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星载GNSS-R检测太湖水华可行性的研究

北京航空航天大学学报 2022年

作者：张云王雨周绍辉孟婉婷韩彦岭杨树瑚上海海洋大学信息学院上海市海洋智能信息与导航遥感工程中心上海航天空间技术有限公司上海航天电子技术研究所

星载GNSS-R(Global Navigation Satellite System–Reflectometry)属于被动遥感技术，具有数据重访周期高、全天时、全天候、信号源丰富等优势。本文首次研究星载GNSS-R检测太湖水华的可行性。水华现象是随着浮游生物的骤然大量繁殖而...

星载GNSS-R(Global Navigation Satellite System–Reflectometry)属于被动遥感技术，具有数据重访周期高、全天时、全天候、信号源丰富等优势。本文首次研究星载GNSS-R检测太湖水华的可行性。水华现象是随着浮游生物的骤然大量繁殖而产生的，太湖优势藻类为微囊藻，具有一定厚度和粘性，当太湖区域发生蓝藻水华时，蓝藻漂浮在湖面会降低水面的张力，使反射面变得光滑，从而增强雷达波的前向散射。星载GNSS-R可以有效检测反射面的粗糙程度，本文通过使用相干反射表征反射面的粗糙度，研究不同风速区间内相干反射与蓝藻水华的关系。利用2020年4-8月份的美国气旋全球导航卫星系统(Cyclone Global Navigation Satellite System，CYGNSS)的数据，计算CYGNSS镜面反射点的时延多普勒延迟图(Delay Doppler Maps，DDM)功率比，以“哨兵-3”卫星水色遥感仪器(OLCI) 影像最大特征峰高度(MPH)算法反演出的太湖叶绿素浓度作为参照，以及与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的风速产品进行时空间线性匹配。通过分析发现，在风速1-2.5m/s的区间内，叶绿素浓度达到0.1mg/L以上时极易引起镜面反射点发生相干反射，且功率比与叶绿素浓度的相关系数为0.84，具有良好的相关性。实验结果证明了利用星载GNSS-R的反射信号的功率比及相关特性实现太湖水华检测的可行性。

关键词：

基于多变量机器学习的CYGNSS有效波高反演模型

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北京航空航天大学学报 2023年

作者：张云肖盛姜丽菲孟婉婷杨树瑚韩彦岭上海海洋大学信息学院上海市海洋智能信息与导航遥感工程中心上海航天电子技术研究所

旋风全球导航卫星系统(Cyclone Global Navigation Satellite System， CYGNSS) 提供了高质量的全球导航卫星体系反射信号技术(Global Navigation Satellite System Reflectometry， GNSS-R)数据，能可靠地用于有效波高(Significant Wave Height， SWH)的反演。由于CYGNSS的高动态性，导致接收信号很容易受到环境因素的影响，海况的复杂性使简单模型难以准确反演SWH。为了解决上述问题，本文提出了一种基于机器学习的多变量SWH反演模型，根据海浪的形成机理以及对CYGNSS参数与SWH之间的相关性结果分析选取出了相关参数，并设计了5参数、9参数和17参数三种训练方案。随后利用随机森林(Random Forest， RF)和卷积神经网络(Convolutional Neural Network， CNN)对反演模型进行训练和验证，并将SWH反演结果与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts， ECMWF)的参考值进行比较。其中最佳的反演模型是17参数CNN反演模型，RMSE=0.1840m，R2=0.9485。与17参数CNN反演模型相比，9参数CNN反演模型减少了24%的训练时间，并且精度损失很小。但9参数反演模型相较17参数反演模型在泛化评估方面表现不佳。因此，为了提高模型的泛化能力，将风速作为参数添加到17参数反演模型中，得到了17+1参数泛化模型。其中最佳的泛化模型是17+1参数RF泛化模型，RMSE=0.4971m，为R2=0.5846。有效地证明了本文提出的模型在SWH反演中具有良好的潜力。

关键词：有效波高 CYGNSS 星载GNSS-R 机器学习

CYGNSS/SMAP数据融合半经验模型的土壤湿度反演

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北京航空航天大学学报 2023年第11期49卷 2873-2882页

作者：张云张丹丹孟婉婷顾军韩彦岭杨树瑚上海海洋大学信息学院上海201306 上海市海洋智能信息与导航遥感工程中心上海201306 上海航天电子技术研究所上海201109 上海航天空间技术有限公司上海201108

