星载GNSS-R海面风场观测载荷关键技术设计与验证

目前海面风场观测手段有限,基于全球导航卫星系统反射信号处理(global navigation satellite system reflection,GNSS-R)的天基观测为全球风场信息获取提供了全新的手段.GNSS-R海面风速探测技术具有全天时、全天候、低功耗、宽覆盖、多信号源、低成本等特点,日益获得了广泛的关注...     

捕风一号卫星总体设计与技术特点

捕风一号卫星是中国首次实现基于星载导航卫星反射信号测量(global navigation satellite system-reflection,GNSS-R)技术的气象卫星,采用新型L波段海面风场信息探测技术,在风场测量、海面飓风风速反演等方面为国家气象、防灾减灾等行业提供服务.从系统设计角度介绍了捕风一号卫星的总...     

海表温度对中法海洋卫星散射计测量的影响

卫星散射计通过测量海表粗糙度反演全球海面风场。对于Ku波段散射计，海表粗糙不仅和海面风场相关，还受海表温度的二阶效应调制。定量研究了海表温度对中法海洋卫星（CFOSAT）散射计（CSCAT）反演风速和后向散射测量的影响。结果表明，CSCAT两种极化方式测量的后向散射系数都会受到海表温度的影响，但是垂直极化中低入射角（θ <36°）测量的后向散射系数几乎不随温度变化。因此CSCAT的风速偏差也随海表温度的变化而变化，且随着入射角的增大和风速的减小，海表温度对风速偏差的影响程度增大。在数据分析的基础上提出了一种考虑海表温度影响机制的地球物理模式函数，为未来CFOSAT散射计风场反演的海温校正提供参考。     

全极化散射计极化失真误差校正方法

全极化散射计是一种新型微波散射计,可以同时测量目标的同极化和交叉极化散射系数.一方面能够解决传统散射计在海面风场反演中的风向模糊问题,提高海面风场测量精度,另一方面交叉极化散射系数可以有效提高海面风速测量范围,解决台风灾害监测和预报问题.利用全极化散射计数据进行高精度海面风场反演,首先需要解决全极化散射计系统极化失真误差导致无法准确测量目标不同极化散射系数的问题.本文基于全极化散射计信号模型推导了极化失真误差影响下极化散射系数模型,并对极化失真误差影响进行了定量分析.在极化散射系数模型基础上,通过引入海面散射特性假设和极化定标技术推导了极化散射系数校正模型.基于RADARSAT-2获取的不同区域海面全极化散射系数数据仿真误差影响下极化散射系数并利用该模型进行校正,结果表明该方法可以有效校正极化失真误差,显著提高极化散射系数测量精度.      

飓风天气下机载SFMR与星载微波遥感海面风速的对比分析

飓风天气下多种探测技术提供的海面风速的一致性备受关注。飓风侦察机搭载的步进频率微波辐射计(SFMR)提供的海面高风速数据是海面风速最主要的现场观测数据源。本文旨在分析SFMR风速与星载微波散射计(C波段欧洲MetOp系列卫星散射计ASCAT,Ku波段中法海洋卫星散射计CSCAT和中国HY-2系列卫星散射计HSCAT)和微波辐射计(SMAP和SMOS)遥感风速的一致性。通过分析SFMR风速随空间尺度变化的关系,进而提出了SFMR与散射计和辐射计数据进行时空匹配的方法。结果表明,高风速(>15 m·s^–1)辐射计比散射计风速与SFMR风速的一致性更好,风速高于25 m·s^–1时Ku波段散射计风速趋于饱和。高风速下降雨也是影响散射计风速误差的重要因素,但依赖于风速的误差显著高于降雨影响带来的误差。基于SFMR数据进一步揭示了星载微波散射计和辐射计提供海面风速的误差特征,为遥感数据应用提供参考。     

