星载雷达高度计沙漠散射特性及定标方法研究

为了提高星载雷达高度计海面风速产品的精度并更好地修正海况偏差的影响,有必要对高度计测量的后向散射系数进行定标。分布目标是星载雷达散射系数定标的有效手段,而沙漠的散射特性特别适于高度计的散射系数定标。检验了Jason-2卫星高度计的沙漠回波波形,在澳大利亚辛普森沙漠和我国的塔克拉玛干沙漠选取了适当的区域,收集了在这些区域长达7a的Jason-2高度计数据。基于这些数据,研究了Jason-2卫星雷达高度计在沙漠上的散射系数特性,并提出了基于沙漠的散射系数定标方法,分析了其原理、可行性和试验方案,探讨了高度计和现场定标散射计足迹匹配等关键技术,并对其定标误差进行了分析,论证了沙漠定标场可实现优于0.5dB的定标精度。该方法有助于进一步提升海洋2号(HY-2A)卫星风速和海况偏差产品的质量和应用前景。     

基于GPS浮标的高度计定标技术研究

20世纪90年代以来,卫星高度计在监测海平面变化、海洋环流、区域海面地形、气候变化等方面做出了巨大的贡献。但是,卫星高度计测量海面高度时都会存在偏差和偏移,需要进行定标。定标的基本原理是在卫星星下点位置处,卫星过境时刻现场测量海面绝对高度值,与卫星高度计的测量值进行对比,得到其偏差和偏移。利用自主设计的GPS浮标测量卫星过境时刻的瞬时绝对海面高度值,分别在山东石岛、海南清澜完成了4次针对HY-2卫星高度计的绝对定标工作。定标结果表明:(1)在岸基GPS基准站的支持下,使用自制的GPS浮标海面高程测量精度优于50mm,满足高度计定标检验的需求;(2)HY-2卫星高度计测量的海面高度测量值随时间产生了漂移,存在系统偏差;(3)通过使用Jason-2高度计数据对HY-2的相对定标和使用GPS浮标对其进行的绝对定标结果表明,HY-2绝对海面高度测量的精度可以达到国际先进水平。     

电离层延迟模型改进研究

由于电离层延迟会对卫星的定位精度产生很大的影响,传统的电离层延迟Klobuchar模型的预报精度不高,而且其对夜间电离层延迟以及对延迟峰值出现时刻的预报存在明显的不合理性。因此必须进行修正,根据实测电离层延迟数据的特点对传统的Klobuchar模型进行了改进,并利用非线性最小二乘迭代算法对两种模型进行参数拟合,采用拟合参数计算两种模型的拟合值。通过比较两种拟合值相对于实际测量值的精度,可以得出:改进模型比传统模型提高了电离层延迟预报的精度,并且改善了传统延迟模型预报中存在的不合理性。     

基于神经网络分类的星载雷达高度计近岸回波处理方法

对HY-2B卫星雷达高度计香港近岸波形进行了统计分析,将近岸非海洋波形分为似海洋波形、似陆地波形、单锥波形。在此基础上,提出基于神经网络分类的星载雷达高度计近岸回波处理方法,提取7项波形特征作为回波分类的输入,构建误差逆传播神经网络（Back propagation,BP）,不同的波形类别对应不同的重跟踪方法。其中针对似海洋波形,提出异常波峰剔除的重跟踪方法,有效提高了似海洋波形的重跟踪成功率。使用Jason-2卫星雷达高度计近岸数据进行实验,结果表明重跟踪成功率和数据有效性均得到提高;利用HY-2B卫星雷达高度计直湾岛海域数据进行实验,并将验潮站数据作为参照标准,重跟踪得到的海面高与验潮站的海面高进行差值比较,该方法得到差分序列的标准差为6.5 cm,优于传统处理方法的14.5 cm。     

雷达高度计海况偏差估计不同纬度区间参数模型研究

针对用传统的参数模型进行海况偏差估计存在较大误差的问题,提出一种分段建模的方法来改进对海况偏差的估计。根据全球范围内有效波高和风速的纬度方向分布,确定以20°为分段间隔,将全球划分为6个纬度区间。基于Jason-2高度计数据,根据泰勒展开,以有效波高和风速为变量,在各纬度区间分别构建海况偏差估计参数模型。用解释方差、拟合度和残差评价检验模型,并与传统参数模型的估计结果以及Jason-2高度计GDR中非参数估计结果进行了比对,结果表明:纬度分段参数模型的估计结果较之传统方法在各纬度区间均有提升,在低纬度区域尤为明显。在保证参数模型优势的同时达到了与非参数方法相当的估计精度。说明本文所建纬度分段参数模型能够有效提高全球范围内海况偏差的估计精度以及海表面高度的校正水平。     

基于共线和交叉点融合数据的高度计海况偏差参数模型的研究

海况偏差参数校正模型根据其采用的数据集可分为交叉点模型和共线模型,两者各有优劣。对交叉点和共线数据集进行融合建立融合数据集,并对融合数据集、交叉点数据集和共线数据集进行比对,结果表明：融合数据集具有时效性高、覆盖范围广、数据样本取值范围大的优点。其空间分辨率可以满足卫星雷达高度计观测需求。采用融合数据集计算得到模型的解释方差比其他两种高,说明该模型有效性更好。     

