利用北斗GEO卫星反射信号反演土壤湿度

提出了一种基于北斗GEO卫星反射信号的土壤湿度长期连续探测方法,建立了土壤湿度反演模型,给出了信号处理的一般流程,并搭建陆基接收平台进行了验证试验。该方法采用GNSS-R双天线体制接收处理北斗GEO卫星直射和土壤反射信号,在信号同步的基础上提取信号功率并计算土壤反射率,进而根据反演模型得到土壤湿度。以北斗GEO卫星作为信号源,该方法可以在信号处理中省去一般GNSS-R处理过程的定位解算环节,能够实现对固定区域土壤湿度的长期连续观测。试验结果表明,基于北斗GEO卫星反射信号的土壤湿度反演结果在时间和数值上均具有良好的连续性,与土壤湿度参考值相吻合,均方根误差达到0.049,较北斗IGSO和GPS MEO卫星在反演土壤湿度方面性能更优。     

利用GNSS干涉信号振荡幅度反演土壤湿度

根据干涉效应和GNSS接收机信噪比估计方法,推导了利用GNSS干涉信号幅度进行土壤湿度反演的模型,建模过程考虑了天线增益、土壤介电常数和噪声的影响。提出了使用AMPD算法从含有噪声的归一化干涉功率曲线中提取干涉峰值与谷值,进而反演了土壤介电常数与土壤湿度的方法,并对其进行了仿真。结果表明,利用提取出来的干涉谷值进行反演性能比峰值好,相对稳定准确的卫星仰角范围为5°~25°,湿度大于0.06cm~3/cm~3时反演结果更为准确,标准差在0.01cm~3/cm~3左右波动。     

机载GPS反射信号土壤湿度测量技术

随着全球导航定位系统反射信号(GNSS-R)技术的发展, 近年来提出了利用GPS地表反射信号遥感土壤湿度的新方法, 该方法利用地表反射率与土壤介电常数以及介电常数与土壤湿度之间的关系来建立反演模型。为了可以快速方便的利用DMR实测数据反演得到土壤湿度, 本文根据Wang和Schmugge模型建立了土壤介电常数与湿度之间的分段模型, 实现了从原始反射数据到土壤湿度结果的整个反演流程。为了验证反演的可行性, 利用NASA等机构联合进行的SMEX02试验机载数据反演得到的结果表明, GPS反射信号能够有效地反演     

同天线不同接收机的GNSS-IR雪深反演分析

全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）干涉遥感技术(GNSS-interferometry reflectometry,GNSS-IR)利用测量型GNSS接收机即可获取反射面信息,具有信号源丰富、采样率高等优势,被广泛应用于雪深、潮位、土壤湿度、海面风场、海冰探测、地表形变监测等领域的研究。然而,GNSS接收机会对接收信号进行多路径抑制,反射信号会被削弱甚至剔除,从而降低GNSS-IR技术的精度。为了探讨GNSS-IR反演中不同接收机、不同频点的影响,基于零基线模式在中国北极黄河站设计了GNSS-IR雪深反演实验,定量研究了接收机性能对雪深反演精度的影响。首先,在站上布设了和芯星通接收机和天宝接收机,并通过功分器共用同一个天线,这样可以获得反射面完全相同的多接收机、多频点观测值;然后,对两台接收机在3个GPS频点下的日均反演结果进行比较以便验证反演策略的有效性,并通过单次反演结果对比分析不同接收机反演效果的差异。结果表明,多个接收机、多个频点都能成功反演雪深值,其偏差基本上在3 cm以内。但是,尽管反射面完全相同,两个接收机之...     

