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基于船载gnss-r延迟多普勒图谱的有效波高反演方法研究

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基于船载GNSS-R延迟多普勒图谱的有效波高反演方法研究

作者：王诗博大连海事大学

学位级别：硕士

近年来,全球导航卫星系统反射信号(Global Navigation Satellite Systems reflectometry,gnss-r)技术对各国在海洋遥感领域的发展都有重要意义。gnss-r技术可以反演并重构出数据图像内的多目标多维度的特征信息。目前,无论是在海洋遥感... 详细信息

近年来,全球导航卫星系统反射信号(Global Navigation Satellite Systems reflectometry,gnss-r)技术对各国在海洋遥感领域的发展都有重要意义。gnss-r技术可以反演并重构出数据图像内的多目标多维度的特征信息。目前,无论是在海洋遥感还是在全球气象观测的研究领域中,有效波高都是描述特定海域海况的重要参数。本文基于全球导航gnss-r技术提出了一种利用延迟多普勒图像进行计算的有效波高反演方法。利用被动遥感gnss-r技术实现海面有效波高的高精度反演,对于海况信息的精准获取具有重要意义。本文首先介绍了全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems,gnss)中的惯用导航卫星,并详细分析了gnss-r技术的几何原理、信号特性及海面散射原理。本文通过搭载在“育鲲”轮教学船上的微小型L波段海洋环境动力探测仪和Oceanpal接收机,部署和实施了基于船载的gnss-r有效波高测量实验。在此次实验的基础上,本文进一步介绍了实验采用的gnss-r硬件接收机相关模块功能和整体架构,其中包括卫星信号接收天线的仿真设计原理和多普勒延迟映射接收机的设计构建。其次,本文通过研究基于gnss-r反演有效波高的传统模型干涉复数场(Interferometric Complex Field,ICF),发现相干积分滤掉了ICF函数的高频分量,导致基于ICF的反演方法在远海海况时反演误差较大。本文依据反射信号生成延迟多普勒图像,给出信噪比的定义。在此基础上,本文提出了一种基于信噪比的有效波高反演方法,并通过船载实验验证了该算法的可行性。本文提出的基于信噪比的反演方法虽然解决了ICF算法在远海海域的反演受限问题,但是该算法主要使用拟合后的相关功率平均值,一样会受到信号噪声的影响。因此,如何完整反演和表征有效波高仍然有待进一步的探索。最后,本文依据一维时延相关功率时延窗长度与有效波高的关系,设计出基于时延窗反演有效波高的模型。并在数据处理阶段使用了聚类和数据簇形态分析的方法进一步提高了拟合的准确性。本文为得到结构稳定且精度更高的有效波高反演模型,在数据筛选和算法等方面进行了创新:(1)本文通过反射信号生成延迟多普勒图像,并给出相应的信噪比定义,从而提出了一种基于信噪比的有效波高反演方法。(2)本文首次提出了一种基于时延窗反演有效波高的模型,实现了更为准确的有效波高反演,打破了传统反演模型的固有模式,为有效波高反演提供了新的研究方向。(3)在数据筛选方面,为使数据拟合免受离值点的过多影响,本文通过聚类和数据簇形态分析的方法对数据进行了进一步处理在反射信号的一维相关功率与时间拟合曲线中,由于相关功率受拟合影响较大,使得ICF模型和SNr模型产生较大误差。而在该过程中,时延窗尺度受拟合影响极小,更具稳定性。为验证该反演模型的可行性和鲁棒性,作者将三种模型得到的反演数据与航海测波仪的实测数据进行分析对比,发现基于时延窗的模型结构最简单且反演精度更高。本文证实,基于时延窗的有效波高反演模型对海况信息的监测具有很大的参考和应用价值。

关键词： gnss-r 有效波高延迟多普勒图像时延窗

顾及地形特征的多频多系统gnss-r雪深融合反演方法

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顾及地形特征的多频多系统GNSS-R雪深融合反演方法

作者：章恒一中国矿业大学

学位级别：硕士

积雪是全球气候和水文系统中的一个重要参数,因此及时且准确得获取积雪深度信息是十分重要的。随着全球卫星导航系统飞速发展,全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite System reflectometry,gnss-r)技术逐渐成为了研究... 详细信息

