GPS-MR技术用于降雪厚度监测研究

降雪是重要的淡水资源,也是全球气候系统中重要的组成部分.目前全球雪深探测主要依靠站点稀疏的人工探测仪或低时空分辨率的遥感卫星.近几年,基于不同地表介质引起GPS多路径效应的GPS-MR技术以其全天候,自动化,时空分辨率高、无需建网等诸多优点成为雪深探测领域的一个新型探测手段,本文在国内首次开展了基于测量型接收机的GPS-MR探测雪深研究.首先详细给出了基于GPS信噪比观测值的GPS-MR技术进行雪深探测的基本原理;其次结合实测GPS观测数据和雪深测量数据,分别利用单颗和多颗GPS卫星对GPS-MR探测雪深的可行性与探测精度进行深入研究与分析.初步实验结果表明基于信噪比观测值的GPS-MR技术可用于雪深探测,与实测雪深数据相比其探测精度约为10cm左右,尤其可用于暴雪监测.GPS-MR技术不仅可充分挖掘全球密集GNSS网络用于地表环境监测(雪深探测、海平面变化、土壤湿度、植被变化、火山活动等)的潜能,而且可进一步精化GNSS多路径模型误差,以期进一步提高GNSS用于精密定位与地表环境监测的精度.     

小波基在GPS-IR反演土壤湿度中优选方法的研究

全球定位系统多径干涉遥感技术(Global Positioning System-Interference Reflection,GPS-IR)是一种基于卫星反射信号的新遥感技术,可实现土壤湿度、雪深、海平面等方面的监测.针对卫星反射信号分离问题,本文利用小波分析对信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)中的卫星反射信号进行分离.小波基的选择直接影响到卫星反射信号分离的效果,本文通过对比低阶多项式、sym10、bior6.8、dmey和coif5这5种方法的实际消趋和反演效果来优选.经实验表明:利用coif5小波基分解6层能够有效提高卫星反射信号的分离精度和信号的分辨率,获取的相对延迟相位与土壤湿度之间的线性关系显著增强.     

低植被覆盖环境下BDS双频多星组合反演土壤水分研究

土壤水分是构成陆地生态系统的重要组成部分,高效、准确的监测其变化具有重要作用.利用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)反射信号反演土壤水分已成为一种新型的遥感监测方法.目前,已有研究多倾向于在裸土环境下通过全球定位系统(Global Positioning System, GPS)数据反演土壤水分,同时在引入小波分析分离卫星反射信号时,缺乏对分解层数的探讨.为此,基于北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS),提出一种基于小波分析和最小二乘支持向量机的土壤水分双频多星组合反演方法.探讨不同卫星高度角下小波分解层数对卫星信号的分离效果,并对比分析不同双频卫星组合反演土壤水分的可行性和有效性.以低植被覆盖环境为例,实验表明：(1)由于观测数据受多种因素影响,不同卫星最佳的高度角范围和小波分解层数均不同.(2)采用最小二乘支持向量机能够有效综合各卫星不同频率信号包含的土壤水分信息,反演结果更准确;当双频组合为四星时,反演结果与参考值之间的相关系数为0.977,较单星单频提高...     

地基GNSS-R在复杂地形条件下的积雪探测

GNSS-R技术是一种以GNSS为信号源的全新遥感技术,可用于监测海洋和陆地.在地基GNSS-R积雪探测研究中,反射区域内的复杂地形不仅会引起积雪的不均匀分布,还使得接收机能在同一时刻接收到来自多个反射界面的反射信号,从而增加了积雪探测的难度.针对该问题,本文利用北极圈内斯匹次卑尔根岛上布设的GNSS-R测站,开展了复杂地形条件下的积雪探测研究.根据不同界面上的反射信号具有不同多普勒频移的特点,本文提出了基于傅里叶变换的谱分析方法,将不同界面的反射信号从混合信号中分离出来,并根据特定多普勒频率段的功率来监测地表积雪变化.基于该方法,本文分析了反射路径位于Schetelig山地区域的8颗卫星在2014年间的反射信号,计算结果表明：卫星PRN 2、12和28与积雪地面介电常数之间的相关系数分别为0.02、0.20和0.05,表明这三颗卫星的反射信号与地面介电常数之间不相关;卫星PRN 14和20与地面介电常数之间的相关系数分别为0.29和0.26,为低度相关;PRN 17、18和25与地面介电常数之间的相关系数分别为0.43、0.54和0.44,为中等程度相关.研究证明本文提出的方法,可用...     