使用BD-3 B2a反射信号测量水面高度

B2a信号是北斗三号（BeiDou-3 satellite navigation system, BD-3）新增的高宽带信号,具备非常高的伪距测量精度,适合开展基于全球导航卫星系统反射信号（global navigation satellite system-reflectometry, GNSS-R）的水面高度测量。由于BD-3近两年才开始为全球提供服务,基于BD-3反射信号的研究较少。中国科学院国家空间科学中心研发了具备自主知识产权的GNSS-R接收机,接收机专门增加了BD-3 B2a的捕获跟踪功能,可以对直射和反射B2a信号同时进行捕获和跟踪。接收机同时具备了交叉定标功能,能够有效消除由电缆和接收机通道间差异引起的系统偏差。在中国北京市怀柔开展的岸基实验过程中,累计获取了BD-3 B2a、北斗二号（BeiDou-2 satellite navigation system, BD-2）B1I和全球定位系统（global positioning system, GPS）L1C/A反射信号的相关波形数据,成功反演了水面高度并进行了系统偏差消除。数据处理结果表明,基于BD-3 B2a的水面高度在30 s非相干积分时间条件下反演精度达到了5.9 cm,比BD-2 B1I的高度测量精度提高了13 cm,比GPS L1C/A信号的高度测量精度提高了20 cm。     

一种融合相位、振幅与频率的GNSS-IR土壤湿度反演方法

GNSS干涉测量（GNSS interferometric reflectometry,GNSS-IR）技术已经成为探测地表环境特性的一种新兴被动遥感技术,综合利用从土壤反射的GNSS信号中提取的相位、振幅、频率特征,提出了一种多类型特征数据融合的GNSS-IR土壤湿度反演方法,采用最小二乘支持向量机（least square support vector machine,LSSVM）、随机森林（random forest,RF）、BP神经网络（back propagation neural network,BPNN）三种机器学习模型,对比和验证了所提方法的可行性与效果。结果表明,多特征融合的LSSVM、RF和BPNN模型反演得到的土壤湿度与参考值的相关系数分别为0.830、0.953和0.980,对应的均方根误差分别为0.045、0.035和0.032 cm3/cm3。相比于单一特征反演法,土壤湿度反演精度和可靠性有显著提升。     

北斗辅助无人机航摄影像的空中三角测量

介绍了北斗（BeiDou system,BDS）和BDS/GPS组合两种动态差分定位的基本模型,利用搭载有双频可同时接收BDS、GPS信号的全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）接收机的无人机低空航摄系统对嵩山航空检校场进行航空摄影实验,比较了GPS、BDS以及BDS/GPS组合3种差分定位的结果,并利用3组摄站坐标进行了GNSS辅助空中三角测量。实验结果表明,利用3种定位模式获取的摄站坐标分别辅助光束法区域网平差的实际精度是一致的,平面中误差均小于±0.17 m,高程中误差均小于±0.25 m,可以满足丘陵地1:500比例尺地形测图的摄影测量加密精度要求。     

土壤水分纵向分布规律与层间相关性研究——以青藏高原地区为例

利用青藏高原土壤湿度逐时观测数据集,分析那曲和帕里两地区76个站点5、10、20、40 cm不同深度多年土壤水分垂直分布规律及层间关联情况,主要有以下4点发现：1)青藏高原地区土壤水分随深度增加呈现下降趋势,最大层间距下(5—40 cm)那曲地区平均降幅为0.041 cm³/cm³,帕里地区平均降幅达到0.066 cm³/cm³。2)以标准差为土壤水分稳定性参考指标,那曲、帕里两地区最小值同为40 cm层深的0.023、0.022,降幅分别为0.028、0.024,表明随着土壤深度的增加,土壤水分变化趋于稳定。3)那曲地区土壤水分值较低,以各层均值为代表,均低于帕里地区。4)相邻层间土壤水分表现出较高的相关性,其中以那曲地区10—20 cm相关性最强,达0.9以上。参考那曲地区5—40 cm层间相关系数为0.53可知,层间差距越大,相关性越低。本文研究结果可以为青藏高原地区水土保持及土壤水分层间模拟提供参考依据。     

