GNSS遥感研究与应用进展和展望

全球导航卫星系统遥感(GNSS remote sensing)属卫星导航应用与遥感的一个交叉学科范畴。GNSS系统除传统的导航、定位、授时等功能外,可免费提供全球覆盖、高时间分辨率的L波段(1—2 GHz)微波信号用于遥感探测。继GNSS折射信号被率先用于地震、大气水汽等的探测以来,利用GNSS反射信号进行海洋、陆表参数估算,近年来成为国际GNSS应用研究前沿热点。随着中国自主北斗导航系统的蓬勃发展,将会为GNSS遥感带来新的发展契机和空间。本文从GNSS遥感的两个重要学科分支,即GNSS折射信号遥感(GNSS refractometry)和GNSS反射信号遥感GNSS-R(GNSS Reflectometry),回顾在这一交叉学科领域近几十年的发展,并简要分析GNSS遥感发展面临的机遇与挑战。     

海面GNSS-R模型与时延-多普勒特征研究

GNSS海面反射信号的建模对全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite System-Reflectometry,GNSS-R)遥感应用具有重要意义.针对海面GNSS反射信号建模问题，本文采用Z-V模型研究了GNSS反射信号的时延一维相关功率和时延-多普勒二维相关功率特征，分析了不同风速下一维相关功率的变化情况，讨论了时延间隔和多普勒间隔对时延-多普勒图(delayDoppler map,DDM)的影响.数值结果表明：海面GNSS反射信号的相关功率对海面风速具有敏感性，在DDM波形仿真中，应选择合适的时延与多普勒间隔参数.该模型可模拟不同海况下海面GNSS反射信号的相关功率，为GNSS-R反射信号模拟及海洋遥感应用提供理论模型支撑.     

GLONASS偏差校正补偿算法模型的构建与应用

针对GNSS多模接收机的应用,分析了GLONASS卫星信号接入GNSS系统中会产生群时延变化等相关问题。通过对GLONASS系统可能产生的半周模糊度、0.25周模糊度、硬件偏差等相关问题的分析研究,探讨了RTK应用中的GLONASS伪距与载波相位偏差的6种有效解决方法。此方法包括了有效实时伪距与载波相位偏差校正补偿等。这些算法能够改进GPS+GLONASS+多模复用系统流动站接收机,使其在第三方基准站或网络系统的所有RTK应用中获得经过偏差改正的高精度的多星系统流动站接收机的性能。同时还提出了在站(或网络)接收机与流动站设备分属不同厂商产品的情况下,多模接收机系统伪距或载波相位测量过程中的差分偏差修正方法,进而提高GNSS系统的导航定位性能、作业效率和提高定位精度。     

单频到五频多系统GNSS精密单点定位参数估计与应用

全球导航卫星系统(GNSS)已发展至多频多系统时代,特别以我国北斗卫星导航系统(BDS)为代表的四大全球导航卫星系统可全天时、全天候播发十几个频率的伪距、相位和多普勒等观测信息。多频多系统GNSS为用户提供更多的观测数据和组合选择,为精密定位、导航和授时(PNT)应用带来了新的机遇,如高精度位置服务、大地测量、空间天气和灾害监测等。但多频多系统GNSS观测为精密单点定位(PPP)组合模型和系统偏差及大气延迟估计等带来诸多问题和挑战。本文给出了单频到五频多系统GNSS精密单点定位(PPP)模型,估计和评估了单频到五频多系统GNSS PPP定位精度、接收机钟差、对流层延迟、卫星和接收机硬件延迟,以及频间偏差。给出了GNSS PPP最新应用进展,包括GNSS气象学、电离层模拟、时间频率传递、建筑物安全和地震监测及其应用。结果表明,多频多系统极大地提高了GNSS PPP参数估计的精度和可靠性,具有重要的应用价值。最后给出了多频多系统GNSS PPP应用前景与展望。     

一种用于监测型GNSS接收机的定位精度测试设备研究

近年来,随着高精度全球导航卫星系统(GNSS)接收机板卡的市场化,水利水电行业自主研发的全球导航卫星系统(GNSS)监测型接收机设备相继投入使用,针对这种具有自主产权的全球导航卫星系统(GNSS)监测型接收机性能检测不足的问题,我们研制了一种简易的测试设备,专门用于检测此类全球导航卫星系统(GNSS)监测型接收机的定位精度和灵敏度测试,并对通过该设备获得的数据与GNSS监测型接收机测得的数据一致性进行了研究。实测结果表明,该测试设备操作方便,数据处理方法简单可行,可用来对全球导航卫星系统(GNSS)监测型接收机在不同环境下的定位精度和灵敏度进行有效测试。     

浮冰遥感全球导航卫星系统反射信号的势

全球导航卫星系统（GNSS）的地面反射信号已成为人们关注的遥感方法。对浮冰,大穿透能力和大规模表面覆盖的L波段信号能打开类似累积速率的积雪特征的新局面。文章在理论上研究了来自浮冰的全球定位系统（GPS）信号的反射,导出反射信号模型。结果表明,信号尽管复杂,但对雪面（和交界面）粗糙度和类似累积速率的永久积雪参数有意义。对来自复杂信号的极具价值的信息,导出卫星持续接收期间聚焦在地面区域的过程。从测量原则上应该能分别推导表面和积雪参数。     