基于FY-3B/MWRI数据的青藏高原地区积雪深度反演

以青藏高原地区(25°N—40°N,70°E—105°E)为研究区域,基于积雪深度与微波辐射计18.7 GHz水平极化通道和36.5 GHz水平极化通道的亮温差(Tb_(18H)-Tb_(36H))具有良好的线性相关性,得出了适用于FY-3B/MWRI(Microwave Radiation Imager)亮温数据反演青藏高原地区雪深的新算法.利用FY-3B/MWRI一级亮温数据,通过新的半经验算法反演了青藏高原地区的积雪深度,进而运用AMSR2(the Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)的二级雪深产品验证了反演结果.结果表明:针对青藏高原地区,新算法相对于全球积雪深度算法具有更小的平均相对误差以及更小的均方根误差,在该研究区域具有更好的适用性.今后可以结合该地区的地表类型分类,对积雪深度反演算法进行更加细致化的拟合,以期提高反演精度,为青藏高原地球物理参数的遥感反演提供支持.     

Beidou/GPS/GLONASS多系统卫星定位数据质量比较分析

本文在运用TEQC软件结合QCVIEW32和DOSBox 0.74两款软件对GPS/GLONASS定位数据分析的基础上,引入朱静然等人设计的多系统GNSS数据质量分析软件对Beidou/GPS/GLONASS定位数据进行质量分析,并对北斗卫星(Beidou)、双星(GPS/GLONASS)和多星(Beidou/GPS/GLONASS)定位数据的多路径效应、电离层延迟、数据利用率与信噪比、卫星可见数和精度因子PDOP值等几个方面进行比较分析.试验分析表明:双星系统下的L1、L2两大频率兼容性良好;双星系统下的双频数据质量和稳定性良好,接收机周跳修复能力较强;多星融合的多路径误差明显小于北斗单系统,平均mp1和mp2分别减小了18%和6%,多星融合增加的卫星在一定程度上可以相互补偿从而削弱多路径效应对定位结果的影响;在观测条件复杂,截止高度角较高的情况下,单一系统无法满足高精度定位需求,而组合系统可以保持较低并且变化平缓的PDOP值,提供了高精度的定位服务.     

基于新型能量插值法精确建立GRACE-only地球重力场模型

本文基于新型能量插值法,利用美国喷气推进实验室(JPL)公布的2008年的GRACE-Level-1B实测数据,反演了120阶GRACE地球重力场.首先,由于GPS轨道测量精度相对较低,通过将K波段测距仪高精度的星间距离观测量插值引入双星动能差中,进而建立了新型能量插值卫星观测方程.其次,详细对比分析了2点、4点、6点和8点能量插值观测方程对地球重力场反演精度的影响.研究结果表明:基于最优的信噪比,6点能量插值公式有利于提高120阶GRACE地球重力场的反演精度.最后,基于美国、欧洲和澳大利亚的GPS/水准观测数据检验了本文新建立的WHIGG-GEGM03S地球重力场模型的正确性和有效性.     

基于北斗、GLONASS和GPS系统的中低纬电离层特性联合探测

基于GNSS(Global Navigation Satellite Systems)的发展,我们利用具有北斗、GLONASS和GPS三系统信号接收功能的接收机观测的数据,结合电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的反演算法,提取出GNSS三系统观测的电离层TEC;同时,将GNSS三系统获取的TEC应用到电离层TEC地图、行进式扰动、不规则体结构和电离层的太阳耀斑响应等方面的研究中,这也是首次使用三种GNSS系统数据对电离层进行联合探测研究.研究结果表明,增加了北斗系统的GNSS三系统在研究中国地区电离层TEC地图、周日变化、逐日变化,行进式扰动以及电离层的实时监测等方面较单系统的GPS具有明显的优势.     

