全球导航卫星系统反射测量（GNSS+R）最新进展与应用前景

全球卫星导航系统反射测量（global navigation satellite system-reflectometry,GNSS-R）技术可以同时接收导航卫星直射信号和来自水面的反射信号,进而利用伪距、载波相位和信噪比信息实现高时空分辨率的水面高度反演。由于岸基设备特别是单频设备在部分受限环境中观测量不足,导致基于载波相位处理的GNSS-R实时测高性能降低,因此提出了一种利用GNSS重叠频率B1C/L1/E1信号的紧组合模型以提升单频GNSS-R的测高性能。首先,从天线极化方式的角度对差分系统间偏差(differential inter‐system bias,DISB)进行评估和分析。结果表明,对于左圆极化天线和右圆极化天线组成的短基线,在使用同型号接收机时可以忽略DISB的影响。然后,基于实测北斗三号卫星导航系统/全球定位系统（global positioning system,GPS）/伽利略(Galileo)系统数据评估了多系统紧组合模型下的GNSS-R测高性能。实验结果表明,相比于松组合模型,多系统紧组合模型能够显著减少安装环境对设备的限制,特别是在单系统反射信号观测量不足4个的条件下,紧组合模型GNSS-R水面高度反演在保证厘米级精度的条件下成功率仍高达约94%,从而有效提升恶劣观测条件下GNSS-R测高性能。

     

利用小波分解的GNSS-R雪厚反演改进算法

基于全球导航卫星系统反射测量(global navigation satellite system reflectometry,GNSS-R)数据的雪厚反演具有低成本、低功耗、全天时采集数据的特点,但利用GNSS信噪比观测值进行雪厚反演时,观测值受噪声信号功率影响较大,反演精度较低.基于此,提出一种基于小波分解的雪厚反...     

BDS-3和Galileo组合的RTK定位性能分析

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）已全面建成并向全球用户提供可靠的定位、导航和授时（positioning, navigation and timing, PNT）服务。为了实现与其他全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）的兼容性和互操作性,BDS-3在BDS-2的基础上调制了B1C和B2a两个新信号,与伽利略系统（Galileo）的E1和E5a实现了频率的复用。系统间偏差（inter-system bias, ISB）对于实现不同GNSS之间的融合处理至关重要,为此提出了基于单差模型的ISB估计与应用算法,并对BDS-3与Galileo重叠频率之间的ISB进行了分析。基于可跟踪BDS-3新信号的几类接收机,揭示了BDS-3和Galileo之间的ISB的特性,在此基础上分析了BDS-3和Galileo组合的实时动态（real-time kinematic, RTK）定位性能。结果表明,基于相同类型的接收机B1C-E1和B2a-E5a之间是不存在ISB...     

北斗三号卫星系统总体设计

对于全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS), 观测值测距性能会影响系统基本服务能力。大口径抛物面天线能够较好地削弱地面设备和环境对信号采集的影响。基于抛物面天线数据分析北斗三号全球卫星导航系统(BeiDou-3 global navigation satellite system, BDS-3)的观测值特性和测距性能。结果显示, B1I、B3I、B1C、B2a和B2b 5个频点上均未发现与北斗二号卫星类似的相同量级卫星星上伪距偏差, 部分频点伪距多路径存在波动, 但与高度角的相关性不强, 所有卫星测距偏差变化的平均量级为0.1 m。使用载波三频组合分析北斗三号卫星各个频率载波观测值的多路径变化和噪声水平, 载波三频组合存在毫米量级的变化波动, 但这种变化并未显示出与时间或者高度角的密切相关性, 基于抛物面天线数据的载波三频组合均方根误差绝大部分小于0.6 mm。以上结果表明北斗三号卫星的伪距和载波观测值未出现系统性偏差, 具有良好的测距性能。     

