海洋卫星测高及其反演全球海洋重力场和海底地形模型研究进展

海洋卫星测高在全球和区域大地水准面建模、全球海洋重力场反演、海底地形探测、海平面变化监测、构造板块运动研究等大地测量领域至关重要。本文概述了海洋微波测高卫星的简要发展历程,重点梳理了卫星测高在全球海洋重力场和全球海底地形建模方面取得的丰硕成果,对比分析了主流的海洋重力场和海底地形模型;介绍了合成孔径雷达高度计、Ka频段雷达高度计、合成孔径雷达干涉仪3种先进微波测高技术,并分析了其各自的优缺点,表明它们将在未来若干年呈并驱发展趋势;较为系统地阐述了海洋卫星测高的另一新型技术,即GNSS反射信号测量技术的研究动态,给出了GNSS-R(GNSS reflectometry)类(试验)卫星的发展脉络和发展前景。卫星测高的发展趋势之一是多颗测高卫星的组网观测,本文概括了曾经提出的和拟议中的若干组网测高计划,扼要介绍了由我国提出并正在实施的双星跟飞测高模式;最后指出了卫星测高发展的几个主要关注点,包括双星跟飞测高和SWOT(surface water ocean topography)任务的2维海面高(差)测量、卫星测高反演海底地形与高级地形激光高度计观测数据及遥感卫星图像的结合、星载GNSS-R厘米级海面高的载波相位测量、人工智能技术在卫星测高中的潜在应用等。     

星载激光测高的系统误差分析与检校

激光测高因具有方向性好、测距精度高等特点,在深空探测和地球科学领域中体现了巨大的应用潜力,将星载激光测高技术应用于高分辨率测绘卫星,辅助航天摄影测量以提高精度是一种新颖的设想。而研究星载激光测高系统误差对测量精度的影响,以及相应的误差消除方法,是决定该项技术能否真正提高测量精度的可行性基础。本文以全球首颗激光测高卫星ICESat及其搭载的地学激光测高系统GLAS为例,基于星载激光测高的定位原理分析各项系统误差对测高精度的影响,并在此基础上介绍星载激光测高的系统检校方法,以期对发展我国的星载激光测高系统提供一定的参考。     

星载寄生式InSAR系统相关性及相对测高精度分析

结合星载寄生式干涉合成孔径雷达(InSAR)的工作原理及高稳定频率源的工作特性,给出了时间和频率同步误差模型。基于该误差模型,分析了时间和频率同步误差对干涉相位的影响,首次推导了同步误差导致的信号去相关。基于星载寄生式InSAR系统的空间几何关系和图像信号模型,详细分析了热噪声、模糊、量化噪声、基线、方位向、配准误差及体散射等去相关效应,给出了考虑上述全部去相关因素时系统的相对测高精度,并仿真分析了以Envisat为主星的寄生式InSAR系统在ASAR雷达7个不同波位下的相对测高性能。理论分析和仿真结果表明,在合理选择轨道和雷达参数的前提下,系统可以达到很好的测高精度。     

资源三号02星激光测高误差分析与指向角粗标定

2016年5月30日,中国成功发射了民用三线阵立体测图卫星资源三号02星,该卫星搭载了中国第一个用于对地观测的激光测高试验性载荷。资源三号02星在轨运行以来获取了多轨测高数据,为保证其测高数据的有效应用,需分析影响测高精度的各项误差来源,并通过一定的方法予以消除或减弱。首先根据卫星激光测高严密几何模型分析资源三号02星激光测高的各项误差来源,分析表明激光指向角对激光测高精度的影响相对较大;构建通过已有大范围地形数据进行激光指向角粗标定的数学模型,并利用已有公开地形数据（AW3D30 DSM）对激光指向角进行粗标定,从而提高激光足印定位精度。实验结果表明,利用已有地形数据对指向角进行粗标定后,能将激光测高精度从几十米提高到3 m以内,验证了卫星激光测高误差分析的合理性和利用已有地形数据修正激光指向角的数学模型的有效性,为消除卫星激光测高粗差提供了参考,能为星载激光测高外场在轨检校工作提供支撑。     

采用地基合成孔径雷达技术提取DEM的方法研究

文章研究了基于地基合成孔径雷达技术的两种DEM测高模型——近似测高模型和改进测高模型,根据星载雷达测高原理推导了这两种模型,并分析模型的精度.通过对近似测高模型中的平行射线近似处理方法进行量化分析,指出近似处理方法引入的高程误差不能被忽略.本文对改进测高模型中各参数的误差传播系数进行了仿真分析,结果表明改进测高模型提高了理论测高精度,并可采用增加基线长度和缩短斜距的方法提高测高精度.     