超紧组合中不同精度IMU对GNSS信号跟踪性能的提升

详细推导了惯性测量单元(IMU)精度与全球导航卫星系统(GNSS)接收机信号跟踪环路误差之间的数学模型,分析了IMU辅助的高动态载波跟踪环路误差精度,比较了不同精度IMU辅助GNSS信号捕获性能,证明了分析推导的正确性和合理性,指出了惯性卫星超紧组合导航系统对IMU的精度要求。     

库区GNSS-R精细化反演水面高度及其验证研究

全球卫星导航系统(GNSS)反射测量技术的出现,为高时空分辨率水位监测提供了一种新的解决方案.?尤其在我国,大中型大坝、库岸高边坡大多建立了GNSS变形监测系统,为全球卫星导航反射信号(GNSS-R)技术监测水位提供了不需重复建设的硬件设备与丰富的数据资源.?以GPS信噪比(SNR)数据为观测量,详细推导了卫星反射信号...     

GPS／BD2／GALILEo反射信号接收机兼容分析与设计实现

探讨了多系统反射信号接收机GNSS—R的关键技术,介绍了基于FPGA＋DSP平台的GNSS—R接收机多系统兼容方法。通过数据插值技术、存储CA码发生器技术、FFT频域搜索CA码相位和载波多普勒频移技术,利用分段积分和FFT技术得到反射信号的复相关功率值等技术,解决了多系统在采样、捕获、跟踪、处理等方面的兼容性问题。搭建了验证系统,实现了对多系统反射信号接收机的信号的兼容处理。     

徕卡测量系统公司发布面向测量应用和参考站网络的GNSS新技术

2006年4月4日，瑞士徕卡测量系统股份有限公司发布了三种新型传感器，进一步丰富了GPS产品系列，其中包括适合于测量应用的Leica GX1230GG和Leica ATX1230 GG双星系统传感器，以及适合于参考站网络的GRX1200 GG Pro双星系统传感器。最新超高精度的GNSS（全球导航卫星系统）测量引擎，既支持GPS L2C信号，也支持GLONASS卫星。徕卡GNSS解决方案的用户将能接收到比单独GPS系统多达一倍的卫星信号，从而马上受益。此外，它还能够跟踪到各种未来的GNSS信号，例如GPSL5信号和伽利略卫星信号，保证用户的投资回报。     

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.      

GNSS反射信号海面溢油回波DDM仿真研究

海上溢油已成为影响海洋生态环境的重要污染物之一,我国近40年发生约3200起海上溢油事故。当今用于监测海上溢油的遥感主要是光学和雷达卫星,卫星遥感往往重访周期长,而海上溢油事件时常发生,给海洋带来严重的环境污染,需要快速、准确的监测其状况。GNSS R技术具有全天候监测海洋的特点,因此更适合用于海面溢油检测。为了验证GNSS R技术在检测海面溢油的可行性,利用2013年中国青岛海洋溢油事故的遥感图像的溢油结果,作为仿真实验检测目标,进行岸基的GNSS R海面溢油检测仿真研究。利用Z V散射模型和海水／溢油的均方坡度(MSS)模型结合,建立了能反映海面状况GNSS散射信号特征的时延 多普勒图(DDM)。仿真得到DDM中检测到海面溢油区域,验证了利用GNSS反射信号进行海面溢油检测的可行性。      

GNSS大气海洋遥感技术研究进展

全球卫星导航系统(GNSS)信号资源的大气海洋遥感技术一直是一个研究热点. 伴随着GNSS系统的建设和发展,相继出现了利用GNSS延迟信号、反射信号、掩星信号、极化信号获取大气和海洋环境参数的一系列新技术新方法. 在回顾GNSS大气海洋遥感技术概况的基础上,先后概述了GNSS延迟信号(GNSS-D)技术、GNSS反射测量(GNSS-R)技术、GNSS无线电掩星(GNSS-RO)技术、GNSS极化掩星(GNSS-PRO)技术的基本原理,比较全面系统地分析了其国内外研究和应用方面的现状及最新进展,特别是新兴GNSS-PRO技术的机理、优势及发展现状. 最后对该研究领域的发展前景进行了一些探讨,相关技术的突破和发展必将在气象、水文、海洋、陆地、空间环境等地球科学领域发挥越来越重要的作用.      