星载GNSS反射信号(GNSS-R)的土壤湿度反演易受陆地多变环境因素影响,目前,对于星载GNSS-R土壤湿度反演中误差分析及反演模型外推性能分析较少。综合多种误差修正模型,包括GNSS卫星发射功率误差、植被和地表粗糙度对反射信号强度的衰减,... 详细信息

星载GNSS反射信号(GNSS-R)的土壤湿度反演易受陆地多变环境因素影响,目前,对于星载GNSS-R土壤湿度反演中误差分析及反演模型外推性能分析较少。综合多种误差修正模型,包括GNSS卫星发射功率误差、植被和地表粗糙度对反射信号强度的衰减,通过修正提高陆地点反射率的准确性,建立了反射率-土壤湿度的CYGNSS/SMAP数据融合的反演半经验模型。实现了一年高精度外推反演,反演偏差为-0.0037 cm^(3)/cm^(3),均方根误差(RMSE)为0.0264 cm^(3)/cm^(3),相关系数为0.9636。提出了分季节的外推模型,提高了低含水量季节的外推精度。实验区域的经度为90°E~130°E,纬度为20°N~38°N,利用2019年10月至2020年9月的CYGNSS/SMAP数据进行训练,外推2020年10月至2021年9月的土壤湿度。经误差模型修正反射率后,模型的反演偏差提升6.80%,均方根误差提升3.30%。针对实验区域内冬、春季土壤含水量较低时反演精度差的问题,提出了同季节外推的分季节训练模型,相对一年数据量的训练模型,冬季反演的均方根误差提升21.58%,春季提升21.05%。将2021年6月1—10日的反演结果与CLDAS地面实测土壤湿度进行对比,反演偏差为0.0058 cm^(3)/cm^(3),均方根误差为0.0854 cm^(3)/cm^(3),具有较好的准确性。研究证明了使用反射率误差修正模型及反射率-土壤湿度半经验模型反演土壤湿度的有效性,对推广星载GNSS-R土壤湿度反演业务化应用具有积极意义。

关键词： GNSS反射信号土壤湿度 CYGNSS SMAP 植被衰减地表粗糙度

ML组合的CYGNSS海面风速反演质量控制模型

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北京航空航天大学学报 2024年第1期50卷 20-29页

作者：张云赵星宇杨树瑚孙聪韩彦岭尹继伟上海海洋大学信息学院上海201306 上海海洋大学上海市海洋智能信息与导航遥感工程中心上海201306 上海航天空间技术有限公司上海201109

卷积神经网络(CNN)可用于气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)的海面风速反演。虽然在模型训练前设置了质量控制指标来检测和削弱CYGNSS的异常观测数据,但CYGNSS观测数据中仍存在异常值导致模型反演精度降低,甚至出现错误反演结果。因此,提出... 详细信息

卷积神经网络(CNN)可用于气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)的海面风速反演。虽然在模型训练前设置了质量控制指标来检测和削弱CYGNSS的异常观测数据,但CYGNSS观测数据中仍存在异常值导致模型反演精度降低,甚至出现错误反演结果。因此,提出一种基于机器学习(ML)组合的海面风速反演模型。在基于CNN回归模型的CYGNSS反演海面风速基础上,ML分类模型生成CNN回归结果的质量标志位,该标志位可以检测并删除CNN回归结果的异常值,进一步提高风速反演结果的数据质量,ML分类模型能够更好地考虑各种数据误差之间的相互作用,而不是单独使用每个条件的阈值,以达到更优的海面风速反演精度的效果。实验对比了Logistic回归(LR)、决策树(DT)、朴素贝叶斯模型、K最邻近(KNN)算法、神经网络(NN)模型、支持向量机(SVM)算法等6个分类模型,其中,基于KNN算法的分类模型对风速反演质量控制的效果最优。所提风速反演组合模型显著提高了反演结果的精度,在0~20 m/s区间内,异常样本过滤率为81.27%,在所有被过滤的数据中,过滤正确率为86.03%;风速反演误差的均方根误差从无ML分类模型的1.7 m/s降低到有ML分类模型的1.44 m/s,其中,训练样本为0~10 m/s的反演结果精度提升效果较为明显,证明了所提风速反演组合模型对风速质量控制的有效性。