积雪是全球气候和水文系统中的一个重要参数,因此及时且准确得获取积雪深度信息是十分重要的。随着全球卫星导航系统飞速发展,全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite System reflectometry,gnss-r)技术逐渐成为了研究的热点。gnss-r技术凭借其数据源多、成本低、时空分辨率高的优势广泛应用于土壤湿度、海面波高、海面风速、积雪深度等参数的反演。近年来基于gnss-r的雪深反演的研究对于数据使用率低,以及复杂地形导致的反演精度损失未引起足够重视。本文基于信号分析方法,对反射信号的数据质量,反演精度等问题进行了研究,进一步顾及地形误差的影响,融合多系统gnss数据对gnss-r雪深高精度反演进行研究。主要的研究内容如下:(1)研究了反射信号数据质量分析的方法,本文引入小波分解法、互补集合经验模态分解(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD)方法、变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)方法提取信噪比(Singal-to-Noise ratio,SNr)反射信号,并分别进行了雪深反演实验。实验结果表明3种方法都能够在一定程度上解决传统方法处理的信号在频谱分析时产生的多频峰问题,提高数据的使用率的同时提高了雪深反演的精度,其中CEEMD方法效果最佳。(2)基于轨迹聚类算法,采用大陆板块边界观测网(Plate Boundary Observatory,PBO)P351站GPS、GLONASS、GALILEO、BDS的SNr数据进行了方位角聚类的雪深反演,分析了多系统多频段不同方位角区间gnss-r雪深反演精度,并对比了多频多系统融合反演的精度。(3)针对地形对雪深反演的影响,提出了一种基于轨迹聚类的峰值比归一化地形特征修正算法,选取了PBO网络中P351站多系统多频gnss数据以及P350站和P682站GPS系统L1波段数据进行了实验。实验结果表明,地形特征修正方法能有效应用于不同系统不同频率的数据,且具有一定普适性。(4)提出了一种距离定权的多系统gnss雪深融合反演方法。在前文研究的基础上,基于有效反射区域对站点周边反射区域进行格网化建模,根据菲涅尔反射区焦点与格网中心点距离定权,融合多系统gnss雪深反演结果,生成高分辨率雪深图。实验结果表明,本文算法相较于传统的等权融合算法,能够有效体现站点周围雪深的差异性,提高雪深反演的空间分辨率,且反演精度较高。该论文有图57幅,表22个,参考文献95篇

关键词： gnss-r 积雪深度轨迹聚类地形

岸基多模多频gnss-r信号反演海平面高度研究

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岸基多模多频GNSS-R信号反演海平面高度研究

作者：周秀一沈阳建筑大学

学位级别：硕士

全球变暖引发海面上升、海冰融化、海岸侵蚀,严重威胁沿海地区安全,海平面变化对沿海地区影响深刻。同时,海平面高度可用于海洋环流分析和潮汐模型建立以及气象模型研究和海啸预警,是海洋科学研究中不可或缺的物理参数。因此对沿海地区... 详细信息