使用抛物面定向天线分析北斗三号星上伪距和载波测距偏差

对于全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS),观测值测距性能会影响系统基本服务能力。大口径抛物面天线能够较好地削弱地面设备和环境对信号采集的影响。基于抛物面天线数据分析北斗三号全球卫星导航系统(BeiDou-3 global navigation satellite system, BDS-3)的观测值特性和测距性能。结果显示,B1I、B3I、B1C、B2a和B2b 5个频点上均未发现与北斗二号卫星类似的相同量级卫星星上伪距偏差,部分频点伪距多路径存在波动,但与高度角的相关性不强,所有卫星测距偏差变化的平均量级为0.1 m。使用载波三频组合分析北斗三号卫星各个频率载波观测值的多路径变化和噪声水平,载波三频组合存在毫米量级的变化波动,但这种变化并未显示出与时间或者高度角的密切相关性,基于抛物面天线数据的载波三频组合均方根误差绝大部分小于0.6 mm。以上结果表明北斗三号卫星的伪距和载波观测值未出现系统性偏差,具有良好的测距性能。     

GNSS广播星历轨道和钟差精度分析

为了对多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）当前的广播星历精度进行一个全面的分析,对比了2014—2018年共5 a的GNSS广播星历与精密星历,并对全球定位系统（global positioning system,GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system,GLONASS）、伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system,Galileo）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）、准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system,QZSS）等5个系统的广播星历长期精度变化进行了分析。结果表明：5 a中GPS的广播星历轨道及钟差精度最稳定;GLONASS的广播星历轨道精度稳定性较好,但其钟差精度存在较大的离散度;Galileo得益于具备全面运行能力（full operational capability, FOC）卫星的大量发射及运行,其广播...     

北斗三号系统信号质量分析及轨道精度验证

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3）的信号体制经过重新设计,提供B1I、B3I、B1C、B2a以及B2b 5个频点的公开服务信号。从伪距多路径、信噪比、无几何无电离层相位组合（geometry-free ionosphere-free phase combination,GFIFP）观测值特性等方面,对BDS-3卫星公开服务信号的观测数据质量进行分析评估。结果表明,BDS-3卫星信号的多路径噪声水平优于北斗二号系统卫星,且未发现与高度角相关的系统偏差,B1C受多路径及噪声的影响更为显著;不同信号组合的GFIFP序列都呈现出与卫星相关的周期性系统误差,峰值约为2 cm。对BDS-3卫星采用“一步法”精密定轨,分别采用B1I&B3I与B1C&B2a的双频无电离层组合,使用轨道边界不连续性以及卫星激光测距进行轨道精度检核,结果表明,在可用观测数少于B1I&B3I的情况下,B1C&B2a解算的轨道精度达到与B1I&B3I相当的水平,轨道径向的内符合精度分别为6.1 cm、6.6 cm...     

GNSS信号土壤衰减模型的试验验证方法

GNSS（global navigation satellite system）信号在土壤中的衰减情况对于研究GNSS反射信号的有效遥感深度具有重要意义。本文通过试验研究了北斗信号与GPS（global positioning system）信号在土壤中的衰减情况。在试验设计上将GNSS天线置入土壤中并不断改变天线上方的土壤厚度与湿度以采集GNSS信号的功率衰减数据,最后利用这些数据反演土壤湿度以对GNSS信号土壤衰减模型进行验证。试验结果表明,土壤能够使GNSS信号发生明显的衰减。土壤的湿度值与厚度值越大,GNSS信号功率衰减越严重。在黏土土质,土壤湿度为0.15~0.30 cm³/cm³的情况下,当土壤厚度达到21 cm时,GNSS信号功率已衰减至无法被GNSS接收机测出。进一步根据GNSS信号衰减模型反演土壤湿度,结果显示,模型在土壤厚度大于等于10 cm、卫星仰角高于50°的情况下较为精确,此时利用北斗B1信号与GPS L1信号反演土壤湿度的均方根误差分别小于0.04 cm³/cm³与0.09 cm³/cm³。     

