利用GRACE/GRACE-FO时变重力场数据量化长江流域干旱事件特征

针对区域干旱事件特征精确量化的问题,本文首先提出了一种基于GRACE/GRACE-FO时变重力场数据的干旱事件评估方法,然后对基于GRACE/GRACE-FO数据的干旱指数进行了验证,最后利用上述评估方法探测了2002年4月—2020年12月长江流域发生的干旱事件,并对上述干旱事件特征进行量化分析。结果表明:在长江流域内,本文构建的干旱指数与传统干旱指数具有很好的一致性。在研究时间段内长江流域发生了8次较大的干旱事件,其中最严重的发生在2002年9月至2004年7月,共计持续了23个月,干旱严重程度为-14.07,平均40%的流域面积受到了干旱灾害的影响。     

GRACE与GRACE Follow-On重力卫星数据揭示出的黄河流域2002-2020年干旱特征

研究黄河流域干旱时空变化特征,对认知黄河流域水资源演化规律具有重要意义。本文充分利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)与GRACE-FO(GRACE Follow-On)重力卫星在大尺度范围下监测水文信息变化中的优势,基于2002年4月至2020年7月GRACE和GRACE-FO RL06 Mascon数据,计算了黄河流域陆地水储量异常(terrestrial water storage anomaly, TWSA)及对应的水储量亏损赤字(water storage deficit index, WSDI),据此分析了黄河流域上游、中下游干旱事件及其严重性、干旱持续时间、平均与最大水储量赤字等干旱特征,并与其他4种常用干旱指数,标准降水蒸散发指数(standardized precipitation evaporation index, SPEI)、自矫正帕尔默干旱指数(self correct-Palmer drought severity index, sc-PDSI)、标准化降水指数(standardized precip...     

GRACE Level-2数据的RTS状态平滑EI北大核心CSCD

GRACE Level-2球谐系数反演得到的全球地表质量变化存在明显的南北条带噪声,严重影响区域地表质量异常估计的精度。DDK滤波引入信号协方差矩阵和正则化因子,能较好地削弱条带误差,同时保留更多的真实信号。采用状态空间模型表示球谐系数在相邻月份之间的联系,进而通过卡尔曼滤波实现去条带,即为状态空间DDK滤波方法(SS-DDK)。本文提出的SS-DDK方法状态向量只包含球谐系数,反映条带误差统计信息的协方差矩阵被用作状态空间模型中观测噪声协方差矩阵,采用幂律模型设计过程噪声协方差矩阵,通过迭代法求解方差分量因子,最后输出RTS平滑解代替卡尔曼滤波解作为最终数据处理结果。结果表明,在全球范围内,SS-DDK结果不存在明显的条带误差;计算各约束解与mascon解质量异常差异的均方根(RMSD),SS-DDK的RMSD为10.36 cm,小于任意一种DDK滤波。对比五大区域135个月所有约束解的等效水柱高、年振幅及RMSD发现,在格陵兰岛,SS-DDK所导致的信号失真更少,仅为49.8 cm;在其他区域,SS-DDK的去条带和保留信号的能力与DDK3—5滤波有不同程度的相似,在某些时段优于所有DDK滤波。对估计结果进行不确定性分析,SS-DDK解全球的不确定性大小为2.20 cm,其在所选区域的不确定性大小介于DDK2和DDK3之间。对比大地水准面阶误差的结果说明,SS-DDK解的噪声水平低于DDK4—8,保留信号能力与DDK2—3相当。增添仿真试验进一步说明SS-DDK在去条带和保留信号方面具有较好的性能。     

