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阶段模型修正的星载GNSS-R土壤湿度反演方法

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测绘学报 2022年第9期51卷 1942-1950页

作者：陶庭叶李江洋朱勇超汪俊涛陈皓时梦杰合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009 土木工程防灾减灾安徽省工程技术研究中心安徽合肥230009

本文提出了一种基于CYgnss数据的星载GNSS-R土壤湿度反演方法。首先,基于CYgnss数据提取地表反射率参数,联合SMAP数据中提取的植被光学厚度、地表粗糙度和温度等辅助信息,初步构建了土壤湿度反演理论模型,并利用神经网络模型确定了土壤... 详细信息

本文提出了一种基于CYgnss数据的星载GNSS-R土壤湿度反演方法。首先,基于CYgnss数据提取地表反射率参数,联合SMAP数据中提取的植被光学厚度、地表粗糙度和温度等辅助信息,初步构建了土壤湿度反演理论模型,并利用神经网络模型确定了土壤湿度反演的精细数学模型;然后,将该模型处理获得的土壤湿度以35%为分界点,利用本文提出的阶段函数模型提高反演精度,并使用2018年10月—2019年5月的CYgnss数据,获得了全球范围内星载GNSS-R土壤湿度;最后,通过与SMAP提供的土壤湿度数据进行对比,评估了本文提出的星载GNSS-R土壤湿度反演方法的有效性,并对获取的星载GNSS-R土壤湿度进行了时间序列分析。结果表明,本文提出的土壤湿度反演方法的结果与SMAP土壤湿度具有良好的一致性,且随时间变化的趋势也相符合,为高精度土壤湿度反演提供了一种思路。

关键词： CYgnss GNSS-R SMAP 土壤湿度神经网络时间序列

顾及地球曲率及椭球高的GNSS-R几何计算方法

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测绘学报 2023年第6期52卷 884-894页

作者：宋敏峰何秀凤王笑蕾肖儒雅贾东振李伟强河海大学地球科学与工程学院江苏南京211100 天津大学海洋科学与技术学院天津300073

全球卫星导航系统反射测量(GNSS-R)技术中,观测几何计算不仅涉及gnss反射信号的在轨实时处理,而且与观测值的地理位置计算直接相关,对其进行精确计算十分重要。当前GNSS-R技术逐步向陆地场景拓展,已有几何计算方法难以满足多场景(海洋... 详细信息

全球卫星导航系统反射测量(GNSS-R)技术中,观测几何计算不仅涉及gnss反射信号的在轨实时处理,而且与观测值的地理位置计算直接相关,对其进行精确计算十分重要。当前GNSS-R技术逐步向陆地场景拓展,已有几何计算方法难以满足多场景(海洋、陆地、冰川等)应用的需求。针对此,本文提出了一种顾及地球曲率和椭球高的几何计算方法。该方法同时也集成了一种镜面点初始估计模型,在不同轨道高度(300~900 km)和观测几何条件下,初始估计误差精度可降低至5 km以内。本文方法可基于WGS-84椭球面和顾及反射面椭球高精确计算镜面反射点,精度可控在1 mm以内,计算效率相比已有方法有显著提升,可对未来考虑地形高度的高效计算需求提供借鉴。本文方法通过变换迭代方程可进行反射信号的几何路径计算,实现从反射信号延迟观测到镜面反射点和椭球高的一体解算。与已有方法相比,本文方法考虑了地球曲率及反射点随椭球高度变化的空间偏移误差,可避免测高应用中测量值定位不准确的问题。

关键词： GNSS-R 几何计算初始镜面反射点地球曲率椭球高

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星载GNSS-R海浪有效波高反演模型构建

测绘学报 2022年第9期51卷 1920-1930页

作者：布金伟余科根韩帅中国矿业大学自然资源部国土环境与灾害监测重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116

海浪有效波高是描述海况的重要参数,在海浪和海洋动力学的预测中起着重要的作用。然而,卫星雷达高度计和浮标等传统方法难以实现高时空分辨率的SWH估计。星载GNSS-R为估计SWH提供了一种思路。本文提出了一种基于归一化积分延迟波形反演... 详细信息

海浪有效波高是描述海况的重要参数,在海浪和海洋动力学的预测中起着重要的作用。然而,卫星雷达高度计和浮标等传统方法难以实现高时空分辨率的SWH估计。星载GNSS-R为估计SWH提供了一种思路。本文提出了一种基于归一化积分延迟波形反演星载GNSS-R海浪SWH的方法。首先,对星载GNSS-R延迟多普勒图进行去噪处理和数据过滤以便对DDM数据进行严格质量控制。然后,从DDM中提取NIDW,并基于NIDW计算4个GNSS-R观测值(即归一化积分时延波形的前沿斜率和前沿波形值之和,归一化积分时延波形的后沿斜率和后沿波形值之和)。随后,基于这4个观测值建立了星载GNSS-R海浪SWH反演经验模型。最后,分别将ErA5和AVISO SWH数据产品作为验证数据,并将反演模型的SWH估计结果与ErA5和AVISO SWH数据产品进行比较和分析。试验结果表明,当采用ErA5 SWH数据作为验证数据时,4个观测值反演SWH的均方根误差和相关系数分别优于0.66 m和0.65;当采用AVISO SWH数据作为验证数据时,4个观测值反演SWH的均方根误差和相关系数分别优于0.68 m和0.70。进一步表明了本文建模方法在星载GNSS-R SWH估计方面具有可行性和可靠性。