GNSS-MR技术用于雪深探测的初步研究

全球导航卫星系统干涉反射测量（global navigation satellite system-interferometric reflectometry,GNSS-IR）技术能探测浅层地表的土壤湿度。针对多系统组合的土壤湿度反演问题,基于轨迹聚类方法,从全球定位系统(global positioning system,GPS)、北斗卫星导航系统（BeiDou satellite navigation system,BDS）、格洛纳斯(GLONASS)、伽利略（Galileo）导航系统的信噪比观测数据中提取多径干涉相位,利用经验模型求解轨迹聚类后的土壤湿度估计值,以加权平均方式得到系统组合后的估计结果。结果表明,BDS、Galileo反演精度相当且优于GPS、GLONASS,基于轨迹聚类的多系统组合土壤湿度估计方法的均方根误差为0.041 4 cm³/cm³,相比于单系统的综合反演精度提升约16.3%,相比于单系统的最佳频段反演精度提升约5.2%,所提方法能有效监测土壤湿度的变化。

     

同天线不同接收机的GNSS-IR雪深反演分析

全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）干涉遥感技术(GNSS-interferometry reflectometry,GNSS-IR)利用测量型GNSS接收机即可获取反射面信息,具有信号源丰富、采样率高等优势,被广泛应用于雪深、潮位、土壤湿度、海面风场、海冰探测、地表形变监测等领域的研究。然而,GNSS接收机会对接收信号进行多路径抑制,反射信号会被削弱甚至剔除,从而降低GNSS-IR技术的精度。为了探讨GNSS-IR反演中不同接收机、不同频点的影响,基于零基线模式在中国北极黄河站设计了GNSS-IR雪深反演实验,定量研究了接收机性能对雪深反演精度的影响。首先,在站上布设了和芯星通接收机和天宝接收机,并通过功分器共用同一个天线,这样可以获得反射面完全相同的多接收机、多频点观测值;然后,对两台接收机在3个GPS频点下的日均反演结果进行比较以便验证反演策略的有效性,并通过单次反演结果对比分析不同接收机反演效果的差异。结果表明,多个接收机、多个频点都能成功反演雪深值,其偏差基本上在3 cm以内。但是,尽管反射面完全相同,两个接收机之...     

北斗三号PPP-B2b服务性能评估

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3）精密单点定位（precise point positioning,PPP）-B2b信号为中国及周边地区提供实时PPP(real-time PPP,RTPPP)服务,为了推广PPP-B2b信号的应用,需要对其服务性能进行评估。根据全球连续监测评估系统(international GNSS monitoring and assessment system, iGMAS）在中国的测站2020年9月的观测数据,评估了基于PPP-B2b信号的北斗卫星导航系统的轨道和钟差精度;分析了使用BDS-3PPP-B2b产品的B1I+B3I、B1c+B2a信号组合的定位精度以及北（north,N）方向、东（east,E）方向、天（up,U）方向收敛情况。结果显示:BDS轨道产品径向精度均值为0.1 m,切向精度均值为0.31 m,法向精度均值为0.3 m;钟差精度均方根的均值为2.26 ns,标准差的均值为0.08 ns。关于PPP收敛时间情况,在N、E、U 3个方向上,使用德国地学中心多系统快速产品...     

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.      

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。     

中国区域COSMIC数据掩星反射信号特征分析

掩星信号在传播过程中能够在地球表面发生反射,其反射信号中的低层大气信息在改进天气预报精准度和气候监测等方面存在很大的应用价值.基于COSMIC(constellation observing system for meteorology,ionosphere and climate)掩星廓线资料,提取了 2011-20...     

北斗B1C、B2a信号非理想性分析及接收约束建议

卫星导航信号的非理想性会导致不同接收机之间出现测距偏差,是影响卫星导航系统服务精度和完好性的重要因素。首先,针对北斗系统B1C、B2a新体制信号的非理想性进行分析,利用大口径天线采集了全部北斗三号在轨卫星播发的B1C、B2a信号（共27颗卫星）,评估了不同接收带宽、码鉴相间距下测距偏差的大小与变化特点;然后,以双频多星座星基增强服务应用为例,分析了两个信号在相应接收机中的设计约束条件。研究结果发现,在接收机常用的参数范围内,B1C、B2a信号非理想性引入的测距偏差分别不超过0.68 m、0.44 m;在测距偏差小于0.1 m的性能约束下,B1C、B2a信号可用的约束条件参数范围优于国际民航标准草案中的相关要求。     

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...     

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。