全球变暖引发海面上升、海冰融化、海岸侵蚀,严重威胁沿海地区安全,海平面变化对沿海地区影响深刻。同时,海平面高度可用于海洋环流分析和潮汐模型建立以及气象模型研究和海啸预警,是海洋科学研究中不可或缺的物理参数。因此对沿海地区海平面高度的监测具有重要意义。gnss-r（gnss-reflections）海平面测高,具有全天候,低成本,数据源丰富等优点,弥补了传统海洋测高方法与星载雷达测高的不足,为海平面高度测量提供了更为广泛的选择。本文以gnss-r海平面测高为研究的核心内容,针对反演精度与时间分辨率两个方面,对gnss-r海平面测高方法进行了改进,主要内容与结论如下:1.介绍了包括gnss-r测高几何模型、反射信号特性等相关知识。构建了多路径与信噪比（SNr）的仿真模型,探讨两者之间的关系:受多路径效应影响,在低卫星高度角时SNr会包含更多的反射面物理信息,此结论为基于SNr海平面高度反演提供理论基础。2.针对SNr反演海平面高度过程中存在信号分离不佳以及偏差较大造成反演精度较低的问题,提出一种利用高斯多峰拟合进行信号分离的海平面高度反演方法。以验潮仪数据为真值,选取不同测站不同卫星系统的数据进行验证,并与多项式与小波滤波方法进行对比。结果表明:高斯拟合对信号趋势项的拟合程度更高,反演值能较好反映出海平面变化情况。相对于多项式与小波滤波方法的反演结果,高斯拟合SC02站GPS反演结果精度分别提升了30%与20%,MAYG站BDS反演结果精度提升了29%与19%,两站反演结果各项指标均有提升,说明使用高斯拟合方法进行海平面高度反演是可行的。3.针对gnss-r海平面高度反演过程中时间分辨率不佳的问题,引入滑动窗口的思想,分别结合小波滤波与高斯拟合两种方法进行反演,并利用SC02站GPS数据进行验证,结果表明:小波滤波结合滑动窗口方法反演结果的有效点数量提升5倍,高斯拟合结合滑动窗口方法反演结果的有效点数量提升5.4倍,时间分辨率得到了大幅提升。两种方法反演结果与验潮仪的实际情况基本一致,均呈现强相关。同时,高斯加窗反演结果精度比小波加窗反演结果精度提升10%,相关系数更高。说明高斯拟合加窗方法优于小波加窗方法。4.分别使用小波滤波与高斯拟合方法,并融合滑动窗口,对多模多频数据联合反演海平面高度进行研究,结果表明:多模多频数据联合反演结果的各项指标均介于各系统单频数据反演结果的各项指标之间,且高斯拟合融合滑动窗口前后的反演效果均优于小波滤波;相比于加窗前单频数据反演结果,各系统多频数据联合反演结果的时间分辨率提升2～3倍,加窗后提升4～8倍,多模多频数据联合反演的时间分辨率得到极大幅度提升。

关键词： gnss-r SNr 海平面高度高斯拟合小波滤波

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gnss-r精细化水面高度反演及验证研究

GNSS-R精细化水面高度反演及验证研究

作者：刘迎春山东建筑大学

学位级别：硕士

水面高度的变化对气候、环境以及人类的生存有着巨大的影响。在全球气候变暖的大背景下,海洋潮位和内陆水库水面高度呈现上升的趋势给人类社会带来安全隐患,如何有效监测水面高度以及预测其上升趋势已经成为当前研究热点问题。然而传统... 详细信息

水面高度的变化对气候、环境以及人类的生存有着巨大的影响。在全球气候变暖的大背景下,海洋潮位和内陆水库水面高度呈现上升的趋势给人类社会带来安全隐患,如何有效监测水面高度以及预测其上升趋势已经成为当前研究热点问题。然而传统水面高度监测方法时空分辨率较低,在复杂地形以及恶劣天气条件下精度、可靠性及可用性难以保障,功耗大且测量成本高。近年来,全球导航卫星系统反射测量(Global Navigation Satellite Systems-reflectometry,gnss-r)技术广泛应用于水面高度反演,该技术不仅能提供长期稳定和高时空分辨率的信号,还能够有效地利用沿海地区诸多岸基IGS测站和大中型大坝、库岸高边坡建立的gnss变形监测系统提供的不需重复建设的硬件设备与丰富的数据资源,成为国内外专家学者研究热点领域之一。但在目前的研究中,特别是在国内还主要处于gnss-r水面高度反演理论和运用研究的起步阶段,仍需要对反射信号精细化提取等关键问题进行深入研究和解决。为了使现有的海量岸基IGS测站以及水库大坝岸边的gnss变形监测系统的数据得到充分利用,从而降低水面高度监测成本,以及提高水面高度变化监测的时间分辨率和精度。本文重点推导了gnss-r用于水面高度反演的基本原理,在此基础上对精细化水面高度反演的关键问题进行了详细研究,基于原理实现了软件的开发,并通过实测数据验证了算法的可靠性和有效性。本文的研究内容和成果具体包括:(1)详细推导了gnss-r精细化水面高度反演的原理,重点分析了精细化提取可用反演卫星及其有效时段的方法,并在此基础上完成趋势项去除及Lomb-Scargle频谱分析,给出完整的反演水面高度的数据处理流程。随后介绍了信噪比及其特征,深入分析了在低高度角范围的信噪比与多路径的对应关系。并对卫星信号反射点轨迹、菲涅尔反射区域、SNr残差序列精细化提取、Lomb-Scargle频谱分析等gnss-r精细化水面高度反演的关键问题进行了详细地探讨。(2)在MATLAB环境下开发了“gnss-r精细化反演水面高度数据处理软件V1.0”,给出了软件技术路线,介绍了其基本功能。利用gnss观测数据对软件的基本功能完成了测试,对其适用于反演水面高度的可行性和有效性进行了验证,结果表明gnss-r技术能够准确地获取水面高度。软件的开发减轻了水面高度变化监测中庞大又繁杂的数据处理工作,提高了监测效率。软件的开发为后续实验数据的处理提供了数据支撑。(3)选取水面变化幅度较小的水库和水面变化幅度较大的海洋岸边测站的实测数据开展实验。首先在水库进行实测,将反演的水面高度与实测的水面高度进行对比分析。结果表明,两个不同测站的反演精度均达到厘米级,满足一般的水面高度监测需求。为了进一步验证算法在复杂环境下的可靠性和精度,又通过海洋岸基测站的数据开展了潮位监测实验,与邻近的验潮站数据进行相关性分析,验证了gnss-r技术在水库水面高度和潮位监测中的可行性和有效性。