逐历元GNSS-R测高单差和双差算法

GNSS-R测高是一种高效监测水面高度及其变化的新技术。与传统水面测量技术,如验潮站、卫星测高等相比,其主要优点包括可实现更高时空分辨率的观测、测高结果不受板块垂直运动的影响等。本文提出了一种基于单差观测值组合的cGNSS-R逐历元测高算法,可提高水面高度测量的时空分辨率,并给出了基于双差观测值逐历元cGNSS-R测高算法。利用武汉东湖清河桥上cGNSS-R试验中GPS反射信号观测数据,给出了高精度高时空分辨率的湖面到反射天线相位中心垂直距离,验证了本文算法的准确性,精度可达±2~±4 cm。与水面高实际观测比较结果表明,cGNSS-R单差、双差算法可有效削弱钟差以及电离层和对流层误差对反演水面高度的影响。     

考虑基线去相关的编队InSAR测高精度分析

针对主星带辅星群编队InSAR的双站、斜视、空间基线等特点，首先建立绝对测高误差与相对测高误差模型；重点分析了基线去相关对干涉相位误差的影响；对干涉车轮和钟摆编队的测高性能、对测高精度与基线矢量的关系进行仿真分析；其次与两种经典近似几何关系下的测高精度分析进行对比。仿真结果表明：干涉测高精度必须考虑基线去相关的影响；相对测高精度明显优于绝对测高精度；经典近似几何给分析测高精度带来很大误差。     

GNSS-R星载测高的动态性误差和信号平行误差研究

基于目前GNSS-R(global navigation satellite systems reflectometry)星载测高的几何路径延迟模型,分析了模型中存在的动态性误差和信号平行误差,给出了产生误差的原因以及了误差的解析表达式。为了获得误差的量级大小,首先采用部分UK-DMC(united kingdom disaster monitor constellation)星载数据进行实验,得到了动态性误差和信号平行误差的在实验中的大小;然后以CHAMP(challenging mini-satellite payload)和COSMIC (constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)低轨卫星作为接收机平台,进行了大量的仿真分析。综合实例和仿真分析的结果,得出这两项误差能够达到m级的结论,这是在测高中不能被忽略的。最后给出了如何用精密的发射机和接收机轨道信息来校正这两项误差的方法。     

不同地形条件下的星载激光测高系统误差分析

为了进一步提高激光测高的精度,服务于即将发射的国产激光测高卫星,文章归纳了激光测高系统的误差来源,推导出误差传播方程,然后分析了主要观测误差对光斑定位精度的影响,最后利用模拟参数估计定位精度;其中针对激光测高卫星在陆地地区的观测,主要分析了地表坡度的变化对测高精度的影响,分析结果表明:坡度造成的额外测距误差对测高精度影响较大,成为影响山区测高精度的主要误差来源。     

GNSS-R研究进展及其关键技术

全面评述了GNSS-R技术的研究进展,主要包括海面测高、海面风场遥感、土壤湿度探测以及星载实验等几个主要方面,从软件接收机和反演模型两个方面分析了GNSS-R的关键技术,并指出了存在的问题和发展方向。     

星载GNSS-R监测海面目标技术进展

全球卫星导航系统(GNSS)因其直射信号经海面反射后，反射信号会携带海面物理信息，由此开辟了一种在遥感应用中有巨大潜力的全球卫星导航反射信号(GNSS-R)技术，国内外在星载GNSS-R监测海面领域取得进展.本文总结了应用星载GNSS-R数据监测海面目标的进展，然后针对星载GNSS-R监测海面目标技术从最初实验、基于延迟多普勒图(DDM)观测值监测、基于反演散射系数监测、应用神经网络监测四个方面进行了总结和归纳.     

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。     

近海多卫星测高数据联合处理的方法及应用

近海卫星测高数据质量较深海差,多卫星数据联合处理是提高近海卫星测高精度的有效方法.研究不同测高卫星海面高参考框架的统一技术,讨论利用交叉点平差处理不同测高卫星海面高联合数据的技术与方法,并根据此方法联合Geosat GM,ERS-2和T/P海面高数据计算中国近海测高平均海面高.     

