-time service,RTS）钟差产品的修复方法,分析了IGS02、IGS03实时数据流中GPS卫星钟差改正数的稳定性及其精度。同时,从原理上推导证明了钟差一次差分数据符合一次多项式模型,并结合对GPS卫星钟差改正数的分析提出了一种基于一次差分的钟差改正数预报算法,通过与一次多项式模型、二次多项式模型以及灰色模型的预报精度进行对比试验,结果表明,该钟差改正数预报算法预报精度有明显提高,预报30 s的精度达到0.06 ns,可满足实时精密单点定位的要求。     

BDS广域增强系统性能初步评估

仿造GPS超快速轨道的解算模式,轨道服务器生成3 h间隔的BDS的超快速轨道作为实时精密轨道。钟差服务器接收实时观测数据,并固定实时精密轨道和参考站精密坐标实时解算精密轨道和钟差改正数,然后利用NTRIP播发给用户,用户利用这些改正数还原精密轨道和钟差进行实时PPP动态定位。以GBM的事后精密轨道和钟差作参考,GEO卫星实时轨道SISRE(orb)在0. 3～0. 9 m,IGSO/MEO卫星实时轨道SISRE(orb)在0. 08～0. 19 m; GEO实时精密钟差二次差STD在0. 6～1. 1 ns,IGSO/MEO实时精密钟差二次差STD在0. 2～0. 6 ns; GEO卫星SISRE在20 cm左右,IGSO/MEO卫星SISRE在4～11 cm。用户利用精密轨道和钟差改正数进行动态PPP定位,排除由于BDS星座不完善和GEO卫星相对地球静止的因素,单BDS能够收敛的测试组平均收敛时间在62. 5 min,收敛后NEU 3方向的RMS分别是7. 53、13. 84和15. 93 cm。     

北斗三号卫星钟差分析与星载原子钟评价

针对北斗卫星三号(BDS-3)卫星钟的表现情况的问题，该文选取了全球均匀分布的120个国际GNSS服务(IGS)跟踪站的北斗三号卫星观测数据进行北斗卫星钟差估计，利用评价卫星钟差产品的方法分析北斗新一代卫星钟的精度水平。得到结果如下：北斗卫星钟中圆地球轨道(MEO)精度在0.1 ns以内、倾斜地球同步轨道(IGSO)精度在0.15 ns以内，地球静止轨道(GEO)精度在0.2～0.9 ns水平；BDS-3卫星的频率的万秒稳定度已经处于1×10^-14水平；GPS与BDS精密单点定位解算结果的均方根误差(RMS)均在厘米级。基于卫星钟差实验结果表明，MEO比IGSO卫星钟差精度高，稳定性强；BDS-3搭载的铷钟(Rb-Ⅱ)和氢钟(PHM)比BDS-2的铷钟(Rb)更稳定，这是因为发射较早的卫星钟普遍受到硬件老化影响，相位与频率的波动较大；BDS在U方向上的精度与收敛速度略有不足，可通过GPS+BDS组合定位提升U方向单点定位性能。北斗卫星钟的精度、稳定性已达到钟差预报及实时精密单点定位应用的需求。     

GPS观测时间偏差改正

在ＧＰＳ相对定位时,当一台ＧＰＳ接收机的记录时间与参加同时观测的其他接收机的记录时间相差较大时,需要对接收机的ＧＰＳ观测量和两项时间偏差改正。一项是在接收机钟偏差时间内卫星运动几何改正,一项是在接收机钟偏差的时间内卫星钟差改正。本文给出了第一项改正的详细推导过程。     

X波段测波雷达海流信息反演的影响因素分析

X波段测波雷达海流信息的提取决定着有效浪高结果的准确度。因此,对可能影响X波段测波雷达海流信息提取的各种环境因素以及雷达工作模式等进行了海浪回波成像仿真,然后采用目前测波雷达通用的算法对仿真回波图像进行了海流信息反演。主要研究了海表面风速、雷达天线架设距离海平面高度、天线转速、海流流速、海流流向与海浪方向夹角、所选取的图像帧数以及每帧图像大小对海流信息反演的影响。对比分析设定值与反演结果,可知海表面风速在6~14 m/s之间,天线高度大于20 m并且转速为50~70 r/min,流速小于200 cm/s并且主波浪向与流向夹角不接近90°,图像帧数为128帧并且每帧图像数据点数为128×128时,X波段测波雷达能获得最佳海流信息反演结果。     

