全球导航卫星系统反射测量土壤水分遥感：现状与机遇

土壤水分作为全球水循环和能量循环的重要组成部分,在地球水循环、能量平衡以及气候变化中具有不可或缺的作用。传统的土壤水分实地测量方法难以获得大尺度、长时序的土壤湿度空间分布,且具有较高的测量成本。微波遥感信号源穿透能力强,具有全天时、全天候的特点,是获取长时序、大尺度土壤水分最有效的手段之一,特别是L波段的全球导航卫星系统反射测量(global navigation satellite system-reflectometry,GNSS-R)技术,其同时具有主动和被动微波遥感的优势,在土壤水分的测量中备受关注。分析了国内外基于GNSS-R技术的土壤水分遥感研究的现状和进展,系统性地介绍了GNSS-R技术获取土壤水分的原理与特征,分别从正演与反演两个角度详细说明了土壤水分测量的具体方法步骤,给出了主要困难与亟待解决的关键问题。以最新的基于旋风全球导航卫星系统（cyclone GNSS,CYGNSS）星载反演为主要介绍对象,深入阐述了基于CYGNSS数据反演土壤水分的理论模型与方法,并简要分析GNSS-R土壤水分遥感发展面临的机遇与挑战,以期为中国今后地基、空基和星载GNSS-R土壤水分遥感...     

卫星导航信号捕获的一种高效相关算法

信号捕获的相关层实现在整个接收机的硬件资源中占据了重要的比重.为了能够降低量化损耗和减少相关层所需的硬件资源,论文提出了一种高效的相关算法.相比传统实现方法,论文所提算法能够将加法树所需硬件资源降低1／2,同时量化损耗减少约0.3 dB.该算法对卫星导航接收机的低成本和低功耗实现具有重要的参考价值.      

全球导航卫星信号体制知识产权分析

对全球导航卫星的信号体制进行了专利检索分析,综合考虑信号调制、多路复用等技术,分别以导航卫星的信号调制方式、信号生成方式、信号编码方式为检索领域,对全球导航卫星系统申请专利进行全面而系统的检索。在初检基础上,以空间段、星上技术为依据进行复检并深入分析,指出该领域未来发展方向。为我国未来全球导航卫星系统信号体制的设计提出知识产权规避措施和发展建议。     

浮冰遥感全球导航卫星系统反射信号的势

全球导航卫星系统（GNSS）的地面反射信号已成为人们关注的遥感方法。对浮冰,大穿透能力和大规模表面覆盖的L波段信号能打开类似累积速率的积雪特征的新局面。文章在理论上研究了来自浮冰的全球定位系统（GPS）信号的反射,导出反射信号模型。结果表明,信号尽管复杂,但对雪面（和交界面）粗糙度和类似累积速率的永久积雪参数有意义。对来自复杂信号的极具价值的信息,导出卫星持续接收期间聚焦在地面区域的过程。从测量原则上应该能分别推导表面和积雪参数。     

全球导航卫星系统的新进展

本文综合介绍了于 2 0 0 4年 9月 2 1日至 2 4日在美国加州举行的“全球导航卫星系统” 2 0 0 4年年会(GNSS2 0 0 4 )会议的主要议题 ,并对其中我们可能关切的方面进行了重点介绍。①美国的GPS连续运行站网(CORS)。CORS由美国大地测量局 (NGS)主持运行。用户可以通过NGS网络 ,获得用户的GPS待定点相邻的CORS站 (三个以上 )的GPS相应载波相位和码距 ,以支持用户的GPS准实时或后处理定位。NGS也可以为用户通过网络提供GPS定位计算服务 ,这一服务可以在用户提供待定点的观测资料后的几个小时内完成 ,称为NGS的在线GPS定位服务。CORS目前在美国已有 5 0 0余个站。②GPS系统的进展。GPSⅡR型卫星从体形和功能方面都比较优秀 ,使GPS卫星在轨的位置误差显著降低 ,测距精度提高近一倍 ,目前GPSⅡR型卫星截止至 2 0 0 4年 1月 1日时有 9颗在轨。③利用L1 ,L2频道的GPS空基增强系统 (WAAS)。在美国大部分地区WAAS系统的水平精度可达 1～ 2m ,垂直精度可达 2～ 3m。④GPS信号的重构。美国已发展了一种高度逼真的和适应各种情况的虚拟GPS信号系统 ,这种虚拟发射装置可以是陆基的 ,空基的 ,或者星基的。GPS接收机可以利用这一虚拟的GPS信号进行精密定位。⑤Galileo卫星导航系统运行的准备工作。欧洲空间局已经重新和?     