关键词：气旋全球导航卫星系统风速反演质量控制机器学习组合模型卷积神经网络 K最邻近算法

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月球导航星座轨道的地球GNSS可见性评估

导航定位与授时 2024年第3期11卷 25-35页

作者：张云许磊杨树瑚洪中华童小华上海海洋大学信息学院上海201306 同济大学测绘与地理信息学院上海200092

随着月球探索进入一个新的时代,为确保未来月球任务的实时高精度定位,大幅提高登月航天器的自主性,且减少对地球基站的依赖,选取合适的轨道构建月球导航星座,并且实现月球导航星座与地球GNSS的通信链路同步尤为重要。为评估月球导航星... 详细信息

随着月球探索进入一个新的时代,为确保未来月球任务的实时高精度定位,大幅提高登月航天器的自主性,且减少对地球基站的依赖,选取合适的轨道构建月球导航星座,并且实现月球导航星座与地球GNSS的通信链路同步尤为重要。为评估月球导航星座轨道中卫星接收GNSS信号的性能,首先对椭圆形月球冻结轨道(ELFO)、近直线晕轨道(NRHO)、顺行圆形轨道(PCO)和低月球轨道(LLO)4种轨道进行仿真。然后基于天线方向图等指标仿真了GNSS卫星信号,并依据主旁瓣波束宽度和载噪比等仿真结果评估了4种不同轨道卫星对GNSS的可见性。结果表明,NRHO和ELFO对GNSS星座有较好的可视效果,最高可见时间占比达99.57%,保障了绝大部分时间内能够稳定接收GNSS信号,有助于实现月球导航星座轨道卫星的轨道和时钟校正,并保证轨道的定位性能。

关键词：月球导航全球导航卫星系统可见性载噪比

北斗卫星反射信号岸基海面高度反演精度的评估

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北京航空航天大学学报 2023年第5期49卷 999-1008页

作者：张云赵乐久孟婉婷秦瑾盛志超杨树瑚上海海洋大学信息学院上海201306 上海海洋大学上海海洋智能信息与导航遥感工程中心上海201306 上海航天电子技术研究所上海201109

北斗B3I信号作为新一代民用码,相较于北斗B1I信号,具有码速率更高、码片宽度更窄等特点。目前,利用北斗卫星导航系统反射测量(BDS-R)技术对北斗B3I信号进行海面高度反演的研究较少。基于此,在2020年9月7日山东威海附近海域,接收B1I/B3I... 详细信息

北斗B3I信号作为新一代民用码,相较于北斗B1I信号,具有码速率更高、码片宽度更窄等特点。目前,利用北斗卫星导航系统反射测量(BDS-R)技术对北斗B3I信号进行海面高度反演的研究较少。基于此,在2020年9月7日山东威海附近海域,接收B1I/B3I双频段的直射和反射信号数据,分别采用时延-多普勒(DDM)和载波相位延迟进行岸基海面高度反演。通过实测的同比数据验证反演精度,在信号特性和测高方法2个维度评估北斗B1I和B3I信号海面高度反演的性能。结果显示:采用DDM测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的平均绝对误差和均方根误差分别为1.18 m、1.48 m和0.84 m、1.10 m;采用载波相位延迟测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的平均绝对误差和均方根误差分别为0.12 m、0.15 m和0.10 m、0.12 m。由于信号特性差异,B3I频段的DDM测高结果相较于B1I频段的测高结果精度提高了28%;B3I频段的载波相位延迟测高结果精度略优于B1I频段,两者差异不明显。实验对北斗B1I和B3I信号特性和测高方法导致的反演精度差异的评估,证明了B1I和B3I反射信号均能适用于海面高度反演的需求。

关键词：北斗卫星导航系统反射测量岸基时延-多普勒载波相位延迟海面高度反演精度评估

基于TechDemoSat-1卫星的GPS反射信号海面高度反演

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北京航空航天大学学报 2021年第10期47卷 1941-1948页

作者：张云马德皓孟婉婷郑俏杨树瑚上海海洋大学信息学院上海201306 上海航天电子技术研究所上海201109

针对星载GPS反射信号(GPS-R)海面测高的误差问题,基于星载GPS-R实测数据进行星载海面测高模型和误差修正模型的研究,并验证其有效性。利用TechDemoSat-1(TDS-1)数据,使用时延多普勒图(DDM)海面高度反演技术,着重分析了星载GPS-R海面高... 详细信息