逆大气压校正结果对海况偏差的影响

基于最小二乘法原理,利用Jason-1高度计交叉点数据分析两种逆大气压校正结果对SSB的影响。结果表明,传统IB模型校正SSH后得到的SSB模型和MOG2D模型校正SSH后得到的SSB模型在SWH,U的大部分区域内符合较好,MOG2D校正结果对于SSB的影响主要集中在SWH大于6 m和U大于10 m/s的强海况海域,最大差异值可达2.6 cm。通过计算上述强海况海域交叉点不符值的RMS,MOG2D校正结果得到的RMS相比传统IB校正结果减小1.4 mm。并且采用MOG2D校正结果的SSB可解释方差值增大3.14 cm²,说明MOG2D校正结果对于建立SSB参数模型更有效,特别在强海况海域其影响不可忽略。     

基于搜索算法的电离层模型参数计算方法

电离层延迟是影响卫星定位精度的主要因素之一,使用准确的电离层延迟模型有助于提高卫星定位系统的精度.电离层延迟模型参数一般采用最小二乘法拟合得到,但是在实际工程中可能出现运算出错的情况.为了更准确地获取电离层延迟模型参数,给出两种搜索算法——松弛搜索法和随机搜索法,然后在分析两种算法优缺点的基础上,对搜索算法进行了改进,最后利用实测数据对提出的方法进行仿真.仿真结果表明,搜索算法避免了矩阵运算的困难,以及迭代初值对计算结果的影响,是电离层延迟参数计算的有效方法.     

电离层TEC演示系统的研制与实现

研究卫星信号优化电离层测量精度问题,电离层折射误差改正量TEC是卫星导航定位以及遥感、遥测等空间应用工程中备受关注的参量.现有电离层TEC现报系统,针对中国地区的细节特征和区域特性缺乏准确的现报结果,根据我国上空电离层所具有的特殊性和复杂性,提出构建适合中国区域的电离层TEC信息演示系统.利用全国地壳形变监测网的双频GPS数据,以matlab gui语言为工具,对于电离层TEC变化相对简单的中高纬地区,利用多项式拟合的单站计算方法.同时,给出以国际参考电离层IRI为传输模型.进行仿真,结果表明,系统操作方便,软件算法合理,具有较高的修正精度,为中国未来建立实用型系统具有科学的参考价值.     

卫星影像大气校正中气溶胶模型的影响分析-以天津地区为例

基于大气校正中常用的大气辐射传输模拟软件6S模型,探讨了不同气溶胶模型对卫星影像大气校正的影响及其适用性问题。选取我国环境小卫星星座HJ\|1的CCD传感器数据,以天津地区大气污染和较清洁条件下的卫星影像为例,基于6S进行大气校正,定量估算了气溶胶模型选取对大气校正精度的影响。与此同时,通过地面太阳-天空辐射计实测,获得研究区域整层大气气溶胶参数进行大气校正,并与基于气溶胶模型的校正结果进行对比,得到以下结论:①6S气溶胶模型中,大陆型与海洋型的校正结果比较接近,而城市型气溶胶模型由于含有较高的煤烟成分比例,其校正结果与前两种相差较大;②天津地区在大气污染情况下,适合应用大陆型气溶胶模型进行大气校正,而在大气较清洁的情况下可选择海洋型气溶胶模型。
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基于有源定标器的卫星雷达高度计近海测高基准重建方法研究

利用卫星雷达高度计开展高精度近海高度测量面临诸多问题,重构受污染的近海回波波形,建立近海测高基准是实现高精度近海高度测量的重要基础。介绍一种利用有源定标器重建卫星雷达高度计近海测高基准的方法,以HY-2卫星雷达高度计为例,分别分析了离岸距离大于20km、离岸距离小于2km及离岸距离处于2~20km之间处近海地区雷达高度计回波波形受影响情况,并从理论上推导了该方法建立近海测高基准的精度。在2012年7月5日唐山近海地区HY-2高度计在轨定标试验中,首次观测到近海地区有源定标器转发高度计信号的回波波形,结果表明:利用有源定标器重建卫星雷达高度计近海测高基准的方法可行,该方法将有助于提高近海测高精度。     

基于有源定标器的HY-2B卫星雷达高度计时钟频率偏差在轨测试

雷达高度计的主要功能是测量全球平均海平面高度（SSH：Sea Surface Height）,它通过准确测量收发脉冲之间的时间间隔来实现精准的星地距离测量,时间测量的准确度取决于高度计时钟的准确性。卫星在轨运行期间,雷达高度计时钟频率会产生缓慢漂移,时钟频率漂移会影响星地距离的测量准确度,造成对海面高程的测量偏差。在基于重建型有源定标器对HY-2A卫星高度计时钟偏差在轨测试方法的基础上,提出了从星地斜距函数曲线时间偏移量中提取高度计时钟偏差的估计方法,应用于HY-2B卫星雷达高度计在轨定标测试中,测量了雷达高度计时钟频率漂移量,精度优于0.001 Hz。结果表明：HY-2B高度计原子钟性能稳定,时钟频率偏差造成的测距偏差为毫米量级,平均测距漂移率为2.95×10^-7 m/d。     