FY3B-MWRI中国区域雪深反演算法改进

基于2002～2009年全国753个国家基本气象站观测的地面雪深和温度资料,以及同期的高级微波扫描辐射计(Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS,AMSR-E)亮温数据,利用不同频率亮温对雪深的敏感性差异,建立了中国区域雪深半经验统计反演算法.经2006年地面台站观测雪深验证,其反演均方根误差为5.6 cm.具体反演思路如下:根据全国1 km网格土地利用覆盖度数据,结合中国区域的下垫面微波辐射特征,划分成森林、农田、草地和裸地四种主要地物类型;首先建立这四种主要地物类型相对较纯像元下的雪深反演算法,然后利用线性混合像元分解技术,建立微波像元下高精度的雪深反演算法.将本算法分别应用于风云三号B星搭载的微波成像仪(Fengyun-3B/Mcirwoave Radiation Imagery,FY3BMWRI)和AMSR-E数据,进行了2010～2011年冬季雪盖制图,与相应时段的MODIS日积雪产品(MYD10C1)相比,尽管两者数据源有所不同,本算法估算雪盖的精度均达到84%以上.此外,利用本算法和FY3B-MWRI数据在北半球进行了雪当量估算测试,与AMSR-E标准雪当量产品进行了比较,发现二者结果较为一致.但在中国地区,AMSR-E雪当量值明显高于FY3B-MWRI估算值,这与目前已有AMSR-E雪当量产品的验证结果较为一致,FY3B-MWRI雪深估算值与站点观测值更为吻合.该算法已被作为国家卫星气象中心FY3B-MWRI雪深产品的业务化算法.     

电离层GPS掩星观测反演技术

在电离层局部地区球对称假设下,推导了利用双频和单频无线电掩星观测数据,反演电离层电子密度剖面的两种方法. 双频反演的误差来自于载波相位的观测误差,单频反演误差则主要由伪距的观测精度决定. 由于载波相位测量精度比伪距测量精度高两个量级,因此双频反演的精度一般比单频反演的高些. 不过,两载波信号L1和L2之间的传播路径差异会给双频方法带来误差. 利用三维射线追踪的程序模拟的无线电掩星数据来评估这些方法,结果表明,反演出的电离层剖面与给定的模式电离层非常吻合,验证了两种方法的可靠性和准确性. 将这两种反演方法应用于处理实测的GPS/MET掩星观测数据,均能获取合理的电离层剖面信息. 且单频方法得到的反演剖面与双频方法相当一致, 这为利用LEO星载单频GPS接收机进行电离层掩星观测提供了理论基础.     

联合星载GPS和KBRR星间测速数据反演GRACE时变重力场模型

高精度GRACE卫星时变重力场反演一直是卫星重力测量中的难题.为了恢复高精度的时变地球重力场模型,本文联合GRACE卫星的星载GPS和KBR星间测速观测数据,在对GRACE卫星进行精密定轨的同时,解算出60阶月平均地球重力场模型.通过对GRACE卫星的定轨精度、星载GPS相位和KBR星间测速数据的拟合残差以及时变地球重力场模型解算精度等分析,表明:(1)与美国宇航局喷气推进实验室(JPL)发布的约化动力学精密轨道相比,本文确定GRACE卫星轨道三维位置误差小于5 cm.(2)星载GPS相位数据拟合残差为5~8 mm,KBR星间测速数据拟合残差为0.18~0.30μm·s~(-1).(3)解算的月平均重力场模型与美国德克萨斯大学空间研究中心(CSR)、德国地学研究中心(GFZ)和JPL发布的RL05模型精度接近,时变信号在全球范围内具有很好的空间分布一致性.通过计算亚马逊流域和长江流域的水储量变化,本文与上述三个机构的计算结果无明显差异,且相关系数均达0.9以上.可见,本文建立的卫星轨道与重力场同解算法具有反演高精度GRACE时变重力场能力,为我国卫星重力场反演提供了重要的技术支持.     

大气掩星反演误差特性初步分析

GPS大气掩星探测技术可以获得全球大气折射率、气压、密度、温度和水汽压等气象参数,该技术基本原理是基于几何光学近似的Abel积分反演.地球扁率、电离层传播时间延迟、大气大尺度水平梯度、多路径传播现象等因素在某些高度范围影响大气反演的精度.本文采用模拟的方法,分析其中地球扁率及电离层对反演结果的影响,并讨论局部圆弧修正及电离层修正的效果.利用CHAMP掩星实测轨道数据和有关电离层和大气经验模式、采用三维射线追踪方法模拟计算几种情形下的GPS掩星观测附加相位数据,对模拟数据进行反演,将反演气象参量剖面与模拟时给定模式剖面进行比较,得到了0～60 km高度范围内的反演误差.误差统计分析结果表明,局部圆弧中心的修正以及电离层修正,对于高精度的GPS掩星反演是非常重要的;电离层修正残差仍是制约30～60 km高度范围内反演精度的重要因素,进一步完善和优化大气掩星反演需要发展新的电离层修正算法.     