GNSS-R土壤湿度估算体系架构研究与初步实现

土壤湿度估算是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)反射信号遥感技术(GNSS reflectometry,GNSS-R)重要研究领域之一,近年来国内外学者在GNSS-R土壤湿度估算的理论可行性、信号接收处理方式、地基/空基试验、估算模型及其精度评价等方面做了大量研究工作,对GNSS-R陆面遥感技术应用起到了积极的推动作用。在对GNSS-R土壤湿度估算的研究成果进行梳理的基础上,建立GNSS-R土壤湿度估算体系架构,利用MATLAB进行土壤湿度估算模型集成与软件实现。结合研究机构公开数据集对软件中的估算模型和功能进行验证,表明该软件能够为开展GNSS-R土壤湿度估算的数据处理、模型验证等提供技术支持。     

北斗/GPS实时精密卫星钟差融合解算模型及精度分析

实时GNSS精密单点定位(PPP)技术必须使用实时的高精度卫星精密轨道和钟差。本文研究了精密卫星钟差融合解算模型及策略,并利用滤波算法实现了北斗/GPS实时精密卫星钟差融合估计算法。仿真实时试验结果显示:获得的北斗/GPS实时钟差与GFZ事后多GNSS精密钟差(GBM)的标准差在0.15 ns左右;使用该钟差进行GPS动态PPP试验,收敛后水平精度优于5 cm,高程精度优于10 cm;使用仿真实时钟差进行的北斗动态PPP与使用GFZ事后多GNSS精密钟差开展的试验相比精度相当,可实现分米级定位。     

GNSS-R遥感观测模式及陆面应用

全球导航卫星反射信号遥感GNSS-R(Global Navigation Satellite System Reflectometry)是近年来新兴的一个学科交叉研究领域。本文在调研分析国内外研究进展的基础上,基于GNSS-R工作原理与技术特征,将GNSS-R遥感观测模式定义为双天线模式DAP(Double Antenna Pattern)和单天线模式SAP(Single Antenna Pattern),并对两种观测模式的特性和共性问题进行分析。初步建立GNSS-R遥感应用体系架构,以陆面遥感应用为例,结合近几年参与的GNSS-R观测试验与模型研究工作,给出两种观测模式下GNSS-R遥感的典型应用实例,以期为中国未来地基、空基和星载GNSS-R遥感观测及应用工作的开展提供参考。     

四大GNSS广播星历精度评估与对比分析

分析了 目前广播星历精度评估中存在的问题,详细论述了广播星历精度评估过程中对精密星历进行天线相位中心改正的取值方法,提出了利用单颗星单日钟差均值作二次差对广播星历钟差的系统性偏差进行改正的方法.选取2019-09-01-2019-11-01 共计62天的多模 GNSS 实验(multi-GNSS experiment,...     

风云三号D卫星GPS信号功率调整及干扰分析

全球定位系统(global positioning system,GPS)卫星的IIR和IIF卫星能够在各个信号分量之间重新分配其发送信号的功率,一个或多个GPS信号可以在指定区域根据需要进行功率调整或者关闭。分析GPS信号的变化特征对于地面和空间应用有重要的意义。风云三号D(FengYun-3D,FY-3D)卫星是中国极轨气象卫星之一,利用FY-3D卫星实际测量数据可以帮助GPS用户全面了解GPS功率调整的特点。首先,利用FY-3D运行轨道全球覆盖的特点分析GPS信号的强度,特别是GPS信号功率调整时间段信号变化的特点;然后,使用在轨数据研究了全球范围L波段信号干扰的特征,得到了干扰对全球导航卫星系统掩星探测仪掩星天线的自动增益控制和基底噪声的影响。结果表明：从2020-02-14开始的GPS功率调整以[35°N,37°E]和[35°N,69°E]为中心,覆盖半径约为7 500 km,在该区域内GPS P(Y)码功率增加约10 dB;GPS L1和L2频段在中东地区持续受干扰的影响,该区域的基底噪声比其他区域增加约3～10倍;干扰区域中心点和GPS功率调整区域中心点大致在同一位置。G...     