关键词： gnss-r 水面高多路径 SNr Lomb-Scargle 库区潮位

低空无人机载gnss-r极化模式土壤湿度反演方法试验研究

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低空无人机载GNSS-R极化模式土壤湿度反演方法试验研究

作者：鞠海龙中国矿业大学

学位级别：硕士

土壤湿度是水文、气候、农业等研究中一个重要的物理量,是全球气候和生态环境的重要决定因素。gnss-r(gnss reflectometry)技术具备无需发射机、大量信号源、信号穿透能力强、成本低、时空分辨率高等优点,已经成为土壤湿度监测的热点研... 详细信息

土壤湿度是水文、气候、农业等研究中一个重要的物理量,是全球气候和生态环境的重要决定因素。gnss-r(gnss reflectometry)技术具备无需发射机、大量信号源、信号穿透能力强、成本低、时空分辨率高等优点,已经成为土壤湿度监测的热点研究方向。国内土壤湿度反演尤其是机载平台的研究起步较晚,而且大多都是基于国外的数据进行。本文针对机载土壤湿度反演不同反演模型的优缺点、不同条件下的反演精度、采用土壤粗糙度和天线增益等修正方法对机载土壤湿度反演结果精度的提升效果、双天线接收机用于机载gnss-r土壤湿度反演的系统优化四个问题进行了研究。主要工作和研究内容如下:(1)介绍了gnss(Global Navigation Satellite System)系统和土壤湿度测量的概况,详细分析了gnss反射信号的类型、几何关系、相关功率模型、极化特性。详细介绍和总结了机载土壤湿度反演过程中的关键步骤,主要包括反射率的计算,反射率的各种修正方法,Wang、Topp、Hallikainen、Dobson四种常用土壤湿度反演模型的原理和优缺点。(2)基于经验/半经验模型进行无人机载gnss-r反演实验,用以验证各反演模型的适用性和反演精度情况。在实验数据比较稳定的情况下,Wang模型的反演结果最接近实测数据,Dobson模型的反演结果与实测值相差最大,Topp模型和Hallikainen模型的反演结果十分接近,介于Wang模型和Dobson模型之间,各反演模型的反演结果都小于实测值。12月20日的实验中PrN 29号卫星综合反演精度最高,平均值0.1875 cm/cm与实测值0.185 cm/cm非常接近,标准差为0.057、rMSE为0.0574、MAPE为0.3128,PrN 26反演精度次之。PrN 27号卫星反演结果方差最小、最稳定,同为高仰角的PrN 4和PrN 16卫星反演结果也比较稳定,实验验证了高仰角卫星在机载gnss-r土壤湿度反演中的优势。实验发现反演结果受采集数据时的仪器稳定性、场地环境因素、采集时间长度的影响很大。良好的实验环境和稳定长时序数据对精度提升有较大帮助。(3)研究了地表粗糙度修正、天线增益修正对机载gnss-r土壤湿度反演结果精度的影响,验证雨前雨后有较大土壤湿度差异情况下的反演精度。反演结果表明,雨前实验进行粗糙度修正后,标准差整体增大5.6%,rMSE减小21.2%,MAE和MAPE减小37.1%;雨后实验粗糙度修正后标准差整体增大12.5%,rMSE减小12%,MAE和MAPE减小11.6%。因此粗糙度修正对反演结果精度提升有明显成效。雨后的反演精度较雨前标准差整体增大33.2%,rMSE增大72.6%,MAE增大109.5%,MAPE增大18.1%,因此雨后的反演精度较雨前有所下降。Wang模型对粗糙度修正更加敏感,增幅最大,Dobson模型增幅最小,Topp模型和Hallikainen模型增幅居中且相差不大,采用多模型融合的结果作为粗糙度修正结果相对稳定。提出了考虑天线方向性的天线增益修正方法,并给出了适用于机载和地基平台天线视场角为0°和不为0°时的两种修正函数。(4)改进了双天线接收机系统。针对徐州的土壤质地,在对地观测系统的反演模块里新增了Topp模型和Hallikainen模型。基于Matlab App Dsigner平台开发了机载gnss-r数据处理软件,软件可以对双天线对地观测系统的机载或地基实验原始dat数据进行后处理、对处理的关键步骤进行可视化绘图、对结果进行保存和生成精度分析报告。该论文有图80幅,表14个,参考文献66篇