美国“气旋全球导航卫星系统”与应用

正2019年6月5日,我国在黄海海域利用长征11号运载火箭发射了基于全球卫星导航系统反射信号技术(GNSS-R)的捕风一号A/B试验卫星,实现了我国全天候探测海面风场零的突破,为台风海洋监测预报业务提供重要数据支撑。早在1993年,欧洲航天局(ESA)就提出了GNSS-R概念,2003年,英国灾难监测星座(UK-DMC)卫星利用其搭载的GNSS-R仪器成功获得了海面粗糙度等数据,2014年,英国发射搭载了"海状态载荷"的技术试验验证卫星-1(TDS-1),首次提供延迟多普勒映射(DDM)数据产品,开启了星载反射测量的应用。2016年12月15日,美国国家航空航天局(NASA)利用飞马座-XL(Pegasus-XL)运载火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成功发射了采用GPS技术改进天基飓风观测能力的"气旋全球导航卫星系统"(CYGNSS)。本文拟对CYGNSS卫星星座的技术指标及其应用情况进行介绍,供读者进一步理解全球导航卫星系统与遥感技术的融合应用。     

基于树模型机器学习方法的GNSS-R海面风速反演

GNSS-R是基于GNSS卫星反射信号的一种新技术.GNSS-R技术可以运用到海面风场反演中，传统的GNSS-R技术反演海面风场主要有波形匹配和经验函数两种方法，风速反演精度约为2m·s-1.波形匹配方法耗时多，计算量大；经验函数方法通常只使用少量物理观测量，会造成信息浪费，损失一定的反演精度.为了提高海面风速的反演精度，引入机器学习领域常用的树模型算法决策树、随机森林、GBDT等对海面风速进行预测.利用GNSS-R与ECMWF数据构成训练集和验证集，训练集用于模型学习，验证集用于检验模型的反演效果.实验结果显示，决策树和随机森林预测误差约为0.6m·s-1，GBDT等算法的预测误差约为2m·s-1，满足风速反演要求.与GNSS-R传统反演方法相比，机器学习树模型算法效果更好，在验证集上表现稳定且误差较小.因此，可以将机器学习树模型算法运用到海面风速反演中.      

黄河站和Tromso站亚暴期间热层风场观测结果

中高层大气风场探测对研究大气物理过程具有极为重要的意义，尤其是在极地地区，风场对大气结构的影响更为剧烈.针对亚暴期间中国北极黄河站和日本Tromso站上空OI557.7nm气辉层（低热层）中性风场，利用全天空法布里-珀罗干涉仪（all-sky Fabry-Perot Interferometer，all-sky FPI）探测气辉谱线的多普勒频移，反演气辉层的大气风场信息.结果表明，低热层风场平均水平在100m·s-1左右，热层风场在极地地区更为剧烈，纬度相对较低的Tromso站探测到的风速整体小于同期黄河站上空的风速.结合离子风数据，分析离子拖拽和焦耳加热对中性风的影响过程，发现极光亚暴不仅对低热层风场有增强作用，也有明显的抑制效果，但整体风向都垂直于极光弧变化.      

欧洲遥感卫星上的扫描辐射计

欧洲遥感卫星1号(ERS-1)上的扫描辐射计(ATSR)是特地为测量全球海面温度而研制的,海面温度又是计算海洋与大气之间传热速率所需的重要参数之一。AT-SR是ERS-1上唯一的被动式仪器,也就是说它探测和测量来自地球表面的辐射;而ERS-1上的其他微波仪器,探测的是仪器发射出去又经地面反射回来的电磁辐射。     

CYGNSS海面风速固有误差与时空分布特征

全球导航卫星系统反射测量（GNSS-R）是一种新兴的海面风速遥感技术,对GNSS-R反演风速进行详细定量分析是该技术从科学研究走向业务应用的必要条件。 以气旋全球导航卫星系统（CYGNSS）的风速数据为例,利用时空匹配的浮标风速和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的预报风速数据,详细分析了CYGNSS遥感风速的气候态特征和时空分布特征。基于三配对数据分析方法,阐明了CYGNSS遥感风速的固有误差,并提出了相应的风速标定系数。研究表明:GYGNSS的中低风速（w <10 m·s–1）精度较好,但高风速的误差显著增大;风速误差具有良好的时间一致性,但呈现明显的空间分布不均匀现象;总体而言,CYGNSS风速的固有误差约为1.79 m·s–1。研究结果一方面可为CYGNSS风速数据的业务应用提供参考,另一方面也为进一步标定CYGNSS的反射测量信号提供依据。      

