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.      

不同GPS掩星电离层剖面产品相关性分析

将在一定时空限定范围内的不同低轨卫星COSMIC、GRACE、CHAMP、FY3C的电离层掩星电子密度剖面定义为一个掩星对来对比分析不同类型掩星电离层产品。结果表明：COSMIC掩星对之间的电子密度剖面整体轮廓符合得很好,电子密度剖面主要在250 km以下和500 km以上存在较大的偏差,250~500 km的电子密度整体偏差较小,统计得到的COSMIC掩星对的电子密度参量NmF2和hmF2的相关系数能分别达到0.99和0.97,具有高度相关性,不同COSMIC卫星之间没有明显的系统误差;COSMIC、GRACE、CHAMP和FY3C不同低轨卫星间的电子密度剖面略有差异,通过统计电子密度参量NmF2和hmF2之间的相关系数,COSMIC和CHAMP的相关系数分别为0.95和0.86,COSMIC和GRACE的相关系数分别为0.98和0.94,COSMIC和FY3C的相关系数分别为0.96和0.92,不同掩星类型之间的电子密度参量之间也具有高度相关性,验证了不同卫星任务GPS掩星电离层剖面的一致性。     

奥斯特/GPS掩星与地面雷达联合观测电离层电子密度的初步结果

1999年2月丹麦发射了一颗奥斯特小卫星,它装载了两台GPS接收机,其中一台用于电离层和中性大气掩星测量,另一台用于自主定位。本文给出了1999年10月奥斯特/GPS掩星与日本MU雷达和数字测高仪的联合观测结果。奥斯特掩星反演得到的电子密度剖面与地面雷达观测的进行了比较,结果表明:天基和地基雷达观测的电子密度是一致的。文章还给出利用GPS的单频信号反演电离层电子密度剖面技术和3维射线追踪技术模拟掩星结果。     

雾灵山山基掩星观测反演误差分析

运用山基GPS掩星探测技术对2005年8月河北雾灵山山基GPS掩星观测试验数据进行了处理,获得了接收机高度以下的大气折射率廓线;分析了掩星反演结果的内部符合情况,并利用同时进行的联合探空观测数据,将探空结果与掩星反演结果进行了比对分析.分析结果表明,山基GPS掩星反演大气折射率的内部符合精度优于1%,与常规探空结果的平均偏差为5.9%.反演结果偏小,标准偏差为5.6%.     

奥斯特／GPS掩星与地面雷达联合观测电码离层电子密度的初步结果

1999年2月丹麦发射了一颗奥斯特小卫星,它装载了两台GPS接收机,其中一台用于电离层和中性大气掩星测量,另一台用于自主定位,本文给出了1999年10月奥斯特/GPS掩星与日本MU雷达和数字测高仪的联合观测结果。奥斯特掩星反演得到的电子密度剖面与地面雷达观测的进行了比较。结果表明：天基和地基雷达观测的电子密度是一致的。文章还给出利用GPS的单频信号反演电离层电子密度剖面技术和3维射线追踪技术模拟掩星结果。     

地基GPS与掩星联合的电离层层析成像方法研究

由于有限视角、稀疏布站等原因,地基G PS电离层层析成像存在垂直分辨率不高的问题,联合掩星进行电离层层析成像是一个重要的解决途径。一方面地基G PS观测能保证电离层层析成像的时间连续性和区域覆盖性;另一方面由于掩星信号能够提供地基G PS没有的水平射线信息,提升了电离层层析成像的垂直分辨率水平。利用地基GPS站与COSMIC卫星的掩星观测进行的仿真结果表明：与仅利用地基G PS相比,联合掩星进行电离层层析成像,不仅在电离层电子密度反演精度方面有明显提升,而且在电离层F2层峰值高度（hm F2）和电离层总电子含量（T EC ）的精度方面同样有明显提高。     

利用GPS反射信号遥感全球海态

最近几年，迅速发展一种新的空基海洋遥感技术。它在低轨卫星上接收经海面或地面反射的GPS信号，通过分析C／A或P码的相关函数波形及其后沿，荻得全球海面平均高度、浪高、海面风场以及土壤湿度等，提供海洋中尺度涡旋发展、演变信息，监测和分析高纬地区冰层厚度。它采用无源探测方法，具有成本低、荻取数据量多和快速等突出特点，是传统卫星高度计探测的重要补充和发展。该文讨论了这项技术发展现状、反射信号的时间延迟以及海态参数计算等关键技术；也给出作者利用掩星观测资料分析得到的海面反射回波一些重要结果。     

星载掩星观测GPS接收机

讨论了星载掩星观测接收机的技术要求和特点，国外掩星接收机的现状和应用、接收机主要组成部分、接收机天线和相应的飞行软件。根据国内现有技术水平和掩星观测技术要求，提出我国星载掩星观测接收机研制的一些意见。     

