地基GNSS-IR风速反演原理及方法初探

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)的发展,曾经被认为是误差源的多路径效应,已经被证实可以用来监测水位、雪深、植被指数、土壤湿度等反射面参数,其中的地基分支逐步发展为GNSS干涉遥感(GNSS-interferometry refl ectometry,GNSS-IR)技术.为了扩展GNSS-IR技术的监测对象和应用范围,本文提出了一套地基GNSS-IR风速反演的原理及方法.首先,本文基于信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)振荡原理、散射模型原理、波浪谱原理,从理论上证明了SNR截止高度角参数与风速之间存在一一对应的数学关系,并仿真得到了具体的数学关系.然后,本文使用小波分析方法从实测SNR序列中获取SNR截止高度角,并将同一GPS卫星、每天同一时间内SNR序列的截止高度角进行基准统一,获得截止高度角变化量;根据该变化量反演风速.算例选取香港HKQT站在"山竹"和"天鸽"台风前后时间的数据进行分析,结果发现:GPS L5信号的截止高度角变化量与实测风速数据对应关系良好,相关性达到70％ ～85％;截止高度角变化量可以刻画风速从低风速逐步抬升至高风速的变化情况;同一站点截止高度角变化量与风速之间存在特定的数学关系;相关结论证实了利用SNR可以估计风速变化.最后,本文讨论了GNSS-IR风速反演技术中下一步的研究方向,以期推进该技术的实际应用进程.     

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。     

SVM辅助的GPS SNR雪深时间序列反演

研究了GPS干涉反射技术GPS-IR(GPS-Interferometric Reflectometry);在利用GPS卫星SNR信号进行积雪深度探测的基础上构建了支持向量机SVM(Support Vector Machine)辅助的GPS SNR雪深时间序列反演模型;对积雪深度进行时间序列预报和与传统GPS-IR积雪探测模型进行精度对比分析。实验结果显示,相比传统GPS-IR雪深反演模型,SVM辅助的GPS SNR雪深时间序列反演模型的雪深预报结果的精度更高,也更符合实测雪深的变化趋势,可为地面积雪雪深反演提供新方法。     

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...     

GLONASS卫星SNR信号的雪深探测

利用GNSS-MR(Global Navigation Satellite System Multipath Reflectometry)技术反演积雪深度是近年来一种新兴的卫星遥感技术。目前大多数研究仅使用GPS(Global Position System)数据限制了该技术的发展,为了扩展GNSS-MR算法的应用,介绍了基于GNSS-MR算法的雪深反演模型。首先,通过多项式拟合分解GLONASS观测数据获取高精度的信噪比残差序列;然后,利用Lomb-Scargle谱分析法对其进行频谱分析可解算雪深值。选取IGS中心的YEL2站2015年11月到2016年6月共243天的GLONASS卫星L1波段反射信号的SNR数据进行实例分析,并以美国国家气象数据中心提供的加拿大Y-H (Yellowknife Henderson)气象站的实测雪深数据为真值,将反演雪深与实测雪深进行对比验证。所得实验结果如下:(1)与GPS卫星的反演值相比,基于GLONASS-MR(GLONASS Multipath Reflectometry)技术反演积雪深度的精度同样能达到厘米级,RMSE仅3.3 cm,反演值与实测值的空间分布趋势一致且相关性较强,其相关系数R2高达0.969;(2)不同的积雪深度对信噪比的振幅频率与垂直反射距离具有直接影响;(3)对同一卫星而言,信噪比的频谱振幅强度峰值与其对应的反演值存在线性相关;(4)在相同条件下,采用多颗GLONASS卫星数据比单颗GLONASS卫星数据反演雪深的效果明显更优。基于反演的高时间分辨率产品,分析该地区雪深日变化的情况,实验结果表明基于陆基CORS站的GLONASS-MR技术在用于实时、连续的雪深变化监测方面具有良好的潜力和可行性。     