POBI interpolation algorithm for CYGNSS near real time flood detection research: A case study of extreme precipitation events in Henan,China in 2021

In late 2016, NASA launched the first constellation of the global navigation satellite system reflectometry (GNSS-R) small satellites called the Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS). The stable data quality and continuous free availability of CYGNSS scientific data provided a new method for flood monitoring. However, owing to the pseudorandom distribution of CYGNSS data, researchers must always choose between high temporal resolution and high spatial resolution during the performance of flood monitoring based on CYGNSS data. For floods caused by extreme precipitation with sudden and short durations, the current flood mapping based on CYGNSS data cannot be updated in near real time. However, the near real time update of the flood distribution range is meaningful for postdisaster emergency response and rapid rescue. This study aimed to address this problem using a newly proposed spatial interpolation method based on previously observed behaviour (POBI). First, a method for calculating the surface reflectivity of the CYGNSS was introduced, followed by the principle of the POBI spatial interpolation method. The applicability of the POBI method in Henan Province, China, was then analysed, and by using the flood in Henan Province, China, in July 2021 as an example, the feasibility of CYGNSS near real time flood mapping based on the POBI method was evaluated. Based on the results, near real time and 3 km flood distribution monitoring results can be obtained using the proposed new method. The results were evaluated using MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) images and compared with the observations of SMAP (Soil Moisture Active Passive) and GPM (Global Precipitation Measurement) in the same period. The results show that the flooded areas obtained by CYGNSS correspond to the inundated areas in MODIS images and are also in high agreement with the SMAP. In addition, CYGNSS allows for finer mapping and quantification of inundation areas and flood duration. Moreover, we also discussed the potential of CYGNSS to detect floods in shorter periods of time (a few hours) and did a preliminary evaluation using precipitation data from meteorological stations. The results are also highly consistent.     

Ocean Observation from Haiyang Satellites: 2012–2014

During 2012 and 2014, China has two Haiyang(which means ocean in Chinese, referred to as HY) satellites operating normally in space which are HY-1B and HY-2A. HY-1B is an ocean color environment satellite which was launched in April 2007 to observe global ocean color and sea surface temperature, and HY-2A is an ocean dynamic environment satellite which was launched in August 2011 to obtain global marine dynamic environment parameters including sea surface height,significant wave height, ocean wind vectors, etc. Ocean observation data provided by HY-1B and HY-2A have been widely used by both domestic and international users in extensive areas such as ocean environment protection, ocean disaster prevention and reduction, marine environment forecast,ocean resource development and management, ocean investigations and scientific researches, etc.     

基于地面移动通信基站的差分气压测高方法

为了解决现有的卫星定位系统高程定位精度较低的问题,提出利用已发展完备的地面移动通信基站作为气压差分测量基准点的差分气压测高的方法.该方法以用户接收机附近的分布密集的地面移动通信基站为气压校正基准点,并利用移动通信基站的传输链路把相关的测量数据传送给用户,用户接收机便可以用移动通信基站观测点的高程值、气压值以及温度值,结合接收机测点处的气压值和温度值,利用高程与气压值之间的对应关系,得到用户接收机处的绝对高程值.实际试验结果表明:使用本方法后,室内高程定位精度约为1 m,室外的高程定位精度优于1 m.测高分辨率约为0.2 m,可以使GNSS(Global Navigation Satellite System)的三维位置定位精度提高约60%.本方法不仅可以弥补GNSS高程精度差的缺陷,作为高程约束参与测量方程解算还会提高水平测量精度,而且还克服了传统的气压测高精度依赖于气象站,而大多数用户接收机离气象站的距离较远,造成气压测高精度偏低的局限性.所以本方法能辅助增强卫星导航系统,提高三维定位精度,用于室内定位可以解决室内楼层的分辨问题.