膨胀土边坡GNSS实时监测技术EI北大核心CSCD

膨胀土滑坡因其广泛性、破碎性、反复性、隐蔽性等特征,对工程危害严重。对其开展长期实时变形监测是实现膨胀土灾害防控的前提。在第一代膨胀土边坡GNSS监测技术试验的基础上,进行了两项改进：(1)设计了分层式GNSS/全站仪一体化监测装置,实现了膨胀土土质边坡分层式实时监测。(2)提出了综合多源参数的膨胀土边坡GNSS实时监测技术,提升了实时变形监测结果的可靠性和精度。相关技术和设备在广西宁明膨胀土公路边坡中进行了示范应用,分析了GNSS形变与多源监测数据的动态响应特征及诱滑原因,成功监测到一起膨胀土滑坡,研究成果具有可复制性和推广性。     

GNSS对流层水汽监测研究进展与展望EI北大核心CSCD

对流层是近地空间环境中与人类活动联系最为密切的大气层,而水汽是低层大气圈中最重要的组成部分之一。尽管水汽在对流层中所占比例较小,但在一系列天气和多种气候变化中都扮演着重要角色。随着全球导航卫星系统(GNSS)的快速发展,GNSS对流层水汽监测成为重要的研究和应用方向。本文系统介绍了GNSS多维水汽监测及其在相关方面应用的研究现状和进展。GNSS水汽监测研究方面,当前主要集中在二维大气可降水量监测和三维湿折射率/水汽密度廓线反演两部分;GNSS水汽应用研究方面,当前主要包括定位、短临降雨及旱涝监测、数值同化预报等。     

基于GRACE与降水的干旱研究分析

针对干旱问题,采用GRACE重力卫星数据进行反演监测,并对该技术在监测应用中的问题进行了研究.以陕西省与四川省为例,分析了陆地总水储量及降水对干旱的影响,采用基于两者相结合进行计算的干旱指数来检测干旱的发生,并与实际干旱情况及其他干旱指数进行对比,结果表明:该指数能够较好地检测出实际干旱事件且与其他干旱指数有较强的相关...     

顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航方法EI北大核心CSCD

为解决不同GNSS间信号差异引起的多GNSS RTK/INS紧组合导航应用中卫星系统间模糊度固定失败的问题,本文提出顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航方法,以进一步发挥多GNSS在复杂环境下的互补性和灵活性。本文推导了顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航观测方程,给出了综合利用抗差估计方法和粒子群优化的ISB/IFB参数估计方法。试验结果表明,顾及ISB/IFB参数可以在一定程度上提高卫星系统间模糊度固定成功率;结合抗差估计方法提高卡尔曼状态估计浮点解精度,可显著提高多GNSS RTK/INS紧组合导航系统在复杂环境下的系统间模糊度固定成功率与导航精度。     

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。     

GNSS高采样率路径增量地图匹配方法EI北大核心CSCD

针对高采样率GNSS轨迹数据在复杂城市路网中的匹配问题,本文提出一种基于路径增量的匹配方法。该方法分为组合过滤及增量匹配两个部分,首先通过组合过滤进行路网简化,然后以路径为增量进行匹配计算,在路口点处的匹配中采用综合距离因子与弯曲度的相似度评价方案。为验证其有效性,选取多条复杂程度各异的高采样率轨迹数据进行试验,并与曲率积分约束的地图匹配算法和隐马尔科夫模型两种现有匹配方法进行对比。结果表明,本文算法在高采样率匹配试验中的匹配准确率和效率均表现最优,且能够较好地处理各类复杂路段的匹配,能够满足在复杂城市路网中的高采样率轨迹匹配的需求。     