利用北斗GEO卫星反射信号反演土壤湿度

提出了一种基于北斗GEO卫星反射信号的土壤湿度长期连续探测方法,建立了土壤湿度反演模型,给出了信号处理的一般流程,并搭建陆基接收平台进行了验证试验。该方法采用GNSS-R双天线体制接收处理北斗GEO卫星直射和土壤反射信号,在信号同步的基础上提取信号功率并计算土壤反射率,进而根据反演模型得到土壤湿度。以北斗GEO卫星作为信号源,该方法可以在信号处理中省去一般GNSS-R处理过程的定位解算环节,能够实现对固定区域土壤湿度的长期连续观测。试验结果表明,基于北斗GEO卫星反射信号的土壤湿度反演结果在时间和数值上均具有良好的连续性,与土壤湿度参考值相吻合,均方根误差达到0.049,较北斗IGSO和GPS MEO卫星在反演土壤湿度方面性能更优。     

卫星导航信号质量监测系统及应用

卫星导航信号质量监测是卫星导航系统设计和运行过程中的重要环节。在介绍国外已建立并运行的卫星导航信号监测系统组成和任务的基础上,从导航信号结构组成入手,阐述了导航信号质量监测的主要内容、系统的设备组成、工作模式,并介绍了该系统在导航信号质量监测中的实际应用。     

卫星导航信号体系设计研究

针对卫星导航当前面临导航信号测量性能提高、应用环境更加苛刻、导航频段频谱资源紧张等需求,合理的信号体制和各类标准的相辅相成是卫星导航系统持续稳定运行的重要保障。该文在梳理和分析国内外公开的卫星导航信号体制的基础上,研究了卫星导航信号的载波频率、调制方式、信道编码、导航电文等关键组成要素,简要剖析了各组成要素对系统兼容性、互操作性、码跟踪捕获性能、抗干扰性、抗多径及用户终端成本等方面的影响,开展了卫星导航信号设计的需求分析,设计提出了一种卫星导航信号设计标准体系。     

GNSS反射信号在土壤湿度测量中的应用

为全面获取陆地土壤湿度信息,实现导航卫星反射信号土壤含水量反演 ,在给出散射信号极化特征及散射信号归一化功率基础上,通过对陆基土壤时序采样数据、时序介电常数进行分析和仿真,估计了土壤湿度参数。仿真表明,实验结果与常规湿度测量方法一致。因此,多普勒延迟映射接收机能够正确表征地表含水量分布特征,导航卫星反射信号可以应用于在土壤湿度测量中。     

北斗全球导航卫星的运动学解算方法研究

在GNSS中,获取各个可见卫星的位置和速度是卫星导航接收机实现定位、测速和定时的必要条件。介绍北斗全球导航卫星的星历数据参数,依据卫星星历参数,给出了卫星空间位置、运行速度和加速度的数学表达式;研究基于轨道插值的卫星状态估计方法,利用分段三次埃尔米特插值计算卫星位置与速度;采用Matlab软件编制星历参数法与插值法的解算软件,并通过实验仿真验证了两种方法的可行性。结果表明,插值法得到的卫星位置误差可满足导航定位需求,在处理数据量大的情况下,插值法提高了计算效率。     

基于线段二分法的GNSS—R镜面反射点估计算法

通过研究GNSS—R基本几何关系和S．C．Wu镜面反射点估计算法,提出了基于线段二分法镜面反射点位置估计算法,并利用位移与速度之间的关系,论述了基于线段二分法算法在镜面反射点速度估计中的可行性。为了验证本文提出的算法的正确性,利用MATLAB仿真软件和STK仿真软件对已有镜面反射点估计算法和本文提出的算法进行了仿真分析。仿真结果表明：基于线段二分法算法可以正确估计GNSS—R镜面反射点位置信息和速度信息。     

GNSS-R土壤水分遥感的适宜性分析

利用GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflectometry)技术探测土壤水分是近年来一个新兴的研究方向。目前GNSS-R遥感观测中反射信号的接收与处理方式包括单天线与多天线两种模式,面向实际应用需求,GNSS-R遥感正在实现从最初的地基观测向空基、星载观测的转变。在推进GNSS-R土壤水分遥感技术业务化应用的过程中,必须首先进行适宜性分析,确定该技术探测的地理位置、空间分辨率与探测深度,然而目前对此尚未有系统、全面、定量的论述。本文针对适宜性分析中的3个关键因子分别进行理论分析与公式推导,明确相关概念的定义,并实现定量化描述,最终通过实际应用分析进一步诠释其应用价值。对于单天线模式地基观测,以美国板块边界观测计划PBO(Plate Boundary Observatory)土壤水分产品为例,分析镜面反射点的相对位置、第一级Fresnel反射椭圆簇的面积与时间序列土壤水分所代表的探测深度;对于多天线模式,以郑州上街区农田空基观测试验为例,得到基于航迹的栅格土壤水分空间分布并探讨其探测深度。本文能够为未来两种观测模式下地基、空基和星载GNSS-R遥感观测、北斗反射信号遥感,以及GNSS-R在农业、水文、生态等领域的实际应用提供理论指导。     

