FY-3B微波成像仪资料的地理定位误差与订正

风云3号B星(FY-3B)上的微波成像仪(MWRI)通过10.65 GHz,18.7 GHz,23.8GHz,36.5 GHz和189.0 GHz5个频率的双极化通道对地球表面进行监测。自卫星发射至今,MWRI资料的地理定位误差还未进行深入研究。为了提高FY-3B MWRI L1级数据地理定位精度,基于海、陆响应的升、降轨亮温差理论NDM(Node Differential Method),通过卫星位置和速度矢量建立卫星姿态模型、采用非线性最优化方法估计卫星姿态偏差,进而对MWRI 89 GHz通道的地理定位误差进行分析与订正。结果表明,2015年1—9月份俯仰、滚动和偏航角度的平均偏差分别为-0.220°,0.068°和0.062°,对应沿轨误差大约3—4 km,跨轨误差小于1 km。定位误差订正后,地中海、澳大利亚区域海岸线附近的升降轨亮温差明显减小;观测亮温在红海和南美洲东南部区域的分布和海岸线更加吻合,定位精度得到明显提高。     

风云三号D星天基BDS实时定位性能分析

随着北斗三号卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system-3, BDS-3)开始向全球提供导航服务,独立使用BDS为在轨运行的卫星提供全球覆盖、全时段的定位服务成为可能。结合风云三号D星(FengYun-3D, FY-3D)全球卫星导航系统掩星探测仪(global navigation satellite system occultation sounder, GNOS)的真实在轨数据对天基BDS的定位性能进行了详细的分析。首先,使用BDS真实广播星历计算了在不同轨道高度下的可见卫星数和定位精度因子（position dilution of precision, PDOP）,并结合精密星历分析了广播星历的轨道误差、时钟误差及空间信号测距误差(signal-in-space range error, SISRE)。仿真结果表明,在95%的置信水平下,从地面到2 000 km的轨道高度,BDS在全球范围内最小可见卫星数为6,最大PDOP小于5,星座可用性已经达到100%,全球平均可见卫星数BDS比GPS(global positioning syste...     

GPS在卫星摄影测量中的应用

本文介绍了利用导航星全球定位系统跟踪测量近地摄影卫星,获得C/A码进行伪距测量,用轨道改进的方法事后处理实现星上定轨,以解决卫星摄影测量工作中摄影站位置精度与所摄卫片姿态角精度不匹配问题;并讨论了在星片资料作姿态控制较弱或无法利用的情况下,利用星载GPS实施摄影定位的方案。其模拟计算结果表明,采用这种技术能够实现相当精度的轨道及姿态角估计。     

分布式InSAR编队卫星精密绝对和相对轨道确定

低轨卫星编队的精密轨道和基线确定是分布式InSAR卫星系统完成科学任务的重要前提.目前,基于GNSS数据的缩减动力学绝对和相对轨道确定是获得高精度轨道和基线产品的主要手段.本文利用天绘二号编队星载GPS实测数据,采用缩减动力学定轨方法进行编队卫星绝对和相对定轨研究.GPS数据质量分析表明,A星与B星接收机的信号跟踪能力和数据质量基本相当.通过对轨道机动进行常值加速度建模,可以有效消除机动对天绘二号编队绝对和相对定轨的影响.单星绝对定轨结果表明,6 h重叠弧段轨道差值三维(3D)RMS小于1.2 cm,A星和B星绝对轨道的卫星激光测距数据检核残差RMS分别为2.76 cm和2.33 cm.双星相对定轨结果表明,6 h重叠弧段基线差值3D RMS达到0.66 mm,本文基线产品与西安测绘研究所基线产品互比对差值RMS在径向、切向、法向和3D方向分别为0.73、1.11、0.51和1.43 mm.     