组合GNSS观测值反演海面高度EI北大核心CSCD

与验潮站技术相比,岸基全球导航卫星定位系统干涉反射技术(GNSS-IR)海面测高成本较低,且其观测量不受地壳沉降的影响,并可利用目前已有的沿海岸GNSS固定站提供的数据反演海面高度。目前常用观测量为大地测量型GNSS接收机给出的信噪比(SNR)值,然而,早期很多GNSS设备的输出文件中都不包含该值,导致无法利用它们研究海面高度长期变化趋势。但经典的码伪距和载波相位观测值中,同样包含着GNSS-IR测高信息。本文分别引入单频码伪距和单频载波相位的组合,以及单频码伪距和双频载波相位的组合GNSS两种观测值的组合实现了岸基海面测高。本文采用模拟数据证明了基于前一组合的GNSS-IR测高精度受到电离层延迟残差的影响,而后一种组合可避免该误差项的影响。为验证两种组合方法的有效性,在山东威海一海上栈桥上开展了试验,采集了全球定位系统(GPS)和北斗卫星导航系统(BDS)的观测数据,并处理得到了海面测高信息。最后,将反演结果与26 GHz雷达高度计的观测值进行了比较分析,发现二者具有较好的一致性,相关系数均优于85%。试验结果表明:两种码伪距和载波相位组合法均可用于GNSS-IR测高。另外,由于当前GNSS-IR测高受多种误差项影响,导致反演精度较低,使得后一种组合在避免电离层延迟残差方面的优越性并没有明显体现。本文组合方法的引入,增加了海面高度反演方法的多样性,提升了GNSS-IR测高技术的应用空间。     

利用GPT3模型的GNSS⁃PWV计算方法北大核心CSCD

针对部分GNSS测站缺乏实测气象参数时无法实时计算可降水量(PWV)的问题,本文以长三角地区为例提出一种将GPT3模型参数与GNSS对流层总延迟(ZTD)融合获取高精度PWV的新方法。研究结果表明,GPT3模型的气象参数和各类对流层延迟参数在长三角地区具有较好的稳定性和精度,融合GPT3模型的干延迟(ZHD)、加权平均温度(Tm)和GNSS⁃ZTD所得PWV的RMS为3.56 mm,接近GNSS⁃PWV的3.74 mm,远优于GPT3⁃PWV的11.12 mm。     

基于多源数据的新疆干旱特征及干旱模型研究

综合考虑大气降水-植被生长-海拔相互作用等多元成因,以新疆地区2001—2019年的MODIS数据、TRMM降水数据以及该地区数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据为遥感数据源,计算降水集中指数(precipitation concentration index,PCI)、温度植被干...     

超宽带/GNSS/SINS融合定位模型与方法研究EI北大核心CSCD

全球卫星导航系统(GNSS)与捷联惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,SINS)的组合可在室外环境或卫星信号短暂失锁的条件下提供连续、可靠的定位服务。但针对室内或弱GNSS信号区域,组合系统的服务受限;超宽带(ultra-wideband,UWB)系统以其可提供厘米级的理论测距精度且布设方便的优势,可为该区域提供有效的测距信息。论文以车载试验平台为依托,分别就UWB/SINS、GNSS/SINS和UWB/GNSS/SINS 3类室内外定位模型及相应的模型参数估计方法展开研究,主要研究成果如下。     

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。     

GNSS模糊度解算的附加缩放因子的CLAMBDA方法EI北大核心CSCD

针对弱GNSS模型下,约束LAMBDA(CLAMBDA)算法初始搜索空间过大,导致模糊度解算效率低下的问题,本文提出了基于缩放因子自适应调整搜索空间的ASS算法,并讨论了采用上下边界分别设置初始空间对ASS算法的影响。通过两组实测算例对ASS算法解算性能进行了试验验证。结果表明,ASS算法采用缩放因子可以有效地调整搜索空间,提高搜索效率;基于下边界设置初始空间可以进一步提高ASS算法的解算性能。     

联合EMD-HD和小波分解的GNSS坐标时间序列降噪分析EI北大核心CSCD

针对经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)在GNSS坐标时间序列的降噪过程中存在筛选准则的选取和模态混叠效应等问题,本文引入Hausdorff距离(Hausdorff distance,HD)筛选准则并结合小波分解(wavelet decomposition,WD),提出EMD-HD&WD算法。通过对我国大陆构造环境监测网络149个GNSS测站的垂向坐标时间序列降噪处理,分别利用复合指标T值、测站的速度不确定度和闪烁噪声振幅验证算法的可靠性和普适性。结果显示:HD优于现有的筛选准则;EMD-HD&WD算法对测站的速度不确定度和闪烁噪声振幅的平均改正率均为88.4%。分析表明,本文算法能够有效识别和剔除噪声并且改善EMD的模态混叠效应,提高GNSS垂向坐标时间序列的模型精度。     