Reliable single-epoch ambiguity resolution for short baselines using combined GPS/BeiDou system

GNSS single-epoch real-time kinematic (RTK) positioning depends on correct ambiguity resolution. If the number of observed satellites in a single epoch is insufficient, which often happens with a standalone GNSS system, the ambiguity resolution is difficult to achieve. China’s BeiDou Navigation Satellite System has been providing continuous passive positioning, navigation and timing services since December 27, 2012, covering China and the surrounding area. This new system will increase the number of satellites in view and will have a significant effect on successful ambiguity resolution. Since the BeiDou system is similar to GPS, the procedure of data processing is easier than that for the Russian GLONASS system. We briefly introduce the time and the coordinate system of BeiDou and also the BeiDou satellite visibility in China, followed by the discussion on the combined GPS/BeiDou single-epoch algorithm. Experiments were conducted and are presented here, in which the GPS/BeiDou dual-frequency static data were collected in Wuhan with the baseline distance varying from 5 to 13 km, and processed in separate and combined modes. The results indicate that, compared to a standalone GPS or BeiDou system, the combined GNSS system can increase the successful ambiguity fixing rate for single epochs and can also improve the precision of short baselines determination.     

GPS多路径信号提取地面反射点算法

基于GPS卫星、接收机天线、地面反射点及地心的空间几何关系,阐述了一种利用GPS多路径信号提取地面反射点的算法,并通过实验数据,利用Matlab实现了对地面反射点和反射点轨迹的提取。     

GNSS广播星历轨道和钟差精度分析

为了对多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）当前的广播星历精度进行一个全面的分析,对比了2014—2018年共5 a的GNSS广播星历与精密星历,并对全球定位系统（global positioning system, GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system, Galileo）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）、准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）等5个系统的广播星历长期精度变化进行了分析。结果表明:5 a中GPS的广播星历轨道及钟差精度最稳定;GLONASS的广播星历轨道精度稳定性较好,但其钟差精度存在较大的离散度;Galileo得益于具备全面运行能力（full operational capability, FOC）卫星的大量发射及运行,其广播星历轨道、钟差精度大幅度变好,切向轨道、法向轨道与钟差精度已赶超GPS;BDS的广播星历轨道精度离散度较大,钟差精度出现不稳定现象;QZSS的广播星历轨道与钟差精度的稳定性与离散度相对最差。以2018年1 a的广播星历与精密星历为例分析了各个系统当前的广播星历精度,结果表明,当前GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS的考虑轨道误差与钟差误差贡献的空间信号测距误差（signal-in-space ranging error,SISRE）分别为0.806 m、2.704 m、0.320 m、1.457 m、1.645 m,表明Galileo广播星历整体精度最高,GPS次之,其次分别是BDS、QZSS和GLONASS。只考虑轨道误差贡献的SISRE分别为0.167 m、0.541 m、0.229 m、0.804 m、0.675 m,表明GPS广播星历轨道精度最高,其次分别是Galileo、GLONASS、QZSS和BDS。GPS卫星广播星历中新型号卫星的钟差精度总体要优于旧型号卫星。     

基于GPS新型L5信号的地表雪深反演研究

利用GPS多路径反射信号测量地表雪深具有全天候和高时空分辨率的特点，因此其可作为一种代替气象站监测雪深的新手段。然而，先前大多数研究仅使用了GPS L1和L2C波段信噪比数据探测积雪深度。为验证新型的L5信号在雪深反演方面的优越性，本文阐述了GPS-R技术反演雪深的原理，利用Lomb-Scargle周期图法所处理的受积雪表层影响的信噪比数据计算了频谱振幅强度，通过获取频谱特征值与天线高度的关系求解雪深值，最后分别与L1反演结果和实测雪深数据进行了对比。试验结果表明：与现有的GPS-R测量雪深结果相比，利用新型的L5反射信号反演地表雪深的精度更佳；采用GPS-R技术探测雪深对把握测站区域内的雪深变化情况和淡水资源储量具有重要价值。