ALOS卫星PRISM影像严格几何模型的构建与验证

根据ALOS卫星全色遥感立体测绘仪（PRISM）传感器的成像原理,利用卫星影像的辅助数据文件构建无需地面点的严格几何模型。试验发现,直接利用星上提供的轨道姿态数据和严格几何模型进行无控制定位精度较差,经分析发现ALOS卫星辅助数据文件中提供的CCD侧视角可能存在固定的系统误差,经校正后能使定位精度得到显著提高,达到ALOS卫星标称的几何定位精度。不同景影像定位精度的差异可能的原因是CCD侧视角的细微变化。     

风云三号卫星被动微波反演海洋上空云液态水含量

云液态水含量是气候和水循环研究的重要云微物理参数，也是目前气候变化研究中的最不确定因素之一。通过极轨气象卫星被动微波观测的光谱和极化特征能够实现对云液态水含量的直接测量，本文介绍了一种基于风云三号卫星微波成像仪（MWRI）观测亮温的全天候云液态水含量反演算法，利用快速辐射传输模式、云模型和大气廓线库建立MWRI模拟亮温库并训练反演系数的宽气候态物理算法可以保证算法系数在不同季节和不同地区的适应性。同时提出了一种基于观测增量（O-B）筛选晴空像元并对算法系数及比例因子进行订正的方法。利用统计直方图方法和卫星间交叉比对方法对反演产品精度进行了检验，统计直方图方法检验结果表明，FY-3C云水反演误差为0.028 mm，FY-3D为0.025 mm，与国外同类产品的精度相当；与低轨卫星微波辐射计GMI云水产品的交叉比对结果表明，两者具有较高一致性，均方根误差为0.0325 mm。FY-3C/3D CLW产品目前已经投入业务应用，上下午星组网能够一天内基本覆盖全球，实现全球云水分布监测。     

监测站时间同步条件下的单星定轨

基于伪距及载波相位观测量的COMPASS-M1卫星精密定轨中轨道误差与钟差分离问题是制约卫星定轨精度提高的主要因素之一。本文首先介绍了基于监测站时间同步条件下精密定轨原理,然后通过对卫星钟差建模,采用动力学方法利用国内五站实测数据对COMPASS-M1卫星进行了轨道确定,并利用轨道重叠弧段法及实测激光数据对定轨精度作了检核。结果表明,基于目前监测站时间同步技术,利用相位平滑伪距定轨能达到10m以内精度。     

Swarm卫星星载GPS精密定轨方法及精度分析

Swarm星座是ESA的首个用于测量来自地球核心、地幔、地壳、海洋、电离层等区域磁场信息的对地观测卫星星座。而高精度的轨道信息正是其有效利用卫星载荷完成上述任务的前提条件。目前国内关于Swarm卫星精密定轨的研究较少,为此建立并推导了Swarm卫星精密定轨的动力学模型、观测模型以及它们之间的数学关系,详细给出了Swarm卫星精密定轨模型与实现过程。针对Swarm卫星精密定轨中姿态数据的处理问题提出了相应的解决方案。利用Swarm卫星星载GPS实测数据,采用约化动力学定轨方法进行Swarm卫星精密定轨实验。通过轨道衔接点位置差异、与外部精密轨道比较以及SLR验证等精度评定方法分析表明:基于星载GPS的Swarm卫星约化动力学定轨各方向的精度都优于3 cm。     

GNSS约束的MERSI/FY-3A PWV校准方法EI北大核心CSCD

精确的水汽信息对于短临天气预警和长期气候监测具有重要意义。本文针对搭载在我国第2代极轨卫星风云三号A星(FY-3A)上中分辨率光谱成像仪(medium-resolution spectral imager,MERSI)获取水汽精度较低的现状,提出一种GNSS约束的MERSI/FY-3A PWV校准方法。首先,对MERSI/FY-3A的PWV段产品进行处理得到水汽日产品,并利用GNSS和无线电探空(radiosonde,RS)数据对其进行评估;然后,根据PWV的季节分布特性,构建GNSS约束的MERSI/FY-3A PWV季节自适应校准模型;最后,分别利用GNSS、RS和再分析资料对校准后的MERSI/FY-3A水汽进行对比,验证提出方法的有效性。研究表明:本文提出的PWV校准方法,能够有效改善MERSI/FY-3A水汽日产品和旬产品的精度,改善率分别为58.63%和68.72%。该方法可为遥感水汽快速校准研究提供重要的理论依据。     

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...     