关键词： GNSS-R 延迟多普勒图归一化积分时延波形有效波高经验模型

基于QZSS L1信号的岸基GNSS-R码延迟海面测高

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北京航空航天大学学报 2022年第4期48卷 691-697页

作者：储倜贺凯飞高凡贺匀峤孟馨悦徐天河中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院青岛266580 山东大学空间科学研究院威海264209 山东大学空间科学与物理学院威海264209

为了探究gnss L1波段中信号不同调制方式的GNSS-R码相位延迟海面的测高性能,开展了双天线岸基GNSS-R海面测高实验,收集了采样率为40 MHz的原始中频数据。利用自主开发的GNSS-R测高软件接收机和反演软件对实验数据进行了处理分析,同时获... 详细信息

为了探究gnss L1波段中信号不同调制方式的GNSS-R码相位延迟海面的测高性能,开展了双天线岸基GNSS-R海面测高实验,收集了采样率为40 MHz的原始中频数据。利用自主开发的GNSS-R测高软件接收机和反演软件对实验数据进行了处理分析,同时获得了基于QZSS L1C/A码和L1C码的GNSS-R海面测高结果,并分别与岸基同步观测的雷达高度计的测高值进行对比,以对反演结果进行精度评定。实验结果表明:基于QZSS L1C/A码和L1C码的海面测高精度最优可达0.63 m和0.4 m,L1C码的延迟GNSS-R测高精度明显高于L1C/A码。此外,GNSS-R测高精度会随着卫星高度角的增加而有所增加。

关键词： GNSS-R QZSS L1C L1C/A 测高

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一种星载GNSS-R海面风向反演方法

宇航学报 2020年第11期41卷 1473-1480页

作者：高涵白照广范东栋航天东方红卫星有限公司北京100094

针对目前海面风场反演中风向反演困难,准确性低的问题,提出一种利用深度网络反演海面风向的新方法,该方法采用星载GNSS-R信号作为遥感源,根据海面反射信号特性与风向相关关系选择反演观测量,建立海面风向反演的深度网络模型。引入reLU... 详细信息

针对目前海面风场反演中风向反演困难,准确性低的问题,提出一种利用深度网络反演海面风向的新方法,该方法采用星载GNSS-R信号作为遥感源,根据海面反射信号特性与风向相关关系选择反演观测量,建立海面风向反演的深度网络模型。引入reLU函数作为网络激活函数,并基于遗传算法(GA)优化了网络模型,对输入数据进行时空匹配与归一化处理,通过机器学习建立风向与输入变量的对应关系,利用深度网络模型反演得到海面风向,该方法反演结果的均方根误差εrMSE=18.14°,满足海面风向测量精度均方误差小于20°的一般测量要求,并通过两组对比试验验证了该方法的有效性和鲁棒性。

关键词：海面风向深度网络 GA优化算法 GNSS-R 反演模型

基于支持向量机的星载GNSS-R土壤湿度反演方法

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地球物理学进展 2023年第5期38卷 1960-1966页

作者：李金超张晖马卫春陈春晖朱勇超周艳占媛安徽省基础测绘信息中心合肥230009 合肥工业大学土木与水利工程学院合肥230009

土壤湿度对水循环、陆气能量交换具有重要影响,获取高时空分辨率的土壤湿度对科学研究和生态环境评价具有重要意义.文章提出了一种基于支持向量机的星载GNSS-R土壤湿度反演方法.首先,基于CYgnss数据提取地表反射率和信号入射角参数,并提... 详细信息

土壤湿度对水循环、陆气能量交换具有重要影响,获取高时空分辨率的土壤湿度对科学研究和生态环境评价具有重要意义.文章提出了一种基于支持向量机的星载GNSS-R土壤湿度反演方法.首先,基于CYgnss数据提取地表反射率和信号入射角参数,并提取SMAP数据中的植被光学厚度和地表粗糙度作为辅助参数;然后,利用支持向量机初步构建土壤湿度反演模型,并通过更换核函数和灵活使用网格搜索、随机搜索的方法优化获得星载GNSS-R土壤湿度反演模型;最后,以SMAP数据中的土壤湿度为参考值评估CYgnss土壤湿度反演模型.结果表明文章提出的方法反演土壤湿度的均方根误差和相关系数分别为0.077 cm^(3)/cm^(3)和0.84.该研究表明星载GNSS-R土壤湿度反演结果与SMAP土壤湿度具有良好的一致性,为高时空分辨率的土壤湿度反演提供了一种有效的新思路.