关键词： gnss-r 机载土壤湿度粗糙度修正天线方向性

星载gnss-r解译南水北调中线区域土壤湿度研究

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星载GNSS-R解译南水北调中线区域土壤湿度研究

作者：胡胜伟长安大学

学位级别：硕士

土壤湿度作为陆地水循环中最活跃的部分,在地表水的蒸散和渗流中起着重要的作用,成为影响水文、生物生态和生物地球化学过程的关键变量。因此,实现高时空分辨率的土壤湿度解译就变得尤为重要,而土壤湿度解译方法历经多年的发展日趋丰富... 详细信息

土壤湿度作为陆地水循环中最活跃的部分,在地表水的蒸散和渗流中起着重要的作用,成为影响水文、生物生态和生物地球化学过程的关键变量。因此,实现高时空分辨率的土壤湿度解译就变得尤为重要,而土壤湿度解译方法历经多年的发展日趋丰富。传统的人工现场采样方法测量精度较高但需要耗费大量人力、物力,测量区域小、时效性差以及无法实现土壤湿度在大面积区域乃至全球范围内的动态变化解译是其应用受限的主要原因。近些年来CYgnss(Cyclone Global Navigation Satellite System)卫星的成功发射为利用星载gnss-r(global navigation satellite system reflectometry)技术解译土壤湿度带来了新的研究契机。本论文旨在研究利用星载gnss-r技术解译土壤湿度过程中的误差来源与误差修正以及土壤湿度解译的关键技术与方法。围绕这一核心研究目标,本文经过理论探讨、潜在误差来源分析、建模分析和实验对比,继而利用星载gnss-r数据进行土壤湿度解译研究,提出一种适用于区域型的高精度土壤湿度解译方法。最后结合CYgnss与SMAP卫星数据本身的特点,采用像素级数据融合方法处理分析CYgnss与SMAP卫星数据来进行土壤湿度解译,并将此种方法应用于洪水范围变化解译。论文的主要研究内容如下:(1)讨论利用星载gnss-r技术解译土壤湿度的基本原理和关键影响因素。为了提高星载gnss-r用于解译土壤湿度参数的数据质量,定量与定性分析了星载gnss-r陆面DDM的误差来源,并给出相应的误差修正方法。(2)提出一种顾及土壤湿度阶段模型修正的CYgnss土壤湿度解译方法,实现了区域型高精度土壤湿度精细化解译,结果表明该方法解译的土壤湿度与SMAP监测产品具有良好的相关性。(3)基于CYgnss与SMAP卫星数据各自的特点,采用像素级方法融合两类土壤湿度数据,获取了高时空分辨率的土壤湿度产品。之后,利用此种方法对2021年河南“7.20”洪水发生期间河南省土壤湿度进行解译,解译结果变化趋势与气象局报道的河南洪水范围活动趋势较为一致,再次论证了这种土壤湿度解译方法的有效性与可靠性。

关键词： gnss-r CYgnss SMAP 土壤湿度时间序列线性回归

基于星载gnss-r技术的土壤湿度反演方法研究

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基于星载GNSS-R技术的土壤湿度反演方法研究

作者：李江洋合肥工业大学

学位级别：硕士

土壤湿度作为一个地面动态监测中的环境因子,是许多科学领域研究的重要研究对象。同时,它调节着地面和大气间的水分交换,能够控制降雨引起的径流和地表侵蚀。在气候研究中,土壤湿度通常与地面温度、降水等作为特征进行分析。此外,在农... 详细信息