GNSS/MODIS信号紧耦合水汽层析算法

GNSS水汽层析技术凭借高精度、高时空分辨率及全天候监测等优点,已成为探测大气水汽最具潜力的技术之一。目前,融合多源大气遥感数据逐步成为弥补传统层析模型GNSS信号几何缺陷的研究热点。本文利用Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)提供的观测数据,首先分析了传统体素模型融合MODIS信号的不足;然后提出了基于体素节点模型的GNSS/MODIS信号紧耦合水汽层析算法,该算法将高分辨率MODIS PWV以三维信号的形式引入层析模型中;最后利用2016年7月徐州地区的15幅MODIS影像及同步GNSS数据对3种模型的层析结果质量进行了评估。试验结果表明:利用本文所提出的紧耦合算法,层析模型的平均有效观测信号数量提高了34.15%,层析结果平均RMSE(root mean square error)值降低了25.10%。此外,以邻近时刻探空站数据作为参考值,发现0~2 km的近地层,紧耦合算法的层析结果明显优于传统算法,这表明融合MODIS观测信号可改善近地层三维水汽场的重构质量。     

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。     

土地覆盖遥感制图方法研究现状与展望

区域尺度土地利用/覆盖分类研究是当今国际上开展土地利用/覆盖变化研究的重要领域之一。及时、准确地获取地球表面特性对于掌握人类和自然现象之间的关系和相互作用至关重要。本文根据土地覆盖遥感分类方法特点,从硬分类方法、软分类方法以及最新的软硬分类方法出发,总结了国内外的各研究成果,分析了各种方法的分类策略与特点及其方法适用性。研究结果表明：软硬分类方法能够灵活适用于遥感图像上纯净、混合像元并存的特点,可以有效解决光谱的异质性,在土地覆盖遥感监测中具有广阔的应用潜力。文中提出了基于变端元的软硬分类土地覆盖制图方法框架,并指出了今后的研究重点。     

GNSS-MR技术用于潮位变化监测分析

潮位变化的高精度监测一直是全球海平面观测系统、海洋环流和全球气候变化研究领域关注的热点问题之一。随着GNSS研究与应用的不断深入,近年来基于多路径效应的GNSS-MR技术已逐步成为一种新兴的遥感手段,即利用测量型GNSS站进行地表环境(植被、土壤湿度、雪深、潮位、火山活动等)监测。通过分析由多路径引起岸基GNSS站SNR值的变化特性,本文给出了基于SNR观测值的GNSS-MR技术监测潮位变化的反演原理。利用布设在美国华盛顿州Friday Harbor海港岸边的CORS站SC02实测观测数据对潮位变化监测进行了反演分析,并与该站相距359 m的验潮站数据进行了对比分析,两者较差均值约为10 cm左右,两者的相关系数均优于0.98。试验结果分析表明基于岸基CORS站的GNSS-MR技术在一定程度上可用于实时、连续的潮位变化监测,同时也说明岸基CORS站在一定程度上可作为验潮站的补充,进一步拓展GNSS在海洋遥感领域的应用范围。     

山地遥感主要研究进展、发展机遇与挑战

山地遥感是研究在山地这一特定环境中的遥感基本原理、方法及其应用的科学技术。从山地遥感研究的基本内涵出发,总结面临的若干前沿科学问题,指出当前主要研究内容:(1)电磁波与山地地表相互作用机理及建模理论;(2)山地遥感数据时—空—谱归一化处理方法;(3)山地地表信息遥感建模、反演与同化方法;(4)山地遥感尺度效应与算法/产品验证;(5)山地遥感信息综合应用等。从山地遥感研究的基础理论方法以及山地遥感应用两个层面回顾了近年来山地遥感研究取得的进展,并就新时代背景下山地遥感研究面临的机遇与挑战进行了分析,最后对山地遥感研究前景进行了展望。     

GNSS-R土壤水分遥感的适宜性分析

利用GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflectometry)技术探测土壤水分是近年来一个新兴的研究方向。目前GNSS-R遥感观测中反射信号的接收与处理方式包括单天线与多天线两种模式,面向实际应用需求,GNSS-R遥感正在实现从最初的地基观测向空基、星载观测的转变。在推进GNSS-R土壤水分遥感技术业务化应用的过程中,必须首先进行适宜性分析,确定该技术探测的地理位置、空间分辨率与探测深度,然而目前对此尚未有系统、全面、定量的论述。本文针对适宜性分析中的3个关键因子分别进行理论分析与公式推导,明确相关概念的定义,并实现定量化描述,最终通过实际应用分析进一步诠释其应用价值。对于单天线模式地基观测,以美国板块边界观测计划PBO(Plate Boundary Observatory)土壤水分产品为例,分析镜面反射点的相对位置、第一级Fresnel反射椭圆簇的面积与时间序列土壤水分所代表的探测深度;对于多天线模式,以郑州上街区农田空基观测试验为例,得到基于航迹的栅格土壤水分空间分布并探讨其探测深度。本文能够为未来两种观测模式下地基、空基和星载GNSS-R遥感观测、北斗反射信号遥感,以及GNSS-R在农业、水文、生态等领域的实际应用提供理论指导。     

面向遥感的GNSS反射信号接收处理系统及实验

提出了一种新的GNSS-R信号接收处理系统（GNSS-Rreceiver system,GRrSv.2）的结构及信号处理方法。该系统可同时针对直射和反射的GNSS信号协同处理,并输出可配置延迟和多普勒的二维相关值矩阵。为了验证系统的性能,进行了针对海洋和陆地遥感的机载和岸基验证实验,并给出了初步的实验结果。