地基GNSS水汽反演及其在极端天气中的应用研究EI北大核心CSCD

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)作为一项颠覆性的导航技术,在诸多重要领域(如测绘、气象、交通、环境和农业等)都得到了广泛的应用。GNSS作为一种新型的水汽探测手段,具有重要的研究前景和应用潜力。它克服了传统气象观测水汽的诸多缺点(成本高、时间分辨率低、仪器偏差与漂移影响较大、易受天气影响等),能够实时反映大气环境的变化规律,全天候地获取全球大气水汽信息。然而,GNSS气象学作为一项快速发展的学科,在多尺度的天气灾害事件监测与预报模型的应用研究中还很有限。     

GNSS载波相位时间传递的日界不连续误差研究EI北大核心CSCD

高精度远程时间传递技术是实现两地时钟比对的重要手段,是实现地方协调世界时UTC(k)与国际UTC建立联系的技术支撑,是国际原子时(TAI)计算的基础。作为GNSS载波相位时间频率传递技术的典型代表,基于全球定位系统(GPS)的精密单点定位(PPP)自2009年开始被国际权度局(BIPM)用于TAI计算,时间传递精度可达亚纳秒量级。然而,由于伪码噪声影响,使得PPP相位模糊度失去了整数特性,时间传递结果在相邻天边界历元处出现“不连续”现象,导致无法通过PPP时间传递更加准确反映两地实时连续运行时钟的性能,严重影响PPP时间传递长期频率稳定度的提升,也限制了PPP时间传递在铯喷泉钟等基准频标比对中的应用。论文围绕PPP时间传递结果日界不连续误差这一核心问题,按照从GPS单系统到GPS/BDS多系统,从理论研究到试验验证的模式,系统深入地研究了日界不连续误差的统计特性、产生原因、对时间频率传递的影响及改正方法。主要研究内容及结论如下。     

联合卫星重力和GNSS观测反演地震断层参数的研究EI北大核心CSCD

地震的发生会造成巨大的破坏和损失,大地测量技术能观测地震形变和反演地震断层的错动情况,对于减少地震灾害具有非常重要的现实意义。GNSS技术已广泛用于震源参数的反演工作,但对于发生在海域的地震,由于GNSS站点往往位于陆地一侧,导致对断层的约束 能力有限。卫星重力技术因其全天候、全球覆盖、连续性,以及不受地域地形限制等诸多特点,可弥补海洋一侧常规观测不足。联合GNSS和GRACE两种观测手段反演震源机制,可进一步提高反演海域地震的震源参数。为此,论文基于GRACE和GNSS观测的同震和震后形变,联合反演了断层参数和地幔黏滞性系数等,主要成果如下。     

基于SAR技术的电离层反演及其应用研究EI北大核心CSCD

低频SAR系统因其较强的穿透能力受到广泛重视,然而,对高频SAR系统影响很小的电离层误差在低频SAR系统中却不容忽视,电离层误差的有效改正逐渐成为低频SAR系统高精度应用的必要条件。与此同时,低频SAR系统作为反演电离层的一种手段,可以实现高分辨率、高精度的电离层参数反演,能够极大地提高电离层特征与变化的探测能力。论文围绕低频SAR数据处理中的电离层误差问题,开展基于SAR的电离层反演算法的研究,并将SAR与GPS联合进一步提高电离层反演精度,从而弥补当前电离层观测手段对于中小尺度电离层不均匀结构和扰动变化探测能力的不足,校正SAR数据及产品的电离层误差,提高SAR的测量精度。主要工作如下。