土壤湿度作为一个地面动态监测中的环境因子,是许多科学领域研究的重要研究对象。同时,它调节着地面和大气间的水分交换,能够控制降雨引起的径流和地表侵蚀。在气候研究中,土壤湿度通常与地面温度、降水等作为特征进行分析。此外,在农业等领域中,土壤湿度是植物生长和作物产量的重要指标,这对人类社会的活动和经济具有重要影响,因而研究土壤湿度探测理论与方法具有重要意义。全球导航卫星系统反射测量技术gnss-r(Global Navigation Satellite System reflectometry)因其全天候、高时空覆盖率、成本低的优势,已广泛应用于海洋测高、海冰探测等多个遥感领域,其使用的L波段对土壤水分变化敏感,在土壤湿度反演中显示出前所未有的优势。本文基于CYgnss(Cyclone Global Navigation Satellite System)数据和SMAP(Soil Moisture Active Passive)数据,研究了基于星载gnss-r技术的土壤湿度反演理论和方法。本文在gnss-r应用于土壤湿度反演研究国内外现状的基础上,进行了gnss-r技术理论原理研究,包括gnss-r的信号源介绍,反射信号的几何构造、极化特性以及相关函数分析。以此为基础,引出gnss-r进行土壤湿度反演的原理,介绍了单天线和双天线两种反演模式。通过分析gnss-r土壤湿度反演模型,包括反射率的计算和修正过程,开展了如下的两种星载gnss-r土壤湿度反演方法的研究:(1)基于阶段模型修正的星载gnss-r土壤湿度反演方法,处理CYgnss数据提取了地表反射率参数,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。将该精细数学模型反演获得的土壤湿度以0.35cm/cm为分界点,利用提出的阶段函数模型处理提高反演精度,并使用2018年10月到2019年5月的CYgnss数据,获得了全球范围内星载gnss-r土壤湿度。通过与SMAP提供的土壤湿度数据对比评估了提出的星载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,结果显示变化趋势一致,且经统计测试数据的均方根误差平均值为0.07cm/cm。(2)基于Stacking融合模型的星载gnss-r土壤湿度反演方法,介绍了使用的Stacking模型和相关机器学习算法,详细叙述了反演的流程,包括数据去噪、数据匹配以及构造训练模型。使用了2019年10月至2020年9月的CYgnss数据和SMAP数据,对特征参数进行分析,通过不同的组合方式在测试数据上验证最优输入特征集合。同时探究了训练数据集的划分方式对反演结果的影响,确定最佳的训练数据集。在确定最优输入特征集合和训练数据集的划分方式后,使用Stacking模型进行反演模型的训练。最后在测试集上进行反演结果评估,显示全球范围内CYgnss土壤湿度与SMAP土壤湿度特征相符,偏差均值为0.047cm/cm,均方根误差均值为0.068cm/cm,相关系数为0.8789。