用GPS卫星测量地球上不足一英寸的距离

利用追踪全球定位系统(GPS)卫星的世界范围接收网的实验数据“测量地球”这种最近发展起来的技术在1991年显露出身手不凡,最近的结果表明,地球表面相距10000km的点可以测量到2cm的精度,地球旋转轴每天的地表位置也可以估算到2cm的误差内.用一种可信的、经济的方法获得这个水平的精度是建立我们对地球的自转及变形知识的重要步骤.     

近地空间环境的GNSS无线电掩星探测技术

从GPS/MET计划开始,基于GNSS的无线电掩星技术已成为一种强大的近地空间环境探测手段.截至到目前,已经有20多颗发射的低轨道卫星带GPS掩星接收机,其中COSMIC是首个专门用于掩星探测的卫星星座.这些掩星数据被广泛应用于气象预报、气候与全球变化研究、及空间天气监测和电离层研究.由于COSMIC的成功,相关合作单位目前正积极推动COSMIC-2计划,该计划将总共有12颗卫星,于2016年与2019年各发射6颗.COSMIC-2将携带一个高级的GNSS掩星接收机,它将接受GPS与GLONASS信号,并具备接受其他可获得信号源的能力(如中国北斗定位信号),其每日观测的掩星数量将是COSMIC的4~6倍.同时COSMIC-2还将携带两个空间天气载荷,加强空间天气的监测能力.本文以COSMIC与COSMIC-2计划为主线,对掩星的发展历史、技术要点进行了简单介绍,并简要综述了COSMIC取得的部分科学成果,同时对未来包括技术发展和众多的掩星观测进行了展望.     

遥感SiCH-2卫星光学系统“猫眼”效应的卫星激光测距

乌克兰地球遥感卫星SiCH-2由2011年发射升空,目前已停止工作,处于失效失控状态,作为空间碎片目标由北美防空司令部（NORAD）提供两行根数（TLE）预报.本文分析了光学系统的“猫眼”效应,以上海天文台卫星激光测距（SLR）系统实现对SiCH-2卫星进行激光测距,测量回波强度大,测距精度优于10 cm.测距能力表明SiCH-2对激光反射回波达到合作目标带反射器的卫星激光测距水平,与光电探测设备“猫眼”效应分析的探测能力相当,测距数据结果表明该卫星处于自转状态,自转周期为4.3 s.本文国内外首次实现基于“猫眼”效应对在轨目标的激光测距,为远距离空间目标的探测提供了新的方法,促进高精度激光探测技术的应用发展,有利于对失效或轨道异常的光学系统类光电探测系列卫星进行监视监测.     

采空区地震与电法探测数据的联合反演研究及应用

综合地球物理技术在采空区的探测中发挥了重要作用.目前通常采用单方法反演、仅对不同方法反演结果进行对比解释的综合勘探方式,单方法反演的多解性严重降低了其探测精度.如何提高采空区的探测精度,对采空区进行有效探测一直被认为是地球物理技术面临的首要难题.为了提高地震与电法技术的探测精度,基于交叉梯度联合反演理论,设计了地震初至折射走时数据和高密度电法数据的联合反演算法流程,对采空区理论模型和野外实际数据进行了联合反演处理.结果发现通过两者的联合反演,不仅可以提高采空区电阻率反演模型的成像效果,而且能够获得地震单方法反演难以成像的采空区低速异常体,从而提高了地震与电法技术对采空区的探测精度.表明地震与电法探测数据联合反演是一种提高采空区探测精度的有效方法.     