不同反射天线覆盖和安装条件下星载GNSS?R关键参数的仿真分析

以风云三号（Fengyun 3, FY3）E星（FY3E）全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)掩星探测仪Ⅱ型(the Ⅱ generation of GNSS occultation sounder, GNOSⅡ)的星载GNSS的反射信号(GNSS reflectometry, GNSS-R)遥感场景为例,使用GNSS-R端到端性能模拟器软件,在不同反射天线覆盖（即不同天线波束宽度）和不同安装条件（包括安装天线法向不同的倾斜角度和倾斜方向）下,对可观测镜面反射点(specular point, SP)平均数量、SP最大数量、平均路径损耗、近地轨道(low Earth orbit, LEO)处反射信号入射角和SP处反射信号反射角等物理参量进行了仿真模拟,分析了各GNSS-R仿真参量与天线倾斜角度、倾斜方向和波束宽度之间的数值变化关系;并结合雪花图方法,进行了整体视角的分析。结果表明,天线波束宽度对各仿真参量的影响最大,倾斜角度次之,倾斜方向的影响最小,且天线波束宽度与SP数量成正比,与能量损耗成反比,天线设计需考虑各影响因素的平衡。     

GNSS掩星探测大气的研究现状及进展

与传统的无线电探空、雷达探测等手段相比,GNSS掩星技术为大气探测提供了一个强有力的工具,其具有无校准、全天候、精度高、垂直分辨率高、全球均匀覆盖等特点.介绍了利用GNSS掩星技术获取地球大气温、压、湿等相关参数大小的研究现状.同时,提出了GNSS掩星技术在气候研究领域的发展方向,将拓宽GNSS掩星技术在全球气候变化研究中的应用.     

风云三号D卫星GPS信号功率调整及干扰分析

全球定位系统(global positioning system,GPS)卫星的IIR和IIF卫星能够在各个信号分量之间重新分配其发送信号的功率,一个或多个GPS信号可以在指定区域根据需要进行功率调整或者关闭。分析GPS信号的变化特征对于地面和空间应用有重要的意义。风云三号D(FengYun-3D,FY-3D)卫星是中国极轨气象卫星之一,利用FY-3D卫星实际测量数据可以帮助GPS用户全面了解GPS功率调整的特点。首先,利用FY-3D运行轨道全球覆盖的特点分析GPS信号的强度,特别是GPS信号功率调整时间段信号变化的特点;然后,使用在轨数据研究了全球范围L波段信号干扰的特征,得到了干扰对全球导航卫星系统掩星探测仪掩星天线的自动增益控制和基底噪声的影响。结果表明：从2020-02-14开始的GPS功率调整以[35°N,37°E]和[35°N,69°E]为中心,覆盖半径约为7 500 km,在该区域内GPS P(Y)码功率增加约10 dB;GPS L1和L2频段在中东地区持续受干扰的影响,该区域的基底噪声比其他区域增加约3～10倍;干扰区域中心点和GPS功率调整区域中心点大致在同一位置。G...     

利用FY3C与FY3D GPS掩星资料研究中低纬地区偶发E层形态的比较

偶发E层(sporadic E, Es)是主要发生在90~120 km高度的电子密度显著增强的电离层薄层,Es层的存在会导致掩星观测中全球导航卫星系统信号强度和相位的强烈波动。利用2019-01—2021-12风云三号C（Fengyun-3C,FY3C）和风云三号D(Fengyun-3D,FY3D)卫星GPS（global positioning system）掩星观测的50 Hz信噪比数据提取Es层信息,进而对两颗卫星数据分别反演得到的60°S~60°N中低纬地区Es层发生率的时空分布及季节变化进行比较。结果发现,虽然两颗卫星掩星资料得到的Es层发生率分布形态基本一致,均反映了Es层的发生率与地磁场和中性大气背景风场的相关性,但在大部分季节和地区,由FY3D得到的Es层发生率低于由FY3C得到的结果,北半球夏季中纬地区尤为明显,而FY3C反演结果与基于电离层与气候星座观测系统掩星数据的反演结果更为接近。导致差异的可能原因包括两颗卫星信噪比廓线的上边界高度分布和地方时覆盖上的差异、两颗卫星掩星接收机噪声水平的差异等。上述结果表明,后续融合两颗卫星的掩星数据进行Es层相关研究时,可能需要顾及两颗卫星接收机的不同噪声水平,在Es层发生的判定策略上进行针对性调整。     

FY-3C无线电掩星折射率廓线的反演及验证

2013年,中国发射了首颗进行全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)无线电掩星观测的气象卫星FY-3C,其掩星数据产品已由国家卫星气象中心(national satellite meteorological center,NSMC)发布.基于FY-3C附加相位...     