单站地基GPS天顶延迟反演大气剖面研究

基于一定的大气折射率剖面模型和搜索方法,可以由GPS天顶延迟反演大气折射率剖面。利用上海气象站的探空数据和上海IGS站的GPS数据,对基于单站地基GPS天顶延迟的大气折射率剖面反演方法进行了验证。结果表明,根据目前处理得到的天顶延迟,反演剖面与实际剖面吻合较好。     

GPS参考站软件

美国佐治亚州徕卡地理信息系统公司最近开发出一种可供GPS参考站及网络使用的V1．5蛛网式(Spider)软件,该软件可支持徕卡公司生产的GPX1200和GRX1200程序参考站接收机,并可帮助自动管理和不间断监测GPS参考站网络,该软件还可对当地的或远距离的自动GPS传感器进行配置及控制。定期从传感器下载数据、数据存档与分配、系统监测和数据记录。     

利用多模多频GNSS-IR信号反演沿海台风风暴潮

台风风暴潮每年给沿海城市造成了极大的损失,近年来利用GNSS反射信号的地基遥感方法可以用于潮位监测,称为GNSS-IR（global navigation satellite system-interferometric reflectometry）,对风暴潮期间验潮站资料进行补充。由于风暴潮发生时间短且破坏性强,单系统GPS的时间分辨率难以满足海洋灾害的监测需求。本文基于中国香港站（HKQT）和巴哈马群岛站（BHMA）的多模多频GNSS卫星观测数据反演了3次沿海风暴潮事件。先对多模多频数据的质量进行分析,随后分别对2019年飓风“多里安”、2018年台风“山竹”和2017年台风“天鸽”引起的3次风暴潮,利用基于滑动窗口的最小二乘法对多模多频GNSS-IR反演结果进行改正并与验潮站实测值对比分析。试验结果表明,利用多模多频GNSS-IR反演“多里安”风暴潮的精度优于14 cm,反演“天鸽”和“山竹”风暴潮的精度优于9 cm。相比GPS单系统,多模多频GNSS-IR能够提高监测的精度和时间分辨率,有效提取风暴潮中异常潮位的涨潮、峰值和落潮的全过程,对海洋灾害的研究监测发挥重要作用。     

基于GNSS-R技术的实时潮位高度变化反演方法

潮位高度变化反演过程中易产生部分数据丢失情况,导致实时潮位高度变化反演精度不高,为了提高对潮位实时监测能力,研究基于全球导航卫星系统反射信号（GNSS-R）技术的实时潮位高度变化反演方法。通过信号采集设备采集GNSS-R原始信噪比（SNR）信号后,采用奇异谱分析（SSA）和经验模态分解（EMD）相结合的去噪方法去除原始SNR信号的噪声,保留有价值SNR信号;通过线性尺度变换得出线性化SNR信号,经多项式去掉直射信号分量,得出多径振荡分量;采用小波变换分析多径振荡分量提取实时潮位,完成实时潮位高度变化反演。试验结果表明,该方法应用效果较好,可实现实时潮位高度变化反演,SSA-EMD针对不同信号的去噪效果均较好,其中GNSS-R信号去噪最佳,在保留原信号趋势同时,可去除信号中多余噪声;该方法的海面高度反演结果和对比区域实际潮位高度基本一致,且可增强实时潮位反演结果时间分辨率。     

联合GPS基准站和验潮站数据确定海平面绝对变化

采用中国地壳运动观测网络工程厦门基准站的GPS观测数据以及厦门验潮站的验潮数据,计算了厦门海域的海平面绝对变化速度,并就高程变化问题作了深入讨论,表明点位高程变化呈周期性,几期GPS连续观测受其影响不能得出实际的高程线性变化速率,指出了要监测验潮站的地壳垂直运动,最好采用多年连续的GPS观测数据。     

基于不同基准面的水位控制测量高程之比较分析

探讨了在水位控制测量时,因各种测量方法依据的基准面的不同而引起的所测高程之间的差异,着重对全站仪三角高程、GPS高程与水准高程三者之间的差异进行了理论分析和实测数据比对,给出了几种高程之间相互转换的方法。     