利用X波段导航雷达探测海洋表面流速的方法

针对X波段导航雷达对海杂波的成像,研究了利用多谱勒频移和布拉格散射来探测海表面流的方法。提出了一种结合几何滤波模型的X波段雷达海流反演预处理算法,此算法不需要已知的最大海流流速进行带通滤波处理,结合线性波理论色散方程以及最小二乘算法,可以得到精确的海表面流速。与传统的X波段导航雷达测流方法相比,该算法简单高效,占用资源少,并且不仅适用于岸基X波段导航雷达,还适用于船载X波段导航雷达。与附近站点高频地波雷达表面流数据进行对比实验,二者结果的一致性表明了本文方法是可行的。     

双极化SAR数据反演裸露地表土壤水分

为了较高精度地获取大范围地表土壤水分,提出一种基于双极化合成孔径雷达数据的裸露地表土壤水分反演模型即非线性方程组,通过改进的粒子群算法求解非线性方程组从而得到土壤水分。首先通过AIEM模型数值模拟和回归分析,得到一种新的组合粗糙度,然后模拟分析得到土壤水分与雷达后向散射系数的关系,从而建立雷达后向散射系数与组合粗糙度、土壤水分的经验关系。利用ASAR C波段双极化雷达数据,基于经验关系和改进的粒子群算法即可实现土壤水分的反演。经过黑河流域实测土壤水分数据对模型进行验证,反演结果与实测数据具备良好的相关性(R~2=0.778 6)。与以往同一区域研究成果比较,文中的方法反演精度有所提高,更适用于裸露地表土壤水分反演。     

Simulation Study of a Robust Algorithm for Soil Moisture and Surface Roughness Estimation Using L‐Band Radar Backscatter

Abstract

Various inversion algorithms have been developed to obtain estimates of soil moisture and surface roughness parameters from multifrequency, multiangle, and multipolarization radar reflectances. Since the penetration depth for radar signals increases with wavelength, an inversion algorithm using widely separated frequencies does not yield comparable probing depths. Furthermore, existing algorithms assume a linear relationship between the radar backscatter coefficient (in dB) and soil parameters, such as the volumetric soil moisture, soil surface roughness and surface slope. This assumption is valid only over a narrow range of soil parameters, thereby restricting its operational use under realistic conditions. Our research specifically explored the use of inversion algorithms based on L‐Band radar reflectances at 1 GHz and 2 GHz frequencies in order to retain relatively consistent probing depths. In order to extend the range of applicability, a non‐linear exponential‐type relationship was developed between radar reflectance at a specified frequency, polarization and incidence angle combination, and soil parameters of interest, viz., soil moisture, surface roughness, and surface slope. An over‐constrained inversion algorithm using a six‐parameter combination was found to yield relatively accurate estimates of soil parameters over a wide range of soil conditions even in the presence of system error.     

AAC算法的大气校正复合改进算法

利用模拟数据,评价Autonomous Atmospheric Compensation(AAC)算法的抗噪性,认为AAC算法的抗噪性较弱。基于TASI实测数据,利用AAC算法开展反演计算时,计算结果呈现出多样性问题。结合In-scene Atmospheric Compensation(ISAC)算法中黑体像元的标定方法,提出了一种复合改进算法。首先,利用ISAC算法反演的大气透过率和路径辐射,重新计算AAC算法中大气透过率之比(Tr)和相邻两强弱吸收通道的路径辐射之差(Pd),再次,运用经验公式获得稳定的大气反演结果(大气透过率和路径辐射),有效解决了计算结果多样性的问题。利用复合改进算法,开展的温度与发射率分离实验,证明反演得到的发射率波谱更接近野外实测波谱。     

基于DFT模型的大场景InSAR图像配准

图像配准是实现干涉合成孔径雷达(InSAR)高精度相位提取及地形高程反演的关键,大场景图像的高效高精度配准成为近年高分宽幅InSAR成像应用研究的难点问题之一。由于大场景图像中不同区域偏移量及变化规律差异较大,传统最大相干系数配准方法需多分块及插值处理,面临计算量大且配准精度低等问题。针对此问题,本文提出一种基于DFT模型的大场景InSAR高效高精度图像配准算法。该方法利用最小均方差准则构建InSAR复图像配准的DFT模型,采用四叉树自适应分块及矩阵相乘DFT快速重采样配准方法,实现大场景InSAR图像各子块区域的高效高精度亚像素配准。仿真和实测数据验证本文算法的有效性,结果表明该算法不仅可实现大场景InSAR复图像亚像素级配准,还具有较高的运算效率,其运算效率相对于传统FFT配准方法通常可提升3倍以上。     