Inundated wetland dynamics over boreal regions from remote sensing: the use of Topex‐Poseidon dual‐frequency radar altimeter observations

This study presents a first attempt to estimate the extent and seasonality of northern wetlands using radar altimeter satellite observations. The sensitivity of the Topex‐Poseidon dual‐frequency radar altimeter to detect inundation is investigated and compared with passive and active microwave satellite measurements along with a land surface climatology database. The C band backscatter altimeter signal clearly tracks passive microwave emissivity observations of wetlands and is able to detect small flooded areas. Because of the nadir incidence angle, the radar altimeter also shows more capability to detect wetlands than the C band scatterometer. Monthly flooded areas are calculated by estimating flooded pixel fractional coverage using the altimeter C band backscatter magnitude and a linear mixing model with dual‐frequency altimeter backscatter difference, C–Ku, to account for vegetation effects. Because of the Topex‐Poseidon satellite spatial coverage, the results are given only from 40° N to 66° N. This region nevertheless represents more than 30% of world's inundated surfaces during the summer. A direct validation of the inundated extent is unfortunately impossible on a large scale, due to the scarcity of quantitative observations. As a consequence, the results are evaluated by comparison with other existing estimates. Radar altimetry estimates, comprising natural wetlands and river/lakes, indicate a maximum inundated area of 1.86×10⁶ km² for July 1993 and 1994 as compared with 1.31×10⁶ km² from passive microwave technique and ～2.10×10⁶ km² from climatology dataset. The wetland seasonal variability derived from the altimeter and passive microwave techniques agrees well. These promising results could soon be applied to the ENVISAT dual‐frequency radar altimeter that will provide a better survey of global inundated surfaces thanks to its much more complete spatial coverage.     

地形对雷达高度计卫星自主导航精度影响分析

以中低轨道卫星为应用背景,对基于星载雷达高度计的卫星自主导航系统展开研究,着重分析了雷达高度计卫星自主导航中的关键因素,即地形起伏对导航精度的影响。根据实际地形的统计特性,并结合导航精度仿真分析的需要,建立了模拟地形的数学模型;对不同地形条件下雷达高度计卫星自主导航系统的导航精度进行了仿真研究,分析了不同的地形条件对雷达高度计卫星自主导航精度的影响。研究的结论对雷达高度计自主导航技术的实际应用将具有重要的参考价值。     

雷达高度计中最大似然算法的应用

首先从分析国外星载雷达高度计中的自适应处理器入手，介绍了最大似然算法的基本理论，旨在分析最大似然算法用于雷达高度计的技术方法，并对有关公式进行了详细的推导，并对国外有关文献中的一些公式的推导错误进行了纠正。     

一种提高海洋雷达高度计重跟踪估值精度的处理方法

重跟踪处理可以从雷达高度计接收的海洋回波信号中提取精确的测量信息,传统的海洋高度计重跟踪模型中没有考虑到仪器对回波信号的影响,这种影响造成回波波形与重跟踪模型的偏离,从而降低了重跟踪的参数提取精度。提出了一种利用点目标响应和加权窗进行海洋高度计重跟踪的新方法,该方法考虑了仪器对回波波形的影响因素,在此基础上重新构造了重跟踪的信号模型,使回波波形与重跟踪模型曲线之间符合更好,从而提高了参数提取的精度。利用该方法对SZ-4高度计的数据进行了处理,并将处理结果与同期测量的ERS-2高度计数据进行对比,对比结果显示该方法显著改善了参数提取的效果。     

Persistent iceberg groundings in the western Weddell Sea, Antarctica

We use the time-average of a series of satellite synthetic aperture radar (SAR) images from 2005 to 2007 to identify grounded icebergs in the western Weddell Sea. Satellite laser altimetry along repeated ground tracks confirms that regions of high mean backscatter are associated with stationary, tabular icebergs. The altimeter data also provide iceberg freeboard, from which we infer maximum ice draft assuming the lightly-grounded limit and a two-layer density model consistent with a source at Filchner-Ronne Ice Shelf. The maximum iceberg draft agrees very well with the ocean depth at a point where the bathymetry is well constrained by ship soundings. However, for an extensive region near 71°S, south of Larsen C Ice Shelf, the maximum grounding depth for several icebergs reveals the ocean to be locally more than 200 m shallower than in bathymetry products. This previously uncharted bank is expected to have a profound effect on the northward flow of the western Weddell Gyre and the cross-slope transport of offshore warm deep water towards the eastern Antarctic Peninsula ice shelves. Passive microwave data also show that sea-ice concentration is reduced in the vicinity of this group of grounded icebergs, indicating an iceberg influence on ocean/atmosphere heat and freshwater exchanges.