GPS参考站网络的多路径误差建模技术研究

通过研究多路径误差的周日重复性特征,将参考站网络多路径历史数据用于减弱参考站网络基线解算中的多路径效应影响,以提高网络解算(尤其指低高度角卫星和新升卫星)的初始化进程及可靠性。通过分析多路径误差的产生机理,研究多路径误差与信噪比信息的强相关关系,建立信噪比相关网络内插模型(SNRIM),用于流动用户位置高精度多路径改正数的实时计算。最后通过四川GPS观测网络实验,验证上述方法在网络高精度实时定位领域应用的有效性及可靠性。     

Determination of the absolute rate of sea level by using GPS reference station and tide gauge data

The absolute rate of mean sea level of Xiamen area is derived from the data of Xiamen tide gauge station and Xiamen GPS fiducial station of crustal movement observation network of China (CMONC). The height variation is discussed deeply in this paper. It is shown that height has periodic variations. So the rate of vertical land movement can not be precisely obtained only from several GPS campaigns. It is pointed out that the vertical crustal movement of tide gauge station should be monitored by using long-term continuous GPS observations.     

Determination of the absolute rate of sea level by using GPS reference station and tide gauge data

The absolute rate of mean sea level of Xiamen area is derived from the data of Xiamen tide gauge station and Xiamen GPS fiducial station of crustal movement observation network of China（CMONC）. The height variation is discussed deeply in this paper, h is shown that height has periodic variations. So the rate of vertical land movement can not be precisely obtained only from several GPS campaigns. It is pointed out that the vertical crustal movement of tide gauge station should be monitored by using long-term continuous GPS observations.     

基于GPS的MODIS近红外可降水量季节性模型建立

在考虑可降水量季节性变化的基础上,提出利用GPS数据建立MODIS近红外可降水量季节性模型。首先对比分析2014年北京房山(BJFS)站的GPS可降水量和相应时间的MODIS近红外可降水量数据,发现两者之间的变化趋势基本一致,存在显著线性相关性;然后以GPS可降水量为标准值,利用回归分析建立GPS和MODIS可降水量之间的季节和全年校正模型。经检验,GPS可降水量与四个季节模型校正的MODIS近红外可降水量的均方根误差均小于3mm,最大误差不超过6mm,季节校正模型的精度都要高于全年校正模型。     

利用GPS-IR监测土壤含水量的反演模型

GPS-IR（GPS-interferometric reflectometry）本质上是一种基于GPS辐射源的双基地雷达技术,利用大地测量型接收机记录的信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）数据可用于反演土壤含水量。针对GPS-IR获取土壤含水量的参数估计问题,提出了一种改进的反射信号参数估计方法,并研究了土壤含水量反演模型的建立过程。实验结果表明,利用改进的反射信号参数估计方法可获得更加准确可靠的结果,反射信号相位与土壤含水量间存在显著的线性相关,可建立土壤含水量的线性反演模型,但在连续降雨条件下会存在较大误差。     

地基GPS技术遥感香港地区大气水汽含量

提出了分段多项式方法计算大气水汽含量,并结合无线电高空气象探测资料,分析并评估了地基ＧＰＳ遥感技术的精度。香港地区的可降水份计算结果表明,地基ＧＰＳ遥感技术的精度为１ ｍ ｍ ～２ ｍ ｍ     

利用水位修正模型精化潮位数值模拟

利用海洋动力模式FVCOM（finite volume coast and ocean model）模式建立了高分辨率的海州湾及其外海域潮汐数值模型,提取了整个场内各个网格点上天文潮位值的时间序列。利用该区域内分布的5个验潮站资料提取水位修正模型,对场内的网格点进行水位修正,得到高精度的格点水位时间序列,然后对修正前后的水位值进行比较。结果表明,基于水位修正后的潮位数值模拟结果水位精度提高了10 cm左右。