风云卫星遥感数据高精度地理定位软件系统开发研究

为了适应风云气象卫星遥感数据高精度地理定位要求,在研究和比较分析现有环境气象卫星遥感数据地理定位方法,尤其对其中关键的轨道计算模型进行对比研究之后,我们使用变阶变步长多步卫星轨道数值计算模型(DE/DEABM)进行气象卫星轨道计算,研制开发了新一代卫星轨道计算及遥感数据地理定位软件系统.该软件系统中卫星轨道数值积分计算模型包含了多项摄动因素计算,特别是对低轨卫星影响较大的因素,其中地球的球形引力项使用了高精度高阶EGM-96地球引力场模型,提高了非球形引力摄动计算精度,另外还考虑了太阳、月亮引力项,辐射光压摄动和大气摄动因素,使得轨道计算精度大大提高.在遥感数据定位算法开发工作中,以中国2002年5月发射的风云1号D星10通道扫描辐射计和计划2008年上半年发射的风云3号A卫星中分辨率光谱成像仪等遥感仪器为对象,比较详细地分析和研究了探测器、焦平面、主光学系统和扫描镜等遥感仪器几大关键部件的光学几何关系,提高了坐标转换系统计算精度.经过对风云1号D星多天逐日的轨道计算和定位计算试验,结果表明该软件系统24h风云1号D星轨道计算卫星矢径精度可达到几十厘米至几十米,较原来平根数分析解方法1000m左右精度有显著量级的提高.同时,风云1号D星遥感数据地理定位精度达到星下点1个像元.     

低轨卫星星载GNSS精密定轨的精度检核方法

基于星载GNSS的低轨卫星精密定轨是目前大地测量领域的研究热点,也是解决我国对地观测卫星精密轨道确定最有效的手段。讨论了目前低轨卫星星载GNSS精密定轨的精度评价方法,并通过对GRACE卫星的实测和仿真数据的处理和分析,讨论了这些方法在不同观测条件下的有效性与局限性。     

基于星载GPS的CHAMP卫星精密简动力定轨

定轨是地球探测卫星任务顺利执行的关键。星载GPS技术提供了大量、连续的高低卫星跟踪观测,为低轨卫星精密定轨提供了技术支撑。为了确定CHAMP卫星的轨道,并分析定轨精度,利用CHAMP卫星星载GPS数据,运用零差简动力法进行精密定轨,给出了精密定轨流程。利用实际数据进行了精密定轨实验,结果与德国地学研究中心（GFZ）公布的CHAMP卫星快速轨道（RSO）进行了对比,结果显示：求解轨道可以达到厘米量级。     

高轨卫星轨道预报中神经网络模型优化设计

高轨卫星是我国卫星导航系统的重要组成部分。提升该类卫星的轨道预报精度有利于用户定位精度的提高。提出了一种改进高轨卫星轨道预报精度的新方法。该方法避开了精化动力学模型的困难,尝试从轨道预报误差的规律中寻找突破。利用神经网络作为建立预报模型的工具,将某历史时刻的轨道预报误差作为训练样本,利用训练好的神经网络模型补偿当前时刻的预报轨道以提高轨道预报精度。对影响神经网络模型补偿效果的各因素进行了详细分析,制定了适应于高轨卫星短期、中期和长期预报的神经网络最优模型。利用实测数据进行了试验分析,结果表明:预报8,15及30 d应选择的训练步长分别为10,20及25 min;轨道预报8~30 d时,训练噪声均选取0.01。神经网络模型有效地改进了高轨卫星的轨道预报精度,预报4~30 d,轨道精度提高幅度为34.67%~82.37%不等。     

不同姿态控制模式下的北斗卫星定轨策略研究

北斗卫星的姿态控制分为动态偏置、零偏置和连续动偏3种,不同类型卫星、不同姿态控制模式、不同时段下定轨精度不一致,影响了北斗系统的连续性。详细研究了北斗不同类型卫星在不同姿态控制模式下的最优定轨策略,并基于实测数据进行试验,结果表明,BeiDou-2 IGSO（inclined geosynchronous orbit）/MEO（medium earth orbit）卫星采用基于星地钟差约束下多星定轨方法和ECOM（extended CODE model）5参数模型相结合的方法定轨精度最优,零偏期间,用户等效距离误差值为2.08 m,全球激光评估轨道视向精度约为1 m;BeiDou-3 IGSO/MEO卫星采用常规多星定轨和ECOM 5参数模型相结合的方法定轨精度最优;连续动偏期间,用户等效距离误差值为1.22 m,全球激光评估轨道视向精度为0.23 m,与动偏期间精度一致;GEO（geostationary earth orbit）卫星在春秋分附近时段采用基于星地钟差约束下多星定轨方法和ECOM 9参数模型相结合的方法定轨精度最优,用户等效距离误差值为0.72 m。     