阶段模型修正的星载GNSS-R土壤湿度反演方法EI北大核心CSCD

本文提出了一种基于CYGNSS数据的星载GNSS-R土壤湿度反演方法。首先,基于CYGNSS数据提取地表反射率参数,联合SMAP数据中提取的植被光学厚度、地表粗糙度和温度等辅助信息,初步构建了土壤湿度反演理论模型,并利用神经网络模型确定了土壤湿度反演的精细数学模型;然后,将该模型处理获得的土壤湿度以35%为分界点,利用本文提出的阶段函数模型提高反演精度,并使用2018年10月—2019年5月的CYGNSS数据,获得了全球范围内星载GNSS-R土壤湿度;最后,通过与SMAP提供的土壤湿度数据进行对比,评估了本文提出的星载GNSS-R土壤湿度反演方法的有效性,并对获取的星载GNSS-R土壤湿度进行了时间序列分析。结果表明,本文提出的土壤湿度反演方法的结果与SMAP土壤湿度具有良好的一致性,且随时间变化的趋势也相符合,为高精度土壤湿度反演提供了一种思路。     

星载GNSS-R海冰边界探测方法

针对星载接收平台提出了一种利用全球导航卫星系统反射信号（Global Navigation Satellite Systemreflectometry,GNSS-R）进行海冰边界探测的方法。该方法利用导航卫星信号经海冰和海水表面散射后反射信号时延相关功率映射（delay map,DM）的差异,结合镜面反射点位置来探测海冰边界。利用自适应阈值调整算法处理TDS-1卫星数据,获取有效的DM数据,进而得到DM衍生量随镜面反射点位置的变化趋势,并设置DM衍生量的阈值来识别海冰。与全球海冰分布图对比发现,DM衍生量阈值对应的镜面反射点位置与海冰分布图的海冰边界位置基本吻合,证明了DM的有效区时延距离、相关功率的峰值和归一化标准差均可用于海冰边界探测,星载GNSS-R技术在海冰边界探测领域具有较大潜力。     

资源三号02星对地激光测高系统几何检校及验证

星载激光测高仪安装误差、激光指向和激光测距误差等导致最终激光测高精度不高,对激光器进行在轨几何检校可以有效提升激光测高精度。针对资源三号02星（ZY3-02）激光测高仪的工作模式,以裸露地表的航天飞机雷达地形测绘任务（shuttle radar topography mission,SRTM）数字高程模型（digital elevation model,DEM）数据约束同轨激光测距值,通过逼近地形起伏趋势线实现了卫星激光器出射方向的初始检校,实验证明不同轨激光指向的相对检校精度在20 m以内。利用地面铺设激光靶标的方法对星载激光测高系统进行几何精检校,并通过外业测量验证了ZY3-02激光器在平坦区域的测高精度优于0.5 m。     

星载激光测高技术进展EI北大核心CSCD

星载激光(雷达)测高技术已经逐步成为全方位全球观测的技术手段之一,其高测量精度、全天时测量能力、高效三维测量的特点在许多科学领域都具有独特的优势。本文讨论当前两类星载激光测高技术的工作原理、数据处理方法,并探讨了星载激光测高数据在对地观测和深空观测科学研究中的代表性应用;最后展望了未来星载激光测高技术的发展趋势。期望本文对从事星载激光测高研究、开发和应用的同行们有所裨益。     

一种无控制点支持的分布式SAR系统干涉测高方法

分布式星载合成孔径雷达干涉测高系统提供了多个通道的观测数据,给定位和测高带来冗余信息,基于此提出了一种无需控制点支持的干涉测高方法.介绍了该方法的原理,推导了定位与测高方程组,采用一阶近似进行了误差敏感度分析,并通过Monte-Carlo仿真加以验证.仿真结果表明:(1)可以直接采用误差理论分析结果为系统分析和设计提供支撑;(2)测高精度对系统干涉相位差的误差十分敏感.     

GNSS-R信噪比信号在海面测高技术的研究综述

自全球卫星导航反射信号(GNSS-R)概念提出以来,GNSS-R被广泛应用于遥感方面.如海面测高,海面风场反演,海冰检测等多个方面.文中主要介绍了GNSS-R遥感技术在海面测高的应用和研究进展,着重介绍了基于信噪比(SNR)数据测量方法的研究进展,简述了SNR数据测量方法所涉及的理论和信号处理的办法,并根据现有的研究进...     

高分七号星载激光定位模型构建与验证

高分七号卫星是中国第一颗搭载全波形激光测高仪的对地观测卫星，可满足立体测绘的需求。本文为了实现国内第一颗星载大光斑全波形激光测高仪数据高精度自主处理的要求，提出了高分七号星载激光定位和检校验证方法。首先，构建了高分七号卫星激光测高仪的严密几何定位模型，其次，使用了移动重心和波形分解的峰值提取法，然后实现了基于地形匹配与红外探测器结合的激光测高仪指向角标定，最后，建立了SRTM高程验证、湖面高程验证和野外定标场验证结合的激光测高仪综合高程验证方法。经验证激光测高数据在平地的测高精度优于0.15 m，激光器1指向角误差约为0.15″，激光器2指向角误差约为0.38″。结果表明本文提出的高分七号星载激光定位方法定位精度高，可以满足后续高分七号数据科学研究和大规模业务化应用的要求。