针对GNSS-R海面风速反演的自适应CDF匹配方法

利用全球导航卫星系统反射（global navigation satellite system-reflectometry, GNSS⁃R）信号进行对地观测存在镜面点及空间路径初始化误差大的问题,由此提出了一种高效的星载多模GNSS-R镜面点及空间几何路径计算初始化新方法。基于大量仿真的星载GNSS-R反射事件,采用多项式对固定轨道条件下反射事件地心角和真实镜面点在直射信号路径上投影点至两颗卫星的距离比值进行建模,进一步拟合该模型系数与不同GNSS卫星轨道高度的变化趋势,得到参数系数随GNSS轨道高度的变化模型,从而建立新初始化方法。基于多系统多轨道的GNSS-R仿真数据实验表明,所提方法的初始化精度相对于已有方法从数百甚至1 000 km提高至5 km左右;同时对比实验也表明,该模型可使得主流的迭代方法计算效率在掠射观测时提高79.1%。

     

基于GNSS-R的后续海冰观测实验

冬季海上浮冰的活动给海上生产和海上运输带来了严重的负面影响,需要对海冰进行全天候、大范围检测。此次实验根据海水与海冰电磁特性的差异,利用较为经济的导航卫星反射信号遥感方法,在天津渤海岸展开连续的观测和数据采集。对同一颗GPS卫星的不同极化类型的反射信号从能量的角度分析海冰分布情况,在误差最小的情况下得出分析结果：不同极化类型的导航卫星反射信号均可从不同角度表征海冰覆盖信息。     

机载GPS反射信号土壤湿度测量技术

随着全球导航定位系统反射信号(GNSS-R)技术的发展, 近年来提出了利用GPS地表反射信号遥感土壤湿度的新方法, 该方法利用地表反射率与土壤介电常数以及介电常数与土壤湿度之间的关系来建立反演模型。为了可以快速方便的利用DMR实测数据反演得到土壤湿度, 本文根据Wang和Schmugge模型建立了土壤介电常数与湿度之间的分段模型, 实现了从原始反射数据到土壤湿度结果的整个反演流程。为了验证反演的可行性, 利用NASA等机构联合进行的SMEX02试验机载数据反演得到的结果表明, GPS反射信号能够有效地反演     

一种平面散乱点集的自适应空间划分算法

针对平面散乱点集空间划分问题,提出了一种基于栅格统计的自适应空间划分算法。以栅格场为辅助手段为散乱点集建立空间索引,即判断各点与栅格的归属关系;统计各个栅格内包含点的数量;以栅格为基本统计单元对空间进行划分。划分过程中借助了二叉树结构,同时引入迭代次数作为划分终止的参数。该方法可灵活地将点集划分为数据量相对均衡的若干组,且各组的空间范围较合理。实验与分析表明,该算法具有较高的计算效率,也不需占用太多额外的存储空间。     

利用改进的SUSAN算法提取航空影像中孤立的特征点

本文针对地形起伏较大、无明显建筑物的航空影像,分析了SUSAN算法角点检测理论,提出一种提取孤立特征点的方法.该方法先对图像进行梯度幅值运算,然后对梯度幅值进行Otsu法阈值分割,设计模板并对孤立特征点进行套合,最后利用SUSAN算法计算原始影像的角点初始响应,经过非极大值抑制提取孤立特征点.经实骑证明,与传统的Har...     

矢量曲线自动综合算法的研究

随着GIS规模的扩大,GIS软件需要处理的问题也越来越多,尤其是在制图综合方面,虽然前人已经提出了很多关于计算机自动制图综合的算法,但是目前的软件在这方面的功能还不能令人满意.文章就是结合前人的一些工作针对曲线的自动制图综合提出的一种可以保留较多曲线特征点的综合算法,并在计算机上得到了实验效果.     

拟合点独立解算的GPS水准拟合探究

传统的GPS水准拟合主要是应用某一种拟合模型对拟合点群进行拟合,未能考虑到不同拟合点对同一拟合模型具有不同适应度。针对这一问题,本文提出了基于拟合点独立解算的GPS水准拟合方法,并结合实测数据对该方法进行了测试,结果证明该拟合方案相对于传统模型在精度上有成倍的提高。     

GNSS-R/IR监测地表冻融状态对延迟多普勒波形和多路径数据影响分析

将GNSS-R/IR技术的应用领域拓展到地表冻融状态的监测中,本文利用冻融土混合介质介电常数模型计算土壤介电常数,采用双站全极化相干反射率模型和随机粗糙面散射模型,分别计算了经冻融土反射的GPS相干反射量的镜像反射率,以及GPS非相干反射分量的漫散射特性。模拟分析了冻融转换时,GPS多路径信息(GNSS-IR)以及包含漫散射信号的延迟多普勒图(GNSS-R)的变化特征。理论研究表明冻融转换过程中,地表介电常数的变化导致GPS多路径信息和延迟多普勒图的明显变化。本文从散射机理上揭示了利用GNSS-R和GNSS-IR遥感进行地表冻融特性监测的理论依据。