针对星载GPS反射信号(GPS-R)海面测高的误差问题,基于星载GPS-R实测数据进行星载海面测高模型和误差修正模型的研究,并验证其有效性。利用TechDemoSat-1(TDS-1)数据,使用时延多普勒图(DDM)海面高度反演技术,着重分析了星载GPS-R海面高度反演中的各类误差,并建立了相应的误差模型。对星载GPS-R海面高度反演模型进行优化,采用DTU15全球平均海面模型、DTU全球海潮模型验证反演精度。结果证明:优化后反演模型得到的全球海面高度反演结果的平均绝对误差(MAD)为6.05 m,精度提高了约29%,有效提高了海面高度反演的精度。研究成果对于推广星载GNSS反射信号(GNSS-R)的海面测高应用具有一定的意义。

关键词： GNSS反射信号(GNSS-R) 星载海面高度反演精度分析 TechDemoSat-1(TDS-1)

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欧美月球GNSS规划现状分析综述

导航定位与授时 2024年第3期11卷 1-15页

作者：张云钱九悦洪中华杨树瑚童小华上海海洋大学信息学院上海201306 同济大学测绘与地理信息学院上海200092

月球是地球最重要的天然卫星,当前国际上正在迎来新一轮月球探索高潮,数十个机构和商业团队正在规划月球探索任务,并设想在未来实现航天员长期驻月,围绕月球的“太空竞赛”刚刚开始。月球GNSS(基于现有的地球GNSS以及新的环月卫星通信... 详细信息

月球是地球最重要的天然卫星,当前国际上正在迎来新一轮月球探索高潮,数十个机构和商业团队正在规划月球探索任务,并设想在未来实现航天员长期驻月,围绕月球的“太空竞赛”刚刚开始。月球GNSS(基于现有的地球GNSS以及新的环月卫星通信导航基础设施的月球卫星通信导航定位技术)是空间基准科研的基础,能够提供航天器着陆定位以及月面(及其覆盖空间)定位、导航与授时等服务,同时可以将月球作为试验场,将导航工具包扩展到更远的目的地(如火星)。对欧美近期发布的月球GNSS规划进行了整理归纳,其中包括美国月球GNSS接收机实验(LuGRE)计划和欧洲月光(MoonLight)计划,以及美国中远期月球通信中继和导航系统(LCRNS)计划,这些计划可以为我国开展月球GNSS规划提供参考。

关键词：欧美月球GNSS规划卫星导航增强弱信号增强GNSS接收机环月导航卫星网络深空星间链路

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气旋全球导航卫星时延多普勒图的海面测高

测绘科学 2022年第12期47卷 23-32,47页

作者：张云严梓钰杨树瑚孟婉婷韩彦岭上海海洋大学信息学院农业部渔业信息重点实验室上海201306 上海航天电子技术研究所上海201109

为了探究星载实验条件下全球导航卫星系统(GNSS)L波段反射信号的测高性能,该文利用气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)L1级时延多普勒图(DDM)进行了海面高度反演,使用丹麦技术大学(DTU)全球平均海面模型DTU 15和DTU全球海潮模型验证反演精度... 详细信息

为了探究星载实验条件下全球导航卫星系统(GNSS)L波段反射信号的测高性能,该文利用气旋全球导航卫星系统(CYGNSS)L1级时延多普勒图(DDM)进行了海面高度反演,使用丹麦技术大学(DTU)全球平均海面模型DTU 15和DTU全球海潮模型验证反演精度。以2018年1月8日的一个轨迹为例,经过误差修正之后得到的海面高度的平均绝对误差(MAE)提升了5.4 m;使用小波阈值去噪的方法优化海面高度反演结果,MAE另外增加1.24 m。研究表明,CYGNSS的不同卫星测高结果的MAE最大相差仅10%;卫星姿态和风速对海面高度反演精度无明显影响。对2018—2020年印度尼西亚附近区域和中国南海区域的海面高度进行了反演,相应的反演结果与验证模型的海面高度的相关性分别在99%和95%以上,证明了CYGNSS测量海面高度的有效性。

关键词：星载GNSS-R CYGNSS DDM 海面高度小波去噪