关键词： gnss-r 土壤湿度阶段模型 Stacking 机器学习

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gnss-r原始中频数据处理及应用的研究

GNSS-R原始中频数据处理及应用的研究

作者：严梓钰上海海洋大学

学位级别：硕士

地球反射全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,gnss)信号可由地基、机载或专用轨道星载接收机接收,用于遥感和地球观测目的。近年来,gnss-r(Global navigation satellite system reflectometry technology)实验任务大多只能提供gnss-r Level-1(L1)数据即信号反射功率的延迟多普勒图(Delay Doppler Maps,DDM)作为主要数据产品,由于其时空分辨率较低且固定,已不能满足目前高精度的反演需求。除了DDM产品外,其中一些gnss-r任务实验还收集了大量的原始中频(Intermediate Frequency,IF)数据,原始中频数据是指在模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)之后和任何数字处理之前记录的原始卫星信号样本的数据流。这些原始中频数据的未处理性质为探索gnss反射测量(gnss-r)技术在先进地球物理应用提供了独特的机会。相较于gnss-r L1 DDM产品数据,使用软件定义的接收机对gnss-r的原始中频数据进行处理,可以提取出更多的潜在信息(如干涉载波相位观测值、残差多普勒观测值等),挖掘更多的反射面物理特性信息,获得更高分辨率的跟踪相关结果,反演结果具有更高的精度和更高的时空分辨率。本研究以gnss-r原始中频数据为基础进一步获取高时空分辨率、高精度的信号特征量进而实现gnss-r高精度反演,以目前本课题组实施的岸基gnss-r河流流速项目实验数据和公开的星载gnss-r原始中频数据为依托,以岸基平台下河流流速检测与星载平台下湖泊检测为科学目标,旨在提取gnss-r反射信号中的物理反演特征、提升gnss-r反演精度、挖掘更多gnss-r应用可行性。本文主要研究工作和贡献如下:(1)给出了岸基实验条件下gnss直射信号和反射信号捕获跟踪方法以及直射/反射信号之间码片延迟和载波相位观测值延迟的精确提取算法。(2)针对gnss-r星载遥感卫星原始反射信号高动态性、低信噪比的特点,将二阶锁频环辅助三阶锁相环的闭环跟踪方法运用于gnss-r原始反射中频数据的处理上,成功对星载实验条件下(以CYgnss(cyclone global navigation satellite system),TDS-1(Tech Demo Sat-1)为例)的原始中频数据实现了跟踪。对于CYgnss,分别给出了使用CYgnss原始中频数据对海洋和陆地表面的反射事件进行相关后生成DDM的结果,使用皮尔逊相关系数定量地对CYgnss原始中频数据的相关结果与对应的L1 DDM进行验证。其中,海洋反射事件的皮尔逊相关系数为0.976,陆地反射事件的皮尔逊相关系数为0.807,均表现出高相关性。对TDS-1原始数据相关结果分析,分别给出了其海面反射事件和海冰反射事件的相关结果,定性分析相关结果符合菲涅尔反射原理。CYgnss和TDS-1的结果证明了使用本文设计的跟踪环路,实施对星载实验条件下的gnss-r原始中频数据解调的泛用性,使用该方法可以生成更高分辨率的DDM,为后续星载实验条件下的高分辨率反演奠定了基础。(3)在实现对岸基平台下gnss-r原始中频数据解调与跟踪的基础上,本研究使用基于载波相位观测值的河流流速反演模型。干涉相位是多普勒频率的积分。通过第一章介绍的闭环跟踪方法对gnss-r原始中频数据集进行跟踪处理,得到河流流动产生的多普勒频移观测值,进而实现速度反演。实验数据为本课题组于2021年4月22日,在江苏省南京市大胜关长江南岸进行了近两个小时的岸基河流实验数据。在使用GPS L1频段gnss-r原始中频数据实现河流流速反演后,进一步实现了BDS B1I GEO卫星与IGSO卫星的联合反演,验证了利用BDS反射信号反演河流流速的可行性。与实际河流流速相比,GPS L1 PrN4(第一阶段)反演精度可达0.028 m/s(平均绝对误差,MAE)和0.036 m/s(均方根误差,rMSE)。BDS GEO 2反演精度可达0.048 m/s(MAE)和0.063 m/s(rMSE),BDS IGSO 10反演精度可达0.061 m/s(MAE)和0.073 m/s(rMSE)。进一步分析实验环境表明,卫星高度角变化率和镜面点与流量表的距离对河流流速反演精度有一定的负面影响。镜面点被障碍物阻挡或距离测速仪太远,都可能导致MAE和rMSE的不确定误差。无论是卫星高度角还是信号强度都与反演精度没有明显的相关性,这与理论原理是一致的。(4)在实现对星载平台下CYgnss、TDS-1原始中频数据解调与跟踪的基础上,本文首次使用CYgnss原始中频数据,使用第一章对星载平台下gnss-r原始中频数据的处理方法成功生成较CYgnss Compressed DDM更高时延维度和多普勒

关键词： gnss-r 原始中频数据高分辨率DDM 河流流速检测湖泊边界检测

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逐历元gnss-r测高单差和双差算法

测绘学报 2016年第7期45卷 795-802页

作者：王娜子鲍李峰高凡中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室湖北武汉430077 中国科学院大学北京100049 山东大学空间科学研究院山东威海264209

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... 详细信息

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。

关键词： gnss-r 反射信号单差算法双差算法水面高监测