利用Landsat 8和TerraSAR-X影像研究老虎沟12号冰川运动特征

采用归一化互相关算法精确配准Landsat 8影像得到了2014年—2016年不同季节冰川的运动速率,并利用其热红外波段对不同时刻的地表温度进行反演;通过强度追踪法处理TerraSAR-X影像得到了2008年4月—10月不同时段的冰川运动速率。两种数据得到的结果表明:冰川末端流速较小,中部流速增大,流速从轴部向两侧递减;冬季流速明显小于夏季,变化趋势与温度变化具有一致性。冰川西侧分支的移动速率相对较大,从Landsat 8和TerraSAR-X提取的最大速率分别为2.56 m·d~(-1)和2.74 m·d~(-1)。最后对稳定区域的冰川流速进行统计,结果显示Landsat 8提取的冰川流速精度控制在1—9 cm d~(-1),基于TerraSAR-X的强度追踪法提取移动速率的精度控制在2cm·d~(-1),验证了两种数据监测冰川移动的可靠性。     

基于X波段雷达的海洋动力学参数提取算法初步研究

从X波段船舶雷达记录的连续雷达图像中,可以获得海浪频谱和海流的信息。在不存在海洋表面流的情况下,雷达图像的三维频谱分布在由静水色散关系确定的平面轨迹上。海流的存在会使三维频谱的能量分布产生相应的多普勒频移,对此频移进行最小二乘拟合,可以确定海流的大小和方向,进而得到有向浪高谱。本文基于通用的海浪谱和方向函数,在考虑阴影调制的情况下仿真海面X波段雷达图像序列,分别对无海流和有海流作用下的三维频谱进行了数值模拟,通过海流产生的多普勒频移拟合出海流,并获得二维图像谱。最后分析了McMaster大学X波段雷达的实测定向海面回波数据,获取了海浪的一维图像频谱。     

短基线INSAR相干点探测及应用

提出一种结合子孔径相关测度的时序高相干点探测方法,首先对时序SAR影像进行谱分解获得子孔径视图,通过时序子孔径相关测度进行强散射点筛选,然后分别根据振幅离差和干涉相位空间相关性,对目标点进行相位稳定性分析,探测出既满足强散射且在时间序列上散射稳定的高相干点。利用改进的点探测方法和短基线INSAR技术,对北京2003—2009年间40景ASAR影像进行相位建模,获取地面沉降时空分布特征,分析典型地物时序沉降过程,研究北京地面沉降与地下水开采关系。结果表明:相比已有方法,本文结合子孔径相关测度的高相干点探测结果更准确可靠;利用本文点探测方法反演的历史累积沉降信息,与水准结果一致,平均速率之差在3.69 mm/a以内,中误差为1.36 mm/a;研究区地面沉降最大速率达92.25 mm/a,空间不均匀分布明显,地面沉降量与地下水开采量呈分段的非线性相关。     

利用Sentinel-2影像超分辨率重建的红树林冠层氮含量反演

氮素是植被整个生命周期的必要元素,红树林冠层氮素含量（CNC）遥感估算对红树林健康监测具有重要意义。以广东湛江高桥红树林保护区为研究区,本文旨在基于Sentinel-2影像超分辨率重建技术进行红树林CNC估算和空间制图。研究首先基于三次卷积重采样、Sen2Res和SupReMe算法实现Sentinel-2影像从20 m分辨率到10 m的重建;然后以重建后的影像和原始20 m影像为数据源构建40个相关植被指数,采用递归特征消除法（SVM-RFE）确定CNC估算的最优变量组合,进而构建CNC反演的核岭回归（KRR）模型;最后选取最优模型实现CNC制图。研究结果表明：基于Sen2Res和SupReMe超分辨率算法的重建影像不仅与原始影像具有很高的光谱一致性,且明显提高了影像的清晰度和空间细节。红树林CNC反演波段主要集中在红（B4）、红边（B5）、近红外波段（B8a）以及短波红外波段（B11和B12）,与“红边波段”相关的植被指数（RSSI和TCARIre1/OSAVI）也是红树林CNC反演的有效变量。基于3种方法重建后10 m的影像构建的模型反演精度（R²val>0.579）均优于原始20 m的影像（R²val=0.504）;基于Sen2Res算法重建影像构建的反演模型拟合精度（R²val=0.630,RMSE_val=5.133,RE_val=0.179）与基于三次卷积重采样重建影像的模型拟合精度（R²val=0.640,RMSE_val=5.064,RE_val=0.179）基本相当,前者模型验证精度（R²cv=0.497,RMSE_cv=5.985,RE_cv=0.214）较高且模型变量选择数量最为合理。综合重建影像光谱细节及模型精度,基于Sen2Res算法重建的Sentinel-2影像在红树林CNC估算中具有良好的应用潜力,能为区域尺度红树林冠层健康状况的精细监测提供有效的方法借鉴和数据支撑。