BRD和DOAS SO_2总量遥感反演算法的比对

大气中SO_2是一种对城市大气环境变化和全球辐射能量平衡有着重要影响的痕量气体.BRD(Band Residual Difference Algorithm)和DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy)算法是两种主要的SO_2总量遥感反演算法,分别被用于美国和欧洲不同卫星载荷数据的SO_2反演.然而,目前缺少两种算法在相同观测条件下SO_2反演的精度比较及不确定性分析、在物理数学反演机制上的差异追因.因此,本文基于相同的仿真模拟数据和卫星紫外辐射观测数据,反演获得不同大气状况下的BRD和DOAS SO_2总量并进行精度比较验证.从算法反演通道、O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度影响等方面,讨论分析BRD和DOAS反演结果差异及反演误差的原因.结果表明,在低浓度SO_2情况下,BRD反演SO_2总量更接近于正演输入SO_2总量,DOAS反演结果存在高估,但相对于BRD算法,DOAS算法长时间序列卫星反演结果更能表现出SO_2的季节变化特征;在高浓度SO_2情况下,BRD(310.8~314.4nm)和DOAS(315~327nm)反演结果的绝对值差异明显且存在低估,BRD(310.8~314.4nm)SO_2反演值及反演精度都低于DOAS(315~327nm)反演结果.基于高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN的反演不确定性分析结果显示,反演通道选择、紫外O_3吸收、气溶胶、地表反射率和观测角度对SO_2总量反演精度的影响较大.本研究对于SO_2卫星遥感反演算法的改进及SO_2反演产品的应用具有重要的科学意义,也可促进中国未来大气成分SO_2卫星遥感产品的研发.     

积雪在El Nino影响东亚夏季气候异常中的作用

本文利用1948—2010年Global Land Data Assimilation System(GLDAS)NOAH陆面模式资料、GPCC月平均降水资料和NCAR/NCEP全球月平均再分析资料,采用滤波、距平合成和线性相关等方法,分析了El Nino成熟位相冬季欧亚大陆积雪异常的分布特征,研究了关键区积雪融化对后期春、夏季土壤湿度、土壤温度以及大气环流与降水的影响,揭示了El Nino事件通过关键区积雪储存其强迫信号并影响东亚夏季气候异常的机制和过程.主要结论如下:El Nino成熟阶段冬季伊朗高原、巴尔喀什湖东北部和青藏高原南麓区域是雪深异常的三个关键区,这些区域的雪深、雪融和土壤湿度有明显的正相关;这三个关键区雪深异常通过春季融雪将冬季El Nino信号传递给春、夏季局地土壤湿度,通过减少感热通量和增加潜热通量对大气环流产生影响;春末夏初伊朗高原土壤湿度异常对东亚夏季气候异常的影响最大,其引起的降水异常与El Nino次年夏季降水异常分布基本一致,春夏季青藏高原南麓和巴尔喀什湖附近土壤湿度也都明显增加,均会对中国华北降水增加有显著正贡献.总之,在利用El Nino事件研究和预测东亚夏季气候异常时,还应考虑关键区雪深异常对El Nino信号的存储和调制作用.     

新疆地区雪深和雪压的分布及其55年的变化特征分析

本文主要使用新疆地区109个气象站观测资料,对新疆地区雪深和雪压的分布和变化特征以及相关气象因子进行了系统分析,结果表明:新疆地区的积雪多年平均表现为北部多于南部,其中雪深和雪压最大值出现在新疆北部,数值分别为10 cm和10g/cm2.新疆积雪的季节特征较为明显,其中2月份积雪最大,雪深和雪压分别为9.2 cm和5....     

基于应变率的分布式光纤声波传感全波形反演研究

分布式光纤声波传感系统(Distributed Acoustic Sensing, DAS)是近年来迅速发展的新型地震数据采集系统.与传统地震检波器相比,DAS具有耐受恶劣环境,易实现大区域高密度观测等优点.传统地震检波器测量质点速度,而DAS接收沿光纤的轴向应变率(或应变)信号,传统基于速度—应力场弹性波方程全波形反演无法直接用于DAS数据反演.在前人DAS数据全波形反演研究中,将DAS数据转换为沿光纤的质点速度,但会放大低波数噪声,在低信噪比条件下影响反演精度.本文提出了直接基于应变率数据的DAS信号全波形反演方法.首先推导实现了直接基于应变率参数的DAS数据全波形反演理论.其次通过典型模型测试和DAS实测数据验证了直接基于应变率的全波形反演方法在DAS数据速度反演中的可行性和有效性.