GEO卫星对BDS-3伪距单点定位性能定量提升分析

地球静止轨道（GEO）卫星是北斗卫星导航系统（BDS）星座的主要组成部分,为分析其对北斗三号（BDS-3）定位性能的影响,本文基于MGEX跟踪站实测数据,分析了GEO卫星对BDS-3伪距单点定位精度的影响．经研究发现,GEO卫星能有效改善BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型,能有效提升BDS-3伪距单点定位精度,北斗二号（BDS-2）／BDS-3 GEO卫星使BDS-3伪距单点定位精度的提升量优于任一单系统GEO卫星,GEO卫星对BDS-3伪距单点定位水平向定位精度提升在30％以内,对高程方向定位精度提升在20％以内．      

利用视线向量的资源三号卫星影像严格几何处理模型

根据资源三号立体测绘卫星三线阵传感器的成像原理,利用卫星影像的视线角等状态构建资源三号卫星影像的严格几何处理模型。经验证发现,因资源三号卫星视线角及相机安置等卫星状态获取存在误差,在无控状态下直接利用卫星姿态数据和严格几何处理模型进行定位精度较差。为有效消除卫星轨道位置、姿态角元素等存在的固定系统误差,引入视线向量修正模型进行修正,修正后精度提升明显,平坦区域仅采用3个地面控制点在X和Y方向的定位精度即可优于3m。     

AEKF在星敏感器低频误差补偿中的应用

高分辨率对地观测卫星需要精确的姿态信息来满足后续对地定位等工作,因此姿态确定精度十分重要。星敏感器的低频误差是影响卫星姿态确定精度的重要因素之一,主要是由空间周期性的热环境变化引起的。为进一步提高卫星姿态确定精度,对星敏感器的低频误差产生机理即星敏感器主光轴做周期性扰动进行了分析,设计了星敏感器低频误差补偿方案,建立了考虑星敏感器低频误差在内的组合定姿模型,利用拓维卡尔曼滤波(AEKF)对低频误差进行补偿,并引入RTS平滑滤波进一步提高姿态确定精度。仿真实验表明,设计的星敏感器低频误差补偿方案能有效对其进行补偿,提高卫星姿态确定精度。     

FY-3A/MERSI数据在中国北方干旱监测中的应用

中国新一代极轨气象卫星风云3号A星(简称FY-3A)上搭载的中分辨率光谱成像仪(MERSI)具有5个250m分辨率通道,进一步加强了对地表精细地物的观测能力,为大面积干旱监测提供了新的遥感数据源。利用FY-3A/MERSI传感器250m分辨率数据和垂直干旱指数(perpendicular drought index,PDI)对2009年夏季内蒙古自治区中东部干旱进行了监测。结合气象部门的降水、温度和气象干旱资料对比分析表明,基于250m分辨率的时序FY-3A/MERSI卫星资料反演的PDI干旱指数能够客观地反映研究区旱情的空间分布和动态发展过程。利用实地观测的土壤水分数据验证了PDI指数和土壤水分之间的关系。从验证结果看:PDI指数和对应实地观测的10cm、20cm土壤持水百分含量之间有较好的负相关关系,其中PDI和20cm深度处的土壤持水百分含量之间的相关关系更为稳定,R2达到0.69以上。该研究表明利用中国新型、自主的FY-3A卫星资料进行干旱监测业务是可行的。     

基于GPS的气象卫星数据地理定位精度验证

以天津渤海湾围海造田形成的规则人工基础设施为参照物,对长时间序列的FY-3B星250 m空间分辨率数据的几何定位精度误差进行量化,并在此基础上对几何定位精度进行了分析。研究发现,FY-3B星中分辨率卫星数据的几何定位精度存在较大误差,尚未完全达到1个像元或亚像元级的精度水平。纬度方向误差明显大于经度方向误差,纬度方向的几何定位误差整体在-2～-9个像元,经度方向误差基本处于±3个像元的水平。经度方向误差随时间序列的增加,呈偏西向偏东的发展趋势;纬度方向的几何定位整体偏北,且有向北扩大的趋势。在天顶角小于30°的范围内,经度方向误差并不随天顶角的增加而变化,而纬度方向误差随天顶角增加而缩小,且变化幅度在扩大。研究结果有助于改善FY-3B星中分辨率卫星数据的几何定位精度以及研究目前几何定位模型存在的问题。