利用残差地形模型空域法精化局部地球重力场

陆地高分辨率重力数据是超高阶重力场模型及其应用研究的基础,但现有的观测技术和手段限制了陆地重力测量的覆盖区域,全球仍有大量的重力测量空白地区.采用残差地形模型空域法,利用高通滤波技术提取航天飞机雷达地形测绘任务(shuttle radar topography mission,SRTM)分辨率3"×3"的V4.1数据短...     

使用BD-3 B2a反射信号测量水面高度

B2a信号是北斗三号（BeiDou-3 satellite navigation system, BD-3）新增的高宽带信号,具备非常高的伪距测量精度,适合开展基于全球导航卫星系统反射信号（global navigation satellite system-reflectometry, GNSS-R）的水面高度测量。由于BD-3近两年才开始为全球提供服务,基于BD-3反射信号的研究较少。中国科学院国家空间科学中心研发了具备自主知识产权的GNSS-R接收机,接收机专门增加了BD-3 B2a的捕获跟踪功能,可以对直射和反射B2a信号同时进行捕获和跟踪。接收机同时具备了交叉定标功能,能够有效消除由电缆和接收机通道间差异引起的系统偏差。在中国北京市怀柔开展的岸基实验过程中,累计获取了BD-3 B2a、北斗二号（BeiDou-2 satellite navigation system, BD-2）B1I和全球定位系统（global positioning system, GPS）L1C/A反射信号的相关波形数据,成功反演了水面高度并进行了系统偏差消除。数据处理结果表明,基于BD-3 B2a的水面高度在30 s非相干积分时间条件下反演精度达到了5.9 cm,比BD-2 B1I的高度测量精度提高了13 cm,比GPS L1C/A信号的高度测量精度提高了20 cm。     

风云三号D星天基BDS实时定位性能分析

随着北斗三号卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system-3, BDS-3)开始向全球提供导航服务,独立使用BDS为在轨运行的卫星提供全球覆盖、全时段的定位服务成为可能。结合风云三号D星(FengYun-3D, FY-3D)全球卫星导航系统掩星探测仪(global navigation satellite system occultation sounder, GNOS)的真实在轨数据对天基BDS的定位性能进行了详细的分析。首先,使用BDS真实广播星历计算了在不同轨道高度下的可见卫星数和定位精度因子（position dilution of precision, PDOP）,并结合精密星历分析了广播星历的轨道误差、时钟误差及空间信号测距误差(signal-in-space range error, SISRE)。仿真结果表明,在95%的置信水平下,从地面到2 000 km的轨道高度,BDS在全球范围内最小可见卫星数为6,最大PDOP小于5,星座可用性已经达到100%,全球平均可见卫星数BDS比GPS(global positioning syste...     

利用多源数据构建PWV混合模型

高精度和高时空分辨率的大气可降水量(precipitable water vapor, PWV)信息对于极端天气研究具有重要作用。传统的单一水汽探测技术获取的PWV因其系统设计的局限性存在精度差、时空分辨率低等缺陷。针对该问题,提出了一种基于多源数据的混合模型——全球温度气压湿度(global pressure and temperature 2 wet, GPT2w) +球谐函数（spherical harmonic function,SHF）+多项式拟合（polynomial fitting,PF),简称GSP模型。该模型通过GPT2w计算PWV的初始值,利用SHF拟合PWV的偏差序列,利用PF对模型偏差进行校正,并引入Bartlett检验确定GSP模型中多源数据的最优权值。选取2014年中国云南省26个全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)测站和37个欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting, ECMWF)气候再分析数据集(ECMWF reanalysis-interim, ERA-Interim)格网点(1°×1°)的数据为例,建立GSP模型并进行验证,发现GSP模型较传统PF模型的精度提升率为15%~18%。以ECMWF第5代气候再分析数据集(ECMWF reanalysis v5, ERA5)提供的PWV格网数据(0.25°×0.25°)为参考,GSP模型的平均均方根误差和偏差分别为1.64 mm、－0.25 mm。上述结果表明GSP模型具有较高的精度,对于极端天气预警具有重要作用。     

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...     

X射线脉冲星信号辐射的数值模拟方法

概述了X射线脉冲星信号辐射模拟技术的发展概况,分析了当前基于非齐次泊松过程(non-homoge-neous poisson process,NHPP)的X射线信号数值模拟方法,在此基础上,采取了一种齐次泊松过程与经典概率相结合的数值模拟方法,与NHPP的模拟方法相比,该方法能够避免对流量密度函数的积分及对积分函数的求...