关键词： CYgnss GNSS-R SMAP 土壤湿度支持向量机

高斯拟合与滑动窗口相结合的GNSS-R海平面测高方法

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辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2023年第5期42卷 555-563页

作者：王井利周秀一李如仁王继野沈阳建筑大学交通工程学院辽宁沈阳110168 中铁十九局集团矿业投资有限公司北京100161

为改善海平面高度反演过程中信号分离不佳以及偏差较大的问题,提出一种“高斯多峰拟合+滑动窗口”的海平面高度反演新方法。选取MAYG站BDS(Beidou Navigation Satellite System)卫星B2、B6及B7波段的信噪比(signaltonoiseratio,SNr),使... 详细信息

为改善海平面高度反演过程中信号分离不佳以及偏差较大的问题,提出一种“高斯多峰拟合+滑动窗口”的海平面高度反演新方法。选取MAYG站BDS(Beidou Navigation Satellite System)卫星B2、B6及B7波段的信噪比(signaltonoiseratio,SNr),使用“高斯多峰拟合+滑动窗口”的方法对海平面高度进行反演,同多项式与小波滤波方法反演结果及验潮站数据进行对比验证。研究结果表明:高斯拟合反演结果精度相对于多项式和小波滤波方法反演精度分别提升29%和19%,且相关关系更优;结合滑动窗口后,反演结果有效点提升至加窗前的4.5倍,时间分辨率大幅提升;相较于单频数据反演结果,联合多频数据的反演结果有效点提升3倍以上,在保证精度的同时分辨率得到进一步提升;高斯拟合与滑动窗口相结合的GNSS-R(globalnavigation satellite system-reflectometry)海平面高度反演方法可更好地反映海平面高度的变化情况。

关键词： GNSS-R 高斯拟合信噪比海平面高度滑动窗口

一种改进的星载GNSS-R森林生物量反演方法

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北京航空航天大学学报 2022年

作者：周勋郑南山丁锐章恒一何佳星中国矿业大学自然资源部国土环境与灾害监测重点实验室中国矿业大学环境与测绘学院

基于Tau–Omega模型提出了一种顾及地面土壤湿度改正的星载GNSS-R森林地上生物量反演方法。选择SMAP(Soil Moisture Active Passive)土壤湿度作为辅助数据，运用Tau–Omega模型对CYgnss(Cyclone Global Navigation Satellite System)反射率做出改正，提高建模参数的准确性。将SMAP提供的VOD（Vegetation Optical Depth）和AGB（Above-Ground Biomass）地图作为生物量参考数据，比较了改正前后观测值与参考数据的相关性变化。结果表明改正后相关系数提升明显，改正后参数较于反射率与VOD的相关系数从0.54提升到了0.67，与AGB的相关系数从0.46提升到了0.56。随后通过人工神经网络分别基于改正后的参数和反射率建立GNSS-R VOD和AGB反演模型。结果表明，改进方法能够有效提高VOD和AGB的反演精度，且在在生物量水平较低的地区改进效果更优。对于VOD反演，改进后相关系数从0.70提升到了0.83，rMES从0.21降低到了0.17；对于AGB反演，改进后相关系数从0.61提升到了0.71，rMES从74(t/ha)降低到了65(t/ha)。

关键词： CYgnss GNSS-R 森林生物量 SMAP 土壤湿度 VOD

基于FY-3E的星载GNSS-R海面高度反演模型

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北京航空航天大学学报 2023年

作者：张云鹿麒张月维秦甘尧胡秀清杨光林广州气象卫星地面站国家卫星气象中心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技术研究中心

海面高度在海洋学和气象学等领域中具有重要意义。针对目前缺乏利用中国自主研发风云三号E星(FY-3E)的全球导航卫星掩星探测仪-II型(GNOS-II)特有的不均匀分布时延-多普勒(DDM)数据实现海面测高研究的问题，采用DDM海面高度反演技术，... 详细信息

海面高度在海洋学和气象学等领域中具有重要意义。针对目前缺乏利用中国自主研发风云三号E星(FY-3E)的全球导航卫星掩星探测仪-II型(GNOS-II)特有的不均匀分布时延-多普勒(DDM)数据实现海面测高研究的问题，采用DDM海面高度反演技术，使用丹麦DTU18模型和海潮模型验证反演精度，综合传统物理模型和机器学习模型，分别对星载北斗导航卫星系统(BDS)和全球定位系统(GPS)反射信号的海面高度反演性能进行评估。结果显示：由于BDS B1I 信号的码片分辨率高于GPS，使用BDS的物理模型进行全球海面高度反演的最大平均绝对误差(MAE)约为3.0m，明显优于GPS反演结果(最大MAE约为5.0m)。通过随机森林和卷积神经网络模型，GPS和BDS均能实现较好的反演结果，最佳MAE均约为0.4m。与英国TDS-1数据的反演结果相比，GPS反演精度在物理模型上提高约15%，验证了FY-3EGNOS-II的GNSS-R遥感数据的有效性。研究成果对于推广国产FY-3E的GNSS-R海面测高应用具有重要意义。

关键词： GNSS-R FY-3E 海面高度反演机器学习特征选择